ВЫБОР РЕАКТОРОВ ДЛЯ ОПЕРАЦИЙ ТП-5.1. – ТП-5.6
Алгоритм выбора реакторов достаточно стандартен. Необходимо учесть: свойства среды (взрывопожароопасность, токсичность, коррозионность, абразивность, плотность, вязкость); условия ведения процесса и эксплуатации аппаратов (температура, давление, выделение токсичных газов); требования к чистоте продукта (в частности: GMP); материальный баланс процесса (минимальный и максимальный объём среды в аппарате).
Эти условия налагают ряд ограничений на рациональный выбор аппарата.
1. Конструкционные материалы рабочих узлов.
В ХТ БАВ предъявляются достаточно жёсткие требования к чистоте субстанций и полупродуктов. Современные аналитические методы позволяют идентифицировать многие примеси при содержании их 10-4 % и даже менее – что приводит к бракованию продукта. При этом реакционные среды, как правило, отличаются высокой коррозионностью. Поэтому практически во всех случаях рабочие (контактирующие со средой) узлы оборудования должны быть из материалов, характеризуемых линейной скоростью коррозии не более 1 мкм/год и классифицируемых по коррозионной стойкости как «совершенно стойкие». В связи с этим для всех стадий и операций ВР, ТП и ПО следует без колебаний выбирать аппараты из нержавеющих сталей класса Х18Н10Т, эмалированные, титановые; в случае производств особой чистых продуктов – также фарфоровые, стеклянные и кварцевые.
2. Тип уплотнения.
Недопустимо применение аппаратов с сальниковыми уплотнениями на стадиях получения фармакопейных субстанций; в процессах при давлениях ниже (-65) и выше 600 кПа; в процессах, связанных с выделением токсичных газов и паров, в т.ч. – кипением сред. Манжетные уплотнения применимы в неабразивных средах при давлениях от (-70) до 70 кПа. Как правило, следует выбирать аппараты с торцовыми, втулочными или магнитными уплотнениями (последние – для самых агрессивных сред и высоких давлений).
|
|
3. Тип мешалки.
Быстроходные мешалки (пропеллерные, дисковые, фрезерные, турбинные) обеспечивают высокую интенсивность перемешивания при значительных градиентах скоростей течения среды. Применять их следует в процессах, требующих высокоэффективного тепломассообмена, диспергирования жидкостей и газов, суспендирования осадков; отличающихся тепловой плотностью порядка 40 кВт/м3 – таких как: нитрование; хлорирование; диазотирование; газожидкофазное окисление; каталитическое гидрирование; реакции с комплексами Льюиса и Вильсмайера; нейтрализация кислот, галогенангидридов и оснований – в средах с вязкостью не более 10 Па.с. Следует очень осторожно использовать их в экстракторах – при межфазном натяжении менее 20 мН/м возможно образование стойких эмульсий, что приводит к росту потерь продукта.
В целом, если нет явных весомых оснований (как вышеупомянутые) – следует изначально выбирать тихоходные и среднескоростные мешалки – якорные, рамные, грабельные, листовые, лопастные, импеллерные, шнековые. Как правило, они обеспечивают необходимую интенсивность переноса в среде при значительно меньшей мощности привода.
В процессах, образующих высоковязкие среды без разбавителей (сульфирование, тионирование, карбоксилирование по Кольбе-и-Шмидту, восстановление металлами, щелочное плавление; реакции с металлоорганическими соединениями) следует применять ленточные, якорные или клетьевые мешалки скребкового типа.
|
|
4. Класс прочности аппарата.
Определяемые конструкцией выбираемых аппаратов допустимые температуры и давления должны полностью охватывать диапазон рабочих температур и давлений в ходе проектируемого процесса.
5. Тип теплообменных устройств.
Если проектируемый процесс характеризуется тепловой мощностью не выше 80 кВт/м3, то на этапах техпредложения и техпроекта изначально следует выбирать аппараты с гладкими рубашками. Только если тепловой расчёт покажет, что такой аппарат при использовании любых предусмотренных проектом энергоносителей не обеспечивает нужной интенсивности теплопередачи, – следует либо оснастить реактор встроенным змеевиком или пальцем, либо использовать аппарат с полутрубными или вмятыми рубашками. Обязательно нужно учитывать допустимую температуру и давление в теплообменных устройствах.
6. Типоразмер аппарата.
Материальный баланс процесса определяет требуемую вместимость аппарата. Решающие факторы здесь: минимальный и максимальный объём среды (находимые из материальной циклограммы процесса); допустимый коэффициент заполнения аппарата, определяемый условиями процесса.
Приложение этих принципов к производству ФМИК позволяет представить все результаты в виде таблицы.
Таблица – Выбор реакторов, мерников и сборников
| Позиция | Р-7 | Р-10 | Р-14 | Р-18 | Р-26 | ||||||
| Операции | ТП-5.1 | ТП-5.2 | ТП-5.3 | ТП-5.4 и ТП-5.5 | ТП-5.6 | ||||||
| Свойства среды | |||||||||||
| Агрессивность | + | + | + | + | + | ||||||
| Взрывопожароопасность | + | + | + | + | + | ||||||
| Токсичность | + | + | + | + | + | ||||||
| Абразивность | - | - | - | - | - | ||||||
| Условия процесса | |||||||||||
| Температура, ОС | (-5)…25 | (-5)…25 | 20…60 | 20…30 | 20…30 | ||||||
| Давление, кПа | (-70)…70 | (-70)…70 | (-70)…70 | (-70)…70 | (-70)…70 | ||||||
| Эксплуатация | Фильтрование | Эксплуатация | |||||||||
| Выделение опасных газов или паров | - | - | + (кипение среды: ДХЭ и Мтл) | - | - | ||||||
| Допустимый коэффициент заполнения φ | 0,8 | 0,8 | 0,6 | 0,8 | 0,8 | ||||||
| Требования к чистоте продукта | |||||||||||
| Высокие, GMP | |||||||||||
| Общие требования к конструкции аппарата | |||||||||||
| Допускаемые материалы: нержавеющая сталь, титан, эмалированная сталь, эмалированный чугун. Требования прочности: расчётное давление в корпусе – 0,6 Мпа.Тип теплообменных устройств: особые требования неочевидны; допустимо использовать аппараты с гладкими рубашками. Тип мешалки: особые требования неочевидны; допустимо использовать аппараты с тихоходными мешалками. Допускаемые типы уплотнений: торцовое, магнитное. | |||||||||||
| Материальный баланс | |||||||||||
| VMIN, л | |||||||||||
| VMAX, л | |||||||||||
| VРАСЧ = VMAX /φ, л | |||||||||||
| Тип аппарата | |||||||||||
| Следует по возможности выбирать аппараты одного типа (унификация) и в наиболее простом исполнении из всех допускаемых вариантов | Стальной эмалированный с гладкой рубашкой, якорной мешалкой и торцовым уплотнением; расчётное давление в корпусе/рубашке – 0,6/0,3 Мпа. | ||||||||||
| Марка аппарата | |||||||||||
| РСЭрнв- 1,6-2-12/04 | РСЭрнв-2,5-2-12/04 | РСЭрнв- 3,2-2-12/04 | РСЭрнв- 4,0-2-12/04 | ||||||||
| Основные технические данные | |||||||||||
| Диаметр котла D, мм | |||||||||||
| Диаметр наружный D0, мм | |||||||||||
| Высота габаритная Н, мм | |||||||||||
| Высота корпуса Н0, мм | |||||||||||
| Поверхность теплообмена, F, м2 | 4,74 | 5,9 | 7,85 | 8,70 | |||||||
| Мощность привода, кВт | 3,0 | 5,5 | 5,5 | 7,5 | |||||||
| Масса, кг | |||||||||||
| Рабочая температура, ОС | От (-50) до 250 | ||||||||||
| Рабочее давление, кПа - в корпусе - в рубашке | От (-80) до 300 | ||||||||||
|
|
ВЫБОР МЕРНИКОВ И СБОРНИКОВ ДЛЯ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК ОПЕРАЦИЙ ТП-5.1. – ТП-5.6
Мерники и сборники выбирают на основании тех же принципов: учёт требований чистоты продукта; условия процесса; свойства среды, - что и реакторы. Учёт материального баланса имеет специфику.
1. Мерники проектируют из расчёта проведения одной серии (цикла) процесса. Для подачи каждого продукта в каждый аппарат следует проектировать отдельный мерник, даже несмотря на то, что это увеличивает количество мерников и необходимых КИПСА, существенно удорожая установку. Использование мерника для подачи одного продукта в разные аппараты, равно как и для подачи в один аппарат разных продуктов весьма нежелательно – поскольку при этом неизбежен риск ошибки в количестве продукта или несвоевременной подачи его, что грозит, как минимум, потерей качества и выхода продукта; в худшем же случае - аварией.
Также необходимо учитывать то, что мерники как устройства для объёмного дозирования продуктов являются средствами измерений. Как таковые, они подлежать поверке или калибровке; при этом действующие правила Федерального Агентства по метрологии и техническому регулированию Минпрома России (Госстандарт) устанавливают максимальный номинальный объём мерника равным 1 м3. Если требуется дозировать больший объём, следует использовать несколько мерников либо дозировать в несколько приёмов – или использовать дозировочные насосы.
Условие выбора мерника:
()
Допустимые значения коэффициента заполнения:
()
2. Сборники. Здесь, напротив, вполне допустимо и даже желательно использовать один сборник для приёма, хранения и распределения одного продукта в несколько аппаратов и мерников. Есть разумные ограничения, определённые условиями обеспечения устойчивой работы производства и одновременно - хранения минимально возможного количества опасных продуктов. Сборник должен вмещать количество продукта не меньшее, чем для одного цикла (серии) производства. Для длительных процессов сборники проектируют из расчёта проведения 1-3 серий (циклов) процесса; для быстрых процессов – из расчёта работы в течение 1-3 суток. Число сборников должно быть минимально возможным, но жёстких ограничений здесь нет.
Условие выбора сборников:
()
Допустимые значения коэффициента заполнения: аналогично мерникам – условие ().
Таблица – Выбор мерников и сборников
| Условия выбора мерников и сборников | ||||||||
| Требования чистоты продукта. Высокие – GMP. Условия процесса– по существу одинаковы для всех сосудов. Температура t=(20…25)ОС Давление [(-70)…70] кПа; используется для загрузки/выгрузки продуктов и проверки герметичности сосудов. Среда. Коррозионная, токсичная, взрывопожароопасная, неабразивная. | ||||||||
| Требования к конструкции сосудов | Допускаемые материалы: нержавеющая сталь, титан, эмалированная сталь, эмалированный чугун. Требования прочности: расчётное давление в корпусе – 0,6 Мпа. Тип теплообменных устройств:не нужны. Тип мешалки::не нужны. | |||||||
| Выбор типа сосудов | В целях унификации типов аппаратуры выбирают стальные эмалированные мерники и сборники по ГОСТ 19861. Для всех сосудов принято: Коэффициент заполнения φ = 0,85; число суток работы К=2 | |||||||
| № позиции | Объём среды, л | Тип сосуда | Габаритные размеры и масса сосуда | |||||
| VЦ | VСУТ | |||||||
| Сосуды общего назначения; число суток работы К=2 | ||||||||
| Сб-1. Сборник раствора БГХ | ССЭн-2,5-1-02-01 | 1600х1500(1950) мм. М=1410 кг | ||||||
| Сб-2. Сборник товарного метанола | 80,8 | ССЭн-0,63-1-02-01 | 900х1100(1400) мм. М=600 кг | |||||
| Сб-3. Сборник регенерированного метанола | ССЭн-4,0-1-02-01 | 1600х2200(2650) мм. М=1900 кг | ||||||
| Сб-4. Сборник 44 % р-ра щёлочи | 219,9 | ССЭн-1,6-1-02-01 | 1200х1850(2150) мм. М=1125 кг | |||||
| Сб-5. Сборник АУЭ | ССЭн-0,63-1-02-01 | 900х1100(1400) мм. М=600 кг | ||||||
| ТП-5.1 Конденсация | ||||||||
| М-8. Мерник АУЭ | - | МСЭн-0,16-1-02-01 | 600х600(700) мм. М=190 кг | |||||
| М-9. Мерник 44 % р-ра щёлочи | 83,1 | - | МСЭн-0,16-1-02-01 | 600х600(700) мм. М=190 кг | ||||
| ТП-5.2 Экстракция ФМИКЭ; число суток работы К=1,5 | ||||||||
| М-11. Мерник 44 % р-ра щёлочи | 28,1 | - | МСЭн-0,063-1-02-01 | 500х400(450) мм. М=95 кг | ||||
| Сб-12. Сборник экстракта ФМИКЭ | ССЭн-2,5-1-02-01 | 1600х1500(1950) мм. М=1410 кг | ||||||
| Сб-13. Сборник рафината | ССЭн-4,0-1-02-01 | 1600х2150(2650) мм. М=1900 кг | ||||||
| ТП-2.1. Омыление ФМИКЭ | ||||||||
| М-15. Мерник 44 % р-ра щёлочи | 108,7 | - | МСЭн-0,16-1-02-01 | 600х600(700) мм. М=190 кг | ||||
| ТП-5.4. ТП-5.5. Экстракция и очистка раствора ФМИКNa; число суток работы К=1,5 | ||||||||
| Сб-18. Сборник рафината | ССЭн-2,5-1-02-01 | 1600х1500(1950) мм. М=1410 кг | ||||||
| Сб-19.Сборник 10 % серной кислоты | 868,2 | СЭн-4,0-1-02-01 | 1600х2150(2650) мм. М=1900 кг | |||||
| М-20. Мерник 10 % серной кислоты | - | МСЭн-0,63-1-02-01 | 900х1100(1400) мм. М=600 кг | |||||
| ТП-5.6. Кристаллизация ФМИК | ||||||||
| М-27. Мерник 10 % серной кислоты | 452,2 | - | МСЭн-0,63-1-02-01 | 900х1100(1400) мм. М=600 кг | ||||
РАСЧЁТ РЕАКТОРА Р-7 ДЛЯ ОПЕРАЦИИ ТП-1.1.