Рассчитать реактор-котел периодического действия.
Исходные данные для расчета:
Годова производительность установки, Vг=5,5*103 м3/год;
Начальная концентрация вещества А, xАн=0,2 кмоль/м3;
Степень превращения вещества А, xА=0,7;
Начальная концентрация вещества В, кмоль/м3-реакция нулевого порядка;
Температура реакции, tр=165 0С;
Константа скорости реакции, Кр=3,3*106;
Удельная теплота реакции, qр=5300*10-6 Дж/кмоль;
Вязкость жидкости, µж=10*10-3 Па*с;
Теплоемкость жидкости, Сж=3,2*103 Дж/(кг*К);
Теплопроводность жидкости, λж=0,11 Вт/(м*К);
Плотность жидкости, ρж=0,87*10-3 кг/м3.
Решение
При степени превращения и начальной концентрации 0,2 кмоль/м3 определим конечную концентрацию: 0,06 кмоль/м3.
Необходимое время реакции нулевого порядка рассчитываем по формуле:
446405-444500 3,6*10-7 с
Принимаем предварительно временный КПД реактора:
где τв - вспомогательное время работы реактора, и находим общее время цикла:
τц=3,6*10-7/0,7=5,1*10-7 с
Номинальный объем реактора рассчитываем по формуле:
где - время работы одного цикла, с; φ- коэффициент заполнения реактора;
φ = 0,7 – 0,8 при обработке непенящихся жидкостей; φ = 0,4 – 0,6 при обработке пенящихся жидкостей; ρ – плотность готового продукта, кг/м3; n – число параллельно работающих реакторов.
при п = 1, φ = 0,75:
V=1,36*10-7
По табл.1 предварительно принимаем реактор со следующими техническими данными: номинальный объем 1 м3, диаметр аппарата D = 1,2 м, высота уровня жидкости в аппарате 0,76 м, площадь поверхности теплообмена рубашки 3,4 м2
6) Выполним уточненный расчет.
В общем случае время цикла τц определяется как сумма:
τц = τр + τ1 + τ2 + τ3 + τ4 + τ5
Рассмотрим каждое слагаемое:
τр – продолжительность реакции, зависит от порядка реакции и рассчитывается по формулам:
для реакции нулевого порядка
где Кр0 – константа скорости реакции нулевого порядка, кмоль/(м2 с); хАн , хАк – начальная и конечная концентрация реагирующего вещества А в системе, кмоль/м3
для реакции первого порядка
где Кр1 – константа скорости реакции первого порядка, кмоль/(м2 с);
для реакции второго порядка
для реакции второго порядка
где Кр2 – константа скорости реакции второго порядка, кмоль/(м2 с); хВн – начальная концентрация реагирующего вещества В в системе, кмоль/м3
τ1 – время подготовки реактора к новому циклу, задается регламентом и составляет : τ1 = 10 – 60 мин.
τ2 – длительность загрузки реактора жидкостью:
где - объем жидкости в реакторе, м3; - производительность насоса, подающего жидкость в реактор, м3/с.
τ3 , τ4 – продолжительность разогрева τ3 и охлаждения τ4 реактора при известной площади поверхности рубашки (змеевика):
где F – площадь поверхности теплообмена, м2; К3,4 – коэффициент теплопередачи при нагревании и охлаждении, Вт/(м2 К); - средняя разность температур при нагревании и охлаждении; - количество теплоты, затрачиваемое для нагревания или охлаждения реакционной массы и реактора.
τ5 – длительность опорожнения реактора, зависит от способа выгрузки из него прореагировавшей жидкости.
Время τ5 ориентировочно может быть рассчитано по формуле:
,
а при опорожнении реактора через нижний сливной штуцер:
,
где - объем жидкости в аппарате, м3; - диаметр аппарата, м; - начальная высота уровня жидкости в аппарате, м.
7) Примем время подготовки реактора к новому циклу τ1 = 15 мин = 900с
. Для заполнения реактора реакционной массой используем насос производительностью
vнас = 3 м3/ч. Тогда:
2 = 0,75 1 3600 /3 = 900 с.
Время опорожнения реактора рассчитаем, исходя из условия слива жидкости через нижний штуцер:
Для расчета 3 и 4 дополнительно к исходным данным примем температуры реакционной массы до нагревания tн = 200С и после охлаждения tK = 30 °С, теплоемкость материала реактора (стали) ср = 515Дж/кг-К.
8) Масса реактора приближенно:
где Р- избыточное давление в реакторе, МПа.
9) Количество теплоты, затрачиваемое для нагревания и охлаждения реакционной массы и реактора:
,
где mp, mж – масса реактора и загруженной в него жидкости, кг; ср, сж – удельные теплоемкости материала реактора и жидкости, Дж/кг К; - разность температур в процессе нагревания и охлаждения:
,
где tp – температура реакции; tн – начальная температура жидкости до нагревания; tк– конечная температура жидкости после охлаждения;
Средняя разность температур рассчитывается по условиям нестационарного процесса теплообмена, так как при нагревании или охлаждении температура реакционной массы изменяется во времени.
Если при нагревании реакционной смеси от tн до tp жидкий теплоноситель не изменяет своего агрегатного состояния, т.е
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
