Подобрать барботажный реактор непрерывного действия для каталитического окисления углеводородов со средней молекулярной массой М=86 кг/кмоль

Теплофизические свойства рабочей жидкости в колонне при температуре tр=1100С: плотность ρж=790 кг/м3; вязкость μж=7,3∙10-4 Па∙с; поверхностное натяжение σ=23∙10-3 Н/м; удельная теплоемкость сж=2,7∙103Дж/(кг∙К); теплопроводность λж=0,2 Вт/(м∙К); удельная теплота испарения жидкости rи=4,2∙104 Дж/кг.
Тепловой поток реакции
Qр=qрVжρж=q1Gж=4,2∙105∙4,5∙7903600=4,2∙105∙0,98=4,1∙105 Вт
Для подвода теплоты реакции используем воду (пар) с начальной температурой θ1=1400С, охлаждаемую в реакторе до температуры θ2=1150С. В этом случае средний температурный напор при ∆t1=140-110=300С и ∆t2=140-115=250С.
∆tср=30-25ln3025=27,4 0С
Примем предварительно общий коэффициент теплопередачи К=270 Вт/(м2∙К). Полагая при предварительном расчете равенство тепловых потоков Qp и QF, получим ориентировочную площадь поверхности теплообмена в реакторе
F=QрK∙∆tср=4,1∙105270∙27,4=55 м2
Объем жидкости в реакторе
vж=Vжτр=4,5∙8=36 м3
Приняв предварительно среднее газосодержание в аппарате φг=0,15, найдем его рабочий объем (объем газожидкостной смеси)
vсм=vж1-φг=361-0,15=42,3 м3
Удельная теплообменная поверхность аппарата Fуд=F/vсм=55/42,3=1,3м-1, что менее 10 м-1, следовательно, в качестве реактора можно взять барботажную колонну.
При гидравлическом расчете барботажной колонны примем приведенную скорость газа wг=0,05 м/с. Тогда при расходе газа, приведенном к рабочим условиям
Vг=Vг0Tрp0T0pр=12003600∙273+110273+20∙0,10,33=0,132 м3/с
получим внутренний диаметр колонны
D=0,1320,785∙0,05=1,83 м
Примем диаметр колонны D=1,8 м. Действительная скорость газа в колонне составит
wг=0,1320,785∙1,82=0,052 м/с
При плотности воздуха при рабочих условиях
ρг=ρг0T0pрTрp0=1,2∙273+20273+110∙0,20,1=1,83 кг/м3
объемное газосодержание системы в колонне будет
φг=0,4(ρгρж)0,15wг4∆ρσg0,68=0,4∙1,837900,15∙0,052∙4790-1,8323∙10-3∙9,810,68=0,08
Для расчета высоты газожидкостной смеси в колонне примем объем части аппарата, расположенной ниже барботера
vн.б.=πD24∙hц+vдн=3,14∙1,824∙0,1+0,86=1,11 м3
где hц- расстояние от барботера до днища колонны, hц=0,1 м;
vдн- объем днища, vдн=0,86 м3 (см. табл. 10 приложения [1]).
Высота газожидкостной смеси
Hсм=vж-vнб∙4πD2a1-φг=(36-1,11)∙43,14∙1,82∙0,9∙1-0,08=16,5 м
Общая высота колонны
Hк=Hсм+hц+Hсеп+2hдн=16,5+0,1+0,8+2∙0,44=18,3 м
где Нсеп- высота сепарационной части колонны, Нсеп=0,8 м (см . табл. 8.2); hдн- высота днища; hдн=0,4+0,04=0,44 м (см. табл. 10 приложения [1]).
Окончательно примем высоту Нк=18,5 м.
В качестве барботера примем газораспределитель, изображенный на рисунке 1.
Рисунок 1-Газораспределитель барботажной колонны
Задавшись скоростью воздуха в трубах барботера wб=25 м/с, найдем внутренний диаметр его центральной трубы
dб=4Vгπwб=4∙0,1323,14∙25=0,082 м
По табл. 9 приложения [1] принимаем трубу диаметром 83×3,5.
Скорость газа в отверстиях барботера
wо=3,4dб.в.ρжρг=3,40,082∙7901,83=20 м/с
Примем диаметр отверстий в барботере d0=10 мм, тогда необходимое количество отверстий будет
zо=4Vгπd02w0=4∙0,1323,14∙0,012∙20=84
Это количество отверстий можно разместить на боковых патрубках барботера (см. рис.1) с шагом t=0,2 м.
Давление газа в барботере пр давлении в сепарационной части аппарата рсеп=0,1 МПа будет
pб=pсеп+Hсмρсмg+∆pб=105+16,5∙790∙1-0,08∙9,8+1,9∙1,83∙2022=2,18∙105 Па
Сравнение значений, составляющих рб, показывает, что при практических расчетах величиной Δрб можно пренебречь.
Для теплового расчета барботажной колонны найдем составляющие уравнения теплового баланса колонны.
Теплосодержание жидкости, подаваемой в аппарат с начальной температурой tн=250С, iж1=сжtн=1,9∙103∙25=0,47∙105 Дж/кг.
Теплосодержание жидкости, уходящей из аппарата iж2=сжtр=1,9∙103∙110=2,09∙105 Дж/кг.
Теплосодержание воздуха, поступающего в колонну при температуре 250С и несущего в себе паров реакционной жидкости, iг1=сгtн=103∙25=0,25∙105Дж/кг, где сг- удельная теплоемкость воздуха, сг=103Дж/(кг∙К) (см. рис. 7 приложения [1]).
Содержание паров жидкости в воздухе, выходящем из колонны при давлении насыщенных паров рп=0,53∙105Па
x2=8629∙0,53∙1051∙105-0,53∙105=3,7 кг/кг
Теплосодержание воздуха, выходящего из колонны
iг2=cгtр+rиx2=103∙110+4,2∙104∙3,7=2,65∙105 Дж/кг
Мощность, диссипируемая в объеме жидкости
N=pбVг=2,18∙105∙0,132=0,28∙105 Вт
Поток тепловых потерь примем
Qпот=0,1Qр=0,1∙4,1∙105=0,41∙105 Вт
При этих данных необходимо отвести через теплообменную поверхность тепловой поток
QF=4,1∙105+0,98∙0,47∙105+0,132∙1,83∙0,25∙105+0,28∙105-0,98∙2,09∙105-0,132∙1,83∙2,65∙105-0,41∙105=1,8∙105 Вт
Рассчитаем тепловой поток, который можно отвести через стенки колонны, заключенные в рубашку.
Для газожидкостной смеси в колонне имеем значения:
Prж=cжμжλж=1,9∙103∙7,3∙10-40,2=7
Kб=wгρж13μжg13=0,052∙7900,33(7,3∙10-4∙9,81)0,33=2,4
При этих данных
Nu=0,146∙Kб0,25∙Prж0,33=0,146∙2,40,25∙70,33=0,345
Коэффициент теплоотдачи от газожидкостной смеси к стенке теплообменного элемента
a1=Nuλжρж2gμж213=0,345∙0,2∙7902∙9,817,3∙10-420,33=1408 Вт/(м2∙К)
Примем в соответствии с рекомендациями табл