Рассчитать реактор-котел периодического действия для переработки 8,5∙10-3 м3/год реакционной смеси при следующих исходных данных.
Начальная концентрация реагирующего вещества хАн=0,3 кмоль/м3; степень превращения хА=0,6; константа скорости реакции, протекающей по нулевому порядку, Кр0=6,6∙10-6 кмоль/(м3∙с); температура реакции tр=132 0С; давление в реакторе р=0,3 МПа; тепловой эффект реакции (экзотермической) q=2,6∙109 Дж/кмоль; реакционная смесь имеет следующие физические свойства: ρж=930 кг/м3; μж=0,0043 Па∙с; сж=2800 Дж/(кг∙К); λж=0,15 Вт/м∙К.
Решение
При степени превращения х=(хн-хк)/хн=0,6 и начальной концентрации хн=0,3 кмоль/м3 конечная концентрация будет хк=хн(1-х)=0,3∙0,6=0,18 кмоль/м3.
Необходимое время реакции нулевого порядка
τр=1Kр0xАн-xАк=16,6∙10-6∙0,3-0,18=1,81∙104 с
Принимаем предварительно временной КПД реактора ητ=0,7, тогда общее время цикла
τц=τрητ=1,81∙1040,7=2,58∙104 с
Условная производительность всей установки
V=Vc1-a24=8,5∙10-3∙1-0,1524=3∙10-4 м3/с
Количество реакторов в одной установке
z≤11-ητ=11-0,7=3,33
Принимаем z=3 реактора. Поскольку сведений о вспениваемости реакционной массы в исходных данных нет, примем коэффициент заполнения реактора φ=0,75. Тогда номинальный объем реактора
vн=Vτцzφ=3∙10-4∙2,58∙1043∙0,75=3,44 м3
По табл. 9.4 [1] принимаем предварительно реактор со следующими техническими данными: номинальный объем vн=3,2 м3; диаметр аппарата D=1600 мм; площадь поверхности теплообмена, заключенной в рубашку, Fр=8,5 м2; высота уровня жидкости Нж=1330 мм.
При уточненном расчете номинального объема реактора примем время подготовки реактора к новому циклу τ1=12 мин = 720 с. Для заполнения аппарата реакционной массой используем насос 11/2 Ах-4, имеющий производительность Vнс=6 м3/ч.
Тогда время заполнения время заполнения реактора
τ2=vн∙φVнс=3,2∙0,75∙36006=1440 с
Время опорожнения реактора рассчитаем, исходя из условия слива жидкости через нижний штуцер
τ5=1,1∙103vж(Hж0,5D2)=1,1∙103∙2,41,330,5∙1,62=894 с
Для расчета продолжительностей нагревания и охлаждения реактора дополнительно к исходным данным примем температуры реакционной массы: до нагревания tн=20 0С и после охлаждения tк=30 0С; теплоемкость материала (стали) ср=515 Дж/(кг∙К).
Масса реактора
mр=230pD3=230∙0,3∙1,63=283 кг
Количество теплоты, затраченной на нагревание реактора, составит
Q3'=mpcp+mжcж∆t3=283∙515+2,4∙930∙2800∙132-20=716∙106 Дж
а отведенной от реактора при его охлаждении
Q4'=mpcp+mжcж∆t4=283∙515+2,4∙930∙2800∙132-30=652∙106 Дж
Средняя разность температур при нагревании реактора водяным паром при температуре его конденсации θср=140 0С будет
(∆tср)3=140-20-(140-132)ln140-20140-132=41 0C
Среднюю разность температур при охлаждении реактора найдем, приняв θ1=20 0С, θ2=25 0С и рассчитав предварительно
A=30-2030-25=2
Тогда
(∆tср)4=132-30ln132-2030-20∙2-12ln2=30 0C
Общий коэффициент теплопередачи при нагревании реактора, учитывая, что обогрев производится конденсирующимся водяным паром, можем принять равным коэффициенту теплоотдачи перемешиваемой среды
. Для расчета этого коэффициента теплоотдачи примем дополнительные условия: реакционная масса перемешивается в сосуде с перегородками открытой турбиной мешалкой с диаметром dм=D/3,5=1600/3,5=457 мм при окружной скорости w=3 м/с (см. табл. 9.1 [1]).
Частота вращения мешалки
n=wπdм=3(3,14∙0,457)=2 с-1
По данным, приведенным в табл. 11 приложения [1], принимаем частоту вращения n=2,08 с-1, соответствующую ближайшему ряду с наибольшим выбором мотор-редукторов.
Величина критерия Рейнольдса для мешалки
Reцб=2,08∙0,4572∙9300,0043=93953
Величина критерия Прандтля
Pr=cжμжλж=2800∙0,00430,15=80
Величина критерия Нуссельта для турбиной мешалки в сосуде с перегородками
Nu=CReцбaPr0,33=0,76∙939530,67∙800,33=6929
Коэффициент теплоотдачи от перемешиваемой среды к стенке сосуда
a1=Nuλжdм=6929∙0,150,457=2274 Вт/(м2∙К)
Коэффициент теплоотдачи стенки сосуда к охлаждающей воде рассчитаем с помощью уравнения 9.51 [1], приняв среднюю температуру воды
θср=(132-20)ln13220-(∆tср)4=59-30=29 0С
Температуре воды θср соответствует (см
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
