Реактор-котёл для жидкостных химических реакций непрерывного действия»
Рассчитать и выбрать стандартизованный реактор-котел непрерывного действия для проведения химической реакции вида в жидкой среде по исходным данным:
aA+bB=cC+dD
FeCl3+3NaOH=Fe(OH)3+3NaCl
G=12 т/сут
температура реакции tp=800C;
степень превращения χ=80%;
концентрации исходных реагентов в водных растворах:
FeCl3 – xA=50%;
NaOH – xB=40%.
Рассчитать материальный баланс, определить тепловой эффект реакции и тепловую нагрузку реактора, выполнить кинетические расчеты и выбрать типоразмер реактора-котла. Проверить реактор на тепловую нагрузку, при необходимости выдать рекомендации по обеспечению расчетного теплового потока.
В качестве растворителя (разбавителя) используется вода. Температуру реакции принять 80°С. Реакция имеет суммарный второй порядок. Константу скорости реакции рассчитать по уравнению Аррениуса по заданным значениям коэффициента пропорциональности k0=8·1012 и энергии активации химической реакции Е=111·106 Дж/кмоль.
Коэффициент избытка для реагента А принять kА=1, для реагента В – kВ=1,08.
Допускается принимать к установке несколько реакторов для параллельной работы.
Решение
Расчет выполним на 1 т готового продукта (mC=1000 кг).
Молекулярные массы компонентов реакции (кг/кмоль):
МА=162,5; МВ=40; МС=107; МD=58,5.
Массы веществ А, В, D по стехиометрии:
mA=mC∙a∙MAc∙MC=1000∙1∙162,51∙107=1518,69кгт;
mВ=mC∙b∙MBc∙MC=1000∙3∙401∙107=1121,50кгт;
mD=mC∙d∙MDc∙MC=1000∙3∙58,51∙107=1640,19кгт.
Массы реагентов А и В должны быть увеличены с учетом степени превращения:
mA/=kА∙mAχ=1∙1518,690,80=1898,36кгт;
mВ/=kВ∙mВχ=1,08∙1121,500,80=1514,03кгт.
Избыточные массы непрореагировавших веществ А и В:
mA//=mA/-mA=1898,36-1518,69=379,67кгт;
mВ//=mВ/-mВ=1514,03-1121,50=392,53кгт.
Поступление воды с реагентами А и В:
mвод.А=mA/∙(1-хА)хА=1898,36∙(1-0,5)0,5=1898,36кгт;
mвод.В=mВ/∙(1-хВ)хВ=1514,03∙(1-0,4)0,4=2271,05кгт.
Всего воды на входе:
mвод1=mвод.А+mвод.В=1898,36+2271,05=4169,41кгт.
Расход воды с продуктами реакции:
mвод2=mвод.1=4169,41кгт.
Количество вещества реагентов на входе:
nA/=mA/MA=1898,36162,5=11,68кмольт;
nВ/=mВ/MВ=1514,0340=37,85кмольт.
Количество вещества реагентов на выходе:
nA//=mA//MA=379,67162,5=2,34кмольт;
nВ//=mВ//MВ=392,5340=9,81кмольт.
Результаты расчетов сводим в табл. 1.
Таблица 1 – Материальный баланс реактора
Приход Расход
Компонент mj,
кг/т xj,
% nj, кмоль/т Компонент mj,
кг/т xj,
% nj, кмоль/т
А 1898,36 25,04 11,68 А 379,67 5,01 2,34
В 1514,03 19,97 37,85 В 392,53 5,18 9,81
Н2О 4169,41 54,99
С 1000 13,19
D 1640,19 21,63
Н2О 4169,41 54,99
Всего
(Σ mj)
7581,80
100,00
Всего
(Σ mj)
7581,80
100
Плотность реакционной смеси по условиям выхода:
1ρсм=хjρj=0,05012900+0,05182130+0,13193650+0,21632170+0,5499972→ρсм=1345,62кгм3.
Объем реакционной смеси на 1 т продукта:
vуд=mjρсм=7581,801345,62=5,63м3т.
Начальные и конечные концентрации реагентов:
САн=nA/vуд=11,685,63=2,08кмольм3;
СВн=nВ/vуд=37,855,63=6,72кмольм3;
САк=nA//vуд=2,345,63=0,42кмольм3;
СВк=nВ//vуд=9,815,63=1,74кмольм3.
Объемный расход реакционной смеси:
V=vуд∙G=5,63∙12=67,56м3сут.
Расход компонентов процесса на входе (индекс 1) и на выходе (индекс 2):
GA1=mA/∙G=1898,36∙12=22780,32кгсут;
GВ1=mВ/∙G=1514,03∙12=18168,36кгсут;
Gвод1=mвод1∙G=4169,41∙12=50032,92кгсут;
GA2=mA//∙G=379,67∙12=4556,04кгсут;
GВ2=mВ//∙G=392,53∙12=4710,36кгсут;
GС2=mС∙G=1000∙12=12000кгсут;
GD2=mD∙G=1640,19∙12=19682,28кгсут;
Gвод2=mвод2∙G=4169,41∙12=50032,92кгсут.
Константу скорости реакции находим по формуле:
kp2=k0∙exp-ER∙T,
где Т-температура реакции, К; Т=tp+273=80+273=353 К.
kp2=8∙1012∙exp-111∙1068314∙353=3∙10-4м3кмоль∙с.
В реакторе идеального смешения непрерывного действия концентрации реагентов равны конечным значениям, поэтому скорость химической реакции суммарного второго порядка (α=1, β=1) можно рассчитать по формуле:
rA=kp2∙CAкα·СВкβ=3∙10-4∙0,42∙1,74=2,19∙10-4 кмольм3∙с.
Время, необходимое для реакции, найдем из уравнения:
τ=САн-САкrA=2,08-0,422,19∙10-4 =7580 с.
Приняв коэффициент заполнения реактора φ=0,75 и коэффициент резерва времени на ремонт k3=1,15, найдем номинальный объем одного реактора:
Vа=1,15∙67,56∙75800,75∙24∙3600=9 м3.
По справочной таблице выбираем стандартизованный реактор номинальным объемом Vн=10 м3, диаметром D=2,2 м, с площадью поверхности рубашки F=20 м2, высотой уровня жидкости Нж=2,16 м (при φ=0,75).
По справочным данным теплоты образования (кДж/моль) и изобарные теплоемкости (Дж/(моль·К)) при стандартных условиях реагентов и продуктов реакции следующие:
FeCl3 ∆Нобр.А0=-399,4 Cp,A0=58,49
NaOH ∆Нобр.В0=-495,93 Cp,B0=59,66
Fe(OH)3 ∆Нобр.С0=-827 Cp,C0=117,00
NaCl ∆Нобр.D0=-411,41 Cp,D0=50,81
Тепловой эффект реакции равен:
∆Нх.р.0=-827-3·411,41—(-399,4-3·495,93)=-174,04 кДж/моль.
Учитывая пренебрежимо малое изменение теплоемкостей веществ при нагревании их до температуры 800С, поправку теплового эффекта можно не рассчитывать
. Тогда мольная теплота реакции, отнесенная к одному киломолю продукта (AgCl), составит:
qх.р=-∆Нх.р.0а=--174,041=174,04∙106Джкмоль,
где а=1 – стехиометрический коэффициент при реагенте А.
Тепловой поток в реакторе от химической реакции с учетом коэффициента заполнения реактора составит:
Qх.р=VH∙φ∙qх.р∙rA=10∙0,75∙174,04∙106∙2,19∙10-4 =285861 Вт.
Тепловой поток с вводимыми компонентами определим по формуле:
Q1=GA1∙cA1+GB1∙cB1+Gвод1∙cвод1∙t1,
где cA1,cB1, cвод1-удельные теплоемкости компонентов А, В и воды на входе в реактор при температуре t1=250С, Дж/(кг·К)
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
