Реактор-котёл для жидкостных химических реакций периодического действия»
Рассчитать и выбрать стандартизованный реактор-котел периодического действия по исходным данным:
суточная производительность установки V=40 м3/сут;
начальная концентрация реагента А САн=0,29 кмоль/м3;
степень превращения =62%;
температура реакции tр=1300С;
реакция нулевого порядка с константой скорости Кр=6,7·10-6;
мольная теплота химической реакции qхр=2,60·109 Дж/кмоль;
физико-химические характеристики жидкой реакционной среды:
вязкость μж=4,20·10-3 Па·с;
теплоемкость сж=2800 Дж/(кг·К);
теплопроводность λж=0,15 Вт/(м·К);
плотность ρж=950 кг/м3.
Решение
Определим конечную концентрацию реагента А:
САк = САн (1 - χ) = 0,29·(1-0,62)=0,11 кмоль/м3
Длительность времени реакции определим по кинетическому уравнению для реакции нулевого порядка:
τ=1Кр∙САн-САк=16,7∙10-6∙0,29-0,11=26866 с
Принимаем временной КПД реактора η=0,75.
Время цикла:
τц=346570,75=46209 с.
Время на вспомогательные операции:
τв=τц-τ=46209-26866=19343 с
Количество реакторов в установке определяем согласно условию:
z≤τцτв;
τцτв=4620919343=2,39
Принимаем z=2.
Приняв коэффициент заполнения реактора φ=0,75 и коэффициент резерва времени на ремонт k3=1,15, найдем номинальный объем одного реактора:
Vа=1,15∙40∙4620924∙3600∙2∙0,75=16,4 м3.
По справочной таблице выбираем реактор со следующими техническими данными: номинальный объем 20 м3, диаметр аппарата D = 2,6 м, высота уровня жидкости в аппарате 3,04 м, площадь поверхности теплообмена рубашки 33,5 м2.
Выполним поверочный расчёт на соответствие выбранного типоразмера реактора найденному ориентировочно времени цикла, для чего найдём слагаемые времени на вспомогательные операции уравнения:
τц = τр + τ1 + τ2 + τ3 + τ4 + τ5
Время на подготовку реактора к работе примем τ1=10 мин=600 с.
Для заполнения реактора реакционной массой используем насос Х90/33 производительностью Vн.с.=90 м3/ч. Тогда:
τ2=VжVн.с.=Vа∙φVн.с.=20∙0,7590=0,167 ч=600 с.
Время опорожнения реактора из условия слива жидкости через нижний штуцер составит:
τ5=1,1∙103∙20∙0,753,040,5∙2,62=1400 с.
Принимаем условное давление р=0,6 МПа. Масса реактора:
mp=230·P·D2=230·0,6·2,62=933 кг.
Масса загруженной жидкости:
mж=VH∙φ∙ρж=20∙0,75∙950=14250 кг
Принимаем материал реактора сталь 12Х18Н10Т, его теплоёмкость при средней температуре нагрева ср=490 Дж/(кг·К). Реагенты перед загрузкой их в реактор подогреем до температуры tн=500С.Тогда количество тепла на нагревание реактора составит:
Q3=mp∙cp+mж∙сж∙tр-tн;
Q3=(933·490+14250·2800)·(130-50)=3,23·109Дж.
С целью экономии времени цикла принимаем конечную температуру реакционной среды после tк=700С
. Количество тепла, отводимого при охлаждении, равно:
Q4=mp∙cp+mж∙сж∙tр-tк;
Q4=(933·490+14250·2800)·(130-70)=2,42·109Дж.
Продолжительность времени нагревания и охлаждения найдём по уравнению:
Определим параметры этого уравнения.
Средняя разность температур при нагревании реактора водяным паром при температуре его конденсации ср = 1400С равна:
(∆tcp)3=∆tmax-∆tminln∆tmax∆tmin=150-50-(150-130)ln150-50150-130=49,710С
Для охлаждения применим воду температурой θ1=250С. Конечную температуру воды примем θ2=300С. Параметр А уравнения:
А=tк-ϑ1tк-ϑ2=70-2570-30=1,125
Средний температурный напор при охлаждении равен:
(∆tcp)4=tр-tкlntр-θ1tк-θ1∙А-1АlnА=130-70ln130-2570-25∙1,125-11,125ln1,125=66,80С
Так как при нагревании реакционной массы используется конденсирующийся пар, можно принять коэффициент теплопередачи равным коэффициенту теплоотдачи перемешиваемой среды.
По рекомендациям табл. 10.2 в качестве перемешивающего устройства принимаем турбинную мешалку с перегородками. Диаметр мешалки d=900 мм, частота вращения 1,67 с-1.
Центробежный критерии Рейнольдса:
Reцб=ρж∙n∙dM2μж=950∙1,67∙0,924,2∙10-3=3,06∙105.
Критерий Прандтля:
Pr=cж∙μжλж=2800∙4,2∙10-30,15=78,4.
Критерий Нуссельта для турбинной мешалки в аппарате с перегородками:
Nu=C·Reцб0,67·Pr0,33=0,76·(3,06·105)0,67·78,40,33=1,52·104
Коэффициент теплоотдачи
α1=Nu∙λжD=1,52∙104∙0,152,6=876,92Втм2∙К.
Коэффициент теплоотдачи от греющего пара α2>>α1, т.е. не является лимитирующим в теплопередаче, поэтому может быть принят ориентировочной величиной α2=10000 Вт/(м2·К).
Толщина стенки корпуса аппарата при условном давлении 0,6 МПа составляет δст=10 мм. Коэффициент теплопроводности стали 12Х18Н10Т λст=16,3 Вт/(м·К).
В связи с тем, что в задании не указаны реагирующие вещества, термическое сопротивление загрязнений стенки со стороны реакционной среды неизвестно
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
