Файл: Задача Рассчитать и подобрать нормализованный реакторкотел периодического действия по исходным данным табл. 1.docx
Добавлен: 12.01.2024
Просмотров: 280
Скачиваний: 6
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
11 Вариант Кудюшев 4181-11Задача 1. Рассчитать и подобрать нормализованный реактор-котел периодического действия по исходным данным табл. 1.Исходные данные:G, кг/час = 140Сн, кмоль/м3 = 0,3Х = 0,7КР, кмоль/м2·с = 4,5·10-5Т,0С = 130Р, МПа = 0,4ρ, кг/м3 = 1200СЖ, Дж/кг·град = 2000μ, Па·с = 0,025λ, Вт/м·К = 0,187Примечание. G - производительность по реакционной массе; Сн, - начальная концентрация реагирующего вещества; Х - степень превращения; Кр - константа скорости реакции первого порядка; T- температура реакции; Р- давление в реакторе: рж - плотность;, - вязкость; Сж - теплоемкость; - теплопроводность.Решение:1) При степени превращения χ = (хн– хк)/ хн =0,8 и начальной концентрации хн = 0,3 кмоль/м3 определим конечную концентрацию: хк = xH(1 - χ) = 0,3·0,2 = 0,06 кмоль/м3.2) Необходимое время реакции первого порядка определяется по формуле: с3) Принимаем предварительно временный КПД реактора:где τв - вспомогательное время работы реактора, и находим общее время цикла: с4) Номинальный объем реактора рассчитываем по формуле: м3где - время работы одного цикла, с; φ- коэффициент заполнения реактора; = 0,7 – 0,8 при обработке непенящихся жидкостей; = 0,4 – 0,6 при обработке пенящихся жидкостей; ρ – плотность готового продукта, кг/м3; n – число параллельно работающих реакторовпри n = 1, = 0,75; где G= 120 кг/ч = 0,039 кг/с.5) По табл.1 предварительно принимаем реактор со следующими техническими данными: номинальный объем 3,2 м3, диаметр аппарата D = 1600мм, высота уровня жидкости в аппарате 1,33 м, площадь поверхности теплообмена рубашки 8,5 м
2 , диаметр вала мешалки 65м, площадь поверхности теплообмена змеевика: 1ый ряд-5,2 м2 2ой ряд-9,5 м26) Выполним уточненный расчет.В общем случае время цикла τц определяется как сумма:τц= τр + τ1 + τ2 + τ3 + τ4 + τ5Рассмотрим каждое слагаемое:τр – продолжительность реакции, зависит от порядка реакции и рассчитывается по формулам:для реакции нулевого порядкагде Кр0 – константа скорости реакции нулевого порядка, кмоль/(м2 с); хАн , хАк – начальная и конечная концентрация реагирующего вещества А в системе, кмоль/м3для реакции первого порядка сгде Кр1 – константа скорости реакции первого порядка, кмоль/(м2 с);для реакции второго порядкагде Кр2 – константа скорости реакции второго порядка, кмоль/(м2 с); хВн – начальная концентрация реагирующего вещества В в системе, кмоль/м3τ1 – 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 циклуτ1 = 15 мин = 900с. Для заполнения реактора реакционной массой используем насос производительностью vнас = 3 м3/ч. Тогда:2 = с.Время опорожнения реактора рассчитаем, исходя из условия слива жидкости через нижний штуцер: сДля 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: кггде 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
При этом
при теплоотдаче к рубашке; 
при теплоотдаче к змеевикам.D – внутренний диаметр реактора, м; dзм – наружный диаметр трубы змеевика; 
- центробежный критерий Рейнольдса; n–частота вращения мешалки, с-1 ; dм – диаметр мешалки, м; м – кинематическая вязкость жидкости, м2/с. Так как при нагревании реакционной массы используется конденсирующийся пар, можно принять коэффициент теплопередачи равным коэффициенту теплоотдачи перемешиваемой среды. Для его расчета определим: 12) центробежный критерии Рейнольдсагде п= 0,83 с-1; dM — диаметр мешалки, м. Проектируем якорную мешалку, для которой: м♦критерий Прандтля:♦ критерий Нуссельта для якорной мешалки:где параметры С, а взяты из табл. 5.2, откуда находим коэффициент теплоотдачи от перемешиваемой среды к стенке сосуда:Приняв среднюю температуру воды по уравнению:Коэффициент В зависит от
2 , диаметр вала мешалки 65м, площадь поверхности теплообмена змеевика: 1ый ряд-5,2 м2 2ой ряд-9,5 м26) Выполним уточненный расчет.В общем случае время цикла τц определяется как сумма:τц= τр + τ1 + τ2 + τ3 + τ4 + τ5Рассмотрим каждое слагаемое:τр – продолжительность реакции, зависит от порядка реакции и рассчитывается по формулам:для реакции нулевого порядкагде Кр0 – константа скорости реакции нулевого порядка, кмоль/(м2 с); хАн , хАк – начальная и конечная концентрация реагирующего вещества А в системе, кмоль/м3для реакции первого порядка сгде Кр1 – константа скорости реакции первого порядка, кмоль/(м2 с);для реакции второго порядкагде Кр2 – константа скорости реакции второго порядка, кмоль/(м2 с); хВн – начальная концентрация реагирующего вещества В в системе, кмоль/м3τ1 – 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 циклуτ1 = 15 мин = 900с. Для заполнения реактора реакционной массой используем насос производительностью vнас = 3 м3/ч. Тогда:2 = с.Время опорожнения реактора рассчитаем, исходя из условия слива жидкости через нижний штуцер: сДля 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: кггде 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. температура теплоносителя меняется от 
до 
(см. рис.1) средняя разность температур:
где 
если при нагревании реакционной массы конденсирующимся водяным паром 1 = = , то 
рассчитывается как средняя арифметическая или логарифмическая разность температур.
При охлаждении реактора хладоагентом от tp до tк, конечная температура которого изменяется во времени (рис. 1,б), средняя разность температур определяется как
где 
10) Определяем количество теплоты:
затраченной на нагревание реакционной массы и реактора:
Дж
отведенной при охлаждении реактора
Дж
Средняя разность температур при нагревании реактора водяным паром при температуре его конденсации ср =140 °С равна:
Приняв 1= 20 °С, = 25 °С и рассчитав предварительно:
найдем среднюю разность температур при охлаждении реактора водой, которая не меняет своего агрегатного состояния:
11) Теплоотдача от перемешиваемой среды к стенке сосуда, заключенного в рубашку, или к змеевику, расположенному вдоль стенки сосуда, описывается уравнением:
При этом
при теплоотдаче к рубашке; при теплоотдаче к змеевикам.D – внутренний диаметр реактора, м; dзм – наружный диаметр трубы змеевика; - центробежный критерий Рейнольдса; n–частота вращения мешалки, с-1 ; dм – диаметр мешалки, м; м – кинематическая вязкость жидкости, м2/с. Так как при нагревании реакционной массы используется конденсирующийся пар, можно принять коэффициент теплопередачи равным коэффициенту теплоотдачи перемешиваемой среды. Для его расчета определим: 12) центробежный критерии Рейнольдсагде п= 0,83 с-1; dM — диаметр мешалки, м. Проектируем якорную мешалку, для которой: м♦критерий Прандтля:♦ критерий Нуссельта для якорной мешалки:где параметры С, а взяты из табл. 5.2, откуда находим коэффициент теплоотдачи от перемешиваемой среды к стенке сосуда:Приняв среднюю температуру воды по уравнению:Коэффициент В зависит от  0С | 0 | 10,0 | 20 | 30 | 40 | 60 | 80 | 100 | 150 | 200 |
| В 10-9 | 2,64 | 8,0 | 15,5 | 27,0 | 39,0 | 68,0 | 102 | 147 | 290 | 493 |