ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

Определение объемов аппарата

Определение количества операций, совершаемых одним реакто­ром в сутки:

где п - количество операций в сутки; т - время работы реактора в сутки, час; t - длительность стадии технологического процесса, час.

Значение п может быть найдено и другим путем:

п

где Vc - суточный объем перерабатываемых материалов, м, Vp - рабочая емкость всех аппаратов данной технологической стадии.

Определение рабочей емкости всех аппаратов данной стадии

V =^.

Р

п

Расчет общего объема всех аппаратов

где Робщ - общий объем всех аппаратов данной технологической стадии; ср - коэффициент заполнения аппарата.

Коэффициент заполнения ср имеет различные значения в зависи­мости от характера процесса, осуществляемого в данном аппарате.

При выборе коэффициента заполнения можно руководствоваться следующими данными, представленными в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Оптимальная емкость реактора выбирается в зависимости от кон­кретных условий проведения данного процесса. Необходимо использо­вать практические данные по объему аппарата существующего произ­водства.

Расчет количества аппаратов данной стадии определяется выражением

V

где К - количество аппаратов; V - общий объем одного аппарата (по ка­талогу), м3.

Если проектируемый аппарат не предусмотрен каталогом, то объ­ем аппарата выбирается по практическим соображениям. В любом слу­чае после выбора аппарата дается краткое описание его конструктивных особенностей с указанием марки материала.

Расчет объемов аппаратов непрерывного действия заключается в оп­ределении объема перерабатываемых материалов, в час (или в секунду):

Расчет рабочей емкости всех аппаратов

Ур ~ Учас'Т,

где т - время пребывания реакционной массы в аппарате, часы. Расчет общей емкости всех аппаратов:

кбщ=^-

ф

Выбор стандартного аппарата или конструирование нового заключа­ется в следующем. Для аппаратов непрерывного действия - аппаратов «иде­ального» вытеснения - необходимо, прежде всего, определить соотношение между высотой (или длиной) аппарата и его поперечным сечением.

При заданной скорости протекания реакционной массы можно рассчитать высоту (длину) аппарата идеального вытеснения по формуле

Н = W-т,

где Н - высота (длина) аппарата, м; т - время пребывания реакционной массы, с.

Площадь поперечного сечения аппарата идеального вытеснения определяется следующим образом:

Количество аппаратов непрерывного действия определяется, как для периодических процессов: где V - объем одного реактора, м3.

В конце расчета следует привести подробное описание конструк­тивных особенностей и материала выбранного аппарата, а также описа­ние пускового периода реактора до ввода его в непрерывный процесс.

Для комбинированных аппаратов смешения каскадного и секци­онного типов основным вопросом технологического расчета является определение оптимального количества последовательно включенных аппаратов или секций, а также их рабочего объема.

В тех случаях, когда имеется уравнение кинетики процесса и из­вестны значения констант скорости реакций, используется аналитиче­ский метод расчета многосекционного реактора или каскада аппаратов.

Ниже приводятся некоторые типовые примеры, иллюстрирующие методы определения объемов реакторов, которые характеризуют произ­водство с заложенными в них различными химическими реакциями как с известными кинетическими уравнениями, так и без них.

Пример 8.1. Рассчитать поликонденсатор дигликольтерефталата про­изводительностью W= 3 т/сут. Процесс периодический. Данные о работе аппарата при загрузке 1 т дигликольтерефталата приведены в табл. 8.2.

Решение

По ГОСТ 9931-61 объем РПД принимают равным 2,5 м3.

Пример 8.2. Расчет продолжительности реакции с использовани­ем кинетики реакции. В реакторе периодического действия протекает химический процесс, скорость которого определяется уравнением вида

Ra = КСА при п = 1 и К = 0,000895 с"1.

Начальная концентрация исходного продукта А равна С ао = 1 моль/л. Конечная степень превращения Хд = 0,96.

Требуется определить продолжительность реакции Тз.

Пример 8.3. В реакторе вытеснения протекает реакция в газовой фазе по уравнению 4А —»■ В + 6С при 648,89 К, скорость которой описы- вается выражением = 2,78-10 - Сд. Степень превращения хЛ = 0,80. Давление в системе - 4,6 атм. Скорость подачи реагента А равна: Ga = 5,03-10-4 кмоль/с. Рассчитать объем РВНД.

Решение. Объем РВНД находим по формуле

Г dxj j К-С,'

П Л

Подставляем соответствующие величины в первоначальную формулу:

Ga

1 - х

После интегрирования получаем следующее выражение:

По ГОСТ 13372-87 принимаем ближайший объем трубчатого ре­актора равным 1,6 м3.

В том случае, когда неизвестны кинетические константы скорости реакции, время пребывания принимают по практическим данным (из регламента цеха).

Ниже приводится пример расчета объема РВНД по принятому значению времени пребывания т.

Пример 8.4. Рассчитать объем РВНД для ежедневного производ­ства 50 т этилацетата из уксусной кислоты. Исходные данные: время т = 7270 с, плотность реагирующей смеси постоянна, р = 120,56 кг/м3.

Решение. Определяем объемную скорость реагирующей смеси для производства 50 т вещества:

50000

24-р-3600 24-120,56-3600

Подставляем указанные значения в первое уравнение и получаем искомое значение объема

V = 5’54,1° '°’5 =10 М3.

р™ 5,54-10 5 -0,і • 0,5

По ГОСТ 13372-67 принимаем объем РСНД, равным 10 м3.

При выполнении проекта инженер-проектировщик обязан произ­вести технологические расчеты вспомогательной аппаратуры, всех транспортных устройств (ленточные и шнековые транспортеры, пнев­мотранспорт и др.), а также рассчитать необходимую производитель­ность и выбрать соответствующие типы питателей, дозаторов, мерников, циклонов и т. д.

Расчет соответствующего оборудования здесь не рассматривается, его можно найти в литературе по процессам и аппаратам химической технологии.

puuSiuh) Wiuh)

Так как W= pUS, то получаем:----- =—— =----- _ cp .

и и

Если скорость незначительно меняется в обоих сечениях, а поток жидкости стационарен в гидродинамическом отношении, то уравнение баланса тепла можно записать следующим образом:

dF

WAh + —± = q.

di

Если система стационарна и в тепловом отношении, то

dF

—^ = 0; WAh = q.

dx

Если в системе не происходит фазовых превращений и химиче­ских реакций, то можно от энтальпий перейти к теплоемкостям и тогда

dF

W2Cp2T2-WlCplTl+-j2- = q.

Рассмотрим пример применения уравнений теплового баланса в нестационарных условиях.

Пример 9.1. Два резервуара объемом по 3 м каждый заполнены водой при температуре 25 °С. Оба имеют мешалки, обеспечивающие практически полное перемешивание. В определенный момент времени в первый резервуар начинают подавать 9000 кг/ч воды при температуре 90 °С. Вода, выходящая из первого резервуара, поступает во второй. Определить температуру воды во втором резервуаре через 0,5 часа после начала подачи горячей воды. Резервуары считать теплоизолированными.

Рис. 9.1. Схема тепловых потоков

Решение. Составим схему тепловых потоков (рис. 9. L) и тепловой баланс для первого резервуара. Е1ри отсутствии теплообмена q = 0 и при условиях

Ж=Ж1=Ж2, Ср =Cpl =Ср2; dEn=VpCpdTx

уравнение теплового баланса примет вид

WCp(T0-ri)dT = VpCpdT1,

откуда 9000(90 - 7))dx = 3-l000dTi или

3(90 —Ті) '

После интегрирования от 0 до т и от 25 °С до Т получим

Т = 90 - 65ехр(-3т).

Составим аналогичным образом тепловой баланс второй емкости:

WCp(Tl-T2)dx = VpCpdT2,

откуда 9000(71 - T2)dT = 3-1000J72 или

dT2

т-т2)

Получено линейное дифференциальное уравнение первого поряд­ка. Его можно проинтегрировать известным аналитическим способом. Тогда

Т2 = ехр(-3г)(90ехр(3г) - 195г + С) .

Начальные условия: при т = 0 'Гг = 25 °С. Произвольная постоян­ная С = -65.

Окончательно решение примет вид

Т2 = 90- 65(3х + 1)ехр(-3т);

Т2 = 90 - 65(3 -0,5 + 1)ехр(-3 • 0,5) = 53,74 °С.