Основы проектирования химических производств

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМОВ АППАРАТА

Определение количества операций, совершаемых одним реактором в сутки, по формуле

П = т//,

Где п — количество операций в сутки; т — время работы реактора в сутки, ч; I — длительность стадии технологического процесса, ч. Значение п может быть найдено и другим путем:

« = К/Ур,

Где Ус — суточный объем перерабатываемых материалов, м3; Ур — ра­бочая емкость всех аппаратов данной технологической стадии. Определение рабочей емкости всех аппаратов данной стадии:

У, = К/п.

Расчет общего объема всех аппаратов:

К>бщ — ^р/Ф >

ГДе К^бщ — общий объем всех аппаратов данной технологической ста­дии; ф — коэффициент заполнения аппарата.

Коэффициент заполнения <р 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.

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

К = ^Щ/К,

Где К— количество аппаратов; — общий объем одного аппарата (по каталогу), м

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):

Кае = Кут/24, м3/ч.

Расчет рабочей емкости всех аппаратов:

У = V х

Р час

Где Ур — рабочая емкость всех аппаратов, м3; т — время пребывания реакционной массы в аппарате, ч.

Расчет общей емкости всех аппаратов:

= Кр/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 = IV - г,

Где Н— высота (длина) аппарата, м; х~ время пребывания реакци­онной массы, с.

Площадь поперечного сечения аппарата идеального вытеснения

Р = К/Ж.

Количество аппаратов непрерывного действия определяется, как для периодических процессов:

* = У^/У,

Где V — объем одного реактора, м

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 основнЫхМ 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 дигликольтсрефталата произ­водительностью IV = 3 т/сут. Процесс периодический. Данные о работе аппа­рата при загрузке 1 тдигликольтерефталата приведены в табл. 8.2.

Решение:

К вх 35106 -2 11 г.!3

Рпд ~ 24 • р ■ ф - 24 ■ 1040 • 0,4 ’

По ГОСТ 9931—61 объем РПД принимают равным 2,5 м

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

ЯА = КС% при я = I и К= 0,000895 с-1.

Начальная концентрация исходного продукта А равна С^~ 1 моль/л. Конечная степень превращения хА = 0,96.

Требуется определить продолжительность реакции Ху Решение:

Т - С?"■< - Г? ^ - С*> ? -

3" Л01 ГА -^м1кСА'См1кСм(1-Хл)-кСм{1-Хл-

^5Wln<1-°-96> = 3600 <; = 14-

Далее подставляем х} в величину хп и заканчиваем расчет так же, как ука­зано п примере 8.1.

Пример 8.3. В реакторе вытеснения протекает реакция в газовой фазе по уравнению 4А —> В + 6С при 648,89 К, скорость которой описывается выраже­нием /?,= 2,78- Степень превращения хл - 0,80. Давление в сис­

Теме — 4,6 атм. Скорость подачи реагента А равна (7/) = 5,03- 10^ кмоль/с. Рассчитать объем РВНД.

Решение: Объем РВНД находим по формуле

Иг

У - п Г ахл КРвНД “ J

О

При постоянном давлении

С - С ^ ~ х

'-'А ~

ІИ'Ґ

Где С() — начальная концентрация реагента; р. — коэффициент, учитывающий изменение объема системы, е = (7 - 4)/4 - 0,75.

Подставляем соответствующие величины в первоначальную формулу

Gл г 1 + е - х4

После интегрирования получаем следующее выражение:

См RT 0,024-648,89 0,293 кмоль/м’-

5,03-104

Рвнд - 2,72-10-' 0,293

По ГОСТ 13372—87 принимаем ближайший объем трубчатого реактора равным 1,6 м

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 % = 7270 с, плотность реагирующей смеси постоянна р = 120,56 кг/м3.

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

V - G* 50000 -19 I0“3 м’/с

С “ 24 р - 3600 ~ 24 • 120,56 • 3600 ’ *

Определяем объем РВНД по уравнению

*рвнд = Ус ■ т ' ,0_J' 7270 = 34-8 м3'

По ГОСТ 13372—67 принимаем ближайший объем аппарата, равным 40 м3.

Пример 8.5. В РСНД проводится реакция типа А -» В, которая характе­ризуется кинетическим уравнением RA = 5,55 10~5 • СА, с1. Необходимо полу­чить 2,77 10~5 кмоль/с вещества В из исходной смеси, содержащей вещест­

Во А в количестве 0,1 кмоль/м3. Степень превращения х4=0,5. Требуется определить объем реактора смешения.

Решение: Объем РСНД определяем по уравнению

V - С, . Х/1

ГРСНД — У1А ^ ■

Выражаем Сл = С 4) - (1 — л,). Определяем скорость подачи исходной смеси:

_ 2,77 10-5 2,77 10 s с 1Л 5

_................. - ....... х-с -■ = 5,54 • 10 кмоль/с.

ХА и, J

Подставляем указанные значения в первое уравнение и получаем искомое значение объема:

„ _ 5,54 10'5 0,5

Рснл " 5,54 10 3 0,1 0,5

- 10 м3.

По ГОСТ 13372—67 принимаем объем РСНД, равным 10 м

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.