Решение задач по химии. Решение задач. Задача 1 3) Задание
![]()
|
Задача №1 (9.3) Задание: Подобрать перемешивающее устройство, провести его расчет и подобрать к нему мотор-редуктор по исходным данным. Исходные данные: Номинальный объём реактора Vн = 3,2 м3; Давление в реакторе Р= 0,6 МПа; Плотность жидкой фазы ρж = 1020 кг/м3; Плотность твёрдой фазы ρт = 2500 кг/м3; Вязкость жидкой фазы µж = 5,4*10-3 Па*с; размер частиц δ =0,8 мм Решение: По рекомендациям, приведенным в табл. 9.1 [1 стр.241] перемешивание при указанных условиях может быть обеспечено трёхлопастной (пропеллерной) мешалкой. Согласно данным, представленным в табл.9.4 [1 стр. 247] нормализованный реактор с номинальным объёмом 5 м3 имеет диаметр D=1600 мм. Принимаем отношение D/dм = 3, получаем диаметр мешалки dм = 1800/3=533,3 мм. На основании данных табл. 9.2 [1 стр.243] окончательно принимаем dм =560 мм. Примем окружную скорость мешалки ω=4 м/с. В этом случае частота вращения мешалки: n= ω/(πdм)=2,27 с-1 nmin ![]() ![]() Значение n=2,27 > 0,14, значит оно подходит. В соответствии с этими данными по табл. 11[1 стр.380] приложения принимаем частоту вращения мешалки n=2,67 с-1(тихоходная мешалка). Для определения глубины воронки в сосуде найдем значение параметров Г и ReЦБ: ReЦБ=(n*d2м*ρж)/µж=158159 Г=8Нж/D+1=8*0,93/1,6+1=5,65 где Нж = 0,93 м по табл.9.4[1.стр 247] Найдем значение параметра Е, приняв для трёхлопастной мешалки ξм=0,56: Е = Г/( ξмzReцб0,25)=0,51, где значение ξм = 0,56 табл 9.1 [1.стр 242], z =1 – количество мешалок на одном валу. При этом значении Е находим по рис. 9.2 [1 стр.244] находим В=14. Глубина воронки в сосуде без перегородки: hв= B*n2*d2м/2=0,15 м При установке мешалки согласно табл. 9.1 [1 стр. 241] на высоте h=0,5dм=0,5*0,56=0,28 м предельно допустимая глубина воронки: hпр= Нж – h=0,65 м В аппарате следует устанавливать отражательные перегородки. Для выбора торцового уплотнения рассчитаем предварительно диаметр вала мешалки: dв= С * dм=0,09296 м, где С= 0,166 – для трёхлопастных мешалок. В соответствии с рекомендациями, приведенными в табл. 9.4 [1 стр.247 ] примем диаметр вала dв = 80 мм. По данным табл. 9.3 [1 стр.246] и условию задачи выбираем торцовое уплотнение ТДФ. Мощность, теряемая в торцовом уплотнении: Nуп =6020*dв1,3=225,7 Вт. По рис. 9.3 для трёхлопастной мешалки в аппарате c перегородок при ReЦБ=158159 находим значение критерия КN = 0,3. В этом случае мощность, затрачиваемая на перемешивание, будет равна: N = KN*ρж*n3*dм5=120 Вт Для расчёта мощности электродвигателя примем дополнительные условия - наличие в аппарате уровнемера и трубы передавливания: Σki=2*1,1=2,2 Коэффициент высоты уровня жидкости в аппарате: Kн=(Нж/D)0,5=0,76 При этих данных для аппарата c перегородками получим: Nэ=(KпKн Σki N + Nуп) / η=490 Вт, Где Kп = 1 – для аппаратов с перегородками, η=0,87 По табл. 11 [1 стр. 380] приложения выбираем в качестве привода мешалки мотор-редуктор типа МПО-1 с мощностью электродвигателя N=0.75кВт. Схема установки ![]() 1- сосуд, 2 – теплообменная рубашка, 3 – перемешивающее устройство, 4 – труба передавливания, 5- привод перемешивающего устройства, 6 – термопара. Задача №2 (9.28) Задание Рассчитать реактор-котел периодического действия. Исходные данные для расчета: Годова производительность установки, Vг=5,5*103 м3/год; Начальная концентрация вещества А, xАн=0,2 кмоль/м3; Степень превращения вещества А, xА=0,7; Начальная концентрация вещества В, кмоль/м3-реакция нулевого порядка; Температура реакции, tр=165 0С; Константа скорости реакции, Кр=3,3*106; Удельная теплота реакции, qр=5300*10-6 Дж/кмоль; Вязкость жидкости, µж=10*10-3 Па*с; Теплоемкость жидкости, Сж=3,2*103 Дж/(кг*К); Теплопроводность жидкости, λж=0,11 Вт/(м*К); Плотность жидкости, ρж=0,87*10-3 кг/м3. Решение При степени превращения ![]() ![]() ![]() Необходимое время реакции нулевого порядка рассчитываем по формуле: ![]() Принимаем предварительно временный КПД реактора: ![]() где τв - вспомогательное время работы реактора, и находим общее время цикла: ![]() Номинальный объем реактора рассчитываем по формуле: ![]() где ![]() φ = 0,7 – 0,8 при обработке непенящихся жидкостей; φ = 0,4 – 0,6 при обработке пенящихся жидкостей; ρ – плотность готового продукта, кг/м3; n – число параллельно работающих реакторов. при п = 1, φ = 0,75: V=1,36*10-7 По табл.1 предварительно принимаем реактор со следующими техническими данными: номинальный объем 1 м3, диаметр аппарата D = 1,2м, высота уровня жидкости в аппарате 0,76 м, площадь поверхности теплообмена рубашки 3,4 м2 6) Выполним уточненный расчет. В общем случае время цикла τц определяется как сумма: τц = τр + τ1 + τ2 + τ3 + τ4 + τ5 Рассмотрим каждое слагаемое: τр – продолжительность реакции, зависит от порядка реакции и рассчитывается по формулам: для реакции нулевого порядка ![]() где Кр0 – константа скорости реакции нулевого порядка, кмоль/(м2 с); хАн , хАк – начальная и конечная концентрация реагирующего вещества А в системе, кмоль/м3 для реакции первого порядка ![]() где Кр1 – константа скорости реакции первого порядка, кмоль/(м2 с); для реакции второго порядка для реакции второго порядка ![]() где Кр2 – константа скорости реакции второго порядка, кмоль/(м2 с); хВн – начальная концентрация реагирующего вещества В в системе, кмоль/м3 τ1 – время подготовки реактора к новому циклу, задается регламентом и составляет : τ1 = 10 – 60 мин. τ2 – длительность загрузки реактора жидкостью: ![]() где ![]() ![]() 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); ![]() ![]() 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 ![]() ![]() ![]() 7) Примем время подготовки реактора к новому циклу τ1 = 15 мин = 900с. Для заполнения реактора реакционной массой используем насос производительностью vнас = 3 м3/ч. Тогда: 2 = 0,75 1 3600 /3 = 900 с. Время опорожнения реактора рассчитаем, исходя из условия слива жидкости через нижний штуцер: ![]() Для 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: ![]() где 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; ![]() ![]() где tp – температура реакции; tн – начальная температура жидкости до нагревания; tк– конечная температура жидкости после охлаждения; Средняя разность температур ![]() Если при нагревании реакционной смеси от tн до tp жидкий теплоноситель не изменяет своего агрегатного состояния, т.е. температура теплоносителя меняется от ![]() ![]() ![]() где ![]() если при нагревании реакционной массы конденсирующимся водяным паром 1 = ![]() ![]() ![]() При охлаждении реактора хладоагентом от tp до tк, конечная температура которого ![]() ![]() где ![]() 10) Определяем количество теплоты: затраченной на нагревание реакционной массы и реактора: ![]() отведенной при охлаждении реактора ![]() Средняя разность температур при нагревании реактора водяным паром при температуре его конденсации ср =140 °С равна: ![]() Приняв 1= 20 °С, ![]() ![]() 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 ![]() ![]() D – внутренний диаметр реактора, м; dзм – наружный диаметр трубы змеевика; ![]() 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 Рейнольдса ![]() где п= 0,83 с-1; dM — диаметр мешалки, м. Проектируем якорную мешалку, для которой: ![]() Таблица.5.3. Основные параметры и условия работы перемешивающих устройств. ![]() ![]() ♦ 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 ![]()
![]() температур: ![]() и по уравнению находим произведение: ![]() Используя это значение, по формуле рассчитаем: ![]() и коэффициент теплоотдачи от стенки сосуда к воде во время охлаждения по формуле: ![]() где теплопроводность воды λв= 0,6 Вт/(мК); высота рубашки Нр = Нж = 0,76м. Приняв термическое сопротивление загрязнений со стороны перемешиваемой среды r1 = 210-4 м2К/Вт и со стороны воды r2 = = 2,3 10-4 м2К/Вт , определим коэффициент теплопередачи во время охлаждения по формуле: ![]() где ![]() Определим длительность: ♦ периода нагревания реактора по формуле: ![]() где F— площадь поверхности теплообмена рубашки, м2 (табл. 1). периода охлаждения: ![]() ♦ одного цикла реактора по формуле: τц = τр + τ1 + τ2 + τ3 + τ4 + τ5 = 21800+900+900+1900+6579+657=32736 с. Уточненное время 32736 с отличается от ранее принятого 31300 на 3,9 %. В этом случае нет необходимости в повторном уточненном расчете. Таким образом, окончательно выбираем реактор-котел номинальным объемом 1 м3, диаметром D = 1200 мм, с площадью теплообмена 3,4 м2, высотой уровня жидкости при = 0,75 Нж= 0,76 м. Задача №3 (9.53) Задание Подобрать нормализованный аппарат с мешалкой для растворения газа воде и определить количество поглощенного газа по исходным данным. Исходные данные для расчета: Газ – СО y=0,15 pизб=0,02 МПа Vг=650 м3/ч Vж=1,75 м3/ч ![]() tp=55oC Решение Для последующих расчетов принимаем согласно справочным данным следующие значения физико-химических показателей воды при температуре 550С: плотность – ρж=985 кг/м3; вязкость – μж=0,5064·10-3 Па·с; поверхностное натяжение – 67,05·10-3 Па·с. Массовый расход жидкости в аппарате составит: G=Vж·ρж=1,4·985=1379 кг/ч Объем жидкости в аппарате определяем по формуле: vж=G·τ/ρж=1379·2,9/985=4 м3. Примем предварительно коэффициент заполнения аппарата φ= 0,5, тогда его номинальный объем будет равен: vн=4/0,5=8 м3 По табл. 9.4 выбираем аппарат диаметром D =2 м. Высота уровня жидкости 1,44 м. Диаметр мешалки принимаем dM=D/4=2/4=0,5 м. Определяем приведенную скорость газа в аппарате по формуле: wc=4∙Vг3600∙π∙D2=4∙3603600∙3.14∙22=0,032мс. Диаметр трубы барботера при скорости газа в ней 25 м/с будет равен: dбв=4∙Vг3600∙π∙wб=4∙3603600∙3.14∙25=0,071 м. Принимаем для барботера по табл. 9 приложения трубу диаметром 76х3,5 мм и уточняем скорость газа в ней: wбв=4∙Vг3600∙π∙dбв2=4∙3603600∙3.14∙0,0692=26,76мс. Средний диаметр барботера будет равен: Dср=6·dбн=6·76=456 мм. Высота расположения барботера над мешалкой: hбн=0,25·dM=0,25·500=125 мм Абсолютное давление в реакторе рассчитываем по формуле: р=0,1+ризб+Нж·ρж·g·10-6=0,1+0,14+1,44·985·9,81·10-6=0,254 МПа. Принимая, что извлечение СО происходит из его смеси с воздухом, рассчитываем мольную массу смеси и ее плотность при рабочих условиях процесса: Мольная масса газовой смеси: Мсм=Мм·у+Мв·(1-у), где Мм, Мв – молярная масса СО и воздуха соответственно, кг/кмоль; у – мольная (объемная) доля СО в смеси. Мсмвх=16·0,12+29·(1-0,12)=27,44 кг/кмоль. Плотность газовой смеси при рабочих условиях: ρсмру=Мсм∙Р∙Т022,4∙Р0∙Т=27,44∙0,254∙27322,4∙0,1∙(273+55)=2,59кгм3. Скорость газа в отверстиях барботера: wo=3,4∙dбв∙ρжρг=3,4∙0,069∙9852,59=17,42мс. Примем диаметр отверстий в барботере d=5 мм, тогда общее их количество будет равно: zo=4∙Vг3600∙π∙d2o∙wo=4∙3603600∙3,14∙0,0052∙17,42=293. Если все отверстия разместить на окружности диаметра Dcp, то шаг их расположения будет равен: t=π·Dcp/zo=3,14·456/293=4,89 мм. С таким шагом отверстия диаметром d=5 мм разместить очень трудно, поэтому расположим их в два ряда по 147 отверстий в каждом ряду. Первый ряд на окружности диаметра Dcp будет иметь шаг t1=3,14·456/147=9,7 мм. Второй ряд разместим на окружности диаметра D0: D0=Dcp-dбн ·sin45°=456-76·0,707=402 мм. Шаг размещения в этом ряду t2=3,14·402/147=8,6 мм. Для расчета количества поглощаемого жидкостью СО рассчитываем частоту вращения мешалки: n≥4∙Vг3600∙dM3=4∙3603600∙0,53=3,2 с-1. Значение критерия Рейнольдса при перемешивании жидкости: Reцб=n∙dM2∙ρжμж=3,2∙0,52∙9850,5064∙10-3=1556082 Соответственно этому значению Reцб нз рис. 9.3 находим для турбинной мешалки в сосуде с перегородками KN =7,2. Мощность, затрачиваемая на перемешивание гомогенной жидкости: N=KN·ρж·n3·dM5= 7,2·985·3,23·0,55=7262 Вт. Д ля расчета газосодержания перемешиваемой системы найдем рассчитываем значение коэффициента А: А=(Vг∙ρж∙gσ)0,21∙n∙dM∙(HжD)0,4 А=(360∙985∙9,813600·67,05∙10-3)0,21∙3,2∙0,5∙(1,442)0,4=83. Газосодержание перемешиваемой системы: φг=С·Аn=0,026·830,26=0,082, где С=0,026, n=0,26 – коэффициенты при А>18. Мощность, диссипируемая в рассматриваемом аппарате: Е=N∙(1-φг)vж∙ρж=7262∙(1-0,082)4∙985=1,692 Коэффициент диффузии СО в воде при t=55°С в соответствии с данными табл. 9.8: Dж = 2,25·10- 9·[1+0,02·(0,5064·10-3)0,5·(55 - 20)]=2,285·10-9 м2/с. Объемный коэффициент массопереноса в жидкой фазе:β=3∙104∙Е0,64∙wг0,6∙Dж0,5=3∙104∙1,6920,64∙0,0320,6∙(2,285∙10-9)0,5=0,255 с-1. Абсолютное давление в аппарате на половине высоты уровня жидкости Нж=1,44 м: р=ризб+(Нж/2)·ρж·g·10-6=0,14+(1,44/2)·985·9,81·10-6=0,147 МПа. Равновесная концентрация СО на границе раздела фаз при его концентрации в воздухе у=0,12 и величине m=6105, принятой по табл. 9.8: х*=у·р·ρж/(m·Мводы)=0,12·0,147·985/(6105·18)=1,581·10-4 кмоль/м3. Количество СО, поглощенного жидкостью (водой): G=β·vж· х*=0,255·4·1,581·10-4=1,613·10-4 кмоль/с=9,29 кг/ч. Задача 4 (9.78) Задание: Рассчитать и выбрать тип барботажного реактора для проведения химических превращений Исходные данные: Vж=7,5 м3/ч Vг=1400 м3/ч Р=0,8 МПа ![]() qp=-8,1*10-3 Дж/кг tp=120 0C ![]() ![]() Сж=4,1*10-3 Дж/кгК λж=0,63 Вт/мК vж=1,22*103 м2/с ![]() Решение |