Курсовой. Кудюшев 4181-11. Задача Рассчитать и подобрать нормализованный реакторкотел периодического действия по исходным данным табл. 1

• Название: Задача Рассчитать и подобрать нормализованный реакторкотел периодического действия по исходным данным табл. 1
• Анкор: Курсовой
• Дата: 09.04.2023
• Размер: 66.25 Kb.
• Имя файла: Кудюшев 4181-11.docx
• Тип: Задача; #1047529

11 Вариант Кудюшев 4181-11

Задача 1. Рассчитать и подобрать нормализованный реактор-котел периодического действия по исходным данным табл. 1.

Исходные данные:
G, кг/час = 140

С_н, кмоль/м³ = 0,3

Х = 0,7

К_Р, кмоль/м²·с = 4,5·10^-5

Т,⁰С = 130

Р, МПа = 0,4

ρ, кг/м³ = 1200

С_Ж, Дж/кг·град = 2000

μ, Па·с = 0,025

λ, Вт/м·К = 0,187

Примечание. G - производительность по реакционной массе; С_н, - 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 = (х_н– х_к)/ х_н =0,8 и начальной концентрации х_н = 0,3 кмоль/м³ определим конечную концен­трацию:

х_к = x_H(1 - χ) = 0,3·0,2 = 0,06 кмоль/м³.

2) Необходимое время реакции первого порядка определяется по формуле:

с

3) Принимаем предварительно временный КПД реактора:



где τ_в - вспомогательное время работы реактора, и находим общее время цикла:

с

4) Номинальный объем реактора рассчитываем по формуле:

м³

где - 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 реакторов

при 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 м² , диаметр вала мешалки 65м, площадь поверхности теплообмена змеевика: 1ый ряд-5,2 м² 2ой ряд-9,5 м²

6) Выполним уточненный расчет.

В общем случае время цикла τ_ц определяется как сумма:

τ_ц= τ_р + τ₁ + τ₂ + τ₃ + τ₄ + τ₅

Рассмотрим каждое слагаемое:

τ_р – продолжительность реакции, зависит от порядка реакции и рассчитывается по формулам:

для реакции нулевого порядка



где К_р0 – константа скорости реакции нулевого порядка, кмоль/(м² с); х_Ан , х_Ак – начальная и конечная концентрация реагирующего вещества А в системе, кмоль/м³

для реакции первого порядка

с

где К_р1 – константа скорости реакции первого порядка, кмоль/(м² с);

для реакции второго порядка



где К_р2 – константа скорости реакции второго порядка, кмоль/(м² с); х_Вн – 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 - 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; К_3,4 – 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

v_нас = 3 м³/ч. Тогда:

₂ = с.

Время опорожнения реактора рассчитаем, исходя из условия слива жидкости через нижний штуцер:

с

Для расчета ₃ и ₄ дополнительно к исходным данным примем температуры реакционной массы до нагревания t_н= 20⁰С и после охлаждения t_K= 30 °С, теплоемкость материала реактора (стали) с_р = 515Дж/кг-К.

8) Масса реактора приближенно:

кг

где Р- избыточное давление в реакторе, МПа.

9) Количество теплоты, затрачиваемое для нагревания и охлаждения реакционной массы и реактора:

,

где m_p, m_ж – масса реактора и загруженной в него жидкости, кг; с_р, с_ж – удельные теплоемкости материала реактора и жидкости, Дж/кг К; - разность температур в процессе нагревания и охлаждения:

; ,

где t_p – температура реакции; t_н – начальная температура жидкости до нагревания; t_к– 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 t_н до t_p 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 t_p до t_к, 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; d_зм – наружный диаметр трубы змеевика; - центробежный критерий Рейнольдса; n–частота вращения мешалки, с^-1 ; d_м – 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 Рейнольдса



где п= 0,83 с^-1; d_M — 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

=38,13⁰С соответствует В = 36,8 10⁹, находим разность
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 λ_в= 0,6 Вт/(мК); высота рубашки Н_р =Н_ж = 0,42м.

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:

τ_ц= τ_р + τ₁ + τ₂ + τ₃ + τ₄ + τ₅ = 900+8640+ + + =54323,95с

Уточненное время 54323,95 с отличается от ранее принятого на 5,9%. В этом случае нет необходимости в повторном уточненном расчете.

Таким образом, окончательно выбираем реактор-котел номинальный объем 3,2 м³, диаметр аппарата D = 1600мм, высота уровня жидкости в аппарате 1,33 м, площадь поверхности теплообмена рубашки 8,5 м² , диаметр вала мешалки 65м, площадь поверхности теплообмена змеевика: 1ый ряд-5,2 м² 2ой ряд-9,5 м²