Тепловой расчет реактора

1. Период пуска реактора

1.1. Приходная часть баланса реактора складывается из теплосодержания жидкого (газообразного) мономера, воды (или другого растворителя) поступающей в качестве среды, теплоты экзотермической реакции.

Исходное сырье:

G₁ = 4400 кг – количество жидкого хлористого винила,

c₁ = 1,6 кДж/кг·град – теплоемкость жидкого хлористого винила,

t₁ = 290 ºК – температура поступающего в реактор хлористого винила.

G₂ = 4400 кг – количество воды,

c₂ = 4,19 кДж/кг·град – теплоемкость воды,

t₂ = 290 ºК – температура поступающей в реактор воды.

t_Р = 335 ºК

Перед запуском реактор с реакционной смесью прогревается до температуры реакции,

количество теплоты, которую необходимо подвести к аппарату:

Q₁ = G₁ c₁ (t_Р - t₁) – G₂ c₂ (t_Р – t₂) = 4400·1,6·45 + 4400·4,19·45 = 1146420кДж.

1.2. Время для разогрева реакционной массы примерно равно 3 часам. Тогда часовой расход тепла:

Q₂ = Q₁/3600·3 = 106,15 кВт/ч. [1]

Для дальнейших расчетов необходимо задать геометрические размеры реактора, и определить способ нагрева и отвода теплоты (рубашка, змеевик, и т. д.). Для гидродинамических расчетов необходимо выбрать перемешивающее устройство.

В качестве реактора выбираю автоклав.

Высота h = 6,4 м,

Диаметр реактора D = 1,6 м,

Диаметр мешалки d_м = 1,2 м

Тогда площадь боковой поверхности F_бок = 31,65м.

Площадь крышки или дна F_д = 1,03м.

Пусть обогрев и съем избытка теплоты происходит благодаря змеевику.

(Мешалку, вид обогрева, геометрические размеры нужно выбрать самостоятельно в зависимости от задания).

1.3. Потери тепла посредством теплообмена с воздухом Q₃.

Q₃ = α_в·(t_ст - t_возд) (F_бок +2F_д)

α_в = 1,16+(8,4+0,06(t_ст - t_возд).

α_в – коэффициент теплоотдачи от стенки рубашки к воздуху,

t_ст – температура наружной стенки (на 1 – 2 градуса меньше чем в реакторе)

t_возд – температура окружающей среды[1].

α_в = 1,16+(8,4+0,06(t_ст - t_возд) = 1,16+(8,4+0,06(334-290)= 12,2 Вт/м²

Q₃ = α_в·(t_ст - t_возд) (F_бок +2F_д) = 12,2·44·(31,65+2·1,03)= 18096 Вт·ч.

1.4. Мы получили очень значительные потери энергии, поэтому разумно предусмотреть теплоизоляцию для их снижения.

В качестве теплоизолятора выбираю войлок.

λ = 0,047Вт/м·К коэффициент теплопроводности,

w = 0,2 м толщина войлока.

Q₄ = λ /w (t_ст - t_возд) =( 0,047/0,2)(334-290) = 10,34 Вт/м². ( теплопотери через 1 квадратный метр).

Q₄·33,7 = 10,34·33,7= 348 Вт/м² - потери тепла через всю поверхность реактора[2].

1.5.Общий расход тепла:

Q₅ = Q₂ + Q₄·33,7 = 106,15+348·10^-3=106,5 кВт/ч.

Для расчета площади необходимо рассчитать коэффициент теплопередачи, а для него коэффициенты теплоотдачи.

1.6. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенкам труб.

α₁ = 2,04εε_t·⁴√ (λ³·ρ²·r/μ·∆t·H)[2]

Для водяного пара в случае конденсации на пучке горизонтальных труб при ε_t = 1:

α₁ = 1,28 ε А_t /(d ∆t)^0,25 [2] .

Общая критериальная зависимость для случая конденсации водяного пара приводит к виду:

α₁ = 1,36 А² ∆t_кондL^0,7d^-0,25[2]

А – коэффициент, объединяющий физико-химические константы воды и пара (его значения в зависимости от температуры конденсации.

[2]

∆t_конд = t_конд - t_стенки.

L – дляна трубы, м.

d – внутренний диаметр, м.

α₁ = 1,36 А² ∆t_кондL^0,7d^-0,25 = 1,36·8,5²·(373-372)·1000^0,7·0,005^-0,25 = 46520 Вт/м²

Расход пара.

G = (Q₅·3·3600)/r = 106,5 ·3·3600/2260000 = 0,5 кг.

r – удельная теплота парообразования кДж/кг.

1.7. Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки к эмульсии в реакторе.

α₂ = Nu·λ/ d_м[2]

Nu – критерий Нуссельта.

λ – теплопроводность жидкости, Вт/м·К.

d_м – диаметр мешалки, м.

Nu = C·Re^m·Pr^0,33·(μ/μ_ст)^0,14·Г^-1[2]

Re – критерий Рейнольдса Re = ρ·n ·d_м²/μ

Pr – критерий Прандтля Pr = c·μ/λ

Г = D/d_м

(μ/μ_ст)^0,14 = 1

Re, критерий Рейнольдса

Re = ρ·n ·d_м²/μ [2]

Плотность смеси находится как среднее арифметическое плотности мономера и растворителя при соответствующей температуре.

Плотность воды 0,992 кг/м³, плотность хлорвинила 0,875 кг/м³. ρ_см = 0,934 кг/м³.

Вязкость воды 6,57·10^-4 Па·с, Вязкость хлорвинила 0,162·10^-4Па·с, Вязкость смеси μ = 3,37·10^-4 Па·с[2,4].

Re = ρ·n ·d_м²/μ = 0,934·3,45·1,2²/3,37·10^-4 = 13768,9

Pr , критерий Прандтля

Pr = c·μ/λ[2]

Теплоемкость воды 4,18 кДж/кг·К, теплоемкость хлорвинила 1,45 кДж/кг·К, их средняя теплоемкость 2,82 кДж/кг·К.

Теплопроводность воды 0,634 Вт/м·К, теплопроводность хлорвинила 0,138 Вт/м·К, их средняя теплопроводность λ = 0,386 Вт/м·К[2,4].

Pr = c·μ/λ = 2,82·10³·3,37·10^-4/0,386 = 2,46

Для аппаратов со змеевиком С = 0,87, m = 0,62.

Г^-1 =( D/d_м) ^-1 =(1,6/1,2)^-1 = 0,8125

Nu = C·Re^m·Pr^0,33·(μ/μ_ст)^0,14·Г^-1 = 0,87·13769^0,62·2,46^0,33·1·0,8125 =351

α₂ = Nu·λ/ d_м = 351·0,386/1,2 = 113

1.8. Расчет коэффициента теплопередачи.

К = 1/ (1/ α₁ + Σδ/λ + 1/ α₂)[1,2]

δ – толщина змеевика из стали Ст 3, δ = 0,003м.

λ = 47 Вт/м²К, коэффициент теплопроводности стали.

К = 1/ (1/ α₁ + Σδ/λ + 1/ α₂) = 1/ (1/ 46520 + 0,003/47 + 1/113) = 113 Вт/м²К

Расчет коэффициента теплопередачи необходим для того чтобы определить соответствует ли общая поверхность змеевика необходимой для нагрева (общая поверхность змеевика F=15,7м²).

Составим уравнение теплопередачи:

Q_{подводимое тепло} = Q тепло на нагрев + Q потери = Q₅ = К· F·∆tср

∆tср = ∆t_max - ∆t_min/ ln(∆t_max/∆t_min)

∆t_max = t_пара – t_{смеси в начале работы} = 373 – 290 = 83К

∆t_min = t_пара – t_{смеси в периуд работы} = 373 – 348 = 25К

∆tср = ∆t_max - ∆t_min/ ln(∆t_max/∆t_min) = 83-25/ ln(83/25) = 48,3 К

Fрасч = 106,5·1000/113·48,3 = 19,5 м².