Задание к расчетной работе по теме

«Реактор полимеризации винилхлорида»

Рассчитать производительность реактора полимеризации винилхлорида заданного объёма и количество реакторов в установке на заданную годовую производительность производства. Исходные данные индивидуальных вариантов заданий приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Исходные данные для расчета реактора полимеризации ВХ

Номер варианта	т/год	м³	м²	м	мм	м		мм		,	ч
				3,8		1,52	2,08	60 150	1,2		3,8
				3,8		1,64	1,96	65 160	1,3		4,1
				3,6		1,45	2,08	60 140	1,2		3,6
				4,0		1,87	1,67	75 175	1,3		4,5
				3,2		1,30	2,30	50 130	1,2		3,2
				4,5		1,92	1,67	80 200	1,4		4,8
				4,5		2,06	1,67	80 220	1,4		5,2
				3,0		1,20	2,30	50 120	1,2		3,0
				3,4		1,40	2,08	50 140	1,2		3,4
				5,0		2,22	1,50	85 220	1,4		5,6
				3,8		1,60	1,96	60 160	1,2		4,2

Окончание табл. 2.1

Номер варианта	т/год	м³	м²	м	мм	м		мм		,	ч
				4,0		1,84	1,67	80 180	1,3		4,7
				4,5		1,90	1,67	80 190	1,3		4,3
				4,5		2,00	1,67	80 200	1,4		5,0
				5,0		2,20	1,50	85 210	1,4		5,5
				5,0		2,30	1,50	85 240	1,4		6,0
				5,0		2,24	1,50	85 230	1,2		5,8
				5,0		2,22	1,50	85 220	1,4		5,6
				4,5		2,06	1,67	90 220	1,3		5,2
				4,5		1,92	1,67	80 200	1,4		4,8
				4,0		1,87	1,67	75 175	1,4		4,5
				3,8		1,64	1,96	65 160	1,3		4,2
				3,8		1,52	2,08	60 150	1,2		3,8
				3,8		1,64	1,96	65 160	1,3		4,2
				4,5		2,00	1,67	80 200	1,4		5,1

Примечания: 1. мощность производства (годовая производительность установки); объём реактора; площадь теплообменной поверхности рубашки; диаметр корпуса реактора; толщина стенки корпуса; диаметр мешалки; частота вращения мешалки; размеры поперечного сечения канала рубашки; водный модуль загрузки; температура полимеризации; продолжительность времени вспомогательных операций.

2. Во всех вариантах принять годовой фонд рабочего времени 330 сут/год; температуру охлаждающей воды на входе в рубашку ; термическое сопротивление загрязнений стенки со стороны реакционной среды , со стороны охлаждающей воды – .

Рекомендуется следующий порядок расчёта:

1. По уравнениям материального и теплового балансов (2.1) и (2.2) найти выход продукта и количество выделившегося тепла за один цикл периодического процесса полимеризации ВХ.

2. Задать в первом приближении температуру стенки и по уравнению (2.10) рассчитать коэффициент теплоотдачи для чистой воды в реакторе . Найти наименьшую величину коэффициента теплоотдачи для реакционной среды при степени конверсии 70% по соотношению (2.9).

3. Используя заданные или справочные данные [2] по величинам термических сопротивлений загрязнений и коэффициента теплопроводности материала стенки, вычислить суммарное термическое сопротивление по формуле (2.12).

4. Принять конечную температуру охлаждающей воды в рубашке на 5 – 7 ^оС выше начальной и рассчитать среднюю температуру воды. Принять скорость потока воды в канале рубашки (1,5 – 2,5 м/с), вычислить средний эквивалентный диаметр канала и критерий Рейнольдса.

5. Задаться температурой стенки в первом приближении и вычислить коэффициент теплоотдачи к охлаждающей воде в канале. При значении можно воспользоваться уравнением (2.13), при меньших значениях применить другие зависимости [3].

6. Вычислить коэффициент теплопередачи по формуле (2.8).

7. Определить среднюю разность температур между реакционной средой в реакторе и водой в рубашке как

(2.29)

и рассчитать плотность теплового потока через рубашку по формуле

. (2.30)

8. Вычислить истинные значения температур стенки и и уточнить величины коэффициентов , и . По уравнению теплопередачи (2.7) найти тепловой поток через стенку реактора.

9. По величине тепловой нагрузки из теплового баланса найти объёмный расход охлаждающей воды в рубашке и количество теплообменных секций.

10. Выбрать значение скорости потока испаряемого ВХ в сечении реактора в пределах 0,01 – 0,03 м/с, рассчитать давление по формуле (1.2) и плотность ВХ. По уравнению теплового баланса (2.17) найти тепловой поток в обратном конденсаторе и по уравнению (2.6) – общий тепловой поток .

11. По тепловой нагрузке из уравнения теплопередачи (2.18) найти требуемую площадь теплообменной поверхности обратного конденсатора и по справочным данным [3] подобрать стандартизованный кожухотрубчатый теплообменник. Проверить достаточность площади сечения трубного пространства для выбранного типоразмера теплообменника при работе аппарата без захлёбывания.

12. По уравнению (2.5) рассчитать мощность перемешивания . Физико-химические характеристики реакционной среды можно найти из графиков рис. 2.3 б, коэффициент мощности в функции критерия – из графика [1, 3].

13. Определить тепловые потери и из уравнения (2.4) найти максимально допустимый поток тепла от химической реакции полимеризации ВХ .

14. Определить условную плотность теплового потока через теплообменную рубашку по соотношению (2.19) и сравнить полученную величину с графиками рис. 2.2. Оценить величину отношения максимального и среднего значений плотностей теплового потока . По формуле (2.21) определить среднее значение потока тепла химической реакции .

15. По формулам (2.3) и (2.22) найти продолжительность времени реакции и времени цикла . По формулам (2.23) и (2.24) найти производительность реактора и количество реакторов в установке .

16. Используя формулы (2.25) – (2.28) и методические указания [3], выполнить поверочный расчёт выбранного стандартизованного обратного конденсатора.

Пример 2.1.Рассчитать производительность реактора полимеризации ВХ и их количество в производстве ПВХ. Определить ориентировочно площадь поверхности кожухотрубчатого конденсатора и выбрать его типоразмер.

Исходные данные:

- мощность производства т/год;

- объём реактора ;

- площадь теплообменной рубашки ;

- диаметр корпуса м;

- толщина стенки корпуса мм;

- материал корпуса сталь 12Х18Н10Т;

- диаметр мешалки м;

- частота вращения мешалки ;

- размеры канала змеевиковой рубашки мм;

- водный модуль загрузки ;

- температура полимеризации ;

- начальная температура охлаждающей воды ;

- время вспомогательных операций ч;

- годовой фонд рабочего времени сут/год;

- термическое сопротивление загрязнений стенки

~ со стороны реакционной среды ;

~ со стороны охлаждающей воды .

Выход ПВХ за один цикл определим из материального баланса по уравнению (2.1). Принимаем коэффициент заполнения реактора с учётом усадки реакционной среды , степень превращения и температуру загрузки 20 , при которой плотность жидкого мономера и плотность воды [2]. Подставив известные величины в формулу (2.1), получим

кг/ц.

Количество тепла реакции, выделившегося за один цикл, равно

, (2)

где кДж/кг – удельная теплота полимеризации ВХ [1].

Дж/ц.

Для определения коэффициента теплоотдачи от реакционной среды воспользуемся соотношением (2.9) и рассчитаем коэффициент теплоотдачи для случая чистой жидкости (воды) в реакторе по уравнению (2.10). Вычислим его параметры.

Критерий Рейнольдса

где , плотность и вязкость воды при температуре полимеризации [2].

Критерий Прандтля

где теплоёмкость и теплопроводность воды при температуре [2].

Принимаем в первом приближении температуру стенки и из [2] найдём вязкость воды

Подставив известные величины в уравнение (2.10), найдём значения критерия Нуссельта

и коэффициента теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи от реакционной среды, согласно соотношению (2.9), равен

Термическое сопротивление стенки с загрязнениями равно

где – теплопроводность стали 12Х18Н10Т [2].

Примем конечную температуру охлаждающей воды . Тогда её средняя температура [2].

Эквивалентный диаметр канала руьашки

мм.

Примем скорость движения воды в канале w = 2 м/с и найдём величину критерия Рейнольдса:

где , – плотность и вязкость воды при средней температуре [2].

При коэффициент теплоотдачи можно рассчитать по критериальному уравнению (2.13). Критерий Прандтля

где , теплоёмкость и теплопроводность воды при средней температуре [2].

Примем в первом приближении температуру стенки . При этой температуре теплоёмкость воды , вязкость , теплопроводность [2] и критерий Прандтля

Подставив известные величины в уравнение (2.13), найдём критерий Нуссельта

и коэффициент теплоотдачи

Подставив найденные величины в уравнение (2.8), получим

Средняя разность температур, согласно (2.29), равна

Проверим принятые значения и , для чего определим плотность теплового потока

и найдём соответствующие температуры:

При температуре [2]. Скорректируем величину коэффициента теплоотдачи от реакционной среды:

При температуре стенки , , 9,3 и скорректированная величина коэффициента теплоотдачи

Уточнённое значение коэффициента теплопередачи равно

Таким образом, согласно уравнению (2.7), теплообменная рубашка реактора может обеспечить тепловой поток, равный

Объёмный расход охлаждающей воды в рубашке реактора найдём из уравнения теплового баланса:

Количество теплообменных секций рубашки равно

Принимаем количество секций

Для нахождения теплового потока в обратном конденсаторе ограничим скорость потока испаряемого ВХ в поперечном сечении реактора величиной м/с.

Давление паров ВХ в реакторе при температуре полимеризации вычислим по уравнению Антуана [1]:

Плотность паров ВХ найдём из уравнения состояния газа

где кг/кмоль – молекулярная масса ВХ; температура и давление при нормальных условиях.

Массовый расход испаряемого ВХ равен

Тепловая нагрузка обратного конденсатора

где – удельная теплота парообразования ВХ при температуре [2].

Требуемую площадь поверхности кожухотрубчатого конденсатора найдём из уравнения теплопередачи

, (10)

где коэффициент теплопередачи; средняя разность температур между конденсирующимся ВХ и охлаждающей водой.

По условиям передачи тепла от конденсирующегося пара к воде можно принять ориентировочно [3]. Среднюю разность температур принимаем , так как температурные условия в реакторе и конденсаторе одинаковы. Подставив известные величины в уравнение (10), получим

Из справочных данных [3] выбираем одноходовой кожухотрубчатый теплообменник типа К с площадью теплообмена 61 м² и проходным сечением в трубном пространстве

Скорость газообразного ВХ в трубах теплообменника равна

м/с.

Полученная величина скорости находится в рекомендуемых пределах для вертикального противоточного конденсатора ( ) по условиям захлёбывания.

Общая тепловая нагрузка реактора, согласно (2.6), равна

Для расчёта мощности перемешивания определим величину центробежного критерия Рейнольдса:

где плотность и вязкость реакционной среды при степени конверсии , определённые из графических зависимостей рис. 2.3 б.

Из графической зависимости [1] определим для мешалки Пфаудлера с отражателями значение и по формуле (2.5) найдём тепловой поток от работы перемешивания:

Вт.

Принимаем тепловые потери

Вт.

Из уравнения (2.4) найдём тепловой поток, обусловленный тепловым эффектом химической реакции:

Найдём максимальную величину плотности теплового потока, условно приведённой к площади поверхности рубашки:

Из сравнения полученной величины с графиками рис. 2.2 видно, что рассчитываемому процессу ближе подходит кривая 4, из которой можно оценить величину отношения максимального и среднего значений плотностей теплового потока . По формуле (2.21) определим среднее значение потока тепла химической реакции:

Из формулы (2.3) найдём продолжительность времени реакции

и времени цикла

Количество циклов полимеризации в течение года составит

По формулам (2.23) и (2.24) найдём производительность реактора

и количество реакторов в установке

Принимаем десять реакторов к установке в производстве ПВХ.

Пример 2.2.По данным примера 2.1 выполнить поверочный расчёт обратного конденсатора.

Выпишем дополнительные характеристики выбранного предварительно типоразмера кожухотрубчатого теплообменника [3]:

- площадь теплообменной поверхности 61 м²;

- диаметр труб

- длина труб

- площадь проходного сечения между трубами в вырезе перегородки

- площадь проходного сечения в межтрубном пространстве между перегородками

- материал теплообменника сталь 12Х18Н10Т.

Коэффициент теплоотдачи при конденсации паров ВХ найдём по формуле (2.25). Допуская, что разность между температурами конденсата и стенки меньше , физико-химические характеристики конденсата и можно принимать при температуре конденсации Учитывая также низкую вязкость жидкого ВХ, можно пренебречь изменением вязкости и теплопроводности и принять

Коэффициент теплопроводности при температуре конденсации определим по формуле [1]

где коэффициент теплопроводности жидкого ВХ при температуре 30^оС; температурный коэффициент,

Динамическую вязкость жидкого винилхлорида при температуре конденсации найдём из формулы [1]:

Плотность конденсата ВХ при температуре конденсации равна [1]

где кг/м³ – плотность жидкого ВХ при температуре ; температурный коэффициент объёмного расширения, .

Подставив известные величины в расчётное уравнение, найдём коэффициент теплоотдачи α₁ от конденсирующегося диэтилового эфира к наружной поверхности труб:

Величина может быть найдена из условия неразрывности теплового потока при теплопередаче. Для этого необходимо определить слагаемые термических сопротивлений коэффициента теплопередачи (2.8).

Используя данные по термическим сопротивлениям примера 2.1 и с учётом толщины стенки труб мм, найдём по уравнению (2.12) термическое сопротивление стенки трубы

м^{2 .}К/Вт.

Для определения вида расчётного уравнения коэффициента теплоотдачи к охлаждающей воде в межтрубном пространстве оценим гидродинамический режим движения в нём жидкости. Расход воды на охлаждение найдём из уравнения теплового баланса по данным примера 2.1:

При среднем значении проходного сечения межтрубного пространства, равном

скорость потока воды в межтрубном пространстве составит

м/с.

Критерий Рейнольдса

При значении расчёт коэффициента теплоотдачи выполним по уравнению (2.28). Согласно рекомендации [4] для нагревающихся жидкостей без большой погрешности можно принять . Тогда

;

Вт/(м^{2 .}К).

Плотности тепловых потоков теплоотдачей от конденсирующегося винилхлорида к стенке трубы , теплопроводностью через загрязнённую стенку и теплоотдачей от стенки к охлаждающей воде равны из условия неразрывности теплового потока. Здесь температуры стенок со стороны соответствующих теплоносителей; температура конденсации винилхлорида. Истинную величину можно найти методом подбора температуры стенки . Предварительно преобразуем выражение для :

Таблица 2.2. Расчёт плотности теплового потока


		27,9
		18,6
		11,6

В последней строке табл. 6.2 с погрешностью менее 3%. Примем среднее значение Вт/м² и рассчитаем требуемую площадь поверхности теплопередачи:

м²,

что меньше заданной площади теплообменной поверхности м². Таким образом, выбранный теплообменник удовлетворяет заданным условиям процесса конденсации винилхлорида.