close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

методичка2

код для вставкиСкачать
Тепловой расчет реактора.
Введение.
Синтез полимеров – удивительный и нелинейный процесс, требующий
глубокого технического и математического рассмотрения. Разработка
технологического проекта занимает длительное время и требует усилий
многих отделов проектной организации. Такая работа включает в себя этапы
создания
промышленной
концепции,
моделирования
процессов,
экономические расчеты, технологический подбор реактора и обвязывающего
оборудования.
Немного
оборудования,
за
водоснабжения,
позже
которым
формируется
следует
вентиляции,
проектный
разработка
планирование
систем
схемы
КИП,
монтаж
электро-
и
проработка
технической безопасности и многое другое. Параллельно происходит
конструирование нестандартного оборудования. Немалую часть времени
занимает взаимное согласование оборудование и превращение отдельных
элементов в единую техническую систему.
На каждое устройство технологической системы опасного производства
требуется Разрешение на применение, а сам проект проходит тщательную
экспертизу.
Таким образом, вычленение одной стороны процесса синтеза полимера,
по сути, не грамотное действие, обусловленное только ограниченностью
учебного процесса или желанием получить начальные результаты, в
последствие перерабатываемые.
Рассмотрение теплового баланса при проектировании не делимо с
расчетами
химической
кинетики
и
термодинамики
реакции,
учета
гидродинамического режима и потоков веществ, экономического анализа.
Цель технологического процесса – получение продукта с требуемым
техническим
качеством.
При
проектировании
процесса
обязательно
установление верного по времени съема продукта для предотвращения
высокой
полидисперсности.
Высокое
расхождение
полимеров
по
молекулярной массе приведет, в частности, к различию температур
стеклования и перехода в вязкотекучее состояние, что в свою очередь сделает
невозможным дальнейшую переработку – в одном режиме часть полимера
расплавится, а часть останется твердыми частицами.
Расчет теплового баланса преследует цель установить необходимое
количество теплоты, которое нужно подвести с горячим теплоносителем или
отнять с холодным от реагентов и среды. Процесс теплопередачи зависит от
площади теплообмена, которая задается, и от двух коэффициентов
теплоотдачи: от теплоносителя к стенки α1 и от стенки к среде α2. В свою
очередь эти параметры определяются физическими константами вещества,
гидродинамическим режимом и температурой. Меняя
интенсивность
перемешивания и температуру теплоносителя можно добиться тех значений
αi, при которых теплообмен будет эффективен (с имеющейся поверхностью
теплообмена). Для реализации технологического процесса по линии
оптимальных температур (давлений), в каждый момент времени расчетная
площадь должна совпадать с реальной. В предварительных расчетах для
последующей возможности регулирования процесса вычисляемая площадь
должна быть меньше конструктивно принятой.
Исходные данные.
Мономер:
винилхлорид
Количество мономера:
300 кг.
Растворитель:
вода.
Количество растворителя:
700 кг.
Температура реакции:
335 0С.
Температура помещения
290 0С.
Время разогрева реакционной массы
3 ч.
Термическое сопротивление стенок змеевика
пренебрегается.
Коэффициент учитывающий неполноту реакции (степень превращения)
φ
0,9.
Вязкость латекса, μ
2 Па·с.
Период пуска реактора.
1. В период пуска требуется определить количество тепла, которое
необходимо подвести к реакционной среде, учитывая теплосодержание
исходных реагентов и среды. Составляется уравнение теплового баланса.
Приходная
часть
теплового
баланса
реактора
складывается
из
теплосодержания жидкого (газообразного) мономера, воды (или другого
растворителя) поступающей в качестве среды и теплоты экзотермической
реакции.
Исходное сырье:
G1 = 300 кг
– количество жидкого хлористого винила,
c1 = 1,44 кДж/кг·град
– теплоемкость жидкого хлористого винила,
t1 = 290 ºК
–
температура
поступающего
в
реактор
хлористого винила.
G2 = 700 кг
– количество воды,
c2 = 4,19 кДж/кг·град
– теплоемкость воды,
t2 = 290 ºК
– температура поступающей в реактор воды.
Температура реакции
tР = 335 ºК
В период пуска реактор с реакционной смесью прогревается до
температуры реакции.
1.1. Количество теплоты Q1, которую необходимо подвести к аппарату
рассчитывается по формуле:
Q1 = G1 c1 (tР - t1) + G2 c2 (tР – t2) = 300·1,44·45 + 700·4,19·45 = 151425 кДж.
1.2. Время разогрева реакционной массы 3 часа. Тогда часовой расход
тепла:
Q2 = Q1/3600·3 = 14,0 кВт/ч. [1]
Для дальнейших расчетов необходимо определить геометрические
размеры реактора, выбрать вид нагрева и тип размер мешалки. Подходящий
аппарат
можно
подобрать
по
каталогам,
которые
выпускаются
предприятиями – изготовителями.
В качестве реактора выбран вертикальный аппарат, оснащенный
мешалкой. Подвод и съем теплоты осуществляется посредством змеевика.
Высота
h = 1,515 м,
Диаметр реактора
D = 1,000 м,
Диаметр мешалки
dм = 0,36 м (можно выбрать свое).
Площадь боковой поверхности
Fбок =
4,7 м. (по формуле цилиндра –
грубая оценка).
Площадь крышки или дна
Fд = 1,57 м.
1.3. Потери тепла посредством теплообмена с воздухом Q3.
Q3 = (λ/δ)( tст - tвозд)·(Fд + Fбок)
λ – теплопроводность стали.
34,9 Вт/м К.
δ – толщина стали.
0,007 м.
Сталь выбирается в зависимости от химического состава реакционной
массы и климата, с учетом требуемой прочности.
tст – температура наружной стенки (на 1 – 2 градуса меньше, чем в реакторе)
tвозд – температура окружающей среды[1]. (Как и у исходных веществ
вначале).
Q3 = (λ/δ)( tст - tвозд)·(Fд + Fбок) = 34,9/0,007(311,5-290)·(4,75+1,57) /1000
=593 кВт.
Значительные потери энергии, уменьшаются с помощью теплоизоляции.
Теплоизоляция определяется на стадии проектирования.
1.4. Расчет теплоизоляции
Q4 = λ /w (tст - tвозд)
λ – коэффициент теплопроводности войлока
0,047 Вт/м·К,
w – толщина войлока
0,2 м.
Q4 = λ /w (tст - tвозд)(Fбок +Fд +к ) = (0,047/0,2)(311,5-290)( 4,75+1,57) = 0,03
кВт/м2 [2].
1.5.Общий расход тепла:
Q5 = Q2 + Q4·= 14,0 + 0,03 = 14,0 кВт/ч.
1.6. Расчет площади теплообмена.
Расчет площади теплообмена цикличен, требует много повторений, так
как формулы содержат взаимосвязанные характеристики, для которых нужно
найти приемлемые между собой и с конструкцией аппарата значения.
Вычисления проводятся по формуле теплопередачи:
К = 1/ (1/ α1 + Σδ/λ + 1/ α2) [1,2].
Fрасч =Q5·1000/K·∆tср
К – коэффициент теплопередачи
м2К/Вт
α – коэффициент теплоотдачи
Вт/м2К
δ – толщина змеевика из стали Ст 3,
м.
λ – коэффициент теплопроводности стали
Вт/м2К.
∆tср – средняя разность температур между теплоносителем и средой.
При конденсации пара на наружной поверхности пучка горизонтальных
труб, змеевиков, а также при кипении жидкости коэффициенты теплоотдачи
αi зависят от q удельной тепловой нагрузки, которая в свою очередь связана с
К.
q =К∆tср
q – удельная тепловая нагрузка
Вт/м2.
Это приводит к уравнению вида:
q/∆tср = 1/ (1/ α1 + Σδ/λ + 1/ α2)
и дальше:
aqa + bqb + c = 0.
Последнее уравнение необходимо решить графически и найти q, при
котором зависимость обращается в ноль, вычислить площадь, сравнить с
площадью
змеевика
от
завода-изготовителя,
а
потом,
варьируя
технологические параметры повторять цикл вычислений столько раз пока
расчетная площадь не примет приемлемое значение.
1.7. Коэффициент теплоотдачи для пара, который конденсируется внутри
горизонтальных труб, можно найти по уравнению.
α1 = 1,36 А q 0,5L0,35d-0,25[2].
А – коэффициент, объединяющий физико-химические константы воды и
пара, его значения в зависимости от температуры конденсации приведены в
[2] на стр. 164, а также ниже. Зависимость меньше 100 0С построена
экстраполяцией, для большей точности следует обратиться к справочникам.
[2]
L – длина трубы,
м.
d – внутренний диаметр,
м.
Длину и диаметр можно узнать в сбытовой службе производителя
оборудования, в предлагаемой работе они задаются по площади теплообмена
приводимой в каталоге S = 3,14 L d.
α1 = 1,36 А q 0,5L0,35d-0,25 = 1,36·11·q0,5·14,640,35·0,05-0,25 = 81 q 0,5Вт/м2
1.8. Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки к эмульсии в реакторе.
α2 = Nu·λ/ dм [2].
Nu – критерий Нуссельта.
λ – теплопроводность жидкости,
Вт/м·К.
dм – диаметр мешалки,
м.
Nu = C·Rem·Pr0,33·(μ/μст)0,14·Г-1[2].
Для аппаратов со змеевиком С = 0,87, m = 0,62.
Re – критерий Рейнольдса
Re = ρ·n dм2/μ.
Г = D/dм.
Pr – критерий Прандтля
Pr = c·μ/λ.
(μ/μст)0,14 = 1
1.8.1. Расчет критерия Рейнольдса Re.
Re = ρ·n·dм2/μ [2]
Плотность и вязкость смеси находится по правилу аддитивности,
пропорционально массовым долям компонентов смеси.
Плотность воды
0,993 кг/м3,
плотность хлорвинила
0,875 кг/м3.
ρсм =
0,958 кг/м3.
Вязкость воды
6,56·10-4 Па·с,
вязкость хлорвинила
2.87·10-4Па·с,
вязкость смеси
μ = 5,45·10-4 Па·с [2,4].
Re = ρ·n dм2/μ = 958·0,001·0.362/5,45·10-4 = 228
1.8.2. Расчет критерия Прандтля Pr.
Pr = c·μ/λ [2]
Теплоемкость воды
4,19 кДж/кг·К,
теплоемкость хлорвинила
1,44 кДж/кг·К,
теплоемкость смеси
3,37 кДж/кг·К.
Теплопроводность воды
0,65 Вт/м·К,
теплопроводность хлорвинила
0,138 Вт/м·К,
теплопроводность смеси
λ = 0,50 Вт/м·К[2,4].
Критерий Прандтля:
Pr = c·μ/λ = 2,82·103·3,37·10-4/0,386 = 3,7
Г-1 =( D/dм) -1 =(1,6/1,2)-1 = 0,36
Критерий Нуссельта
Nu = C·Rem·Pr0,33·(μ/μст)0,14·Г-1 = 0,87·2280,62·3,70,33·1·0,36 =14
Коэффициент теплоотдачи
α2 = Nu·λ/ dм = 2823·0,386/1,2 = 19
1.9. Расчет коэффициента теплопередачи.
К = 1/ (1/ α1 + Σδ/λ + 1/ α2) [1,2].
δ – толщина змеевика из стали Ст 3,
0,003 м.
λ – коэффициент теплопроводности стали
47 Вт/м2К,.
или:
q =К∆tср = 1/ (1/ 613 q 0,5 + Σδ/λ + 1/ α2)
отсюда:
q 0,5/ α1 + q (Σδ/λ + 1/ α2) – ∆tср = у
Это уравнение решается графическим методом, но вначале определяем
∆tср.
∆tср = ∆tmax - ∆tmin/ ln(∆tmax/∆tmin)
∆tmax = tпара – tсмеси в начале работы = 373 – 290 = 83
∆tmin = tпара – tсмеси в период работы = 373 – 333 = 40
∆tср = ∆tmax - ∆tmin/ ln(∆tmax/∆tmin) = 83-40/ ln(83/40) = 34,4
В конце приводим уравнение к виду:
q 0,5/81 + q 0,052 – 34,4 = у
Находим q ≈ 700 Вт/м2
Коэффициент теплопередачи:
К = q/∆tср = 1650/34,4 = 48
Расчетная площадь:
Fрасч =Q5·1000/K·∆tср = 96,7·1000/34,4·48 = 5,86 м2
Расход пара.
G = (Q5·3·3600)/r = 96,7 ·3·3600/2260000 = 0,463 кг.
r – удельная теплота парообразования
кДж/кг.
Период работы реактора
Тепловой расчет реактора процесса полимеризации очень напряжен.
Невозможно отвести тепло с помощью змеевика, так как возникновение
пузырьков газа в сжатом пространстве приведет к гидродинамическим
ударам. Трудно отнять тепло и с помощью рубашки – увеличение площади
теплообмена приведет к росту высоты аппарата, смесь окажется в нижней
части аппарата, тогда как в верхней части теплообмена не будет. Поэтому
смесь взаимодействующих веществ циркулирует через теплообменник.
Механизм теплосъема комбинируется из передач тепла от вязкого латекса к
стенке и от стенки к холодной воде.
2.1.Приход тепла с хлорвинилом
q1 = 35 кг/ч
– часовой расход хлористого винила.
c1 = 1,44 кДж/кг·град
–
теплоемкость
жидкого
хлористого
винила,
t1 = 290 ºК
–
температура
поступающего
в
реактор
хлористого винила.
Q6 = q1· c1· t1/3600сек = 35·1,44·290/3600 =4,1 кВт
2.2 Приход тепла с водой
q2 = 290 кг /ч
– часовой расход воды,
c2 = 4,19 кДж/кг·град
– теплоемкость воды,
t2 = 290 ºК
– температура поступающей в реактор воды.
Q7 = q1· c1· t1/3600сек = 290·4,19·290/3600 =27,7 кВт
2.3. Количество теплоты, которая выделяется при полимеризации.
q1 = 35 кг/ч
– часовой расход хлористого винила.
R = 1610 кДж/кг
– теплота химической реакции.
φ = 0,9
– коэффициент учитывающий неполноту
реакции (степень превращения).
Q8 = q1· R· φ /3600сек = 35·1610·0,9/3600 = 14,1 кВт[1].
Теплоты полимеризации[3].
Полимер
кДж/моль
Полиэтилен
95,0
Полиметилметакрилат
56,5
Полистирол
69,9
Полипропилен
85,8
2.4. Расход тепла с латексом.
q3 = 117 кг/ч
– часовой уход латекса из аппарата.
с3 = 3,38 кДж/кг·К
– теплоемкость латекса.
t3 = 335 0К
– температура уходящего латекса.
Q9 = q3· c3· t3/3600 = 117·3,38·335/3600=36,8 кВт
2.5. Потери через поверхность аппарата.
Q4 = λ /w (tст - tвозд)
λ коэффициент теплопроводности
0,047 Вт/м·К,
w толщина войлока
0,2 м.
Q4 = λ /w (tст - tвозд) (Fбок +Fд +к )=( 0,047/0,2)(335-290) (4,75 + 1,6) = 0,07
кВт/м2 [2].
2.6. Определение теплоты, которую надо отвести.
Уравнение теплового баланса:
Qизб = Q6 + Q7 + Q8 - Q9 - Q4 =4,1+27,7+14,1-36,8-0,07 = 9 кВт.
2.7. Определение коэффициента теплоотдачи от латекса к поверхности
змеевика.
Теплоотдача при ламинарном течении в прямых трубах и каналах (Re <2300):
Nu = 1,55·εl·(Re∙dт/L)0,333·(μ/μст)0,14
2.7.1. Коэффициент.
εl· - поправочный коэффициент учитывающий влияние на коэффициент
теплоотдачи отношения длины трубы L/d.
εl·= 1.
2.7.2. Критерий Рейнольдса.
Re = ρ·dт w/μ.
λ коэффициент теплопроводности
0,047 Вт/м·К,
Плотность смеси
ρводы
982 кг/м3
ρполихлорвинила
1350 кг/м3
Плотность латекса, ρсм
1092,09 кг/м3.
Вязкость латекса μ.
2 Па·с
Скорость потока в трубе w, подбирается в ходе решения.
w
2 м/с.
Диаметр трубы, dт
0,1 м.
Длина теплообменника
2 м, конструктивно принимается.
Re = ρ·dт w/μ = 1092·0,1·2/2 = 109,2
2.7.3. Отношение вязкостей в толще жидкости и около стенки.
(μ/μст)0,14 = 1.
2.7.4. Критерий Нуссельта.
Nu = 1,55·εl·(Re∙dт/L)0,333·(μ/μст)0,14
Nu =1,55·1·(109,2∙0,1/2)0,3331 = 7,4.
2.7.5. Расчет коэффициента
теплообменника к стенке
теплоотдачи
от
эмульсии
в
трубе
поверхности
трубы
α3 = Nu·λ/ dм[2]
Теплопроводность воды
0,71 Вт/м·К
Теплопроводность полимера
0,138 Вт/м·К
Средняя теплопроводность
0,5389 Вт/м·К.
α3 = Nu·λ/ dт = 7,4·0,54/0,1 = 39,9.
2.8.
Расчет
коэффициента
теплоотдачи
от
теплообменника к холодной воде.
Nu = 0,4·εl·Re0,6·Pr0,36·(Pr/Prст)0,25
2.8.1. Поправочный коэффициент при угле атаки 600 εφ = 0,94.
2.8.2. Критерий Рейнольдса
Re = ρ·dт w/μ.
ρводы
1000 кг/м3.
Диаметр трубы, dт
0,1 м.
Скорость потока холодной воды, w
1 м/с.
Вязкость холодной воды μ0,
00176 Па·с.
Re = ρ·dт w/μ. = 1000·0,1·0,1/0,00176 = 56818,2
2.8.3. Pr, критерий Прандтля.
Pr = c·μ/λ
Теплоемкость воды, с
4,18 кДж/кг·К.
Теплопроводность воды, λ
0,552 Вт/м·К.
Вязкость воды, μ
0,00176 Па·с.
Pr = c·μ/λ=4,18·0,00176/0,552=13,3.
(Pr/Prст)0,25=1
2.8.4. Nu, критерий Нуссельта
Nu = 0,4·εφ·Re0,6·Pr0,36·(Pr/Prст)0,25
Nu = 0,4·0,94·568180,6 13,30,361=680,4
2.8.5. Расчет коэффициента теплоотдачи от эмульсии в трубе
теплообменника к стенке
α4 = Nu·λ/ dт = 3756,0
2.9. Коэффициент теплопередачи.
Теплопроводность стали, λ
34,9.
Толщина стали, δ
0,008
К2= 1/ (1/ α3 + Σδ/λ + 1/ α4) = 1/ (1/ 40 + 0,008/34,9 + 1/57000) = 39 Вт/м2К.
2.10. Поверхность необходимая для съема тепла.
∆tср = ∆tmax - ∆tmin/ ln(∆tmax/∆tmin)
t смеси на входе
38,5
t смеси на выходе из теплообменника
10
tхолодной воды
0
tнагретой воды
0,5
∆tmax = tсмеси на входе – tсмеси на выходе из теплообменника
= 28,5
∆tmin = tнагретой воды - tхолодной воды
0,5
=
∆tср = ∆tmax - ∆tmin/ ln(∆tmax/∆tmin) = 28,5 – 0,5/ ln(28,5/0,5) = 28,376.
Площадь необходимая для теплообмена.
м2
F = Qизб/ К2 tср= 9000/39·28,4 = 8,0.
Длина теплообменника
2 м.
Площадь одной трубы
0,628 м2.
Количество труб
12,886 шт.
Объем вещества в трубах
0,2023 м3.
Список литературы:
1. Козулин Н.А.,
Шапиро А.Я., Гавурина Р.К. Оборудование для
производства и переработки пластических масс. - 2-е изд., - Л.: Химия, 1967,
-785с.
2. Павлов К. Ф., Раманков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов химической технологии. Уч. пособ. – 10-е изд.,
перереб. и доп.- Л.: Химия, 1987. – 576 с.
3. Николаев А.Ф.,
Крыжановский В.К., Бурлов и др., Технология
полимерных материалов. Уч. пособ. – СПб.: Профессия, 2008. – 544с.
4. Энциклопедия полимеров // под ред. В.А. Каргина. – М. 1972.
Документ
Категория
Технология
Просмотров
82
Размер файла
212 Кб
Теги
методичка
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа