Практическая работа по дисциплине «Машины и аппараты нефтегазопереработки» для СибГУ

Практическое занятие № 19   Тема практических занятий: Расчет газожидкостных реакторов/ Выход гидроочищенного топлива. Расчет газожидкостных реакторов План практических занятий: Расчет основных параметров газожидкостных реакторов   Газожидкостные реакторы предназначены для осуществления химических превращений в жидкости, в объем которой из газа вносится один или несколько реагирующих компонентов. Чаще этим    компонентом  является труднорастворимый газ,   когда сопротивление массопереносу сосредоточено в жидкостном слое вблизи границы раздела фаз. Из всего разнообразия газожидкостных реакторов  здесь будут рассмотрены наиболее распространенные реакторы-котлы с механическим диспергированием газа в жидкости, барботажные колонны и газлифтные    кожухотрубчатые реакторы. В качестве перемешивающего устройства используется   обычно открытая  турбинная мешалка.                          

Рисунок19.1 — Расположение мешалки и барботера

    Барботажная колонна (рисунок.19.2) представляет собой вертикаль­ный цилиндрический сосуд 1 с размещенным внизу газораспределителем-барботером 3. Теплообменными устройствами служат стенки сосуда, заключенные в рубашку 2, горизонтальные змее­вики или пучки вертикальных труб 4. Основным параметром барботажной колонны является ее диаметр, выбираемый из ряда, приведенного в таблице 19.3. Кожухотрубчатый газлифтный реактор (рисунок 19.3) выполнен в виде кожухотрубчатого теплообменника с увеличенной по высоте сепарационной частью 1, где происходит отделение газа от жидко­сти. Все трубы поделены на барботажные 2 и циркуляционные 3. Нижние концы труб выведены под трубную решетку на длину, равную 5d_B, где d_B — внутренний диаметр труб. В стенках выступающих концов барботажных труб на расстоянии 4d_B от ниж­него среза просверлены отверстия 4, расположенные во всех барботажных трубах на одном уровне. Площадь сечения отверстий выбирается так, чтобы подаваемый в аппарат газ оттеснял жид­кость вниз, образуя газовый слой высотой h = (2,0-2,5)d.   Рисунок 19.2. — Барботажная   колонна      Рисунок 19.3 — Кожухотрубчатый                                                                                                                                                                               .                                                                                                                                          газлифтный реактор   Таблица 19.1 — Основные  технические данные кожухотрубчатых газлифтных реакторов  (трубы диаметром 57 × 3,5)  

Площадь сечения труб f, м2	Внутрен. диаметр кожуха D,      м	Число труб   п, шт.	Площадь поверхности теплообмена F, м2 и номинальный объем реактора υ, м3, при длине труб L, м н
			1,5	2,0	3,0	4,0	6,0	9,0
0,11 0,19 0,32 0,47 0,62 0,85 1,10 1,36	0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0	55 97 163 241 317 433 559 695	15	18	28	39	58	86
			0,30 25	0,36 34	0,46 51	0,58 68	0,79 103	1,12 154
			0,56 42	0,66 57	0,85 86	1,04 113	1,42 173	1,99 259
			0,94	1,10 83	1,42 126	1,74 169	2,38 255	3,34 382
				1,67 109	2,13 166	2,60 223	3,55 336	4,96 505
				2,26 149	2,88 226	3,51 305	4,75 459	6,62 690
				3,09 193	3,94 292	4,79 398	6,49 593	9,04 890
				4,09 239	5,18 364	6,28 489	8,48 737	11,77 1107
				5,16	6,52	7,89	10,62	14,71
В числителе указана площадь поверхности теплообмена, в знаменателе — номинальный объем трубного пространства реактора.

  Основные технические данные кожухотрубчатых газлифтных реакторов, выполненных из труб диаметром 57 × 3,5, приведены в таблице 19.1. Из указанной выше аппаратуры реакторы-котлы обычно используются в малотоннажных производствах и при работе с полным поглощением газа в жидкости. Барботажные колонны используются в крупнотоннажных производствах для обработки гомогенных жидкостей при небольшом тепловом эффекте реакции, когда достаточна удельная поверхность теплообмена , где F — общая площадь теплопередающей поверхности, м²; v_см — рабочий объем колонны (объем газожидкостной смеси в колонне), м³. Кожухотрубчатые газлифтные реакторы пригодны для обработки гетерогенных жидкостей (суспензий, эмульсий) и при реакциях с большим тепловым эффектом. Если химическое превращение в системе газ — жидкость описывается стехиометрическим уравнением вида   ,   где В – трудно растворимый компонент, переходящий из газа в жидкость, то в отличие от (19.2) скорость химической реакции будет характеризоваться выражением       где β_жυ — коэффициент переноса вещества, отнесенный к объему жидкости в реакторе, с^-1; x_B — равновесная концентрация вещества В на границе раздела фаз, кмоль/м³; K_р — константа ско­рости реакции, кмоль/(м³ с). Объемный коэффициент переноса вещества связан с поверхностным коэффициентом   β_жF соотношением   β_жV = β_жFF_ф/ υ_ж ,     где F_ф — межфазная поверхность, м²; v_m — объем жидкости в аппарате, м³. При диффузионном режиме реакции, когда  и концентрация вещества в объеме жидкости х_в = 0, скорость химического превращения   (19.1)   Количество прореагировавшего в единицу времени вещества В при диффузионном режиме реакции   (19.2)   где V_ж — объем жидкости в реакторе. Равновесную концентрацию (кмоль/м³) абсорбируемого вещества можно определить как   (19.3)   где y — концентрация абсорбируемого вещества в газовой фазе (мольная или объемная доля); Р — абсолютное давление в аппа­рате, МПа; р_ж — плотность жидкости, кг/м³; т — коэффициент равновесия, МПа; М_ж — молекулярная масса жидкости. Для ряда водных растворов газов коэффициент т приведен в таблице 17.2. Одной из основных гидродинамических характеристик газо­жидкостной смеси является ее объемное газосодержание     где υ_см — объем смеси, заполняющей аппарат; v_Г — объем газа, заключенного в объеме υ_см. При постоянстве объемного расхода барботирующего газа осредненное во времени и по сечению слоя газосодержание   (19.4)   где f_г — площадь сечения аппарата, занятая газом; f_см  — площадь свободного сечения  аппарата,  занятая  газожидкостной смесью; ω_г — приведенная скорость газа (расход газа отнесен к свобод­ному сечению аппарата); и_г— истинная скорость газа в аппарате.     Таблица   19.2 — Коэффициенты диффузии D_m20 (при t = 20 °С) и фазового равновесия т при растворении газов в воде

			т, МПа, при температуре, °				С
Газ	DЖ20 ×109, м2/c	20	30	40	50	60	70	80
Ацетилен	1,76	123	148
Бром	1,60	6,0	9,2	13,5	19,4	25,5	32,5	41,0
Водород	5,30	6 930	7390	7610	7750	7740	7710	7650
Двуокись   угле-	1,80	144	188	236	287	345	—	—
рода
Закись азота	1,80	200	259	343				_
Кислород	2,10	4 050	4810	5560	5960	6380	6720	6950
Метан	2,25	3 800	4550	4270	5860	6350	6750	6910
Окись азота	2,36	2 680	3140	3580	3950	4240	4430	4530
Окись углерода	1,95	5 430	6280	7050	7700	8340	8560	8570
Сероводород	1,60	49	62	75	90	104	121	137
Хлор	1,60	54	67	80	90	97	99	97
Этан	1,60	2 670	3470	4300	5050	5720	6320	6700
Этилен	1030	1 280	—	—	—	—	—	—
Примечание: коэффициент диффузии  при температуре t (°C)  где υж – вязкость жидкости,   Па × с.

  Осредненная  величина  φ_г  определяет  плотность  смеси р_см, объем жидкости v_ж в газожидкостной смеси и высоту ее слоя Н_см:   (19.5)   (19.6)       ,                                         (19.7)   где р_ж и р_г  — плотности жидкости и газа,  кг/м³; h_ж — высота исходного слоя жидкости, м. Удельная поверхность контакта фаз, образующаяся в системе газ — жидкость, ориентировочно может быть оценена по формуле   (19.8)   где  F_ф — общая   поверхность   контакта  фаз,   м²; d_п — средний размер газовых пузырей, м. Тепловой поток Q_ф проходящий через поверхность теплообменных элементов газожидкостного реактора, определяется режимом его работы. В аппаратах с непрерывным протоком газа и жидкости в период реакции (рисунок. 19.4)   (19.9)   где Q_p — тепловой поток реакции экзотермической (+) и эндотермической (—), рассчитываемый по формуле (19.41), Вт; G_жl и G_ж2 — расход жидкости, подаваемой и выводимой из реактора, кг/с; i_ж1 и i_ж2 — теплосодержание жидкости, подаваемой и выводимой из реактора, Дж/кг; G_г1 и G_r2 — расходы газа, подаваемого и выводимого из реактора, кг/с; i_г1 и i_г2 — теплосодержание газа, подаваемого и выводимого из реактора, Дж/кг; N_ГЖ — мощность, вводимая в реактор барботирующим газом или перемешивающим устройством, , Вт; Q_пот — потери теплоты в окружающую среду, Вт; Q_пот — (0,10-:-0,15) Q_p. Теплосодержание жидкости      где с_жi, — удельная теплоемкость жидкости при температуре потока t_ж, Дж/(кг×К). Теплосодержание газа, содержащего пары жидкости,                          (19.10)   где c_ri — удельная теплоемкость газа при температуре t_ri, Дж/(кг*К); r_i — удельная теплота испарения жидкости при темпе­ратуре t_ri Дж/кг;     x_i — массовая доля испарившейся жидкости в газе при температуре t_ri. Содержание жидкости   в   газе можно рассчитать по формуле                             Рис. 19.4. — Тепловые    потоки   (19.11)   где М_ж и М_г — молекулярные массы жидкости и газа, кг/кмоль; р — абсолютное давление в аппарате, Па; р_нi — упругость насыщенных паров жидкости при температуре t_ri, Па. Мощность N_гж, диссипируемая в объеме жидкости при пере­мешивании ее барботирующим газом, определяется по формуле   (19.12)   где Δр — потеря давления в газе при прохождении его через слой газо-жидкостной смеси, Па; V_Г — расход барботирующего газа,м³/с. Тепловой поток, подводимый к жидкости в период разогрева реактора,   (19.13)   где m_i — масса реактора или заполняющей его жидкости, кг; c_{mi —} удельная теплоемкость материала реактора или жидкости, Дж/(кг×К); τ — длительность  разогрева  реактора,  с; t_p -температура реакции (конечная температура нагрева реактора), °С; t_н — начальная температура нагрева реактора, °С. Тепловой поток Q_F используется для расчета или поверхности теплообмена, или допустимого температурного напора Δt, что в дальнейшем рассмотрено конкретно для каждой конструкции газожидкостного реактора. Газожидкостные реакторы-котлы. Для механического перемешивания газа в жидкости используют стандартные аппараты двух типов: реакторы с мешалкой в свободном объеме (тип ГРМС) и реактор с мешалкой в циркуляционном контуре (тип ГРМЦ). Аппарат первого типа можно выбрать из таблицы 17.4 по величине его номинального объема. Для реакторов периодического действия (по жидкости) номинальный объем можно определить по упрощенной зависимости   (19.14)   где φ — коэффициент заполнения реактора жидкостью, φ ≈ 0,5. Номинальный объем реактора с непрерывным протоком жидкости                      (19.15)   где φ_г — газосодержание двухфазной системы; v_cen — объем сепарационного пространства, располагаемого выше штуцера слива жидкости.  Объем v_cen рассчитывается по высоте сепарационного пространства H_сеп, приведенной в таблице 19.2. Газосодержание двухфазной системы, образованной из мало­вязкой жидкости (μ_ж < 0,02 Па×с) и перемешиваемой турбинной мешалкой в сосуде с перегородками, можно рассчитать по формуле                                              (19.16)   где С = 0,0094 и п = 0,62 при А < 18; С = 0,026 и п = 0,26 при n > 18   (19.17)   Здесь V_г  — расход газа, подаваемого в реактор, м³/с; ρ_ж  — плотность жидкости, кг/м³ ; σ -поверхностное натяжение, Н/м; d_м — диаметр мешалки, м; Н_ж— высота уровня жидкости в сосуде, м; D — диаметр сосуда, м. Расход газа, пропускаемого через аппарат диаметра D                                                                  (19.18)   где w_Г — допустимая приведенная скорость газа в реакторе, w_Г < 0,05 м/с. Частота вращения такой мешалки, обеспечивающая диспергирование всего количества подаваемого под нее газа, должна быть                                             (19.19)   Первичное диспергирование газа происходит при подаче его под мешалку из отверстий кольцевого барботера. Расположение барботера относительно мешалки и их основные параметры при­ведены на рисунке 17.2. При выборе размеров барботера, мешалки и их элементов можно ориентироваться на следующие соотношения: l_л — 0,25d_м; h-0,25d_м; D_cp — 6d₅; D_ср = 6d₅; D₀ = (0,5-:-1,0) d_м. Газораспределительные отверстия диаметром d_o = 2-5 мм располагаются в плоскости угла α, обеспечивая подачу газа вниз и внутрь барботера. Внутренний диаметр трубы барботера d рассчитывается по скорости газа в ней ω_б = 25 м/с. Скорость газа в отверстиях барботера   (19.20)   где d_б  — внутренний диаметр трубы барботера, м; р_ж и р_г — плотности жидкости и газа, кг/м³. Объемный коэффициент массопереноса в жидкой фазе соответственно рекомендациям, приведенным в работе, можно рассчитать (с^-1) по формуле                                                                   (19.21)   где Е — мощность, диссипируемая в единице массы жидкости, Вт/кг; w_г — приведенная скорость газа в аппарате, м/с; D_ж — коэффициент диффузии газа в жидкости, м²/с. Диссипируемая мощность                        (19.22)   где N_гж — мощность, затрачиваемая на перемешивание газожидкостной смеси, Вт; υ_ж — объем жидкости, находящейся в реакторе, м3; р_ж — плотность жидкости, кг/м3; N — мощность, затрачиваемая на перемешивание жидкости, Вт; φ_г — газосодержание системы, м³. Площадь теплообменной поверхности реактора с механическим перемешиванием газа в жидкости с учетом теплового потока, определяемого по формулам (19.9) или (19.13). Коэффициент теплоотдачи а от газожидкостной смеси, перемешиваемой шестилопастной турбинной мешалкой, к стенке сосуда, заключенного в рубашку, можно рассчитать по уравнению   (19.23)     Барботажные колонны. Диаметр барботажной колонны рассчитывается по формуле     (19.24)   где Vг —  расход барботирующего газа, м³/с;        w_г — допускаемая приведенная скорость газа в колонне, w_г < 0,1 м/с. Объем жидкости, находящейся в барботажной колонне   (19.25)   где V_н.б — объем части аппарата, расположенной ниже барботера, м³; D — диаметр колонны, м; Н_см — высота газожидкостного слоя в колонне (расстояние от барботера до верхнего сливного штуцера жидкости), м; а — коэффициент, учитывающий заполнение объема колонны внутренними устройствами (змеевиками, теплообменными трубами, перегородками), а = (0,85-:-0,95); ф _г.к — газосодержание системы. Истинное объемное газосодержание системы в барботажной колонне (при барботаже газа через высокий слой маловязкой жидкости) можно рассчитать по формуле   (10.26)   где р_г — плотность газа, кг/м³; р_ж — плотность жидкости, кг/м³; Δр = р_ж — р_г – разность плотностей, кг/м³; σ — поверхностное   натяжение   жидкости, Н/м; w_г — приведенная скорость газа, м/с. Давление газа в барботере колонны   (19.27)   где р_сеп — давление в сепарационной части колонны, Па; H_см — высота слоя газожидкостной смеси, м; р_см — плотность газожидкостной смеси [см. уравнение (19.5)], определяемая с учетом газосодержания, кг/м³; Δр_см — потеря давления при истечении газа из отверстий барботера в жидкость, Па,   (19.28) где ξ₀ — коэффициент сопротивления односторонне затопленного отверстия;       w₀ — скорость газа в отверстиях барботера, рассчитываемая по (17.20), м/с. Коэффициент теплоотдачи а от газожидкостной смеси к стенке корпуса барботажной колонны или ее теплообменного элемента (вертикальной или горизонтальной трубы) может быть рассчитан по следующим формулам:   (19.29)   где     ω_г — приведенная скорость газа в колонне, м/с. Массоперенос  реагирующего  вещества   от  границы   раздела фаз в объем жидкости в барботажной колонне описывается  уравнением вида     Здесь Sh_υ – критерий Шервуда, Sc – критерий Шмидта , Re – критерий Рейнольдса,   где  β_жv – коэффициент массопереноса, отнесённый к объему жидкости, с^-1; l_{к —} капиллярная постоянная газожидкостной системы, м,        D_ж — коэффициент диффузии газа в жидкости, м²/с. Кожухотрубчатые газлифтные реакторы. Количество труб в кожухотрубчатом реакторе   (19.31)   где п_б и n_ц — количество барботажных и циркуляционных труб. Наибольшая кратность циркуляции жидкости в аппарате достигается при  Количество барботажных труб рассчитывается, исходя из расхода барботирующего газа V_г                                  (19.32)   где d — внутренний диаметр барботажной трубы. Приведенную скорость  газа  ω_Г  в барботажных  трубах реактора  принимают (м/с) из условия   (19.33)   где р — абсолютное давление в аппарате, МПа. Диаметр кожуха реактора D выбирается из табл. 19.1, в зависимости от числа труб п. Объем жидкости, находящейся в трубном пространстве реактора,   (19.34)   где v _н*б — объем части аппарата, расположенный ниже газораспределителя (ниже  газового слоя), м³; Н — высота труб, м; φ _{г. т} — газосодержание в барботажных и циркуляционных трубах реактора; φ _г*т — газосодержание системы над трубной решеткой; h₂ — высота газожидкостного слоя над верхней трубной решеткой, м, h₂ = (0,2-:-0,3)D. С целью упрощения формулы (19.34) при ее записи принято одинаковое газосодержание систем в барботажных и циркуляционных трубах реактора. Поэтому формула (19.34) дает немного заниженное значение v_ж. Для расчета газосодержания в барботажных трубах применимо уравнение   (19.35)   где k — коэффициент дрейфовой скорости газового пузыря, k = 1,4 (р_ж/р_Г)^0,2;       u_П — скорость нестесненного подъема газового пузыря, м/с.   В трубах диаметром более 30 мм можно принять   (19.36)   где σ — поверхностное натяжение жидкости,Н/м²; Δр — разность плотностей жидкости и газа, кг/м³, . Для расчета приведенной скорости жидкости, циркулирующей в трубах реактора, можно воспользоваться выражением   (19.37)   где ζ_ц — коэффициент сопротивления циркуляционного контура,   (19.38)   Здесь λ_тр — коэффициент гидравлического трения при течении газожидкостной смеси в трубах. Определяется по рисунку. 19.5 при значении . В газлифтном кожухотрубчатом реакторе газораспределителем являются отверстия в концах барботажных труб, выведенных под нижнюю трубную решетку. Диаметр этих отверстий рассчитывается по скорости газа в них   (19.39)   где h — расчетная высота газового слоя, образующегося под трубной решеткой, м, h = (2,0-:-2,5)d, м;  w_ж — скорость жидкости в барботажных трубах, м/с; ζэ — коэффициент сопротивления односторонне затопленного отверстия; ζвх — коэффициент сопротивления при входе жидкости в барботажную трубу. Давление газа в газовом слое под нижней трубной решеткой реактора, определяющее его сопротивление, можно рассчитать по формуле                               (19.40)   где р_см — газосодержание системы в барботажных трубах реактора; h — высота газового слоя, м. Площадь теплопередающей поверхности кожухотрубчатого газлифтного реактора при n_б = n_ц следует рассчитывать по формуле   (19.41)   где Q_F — тепловой поток, определяемый по (19.9), Вт; Δt_ср — средняя разность температур, ⁰С;        К_б и К_ц — коэффициенты тепло­передачи для барботажных и циркуляционных   труб, Вт/(м² ×К). Коэффициенты К_б и К_ц должны   рассчитываться раздельно, так как внутри барботажных и циркуляционных труб различная гидродинамическая обстановка.                         Рисунок 19.5- Коэффициент сопротивления   Коэффициент теплоотдачи от движущейся газожидкостной смеси в трубе к ее стенке можно рассчитать по уравнению   (19.42)   Здесь Re — критерий Рейнольдса,  определяемый динамической скоростью в газожидкостной смеси,     где  τ₀ — касательное напряжение при течении газожидкостной смеси в трубе, Па; υ_ж — кинематический коэффициент вязкости жидкости, м²/с; u_от — относительная скорость движения газовой фазы в трубе,м/с.                           Рисунок 19.6- Коэффициент сопротивления в ходу   Касательное напряжение в барботажных трубах   (19.43)   где λ_тр — коэффициент трения газожидкостной смеси. Относительная скорость газа зависит от направленности движения газожидкостной смеси. При восходящем ее движении (в барботажных трубах реактора)   (19.44)   При нисходящем движении газожидкостной смеси в циркуляционных трубах (с учетом захвата в них газовых пузырей)   (19.46)   где u_п — скорость подъема газового пузыря, определяемая формулой (17.89), м/с; ф _гт —  газосодержание в циркуляционных трубах. Газосодержание в циркуляционных трубах кожухотрубчатого газлифтного реактора для систем по свойствам, близким к системе вода — воздух, можно определить по формуле                      (19.47)   где ф _гт— газосодержание в барботажной трубе; d — диаметр барботажных труб; t — шаг размещения труб; ω_ж — приведенная скорость жидкости в циркуляционной трубе; u_п — скорость подъема газовых пузырей, м/с. Для газлифтных реакторов, характеристики которых даны в табл. 17.1, отношение d/t = 1,44. Массоперенос реагирующего вещества от границы раздела фаз в объем жидкости в газлифтных аппаратах с диаметрами барботажных труб d = 0,04-:-0,15 м характеризуется следующим уравнением:   (19.48)   где  β_жv — коэффициент массопереноса, отнесенный к объему жидкости, находящейся в барботажной трубе, с-1; w_r — приведенная скорость газа в барботажной трубе, м/с.   Контрольные вопросы   1 Основные конструкции газо-жидкостных фильтров. 2 Методика расчета газо-жидкостных фильтров. 3 Расчет газосодержания. 4 Расчет мощности на перемешивание. 5 Расчет количества кислорода потребляемой микроорганизмами в реакторе.   Задачи   1 Рассчитать количество кислорода, растворяемого в культуральной жидкости при температуре t = 48 °С и избыточном давлении  Р_изб = 0,08 МПа. В качестве ферментатора принят сосуд с перегородками и с открытой турбинной мешалкой. Проток культуральной жидкости составляет   G = 700 кг/ч; время пребывания ее в аппарате τ = 6 ч. 2 Рассчитать количество кислорода, растворяемого в культуральной жидкости при температуре t = 25 °С и избыточном давлении  Р_изб = 0,04 МПа. В качестве ферментатора принят сосуд с перегородками и с открытой турбинной мешалкой. Проток культуральной жидкости составляет   G = 400 кг/ч; время пребывания ее в аппарате τ = 3 ч. 3 Рассчитать количество кислорода, растворяемого в культуральной жидкости при температуре t = 51 °С и избыточном давлении  Р_изб = 0,09МПа. В качестве ферментатора принят сосуд с перегородками и с открытой турбинной мешалкой. Проток культуральной жидкости составляет   G = 670 кг/ч; время пребывания ее в аппарате τ = 5,5 ч.