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

Практическое занятие № 22   Тема практических занятий: Химические реакторы План практических занятий: Расчет основных параметров реактора с рамной мешалкой   При формальном описании химических превращений стехиометрические  уравнения   реакции   обычно   приставляют  в  виде          n_АА + п_BВ → n_сС,                                               (22.1) где п_А,  п_B, п_C — коэффициенты   реакции; K_p — константа   ско­рости реакции. Скорость реакции по веществу A в гомогенных системах оп­ределяется по выражению                                         (22.2)   где  х_A,   х_B — концентрации   реагирующих   веществ   в   системе, кмоль/м³; τ_р — продолжительность реакции, с. Константа   скорости   реакции   определяется   по   уравнению Аррениуса:   (22.3)   где  С — коэффициент  пропорциональности; E — энергия   акти­вации,    Дж/кмоль; R — универсальная    газовая    постоянная Дж/(кмоль × К); T — температура   реакции, K. ­Продолжительность реакции τ_р (с) при изменении концентра­ции реагирующего вещества А от начальной х_Ап до конечной х_Ак  можно определить  по следующим формулам: для реакции нулевого порядка (при п_А = 0)   (22.4)   где  К_р0 -константа  скорости   реакции   нулевого   порядка, кмолъ/(м³ ×с); для реакции первого порядка (при n_А = 1; n_в = 0)                                                (22.5)   где  К_Р1— константа   скорости   реакции   первого   порядка, c^-1; для   реакции   суммарного   второго   порядка    (при  n_А=1, n_B =1)   (22.6)   где    K_Р2 — константа    скорости    реакции    второго    порядка, м³/(кмоль × с). В соответствии с законом действующих масс                                         (22.7)   откуда можно получить величину х_Вк  при известных значениях x_Ан, x_Ак, x_Bн.   Продолжительность реакций промежуточных порядков удоб­нее определять непосредственно по экспериментальной кривой х = f (τ). Часто при расчетах реакторов вместо конечной концен­трации х_к задается степень превращения вещества:                                                        (22.8)   Реакторы-котлы (рисунок 22.1) при расчете и проектировании рассматриваются как агрегаты, состоящие из отдельных нормали­зованных элементов: сосуда 1 с теплообменной рубашкой 2, пере­мешивающего устройства 3, привода перемешивающего устрой­ства 5, трубы передавливания 4 (если она необходима по условиям выгрузки реакционной массы), термопары 6. ГОСТ 20680—75 предусматривает десять типов исполнения вертикальных аппаратов с перемешивающими устройствами, от­личающихся формой крышек и днищ, и конструкциями меша­лок. Здесь в качестве примеров будут рассмотрены аппараты с эл­липтическими крышкой и днищем. Перемешивающие устройства реакторов. Перемешивание жидкости в реакторах-котлах может быть в большинстве случаев осуществлено лопастными, якорными, рамными, турбинными или трехлопастными мешалками. Последние по конструкции и прин­ципу действия аналогичны ранее применяемым пропеллерным мешалкам. Основные конструктивные параметры и условия работы всех указанных мешалок приведены в таблице 22.2. Диаметр мешалки (диаметр окружности, ометаемой кромками лопастей мешалки) d_м предварительно определяется по соотношению d/d_м, указан­ному в таблице 22.2, а окончательно выбирается из таблицы 22.1. Ча­стота вращения мешалки в первом приближении определяется по величине окружной скорости ω = πd_мп, указанной в таблице 22.2. При проведении реакций в легкоподвижных жидкостях частота вращения, обеспечивающая выравнивание концентраций и температур в рабочем объеме аппарата, дополнительно может быть определена   из   условия     Частоту вращения (с^-1) турбинных и трехлопастных мешалок можно также установить из следующих зависимостей: при взвешивании твердых частиц в жидкости   ;                                                (22.9)   при   эмульгировании жидкостей   (22.10)   Для турбинных мешалок С₁  = 14,7; С₂=20,6, для трехлопаст­ных мешалок С₁ = 4,72;   С₂ = 6,05. В уравнениях (13.9) и (13.10) приняты следующие обозначения: D — диаметр сосуда, м; d_м — диа­метр мешалки, м; δ — размер частицы, м; — разность плот­ностей фаз, кг/м³; ρ_ж — плот­ность жидкости (сплошной фазы), кг/м³; σ — межфазное натяжение жидкостей, Н/м. Окончательная частота враще­ния п устанавливается при вы­боре привода перемешивающего устройства. Для быстроходной мешалки при    непосредственном    соединении ее вала с валом электродвигателя п выбирается из ряда: 12; 16; 24; 47 с^-1. Отражательные перегородки или отражатели (в эмалирован­ном аппарате) устанавливаются в сосуде, если h_в >h_пр. Предельно допустимая глубина воронки определяется из вы­ражения                                                                                   (22.11)   где Н_ж — высота уровня жидкости в сосуде, м;       h — высота уста­новки мешалки, м. Глубина воронки,  образующейся в сосуде без перегородок,   (22.12)   Коэффициент пропорциональности В определяется по рисунку 12.2, для которого величина Е рассчитывается по формуле   (22.13)   где Г = 8 Н_Ж/D + 1 — для аппарата со свободной поверхностью жидкости; Г = 8Н_Ж/D +2 — для аппарата, целиком заполнен­ного;      ξ_м — коэффициент сопротивления мешалки (см. таблицу 22.2); z — количество мешалок на одном валу.                              

Рисунок 22.1- Схема реактора-котла

   

Таблица  22.1- Диаметры   стандартизованных  мешалок

 

Тип мешалки	Диаметр мешалки dм мм
Лопастная;	80; 100; 125; 160; 180;
трехлопаст-	200; 220, 250; 280; 320; 360;
ная; тур-	400; 450; 500; 560; 630; 710;
бинная	800; 900; 1000; 1120; 1250;
	1400; 1600; 1800; 2000; 2240;
	2500
Якорная;	200; 220; 250; 280; 300; 320;
рамная	360; 400; 450; 500; 530; 580;
	600; 630; 710; 750; 800; 850;
	900; 950; 1000; 1060; 1120;
	1180; 1250; 1320; 1400;
	1500; 1600; 1700; 1800;
	1900; 2000; 2120; 2240;
	2360; 2500; 2650; 2800;
	3000; 3150; 3350; 3550;
	3750; 4000; 4250; 4500;
	4750

    Таблица 22.2- основные параметры и условия работы перемешивающих устройств

Тип мешалки	Основные параметры	Условия работы
Турбинная		Взвешивание и рас­творение   твердых кристаллических частиц (с массовым содержанием до   80%) и волокнистых (с массовым     содержанием До 5 %); эмульгирование    жидкостей с большой разностью плотностей,  диспер­гирование газа в жидкости; перемешивание ньютоновских жидкостей при    при
Трехлопастная (пропеллерная)		Взвешивание твер­дых (с массовым со­держанием до 50 %) и волокнистых частиц; взмучивание шламов; эмульгирование жид­костей; интенсифи­кация теплообмена; при    при

  Мощность, затрачивае­мая на перемешивание в типовых химических реак­торах, определяется по зависимости   (22.14)   где К_N –критерий мощности. Мощность N_уп зависит от способа уплотнения вала перемешивающего устройства. Манжетные уплотнения применяют для герметизации аппара­тов с неагрессивной, не­токсичной, невзрывоопас­ной средой, не содержащей абразивных и полимеризующихся частиц, при избыточном давлении до 0,6 МПа и тем­пературе до 120 °С. Частота вращения вала до 50 с^-1. Мощность привода мешалки рекомендуется рассчитывать по формуле                                 (22.15)   где n_п = 1 — для аппаратов с перегородками и k_п = 1,25 —для аппаратов без перегородок; k_н = (H_ж/D)^0,5 коэффициент высоты уровня жидкости в аппарате;   k_i  —коэффициент, учитывающий наличие в сосуде внутренних устройств: k_i = 1,1-:-1,2 — при на­личии гильзы термопары, труба передавливания или уровнемера; k_i = 2 — при змеевике, размещенном вдоль стенки сосуда; N — мощность, затрачиваемая непосредственно на перемешивание жидкости, Вт, N_уп — мощность, затрачиваемая на преодоление трения в уплотнениях вала мешалки, Вт;  η — к.  п. д.  Привода мешалки; η = 0,85-:-0,9. Мощность (Вт), теряемую на трение в манжетном уплотнении, ориентировочно можно определить по формуле   (22.16)   где р — избыточное давление в аппарате, Па; f_тр — коэффи­циент трения, f_тр = 0,08-:-0,12; d_в —диаметр вала мешалки, м; п — частота вращения мешалки, с^-1. Сальниковое уплотнение применяется для герметизации аппаратов с агрессивными средами при избыточном давлении до 0,6 МПа и температуре до 200 °С. Окружная скорость вала диа­метром от 20 до 160 мм обычно не превышает 3 м/с. Мощность (Вт), затрачиваемая на трение в сальниковом уплот­нении с мягкой набивкой, рассчитывается по формуле   (22.17)   где d_в — диаметр вала мешалки, м; п — частота вращения вала с^-1; δ_н и h_н — соответственно толщина и высота сальниковой набивки, м; р — избыточное давление в аппарате, Па. Толщина мягкой сальниковой набивки  (м)  определяется и выражения   (22.18)   где d_d -диаметр вала мешалки, м.         1,2,3,4 — мешалки якорные и рамные; 5,6,7 — мешалки трехлопастные, двухлопастные и турбинные Рисунок  22.2 — Номограмма   к расчету глубины воронки.   Высоту набивки, увеличиваемую с ростом давления в аппарате, принимают   (22.19)   Торцовые уплотнения более надежны в эксплуа­тации и обеспечивают повышенную герметизацию по сравнение с манжетными и сальниковыми. Мощность (Вт), затрачиваемая на преодоление трения в тор­цовых уплотнениях, можно рассчитать по следующим формулам   в одинарном уплотнении   (22.20)   в двойном уплотнении   (22.21)   где d_в — диаметр вала, м.   Диаметр вала для расчета N_уп можно выбрать предварительно определив его по формуле d_в = Сd_м, где С = 0,117 — для турбинных,С = 0,166 — для трехлопастных, С = 0,05 — для  рамных  и  С = 0,04 — для  якорных мешалок. Номинальный объем реактора. Основным условием целесооб­разности применения реакторов периодического действия является достаточно высокий временной коэффициент их полезного дей­ствия   (22.22)   где τ_p — продолжительность реакции; τ_в — вспомогательное время работы реактора; τ_ц — общее время цикла работы реактора.   1, 3 —двухлопастное (Г_D = 1,5) и трехлопастное (пропеллерное) (Г_D = 3); 2 — двухлопастное в сосуде с перегородками (Г_D = 1,5); 4 — трехлопастное (пропеллерное) в сосуде с перегородками (Г_D = З-:-4); 5 — турбинное открытое (Г_D = 4); 6 — турбинное откры­тое в сосуде с перегородками;  7 — якорное и рамное (Г_D =  1,15) Рисунок. 22.3- Зависимость К_N = f  (Rе_цб-) для перемешивающих устройств   Вспомогательное время работы реактора складывается из длительностей операций подготовки реактора τ₁, заполнения его жидкостью τ₂, разогрева реактора и реакционной массы τ₃, ох­лаждения τ₄ и опорожнения τ₅:   (22.23)   Количество реакторов периодического действия в одной уста­новке, исходя из возможности их обслуживания одним аппарат­чиком, должно быть (22.24)   Условная производительность установки (м³/ч), включающей z реакторов периодического действия при заданной производительности V_с (м³/сут.) и трехсменной работе, рассчитывается по фор­муле   (22.25)   где   а = 0,15-:-0,2 — коэффициент,   учитывающий   длительность ремонта  реакторов  с  перемешивающими  устройствами. При заданной условной производительности V и выбранном количестве реакторов в установке z номинальный объем одного аппарата   (22.26)   где φ — коэффициент заполнения реактора; φ = 0,7-:-0,8 — при обработке пенящихся жидкостей; φ = 0,4-:-0,6 — при обработке пенящихся жидкостей.   Величина υ_н предварительно рассчитывается по времени цикла ; окончательно номинальный объем реактора выби­рается по таблице 22.4.   Таблица   22.3 — Основные технические данные торцовых уплотнений

Тип уплотнения	Диаметр вала dв, мм	Рабочее давление		Частота вращения вала с-1	Рабочая тем­пература, ˚С	Рабочая среда в аппарате
		из­бытка МПа	остатка Па
ТСФ (одинарное)	От 40 до 130	0,4	30	До 8,5	От     30 до -250	Высоко агрессивная, невзры­воопасная и неогнеопасная
ТСК (одинарное)		0,6
ТДМ-6 ТДМ-16	От 25 до 40	0,6 1,6			От —30 до 200 От —30 до +250
ТДМ-32	50 и 65	3,2
ТДФ ТДПФ	От 40 до 130	0,0				Высоко агрессивная, взрывоопасная и пожароопасная
ТДПФ-01	ПО и 130	0,6		До 5,5
ТД-6	От 50 до 130	0,6	7	До 8,5
ТД-25, ТД-32,ТДП-25, ТДП-32		2,5 3,2 2,5 3,2	30

      Таблица 22.4- Основные технические данные реакторов-котлов с эллиптическими днищами и крышками

Номи­наль­ный объем υн , м3	Диаметр аппара­та D, мм	Площадь поверхно­сти тепло­обмена рубашки Fp , м2		Площадь   поверхности теплообмена змеевиков F3, м8		Диаметр вала ме­шалки dв,  мм	Высота    уровня жидкости HЖ, м
				1-й ряд	2-й  ряд		φ= 0,75	φ = 0,5
0,1	500	0,7		—		40	0,42	0,29
0,16	600	0,9					0,47	0,33
0,25	700	1,3					0,5	0,38
0,4	800	1,9					0,66	0,46
0,63	1000	2,5				40; 50; 65	0,68	0,48
1,0 1,25	1200	3,4		2,8		50; 65	0,76	0,54
		4,4				50; 65; 80	0,93	0,65
1,6		5,8					1,16	0,81
2,0	1400	6,5		3,5			1,09	0,77
2,5		7,8					1,33	0,93
3,2 4,0	1600	8,5		5,2	9,5	65; 80	1,33	0,93
		11,3		_	—		1,63	1,11
5,0	1800	12,0		4,9	9,1	65; 80; 95	1,63	1,13
6,3		14,8		11,5	20,7		2,01	1,39
8,0	2000	17,0     |      —			—		2,08	1,44
10,0	2200	20,0	12,4		22,9	80; 95	2,16	1,50
12,5	2400	21,0	—		—	80; 95; 110	2,27	1,58
16	2400	25,5	13,4		24,6		2,86	1,97
20	2600	33,5	—		—		3,04	2,10
25	2800	38,0	12,8		24,9	95;  110; 130	3,28	2,26
32	3000	39,0	12,8		24,9		3,64	2,51
40	3200	54,0	—		—		4,00	2,76
50	3000	69,7	12,8		24,9		5,57	3,79
63	3200	82,8	—		_		6,14	4,18

  Контрольные вопросы   1По какому уравнению определяется константа скорости реакции? 2 Из чего состоят реакторы-котлы? 3 Какими мешалками осуществляется перемешивание жидкости в реакторах-котлах: 4 Условие целесообразности применения реакторов периодического действия.   Задачи   1 Определить мощность, расходуемую на приведение в действие рамной мешалки при частоте вращения , плотность перемешиваемой жидкости . 2 Определить мощность, расходуемую на приведение в действие рамной мешалки при частоте вращения , плотность перемешиваемой жидкости . 3 Определить мощность, расходуемую на приведение в действие рамной мешалки при частоте вращения , плотность перемешиваемой жидкости .