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

 

       nАА + пBВ nсС,                                               (22.1)

где пА,  пB, пC коэффициенты   реакции;

Kp — константа   ско­рости реакции.

Скорость реакции по веществу A в гомогенных системах оп­ределяется по выражению

 

                                      (22.2)

 

где  хA,   хB — концентрации   реагирующих   веществ   в   системе, кмоль/м3;

τр — 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 τр (с) при изменении концентра­ции реагирующего вещества А от начальной хАп до конечной хАк  можно определить  по следующим формулам:

для реакции нулевого порядка (при пА = 0)

 

(22.4)

 

где  Кр0 -константа  скорости   реакции   нулевого   порядка, кмолъ/(м3 ×с);

для реакции первого порядка (при nА = 1; nв = 0)

 

                                             (22.5)

 

где  КР1— константа   скорости   реакции   первого   порядка, c-1;

для   реакции   суммарного   второго   порядка    (при  nА=1, nB =1)

 

(22.6)

 

где    KР2 — константа    скорости    реакции    второго    порядка, м3/(кмоль × с).

В соответствии с законом действующих масс

                                        (22.7)

 

откуда можно получить величину хВк  при известных значениях xАн, xАк, xBн.

 

Продолжительность реакций промежуточных порядков удоб­нее определять непосредственно по экспериментальной кривой х = f (τ). Часто при расчетах реакторов вместо конечной концен­трации хк 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) dм предварительно определяется по соотношению d/dм, указан­ному в таблице 22.2, а окончательно выбирается из таблицы 22.1. Ча­стота вращения мешалки в первом приближении определяется по величине окружной скорости ω = πdмп, 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;

dм — диа­метр мешалки, м;

δ — размер частицы, м;

— разность плот­ностей фаз, кг/м3;

ρж — 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 hв >hпр.

Предельно допустимая глубина воронки определяется из вы­ражения

 

                                                                                (22.11)

 

где Нж — 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 НЖ/D + 1 — для аппарата со свободной поверхностью жидкости;

Г = 8НЖ/D +2 — для аппарата, целиком заполнен­ного;

     ξм — 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 КN –критерий мощности.

Мощность Nуп 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 nп = 1 — для аппаратов с перегородками и kп = 1,25 —для аппаратов без перегородок;

kн = (Hж/D)0,5 коэффициент высоты уровня жидкости в аппарате;

  ki  коэффициент, учитывающий наличие в сосуде внутренних устройств:

ki = 1,1-:-1,2 — при на­личии гильзы термопары, труба передавливания или уровнемера;

ki = 2 — при змеевике, размещенном вдоль стенки сосуда;

N — мощность, затрачиваемая непосредственно на перемешивание жидкости, Вт,

Nуп — 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;

fтр — коэффи­циент трения,

fтр = 0,08-:-0,12;

dв —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 dв — диаметр вала мешалки, м;

п — частота вращения вала с-1;

δн и hн — соответственно толщина и высота сальниковой набивки, м;

р — избыточное давление в аппарате, Па.

Толщина мягкой сальниковой набивки  (м)  определяется и выражения

 

(22.18)

 

где dd -диаметр вала мешалки, м.

 

 

 

 

1,2,3,4мешалки 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 dв — диаметр вала, м.

 

Диаметр вала для расчета Nуп можно выбрать предварительно определив его по формуле dв = Сdм, 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 τp — продолжительность реакции;

τв — вспомогательное время работы реактора;

τц — общее время цикла работы реактора.

 

1, 3 —двухлопастное (ГD = 1,5) и трехлопастное (пропеллерное) (ГD = 3); 2 — двухлопастное в сосуде с перегородками (ГD = 1,5); 4 — трехлопастное (пропеллерное) в сосуде с перегородками (ГD = З-:-4); 5 — турбинное открытое (ГD = 4); 6 — турбинное откры­тое в сосуде с перегородками;  7 — якорное и рамное (ГD =  1,15)

Рисунок. 22.3- Зависимость КN = f  (Rецб-) 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 Vс3/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 υн 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 dвмм

 

 

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 .

 

Узнать сколько стоит решение этого задания
(ответ в течение 5 мин.)
X