Розрахунок реактора (стр. 2 из 3)

Основне рівняння для розрахунку обсягу апарата (або їхнього числа):

Yр = w * τ / n,

де: w - об'ємна продуктивність по реакційній масі, м3/с;

τ – час перебування (тривалість взаємодії) вихідних речовин в апараті для досягнення заданого ступеня перетворення, с;

n – число апаратів.

При розрахунку об'єма апаратів необхідно враховувати ступінь заповнення їх реакційним середовищем. Як правило, апарати для проведення жидкофазных процесів заповнюються не цілком з метою запобігання переливів і гідравлічних ударів. Коефіцієнт заповнення реактора розраховується по формулі:

φ = Yр / Yа,

де: Yа – повний об'єм апарата.

У залежності від конструкції апарата і типу процесу коефіцієнт складає:

1) мірники, збірники, сховища: 0,85 – 0,9;

2) реактори, розчинники, кристалізатори: 0,75 – 0,8;

3) для процесів, що протікають зі значним піноутворенням: 0,4 – 0,6.

Для підвищення надійності роботи апаратів використовується коефіцієнт запасу продуктивності α , що у залежності від конструкції апарату і типу процесу має наступні величини:

1) для простих апаратів без частин, що рухаються: 1,0 – 1,05;

2) для апаратів з внутрішніми пристроями без частин, що рухаються, працюючих при низьких (середніх) температурах і без тиску: 1,1 – 1,15;

3) для апаратів з швидкообертовими частинами, що працюють при високих температурах і тисках: 1,15 – 1,20.

З урахуванням усіх коефіцієнтів формула для розрахунку матиме вигляд:

Yа = w * τ * α/ (n * φ)

1.3.2Тепловий розрахунок

Необхідний для визначення поверхні теплопередачі, витрати енергії, теплоносія, утрат тепла в навколишнє середовище і розрахунку теплоізоляції при заданих теплових утратах.

На підставі матеріального балансу апарата і закону збереження енергії складають тепловий баланс апарата з урахуванням усіх джерел підведення і відводу енергії. Крім того обов'язковий розрахунок теплоізоляції, оскільки для більшості апаратів температура їхньої зовнішньої стінки не повинна перевищувати 50 оС.

1.3.3 Гідравлічний розрахунок

Необхідний для визначення опору апарату протіканню газу або рідини при заданій потужності і розрахованих габаритних розмірах, а також для визначення розмірів і кількості технологічних штуцерів і патрубків.

1.3.4Енергетичний розрахунок

Необхідний для визначення потужності привода пристроїв, які забезпечують перемішування і переміщення.

1.3.5 Механічний розрахунок

Механічному розрахункові підлягають найбільш відповідальні вузли і деталі апарата, що працюють у самих жорстких умовах під максимальними навантаженнями. . Як правило, це зварені шви обичайок, кришок і днищ апаратів, що працюють під зовнішнім або внутрішнім тиском, трубних ґрат і труб теплообмінників, лопат і валів мішалок і т.п.

2. Практична частина

У реакторі проводять процес хімічного розчинення твердої речовини "А" у розчиннику "В", узятому в надлишку α ( %) від стехіометрично необхідної кількості. Ступінь розчинення речовини "А" складає Х (%). Час хімічного перетворення τх.р.(година), час завантаження і вивантаження τдоп. (година). Потужність по речовині "А" П (т/рік).

Скласти:

-рівняння реакції,

- матеріальний і тепловий баланс для розчинення 1 т речовини "А";

- розрахувати геометричні розміри реактора і вибрати матеріал;

- підібрати типовийреактор;

- розрахувати товщину обичайки, днища.

2.1 Матеріальний баланс

Вихідні дані:

Склад твердої речовини, % (мас):

Fe2O3 88

Cr2O3 9

H2O3

Концентрація сірчаної кислоти, % 30

Надлишок кислоти , % 25

Ступінь розчинення, %

Fe2O3 70

Cr2O3 59

При розчиненні твердої речовини протікають наступні реакції:

Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2 (SO4)3 + 3H2O (1)

Cr2O3 + 3H2SO4 = Cr2 (SO4)3 + 3H2O (2)

М.в.:Fe2O3 = 160 кг/кмоль; H2SO4 = 98 кг/кмоль;

Cr2O3 = 152 кг/кмоль; Cr2 (SO4)3 = 392 кг/кмоль;

Fe2 (SO4)3 = 400 кг/кмоль; H2O = 18 кг/кмоль.

Розрахунок ведемо на 1 т твердої речовини.

Зміст компонентів:

mFe2O3 = 1000 * 0,88 = 880 кг

mCr2O3 = 1000 * 0,09 = 90 кг

mH2O = 1000 * 0,03 = 30 кг.

Розраховуємо кількість прореагувавших речовин з урахуванням ступеня розчинення:

mFe2O3 = 880 * 0,7 = 616 кг

mCr2O3 = 90 * 0,59 = 53,1 кг

Розраховуємо кількість сірчаної кислоти , необхідної для розчинення:

по першій реакції:

m1 H2SO4 = 616 * 3* 98 / 160 = 1131,9 кг

по другій реакції:

m2 H2SO4 = 53,1 * 3 * 98 / 152 = 102,7 кг

Сумарна кількість прореагувавшої кислоти:

mH2SO4 = 1131,9 + 102,7 = 1234,6 кг

З обліком 25%-го надлишку необхідно подати кислоти:

mH2SO4 = 1234,6 * 1,25 = 1543,25 кг

Так як використовується 30%-ва кислота, витрата розчину кислоти складе:

m р-на H2SO4 = 1543,25 / 0,3 = 5144,2 кг

З кислотою приходить води:

mH2O = 5144,2 - 1543,25 = 3600,95 кг

Розраховуємо кількість продуктів, що утворяться в результаті реакції:

по першій реакції:

mFe2 (SO4)3 = 616 * 400 / 160 = 1540 кг

m1 H2O = 616 * 3 * 18 / 160 = 207,9 кг

по другій реакції:

m Cr2 (SO4)3 = 53,1 * 392 / 152 = 136,9 кг

m2 H2O = 53,1 * 3 * 18 / 152 = 18,87 кг

Усього реакційної води:

mH2O = m1 H2O + m2 H2O = 207,9 + 18,87 = 226,77 кг

Кількість непрореагувавших компонентів:

m Fe2O3 непр = 880 – 616 = 264 кг

mCr2O3 непр = 90 - 53,1 = 36,9 кг

mH2SO4 непр = 1543,25 - 1234,6 = 308,65 кг

Кількість води у витраті:

mH2O = mH2O сировини + mH2O з роз-на + mH2O реакц. =

30 + 3600,95 + 226,77 = 3857,72 кг

Дані розрахунку зводимо в таблицю.

Таблиця 2.1

Матеріальний баланс стадії розчинення.

Прихід			Витрати
Потік	кг	%	Потік	кг	%
1.Сировина,	1000	Fe2 (SO4) 3	1540	25,07
в т.ч.	Cr2 (SO4) 3	136,9	2,23
Fe2O3	880	14,32	H2O	3857,72	62,78
Cr2O3	90	1,47
H2O	30	0,49
2.Розчин	5144,2	Fe 2O3непр	264	4,3
кислоти	Cr2O3непр	36,9	0,6
в т.ч.	H2SO4непр	308,65	5,02
H2SO4	1543,25	25,12
H2O	3600,95	58,6
Разом	6144,2	100	Разом	6144,17	100

2.2 Розрахунок теплового балансу

По довідниках термодинамічних величин знаходимо теплоємнисть і ентальпию речовин [6, 7, 8, 9].

Таблиця 2.2

Термодинамічні властивості речовин.

Речовина	Теплоємність,с,Дж/моль*◦С	Ентальпия, ΔН, кДж/моль
Fe2O3	103,76	-822,16
Cr2O3	104,52	-1140,56
H2SO4	138,91	-813,99
H2O	75,3	-285,83
Fe2 (SO4) 3	394,5	-2584
Cr2 (SO4) 3	281	-3308

Розраховуємо тепловий ефект реакції:

ΔНр1 = ( ΔН Fe2 (SO4)3 + 3 * ΔН H2O) - (ΔHFe2O3 + 3 * ΔHH2SO4) =

= (-2584 – 3 * 285,83 ) - (-882,16 – 3 * 813,99) = -117,36 кДж/моль

ΔНр2 = (ΔН Cr2 (SO4)3 + 3 * ΔHH2O) - (ΔHCr2O3 + 3 * ΔHH2SO4) =

= -3308 – 3 * 285,83 + 1140,56 + 3 * 813,99 = -582,96 кДж/моль

Так як обидві реакції екзотермічні, то теплоту хімічних реакцій записуємо в прихід.

Прихід тепла:

1.Теплота хімічних реакцій Q р.

Q р1 = 117,36 * 616 / 160 * 1000 = 451836 кДж

Q р2 = 582,96 * 53,1 / 152 * 1000 = 203652 кДж

Q р = Q р1 + Q р2 = 451836 + 203652 = 655488 кДж

2.Тепло, що приходить з матеріалом Q ф:

Q ф = Q Fe2O3+ Q Cr2O3 + Q H2O + Q H2SO4

Qф = (880 / 160 * 103,76 +90 / 152 * 104,52 + 3630,95 / 18 * 75,3 + 1543,25 / 98* 138,91) * 20 = (570,68 + 61,89 + 15189,48 + 2187,48) * 20 = 360191 кДж

Q прих = Q ф + Q р = 360191 + 655488 = 1075679 кДж

Витрати тепла.

1. Розраховуємо тепло, що уходить з матеріалом Q'ф:

Q'ф= Q'Fe2 (SO4)3 + Q' Cr2 (SO4)3 +Q' H2O +Q' Fe2O3+Q' Cr2O3+Q' H2SO4

Q'ф = (1540 / 400 * 394,5 + 136,9 / 392 * 281 + 3857,18 * 75,3 + 264 / 160 * 103,76 + 36,9 / 152 * 104,52 + 308,65 / 98 * 138,91) * 100 = (1518,8+98,1+16138,1+171,2 + 25,4 + 437,5) * 100 = 1838910 кДж

2. Потери тепла Q п:

Q п = Q прих * 0,05 = 1075679 * 0,05 = 53784 кДж

Q витр = Q' ф + Qп = 1838910 + 53784 = 1892694 кДж

Поскільки Q витр > Q прих, тому тепло необхідно підводити.

Q підв.= Q витр – Q прих

Q підв = 1892694 – 1075679 = 817015 кДж

Дані розрахунку зводимо в таблицю.

реактор хімічний устаткування тепловий баланс

Таблиця 2.3

Тепловий баланс стадії розчинення .

Прихід			Витрати
Потік	КДж	%	Потік	КДж	%
Qф	360191	19,1	Qф	1839910	97,2
Qр	655480	34,7	Qп	53784	2,8
Qпідв	817015	43,2
Разом	1892694	100	Разом	1892694	100

По таблиці 2.1 [11] вибираємо сталь високолеговану корозийностійку, жаростійку і жароміцну марки ОХ17Т.

2.3 Розрахунок апарата

Вихідні дані:

Потужність П 200 т/рік

Час розчиненняτ х.р. 19 год.

Додатковий час τдод. 3 год.

Коефіцієнт заповнення апарата φ 0,7

Коефіцієнт запасу продуктивності α 1,15

2.3.1Розраховуємо кількість сировини на одне завантаження

Час переробки однієї порції сировини складе:

τ = τ х.р + τдод = 19 + 3 = 22 год.

При роботі апарата 330 днів у рік (з обліком ППР), маса твердої сировини, що завантажується, складе:

m = 200000 * 22 / 330 * 24 = 555,6 кг

З розрахунку матеріального балансу на 1т твердої сировини необхідно подати 5144,2 кг розчина кислоти.

Кількість вихідної сировини на одне завантаження:

m исх.= 555,6 + (555,6 * 5144,2 / 1000) = 3413,7 кг

2.3.2 Розраховуємо обсяг реакційної маси

Щільність сировини (ρ), г/см3:

Fe2O3 = 5,25; Cr2O3 = 5,21; [9]

H2SO4 (30 % p-н) = 1,22.[10]

ρ тв. сиров. = 5,25 * 0,88 + 5,21 * 0,09 = 5,09 ,г/см 3;

V реакц.= m реаг. / ρ = 0,5556 / 5,09 + 2,8581 / 1,22 = 0,1 + 2,34 = 2,44 м3

2.3.3 Об’єм апарата

V ап = Vреакц. * α / φ = 2,44 * 1,15 / 0,7 = 4 м3.

Вибираємо по таблиці 30.3 [11] зварений вертикальний циліндричний апарат з еліптичним відбортованим днищем і кришкою.

Номінальна ємність апарата Vап.= 4 м3

Внутрішній діаметрД в = 1600 мм.

Повна висота апарата Н в = 2225 мм.

Висота циліндричної частини h= 1800 мм.

Висота рівня середовища, що перемішується, в апараті:

Н ж = 1,27 (Vс – Vд) / Дв2; [м]

Vд - обсяг днища, м; по таблиці 16.1 [11]

при h1 = 40 мм. Vд = 0,617 м3

Нж = 1,27 (2,44 - 0,617) / 1,62 = 0,9 м.

По таблиці 28.1 [11] вибираємо рамний пристрій, який забезпечує інтенсивне перемішування по висоті апарату.

Рис.2.1. Схема рамного перемішуючого пристрою.