Технологический расчет реакторов с мешалками

Для расчета числа реакционных аппаратов и их вместимостей необходимо знать объем веществ, перерабатываемых в сут-ки на данной стадии процесса, время проведения процесса и принципы его организации.

Периодический процесс. Число операций β, которое может быть проведено в сутки в одном аппарате:

β = 24/τ, (3.75)

где τ – время проведения процесса, ч.

Число операций α, которое должно быть проведено в течение суток для обеспечения заданной производительности:

α = V _сут / V _p = V _сут /(V _a · φ), (3.76)

где V _сут – объем веществ, перерабатываемых в сутки; V _р – рабочий объем аппарата; V _а – полный объем аппарата; φ – степень заполнения аппарата; φ = V _р / V _а .

Необходимое число рабочих аппаратов

m _p = α / β = α · τ /24 = V _сут · τ /(24 V _a · φ). (3.77)

Число устанавливаемых аппаратов с учетом резерва мощности

m = m _p (1 + 0,01δ). (3.78)

Здесь δ – резерв мощности аппаратуры (для обычных условий принимается равным 10-15 %, в особых случаях и при серьезных обоснованиях δ он может быть значительно увеличен).

В расчетах исходят из объема одного аппарата V _а и определяют общее число аппаратов или же задаются числом аппаратов и определяют объем одного аппарата по формуле

V _а = V _сут · τ (1 + 0,01δ)/(24 m · φ). (3.79)

Значения степени заполнения аппарата φ приведены ниже

Характер процесса, протекающего в аппарате	φ
Физический или химический процесс без пенообразования Физический или химический процесс с пенообразованием (нейтрализация, кипячение и др.) Отмеривание жидкостей (мерники) Хранение жидкостей	0,75-0,8 0,4-0,6 0,8-0,85 0,8-0,9

Выбирая число устанавливаемых аппаратов, следует учитывать, что применение большого количества малопроизводительных аппаратов приводит к повышению числа операций загрузки и выгрузки, числа точек контроля и объектов наблюдения и к увеличению фронта обслуживания аппаратов, площади и объема производственного сооружения. Как правило, целесообразно устанавливать меньшее число высокопроизводительных аппаратов. При этом значительно сокращаются капитальные затраты и уменьшаются эксплуатационные расходы.

Число реакторов периодического действия в одной установке исходя из возможности их обслуживания одним аппаратчиком должно быть:

m ≤ τ / τ_в = 1/(1 – η_τ). (3.80)

Временной коэффициент полезного действия реактора

η_τ = τ_p / τ = τ_p /(τ_p + τ_в) = 0,7…0,8. (3.81)

Вспомогательное время работы реактора τ_в складывается из длительностей операций подготовки реактора τ₁ , заполнения его жидкостью τ₂ , разогрева реактора и реакционной массы τ₃ , охлаждения τ₄ , и опорожнения τ₅:

τ_в = τ₁ + τ₂ + τ₃ + τ₄ +τ₅ . (3.82)

Все временные показатели процесса берут из технологического регламента производства или рассчитывают.

Время подготовки реактора к новому циклу τ₁ задается регламентом и лежит в пределах 10-60 мин. Длительность заполнения реактора жидкостью можно рассчитать по формуле

τ₂ = V _ж / V _нс , (3.83)

где V _ж – объем жидкости в реакторе, м³; V _нс – производительность насоса, подающего жидкость в реактор, м³/с.

Длительность опорожнения реактора τ₅ зависит от способа выгрузки из него прореагировавшей жидкости и ориентировочно может быть рассчитана по следующим формулам:

при опорожнении реактора через трубу передавливания время выгрузки составит, с:

τ₅ = 900 V _ж / D ², (3.84)

где D – диаметр сосуда;

при опорожнении реактора через сливной штуцер, с:

τ₅ = 1,1 · 10³ V _ж /(), (3.85)

где Н _ж – начальная высота уровня жидкости в реакторе, м.

Продолжительность разогрева τ₃ и охлаждения τ₄ реактора при известной площади поверхности рубашки (змеевика) F может быть рассчитана по формуле

τ_3,4 = Q _3,4 / [ FK _3,4 (∆ t _cp)_{3, 4}]. (3.86)

Расчет значений величин, входящих в уравнение (3.79), приводится в курсе дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии» (ПАХТ).

По окончании расчетов номинальный объем реактора выбирают по прил. 2.

Непрерывный процесс. 1. Заданы объем перерабатываемых веществ V _с и продолжительность пребывания материала в аппарате τ_с .

Рабочий объем всей аппаратуры:

V _p = V _c · τ_c. (3.87)

Необходимое число аппаратов:

m _p = V _c · τ_c /(V _a · φ), (3.88)

Таким образом,

m = m _p (1 + 0,01δ) = V _c · τ_c (1 + 0,01δ)/(V _a · φ), (3.89)

откуда

V _a = V _c · τ_c (1 + 0,01δ)/(m · φ). (3.90)

2. Заданы те же величины, что и в предыдущем случае, и скорость движения веществ в аппарате υ.

По объему перерабатываемых веществ V _с определяется площадь поперечного сечения аппарата:

f = V _c /υ, (3.91)

а по продолжительности пребывания материала в аппарате – высота или длина аппарата:

L = υ · τ, (3.92)

Если найденная площадь поперечного сечения аппарата окажется слишком большой, то устанавливается m аппаратов, соединенных параллельно. При этом каждый аппарат имеет площадь поперечного сечения f / m.

Если же слишком большой оказывается длина, то устанавливается m аппаратов, соединенных последовательно. При этом каждый аппарат имеет площадь поперечного сечения f и длину L / m.

Определение площади поверхности теплообмена и размеров рубашки, змеевика или трубчатки. Площадь поверхности теплообмена F реактора периодического действия определяется из основного уравнения теплопередачи

Q = KF τ∆ t _cp. (3.93)

Здесь Q – количество теплоты, передаваемой теплоносителем перерабатываемым веществам или отводимой охлаждающими агентами.

У емкостных аппаратов с рубашками площадь теплообменной поверхности равна

F _руб = π DH _руб + F _дн , (3.94)

где D – внутренний диаметр аппарата; Н _руб – высота цилиндрической части аппарата, заключенной в рубашку; F _дн – площадь поверхности днища.

Если в процессе расчета необходимая площадь поверхности теплообмена F больше площади поверхности рубашки, то внутри реактора устанавливается змеевик с площадью поверхности

F _зм = F – F _руб . (3.95)

Расчет средней разности температур и коэффициента теплопередачи, время нагрева (охлаждения) определяется условиями процесса.

Конструкция аппарата с рубашкой с механическим перемешивающим устройством представлена в прил.1, основные размеры приведены в прил. 2.