Текст к Тексту

Расчет реактора

Исходные данные:

Объемная скорость газовой смеси на входе V _об= 375 1/ч; температура процесса в градусах Цельсия = 220; конденсата, поступающего на охлаждение, - 170; давление конденсата 0,8 МПа; расположение змеевика – вертикальное.

Определяют: объемный расход газовой смеси на входе в реактор:

V _см= (1021,081x22,4)/2=11436 м³/ч,

где 1021,081 – расход газовой смеси, кмоль/ч (по данным табл.3);

объем катализатора в реакторе:

V_к = V_см / V_об=11436/375=30,5 м³,

Высоту слоя  катализатора в неподвижном состоянии:

Н₀= V_к/ S₁=30,5/1151,2=0,03 м,

где S₁=1151,2 – площадь сечения реактора.

Высоту псевдоожиженного слоя:

Н= Н₀(1- ε₀)/(1- ε)=0,03(1-0,4)/(1-0,41)=0,031м.

Степень расширения слоя:

η₀=Н/Н₀=0,031/0,03= 1,03,

гидравлическое сопротивление слоя:

Δр_сл=(1- ε₀)g Н₀= 1750(1,0-0,4)x9,81x0,03=310 Па.

Площадь поверхности теплообмена встроенного змеевика определяют по формуле:

F=Ф_а/( кΔТ_ср).

Тепловая нагрузка на змеевиковый теплообменник (см.табл.6):

Ф_а=5468,08 x10³ Вт

Средняя разность температур между газовой средой и кипящим конденсатом:

Δt_ср=220-170=50 С; ΔТ_ср=50 К.

Коэффициент теплопередачи определяют по формуле:

к=(1/α₁+Σr_ст+1/ α₂)^-1,

где α₁ – коэффициент теплоотдачи от псевдоожиженного слоя к стенке трубы змеевика, Вт/(м²xК). α₂ – коэффициенттеплоотдачи от стенки трубы змеевика к кипящему конденсату, Вт/(м²xК).

Максимальный коэффициент теплоотдачи от псевдоожиженного слоя к стенке трубы змеевика рассчитывают по формуле

α₁=Nu λ_см/d_э.

Удельная теплоемкость газовой смеси:

С_см=44,3135x1000/39,001=1136 Дж/( кгxК),

Где 44,3135 – молярная теплоемкость газовой смеси, Дж/( мольxК);

39,001 – средняя молярная масса газовой смеси, г/моль.

Принимают критерий Прандтля двухатомных газов Pr = 0,72, тогда теплопроводность газовой смеси равна:

λ_см = С_см >μ_см /Pr=1136x180x10^-7/0,72=0,0284 Вт/( мxК),

Критерий Нуссельта при движении газа через псевдоожиженный слой определяют по формуле

Nux(1- ε) ^-1 [ λ_см/( С_см ρ_г)] ^0,43= mCRe^0,23 ( С_к/ С_см) ^0,8 (>ρ/ ρ_г) ^0,66, где

ρ_г, >ρ – плотность газовой смеси и частиц катализатора, кг/м³; m – константа, равная 3,5 x 10^-4; С – коэффициент; С_к - удельная теплоемкость катализатора, кДж/( кгxК).

Значение коэффициента С принимают равным 1,47, значение удельной теплоемкости катализатора – по каолину: С_к =920 Дж/( кгxК).

Критерий Рейнольдса:

Re= w_pd_э>ρ_г/ μ_см=0,026x0,75x10^-3x0,29/(180x10^-7)=0,3

Nu(1-0,41) ^-1 [0,0248/(1136x0,29)] ^0,43=3,5x10^-4x1,47x0,3^0,23 x(920/1136) ^0,8 x(1750/0,29)^0,66

0,0286Nu=0,1030; Nu=3,6 Вт/(м²xК).

α₁=3,6x0,0248/0,75x10^-3=119 Вт/(м²xК).

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы змеевика к кипящему конденсату рассчитывают по формуле:

α₂=97,3р^0,58 (t _ст(2)-t_к) ^2,33, где

р-давление кипящей воды (конденсата)при температуре 170 С, равное 0,8МПа

Принимают следующие обозначения:

t ₁ – температура псевдоожиженного слоя;

t _ст(1)– температура стенки со стороны псевдоожиженного слоя;

t _ст(2)– температура стенки со стороны кипящего конденсата;

t _к – температура конденсата.

Δt _сл=t₁ -t _ст(1);

Δt _ст=t _ст(1)- t _ст(2);

Δt к=t ст(2)- tк.

α2=97,3x0,8^0,58 Δtк^2,33=85,5 Δtк^2,33.

Записывают систему уравнений:

α1Δtсл =t ст(1)/∑r ст= α2 Δtк, (1)

Δt ср=ΔТср= Δt сл+Δt ст+Δtк.(2)

Сумма термических сопротивлений стенки с учетом сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон:

∑r ст=r1+r2+r3,

Где r₁ , r₂– термическое сопротивление слоев загрязнений со стороны газовой смеси и водяного пара соответственно, м²xК/Вт; r₃ - термическое сопротивление стенки, м²xК/Вт.

r₁= 1/11600=0,00009 м²xК/Вт;

r₂= 1/5800=0,00017 м²xК/Вт;

r₃=0,011/17,5=0,00063 м²xК/Вт,

где 0,011 – толщина стенки трубы змеевика, м; 17,5 – теплопроводность нержавеющей стали, Вт( мxК)

∑r_ст=0,00009+0,00017+0,00063=0,00089 м²xК/Вт.

Подставляют значения α₁, α₂, ∑r _ст, ΔТ_ср в уравнения (1) и (2):

119Δt_сл =t _ст/ 0,00089 = 85,5 Δt_к^2,33 ;(1’)

Δt _сл+Δt _ст+Δt_к=50;(2’)

Δt _сл=(85,5/119) Δt_к^2,33=0,718 Δt_к^2,33;

Δt_сл=0,00089 x 85,5 Δt_к^2,33=0,076 Δt_к^2,33.

Подставляют значения Δt_сл и Δt _ст в уравнение (2’):

0,718 Δt_к^2,33+0,076 Δt_к^2,33 +Δt_к=50;

0,794 Δt_к^2,33 +Δt_к+50=0.

Принимают Δt’_к=5,0 С, тогда

у₁=0,794x5,0^2,33 +5,0-50= -11,23858716

Принимают Δt’’_к=8,0 С, тогда

у₂=0,794x8,0^2,33 +8,0-50=58,9299765.

Δt _к= Δt’’_к – (Δt’’_к - Δt’_к)/ (у₂- у₁)x у₂= 8-(3/70,16856366)x58,9299765=5,48 С;

у = 0,794x 5,48^2,33 +5,48 – 50,0= -2,72.

Методом последовательного приближения получают Δt_к = 6,94 С при   у=0.

Коэффициент теплоотдачи:

α₂=85,5x6,94^2,33 =7804 Вт/(м²xК).

Коэффициент теплопередачи:

к = (1/119+0,00089+1/7804)^-1= 97 Вт/(м²xК).

Площадь поверхности теплопередачи:

F=5468080/(97x50)=1127 м² .

Площадь поверхности теплопередачи принимают с запасом 15%:

F _а= 1,15x1127=1300 м² .

Длину трубы змеевика принимают равной высоте псевдоожиженного слоя l=H=0,031 м, тогда число труб в змеевике :

n= F_а /( πd_нl)=1300/(3,14x0,122x0,031)= 109470.

Количество образующегося водяного пара:

m _п= Ф_аη/r=5468 080x0,9/2 057000=2,4 кг/с или 2,4x3600=8640кг/ч,

где r – удельная теплота парообразования, η – к.п.д. змеевика.

При давлении 0,8 МПа r=2057x10³Дж/кг; принимают η=0,9.

Принимают, что в водяной пар (р=0,8 МПа, t=170 С) превращается 10% циркулирующего в системе конденсата, следовательно, расход конденсата составит:

m_к=8640x100/10=86400 кг/ч или V_к=86400/897 = 96 м³/ч,

где 897 – плотность конденсата на линии насыщения при температуре 170С, кг/м³.

Выходящая  из встроенного змеевика пароводяная эмульсия с температурой 170С поступает в паросборник, предназначенный для сбора конденсата и отделения от него пара. Пар, имеющий давление 0,8 МПа, используется на установке, конденсат с помощью насоса возвращают в змеевик реактора. В паросборник подают химически очищенную воду, а часть конденсата выводят из системы для предотвращения загрязнения системы охлаждения реактора.

Номинальную вместимость паросборника рассчитывают по формуле:

V _ном=V_к τη/φ.

Принимают время заполнения паросборника конденсатом τ = 3 мин, степень заполнения φ = 0,8; коэффициент запаса η = 1,15, тогда

V _ном= 96x3x1,15/(0,8x60)=7 м³.

Принимаем цилиндрический стальной аппарат со следующими техническими характеристиками:

Тип: Вертикальный с двумя эллиптическими днищами (ВЭЭ), теплоизолированный.

Диаметр обечайки внутренний, мм 1300

Высота цилиндрической части 2200 мм.

Рабочее давление 0,8-1,0 МПа

Рабочая температура 170-190 С,

Аппарат с номинальной вместимостью 8 м³

В верхней части реактора оксихлорирования смонтирован циклон предназначенный для отделения частиц катализатора, увлекаемых восходящим потоком газовой смеси. Для эффективной очистки газовой смеси от уносимых частиц катализатора в каждом реакторе оксихлолрирования предусматривают три циклона, соединенные последовательно.