3.4. 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 /(24V_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)/(24m · 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 = 900V_ж /D², (3.84)

где D – диаметр сосуда;

при опорожнении реактора через сливной штуцер, с:

τ₅ = 1,1 · 10³V_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 = KFτ∆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 = πDH_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.