1. В период пуска требуется определить количество тепла, которое необходимо подвести к реакционной среде, учитывая теплосодержание исходных реагентов и среды. Составляется уравнение теплового баланса.

Приходная часть теплового баланса реактора складывается из теплосодержания жидкого (газообразного) мономера, воды (или другого растворителя) поступающей в качестве среды и теплоты экзотермической реакции.

Исходное сырье:

G₁ = 300 кг – количество жидкого хлористого винила,

c₁ = 1,44 кДж/кг·град – теплоемкость жидкого хлористого винила,

t₁ = 290 ºК – температура поступающего в реактор хлористого винила.

G₂ = 700 кг – количество воды,

c₂ = 4,19 кДж/кг·град – теплоемкость воды,

t₂ = 290 ºК – температура поступающей в реактор воды.

Температура реакции

t_Р = 335 ºК

В период пуска реактор с реакционной смесью прогревается до температуры реакции.

1.1. Количество теплоты Q₁, которую необходимо подвести к аппарату рассчитывается по формуле:

Q₁ = G₁ c₁ (t_Р - t₁) + G₂ c₂ (t_Р – t₂) = 300·1,44·45 + 700·4,19·45 = 151425 кДж.

1.2. Время разогрева реакционной массы 3 часа. Тогда часовой расход тепла:

Q₂ = Q₁/3600·3 = 14,0 кВт/ч. [1]

Для дальнейших расчетов необходимо определить геометрические размеры реактора, выбрать вид нагрева и тип размер мешалки. Подходящий аппарат можно подобрать по каталогам, которые выпускаются предприятиями – изготовителями.

В качестве реактора выбран вертикальный аппарат, оснащенный мешалкой. Подвод и съем теплоты осуществляется посредством змеевика.

Высота h = 1,515 м,

Диаметр реактора D = 1,000 м,

Диаметр мешалки d_м = 0,36 м (можно выбрать свое).

Площадь боковой поверхности F_бок = 4,7 м. (по формуле цилиндра –грубая оценка).

Площадь крышки или дна F_д = 1,57 м.

1.3. Потери тепла посредством теплообмена с воздухом q3.

Q₃ = (λ/δ)( t_ст - t_возд)·(F_д + F_бок)

λ – теплопроводность стали. 34,9 Вт/м К.

δ – толщина стали. 0,007 м.

Сталь выбирается в зависимости от химического состава реакционной массы и климата, с учетом требуемой прочности.

t_ст – температура наружной стенки (на 1 – 2 градуса меньше, чем в реакторе)

t_возд – температура окружающей среды[1]. (Как и у исходных веществ вначале).

Q₃ = (λ/δ)( t_ст - t_возд)·(F_д + F_бок) = 34,9/0,007(311,5-290)·(4,75+1,57) /1000 =593 кВт.

Значительные потери энергии, уменьшаются с помощью теплоизоляции. Теплоизоляция определяется на стадии проектирования.

1.4. Расчет теплоизоляции

Q₄ = λ /w (t_ст - t_возд)

λ – коэффициент теплопроводности войлока 0,047 Вт/м·К,

w – толщина войлока 0,2 м.

Q₄ = λ /w (t_ст - t_возд)(F_бок +F_{д +к} ) = (0,047/0,2)(311,5-290)( 4,75+1,57) = 0,03 кВт/м² [2].

1.5.Общий расход тепла:

Q₅ = Q₂ + Q₄·= 14,0 + 0,03 = 14,0 кВт/ч.

1.6. Расчет площади теплообмена.

Расчет площади теплообмена цикличен, требует много повторений, так как формулы содержат взаимосвязанные характеристики, для которых нужно найти приемлемые между собой и с конструкцией аппарата значения. Вычисления проводятся по формуле теплопередачи:

К = 1/ (1/ α₁ + Σδ/λ + 1/ α₂) [1,2].

F_расч =Q₅·1000/K·∆t_ср

К – коэффициент теплопередачи м²К/Вт

α – коэффициент теплоотдачи Вт/м²К

δ – толщина змеевика из стали Ст 3, м.

λ – коэффициент теплопроводности стали Вт/м²К.

∆t_ср – средняя разность температур между теплоносителем и средой.

При конденсации пара на наружной поверхности пучка горизонтальных труб, змеевиков, а также при кипении жидкости коэффициенты теплоотдачи α_i зависят от q удельной тепловой нагрузки, которая в свою очередь связана с К.

q =К∆t_ср

q – удельная тепловая нагрузка Вт/м².

Это приводит к уравнению вида:

q/∆t_ср = 1/ (1/ α₁ + Σδ/λ + 1/ α₂)

и дальше:

aq^a + bq^b + c = 0.

Последнее уравнение необходимо решить графически и найти q, при котором зависимость обращается в ноль, вычислить площадь, сравнить с площадью змеевика от завода-изготовителя, а потом, варьируя технологические параметры повторять цикл вычислений столько раз пока расчетная площадь не примет приемлемое значение.