Вопросы для самопроверки:

1. В каких случаях аппараты рассчитывают на ветровую нагрузку?

2. По какой формуле вычисляют ветровой момент, действующий в сечении на высоте?

Практическое занятие № 8. Реакторы для проведения реакций в жидкой фазе и в эмульсиях. Последовательность расчета реакторов.

Цель – ознакомить с методикой расчета реакторов для проведения реакций в жидкой фазе и в эмульсиях.

Основными процессами в переработке резины и пластмасс являются:

- термообработка (расплавление, охлаждение, пластикация, вулканизация);

- соединение веществ (смешение различных сортов пластмасс и добавок, диспергирование добавок в пластмассах, гомогенизация расплавов);

- разделение веществ (удаление влаги из мокрых порошков или мокрых синтетических каучуков, отсеивание примесей, содержащихся в пластмассах);

- формование (грануляция, экструдирование, таблетирование, литье под давлением, прессование, выдувание изделий).

Пластикация – механическая (иногда термическая и химическая) обработка каучука или пластмасс для повышения их пластичности и гомогенности, необходимых в последующих процессах переработки (смешении, формовании). Пластикацию осуществляют пропусканием исходного материала через зазор вращающихся валков при определенных температурных и скоростных режимах (сжатии, раздавливании и истирании смеси) в машинах, называемых смесителями.

Формование - придание массе определенной формы за счет механического воздействия при определенной температуре. Формование выполняют прокатыванием, литьем, продавливанием, выдуванием или прессованием в машинах, называемых соответственно каландрами, литьвыми или червячными машинами, эктрудерами, прессами, термопластавтоматами.

Вулканизация каучука – термическая и химическая обработка его под давлением для получения необходимых механических характеристик (твердости, прочности, эластичности, и т.д.). Осуществляют вулканизацию в прессах, автоклавах или вулканиза­торах (форматорах) при температуре 125 — 160⁰С.

Измельчение-получение из материалов кусков заданных размеров за счет внешнего механического воздействия в машинах, называемых измельчителями.

Таким образом, основным оборудованием в производстве пе­реработки пластических масс и резины являются вальцы, смесители, каландры, литьевые и червячные машины, прессы, вулкани­заторы, автоклавы, измельчители, экструдеры.

Рассмотрим расчет реакторов для проведения реакций в жидкой фазе и в эмульсиях.на примере трубчатого контактного аппарата для экзотермической реакции.

Задача 8.1. Рассчитать трубчатый контактный аппарат для экзотермической реакции, тепло которой отводится кипящей водой. Исходная смесь подается в количестве G=0,286 кг/с, в том числе 1,40 моль/с основного реагента. Необходимо достигнуть значения конверсии 0,84. Температура исходной смеси t₀=135⁰С, температура в зоне реакции не должна превышать 155˚С. Тепловой эффект реакции q=186,7кДж/моль. Физические свойства реакционной смеси в условиях процесса: средняя теплоемкость с_р=9,55 кДж/(кг·˚С); динамическая вязкость ; средний размер зерен катализатора d_з=7мм.

Реакция протекает по кинетическому уравнению первого порядка без существенного изменения объема реакционной смеси . Константа скорости реакции k при 135⁰С равна 1,07 моль·м³/с, а при 150⁰С – 2,13 моль·м³/с.

Решение.

Определим ориентировочно объем катализатора, считая, что процесс проходит при постоянной температуре 150С. Согласно кинетическому уравнению реакции первого порядка

(8.1)

при после интегрирования

(8.2)

или

(8.3)

Полученное ориентировочное значение объема катализатора позволяет выбрать размеры трубчатки. Исходя из расхода газа выбираем аппарат с числом трубок п=211, внутренний диаметр которых равен 33 мм. Катализатор загружается в трубки. Высота заполнения

(8.4)

Для определения температурных перепадов в контактной зоне находим значения коэффициентов линейного уравнения константы скорости реакции из двух уравнений

Откуда а=-8,47; b=0,071.

При максимально допустимом повышении температуры реагентов со 135 до 155С в начальной зоне рассматриваемой приближенно как адиабатическая, конверсия составит при х_н=0:

(8.5)

Максимальной температуры реакционная смесь достигнет в момент, когда тепло, выделяемое реакцией, сможет полностью отводиться через теплообменную поверхность, благодаря созданию достаточного температурного напора. В этом случае зависимость температуры реагентов от конверсии при выражается уравнением:

(8.6)

Подставив в это уравнение значения x=0,21 и t=155˚С, находим искомую температуру стенки:

˚С (8.7)

Этой температуре соответствует давление насыщенного пара 4,8 кгс/см². Значение коэффициента С в этом уравнении найдено по формуле:

(8.8)

при этом

(8.9)

Задача 8.2. Рассчитать трубчатый контактный аппарат для экзотермической реакции, тепло которой отводится кипящей водой. Исходная смесь подается в количестве G=0,689 кг/с, в том числе 3,50 моль/с основного реагента. Необходимо достигнуть значения конверсии 0,84. Температура исходной смеси t₀=105⁰С, температура в зоне реакции не должна превышать 85⁰С. Тепловой эффект реакции q=86,7кДж/моль. Физические свойства реакционной смеси в условиях процесса: средняя теплоемкость с_р=7,66 кДж/(кг·˚С); динамическая вязкость ; средний размер зерен катализатора d_з=6 мм.