3. Расчет реактора

3.1 Выбор типа аппарата

Произведем выбор типа аппарата на основе данных о физико-химических свойствах перерабатываемых веществ, а также исходя из механизма и кинетики процесса, а также определение объема реакционной зоны (ОРЗ), необходимого для достижения заданной степени превращения при выбранных параметрах процесса. Реактор полного смешения работает в периодическом режиме.

Реакторами идеального (полного) смешения (РИС) называются реакторы непрерывного действия, в которых осуществляется турбулентный гидродинамический режим. В них потоки реагентов смешиваются друг с другом и с продуктами химического превращения [6, c.32].

В РИС движущая сила процесса и скорость процесса постоянны по объему реактора (то есть во времени). Отклонение средней движущей силы от постоянного значения равно нулю.

При различных порядках основной и побочной реакции в гомофазном процессе влияние концентрации исходных реагентов по-разному сказывается на относительной скорости отдельных реакций. Рассматриваемый процесс протекает в жидкой фазе.

Следовательно, в реакторе смешения, концентрация в котором меняется иначе, чем в реакторе вытеснения, может быть достигнут как более высокий, так и более низкий выход целевого продукта в зависимости от условий проведения реакции. Пусть скорости R_x, R_Y двух параллельных реакций пропорциональны функциям концентрации реагирующих веществ. Тогда R_x = f(k_x,a,b,x); R_Y = f(k₂,a,b,y) и их отношение будет равно:

где а,b,х,у - концентрация веществ А, В, X, и Y, соответственно.

Отсюда следует, что условия проведения реакции должны выбираться с таким расчетом, чтобы это отношение было всегда максимальным. При более высоком порядке основной реакции, по сравнению с побочной, повышение концентрации реагента будет способствовать росту выхода. И наоборот, если основная реакция имеет более низкий порядок, то выход растет с понижением этой концентрации [6, c.35].

Реагенты в реактор загружаются в следующем порядке: АО трубопроводу в реактор подается спирт, после чего через верхний люк реактора производится загрузка уксусной кислоты в виде порошка. В дальнейшем, люк реактора герметично закрывается, создается вакуум, в среде которого и протекает основной процесс. Реакционная среда перемешивается в результате барботирования инертным газом – азотом.

Рассчитаем объем реактора, необходимый для загрузки соответствующего количества реагентов.

Так как реактор в данном случае представляет собой аппарат периодического действия, то его объем определяется по формуле:

где - общий объем смеси, л,

- плотность смеси, кг/м³.

К – коэффициент заполнения реактора, равный 0,8.

Выберем стандартный реактор объемом 6,3 м³.

Внутренний объем V = 6.3 м³

Внутренний диаметр D_в = 1800 мм

Длинна цилиндрической части L = 1880 мм

Внутренняя поверхность корпуса F_в = 17,7 м²

3.2 Выбор материалов для изготовления деталей аппарата.

Материалы, выбранные для деталей и сборочных единиц, должны обеспечить надежность аппарата.

При выборе материала необходимо учитывать рабочую температуру в аппарате: t=100^о, давление: Р=0,3 МПа; коррозионную активность рабочей среды. Учитывая эти условия, выбираем материал для корпуса – Сталь X18H10T

Расчёт на прочность и устойчивость производится по ГОСТ 14249-89.

Расчет обечаек, нагруженных избыточным внутренним давлением.

Толщину стенок определяют по формулам:

где - давление в аппарате, МПа;

- расчетное значение толщины стенки, мм;

- коэффициент сварного шва, для стыковых и тавровых двухсторонних швов;

D - внутренний диаметр обечайки, мм;

- допускаемое напряжение, МПа (зависит от марки стали и рабочей температуры), определяем по табл. 23(Проектирование химических аппаратов с мешалками)., при t = 100ºC. Учет коррозии:

где: срок службы аппарата, год; мм/год – скорость коррозии.

мм

мм

мм

Округляем в большую сторону до стандартного значения: мм

Расчет цилиндрической обечайки, нагруженной наружным давлением.

Под наружным давлением находятся вакуумные аппараты и аппараты с рубашками. Давление, при котором оболочка начнет деформироваться, называется критическим.

Значение толщины стенки следует проверить на допускаемое наружное давление по формуле (ГОСТ 14249-80)

Здесь допускаемое давление [p]_p из условия прочности определяется по уравнению:

[p]_р МПа

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости:

где: - модуль упругости, МПа, (таблица 9);

- коэффициент устойчивости для рабочих условий;

=L-2h_y+H_D/3(L=1880,H_D=450 мм,h_y=40 мм

= 1950мм - расчетная длинна обечайки

[p]_E = МПа

[p] = МПа

Давление в рубашке больше допускаемого [p] < p_руб, поэтому увеличиваем толщину стенки. Выберем толщину s = 12 мм.

[p]_р Мпа

[p]_E = МПа

Допускаемое наружное давление:

[p] = МПа

Давление в рубашке меньше допускаемого: p_руб < [p]. Аппарат способен выдержать избыточное внутреннее давление Р = 0.3 МПа при толщине стенки s = 4 мм, но не способен выдержать наружное давление, создаваемое давлением в рубашке. По этой причине толщину стенки принимаем s = 12 мм согласно расчетам на наружное давление.