Заключение

В ходе выполнения курсовой работы был проведён комплексный инженерный расчёт реактора идеального смешения для синтеза борат 1-гидрокси-2,4-бисфениламиноантрахинона с заданной производительностью, включающий разработку химико-технологической схемы, составление материального баланса, определение кинетических параметров, расчёт объёма и геометрии реактора, анализ тепловых и гидравлических процессов, а также подбор вспомогательного оборудования и проверку механической прочности аппарата и его элементов. Полученные результаты свидетельствуют о правильности выбранных конструктивных и технологических решений и подтверждают работоспособность рассчитанного реактора в условиях промышленного синтеза органических красителей.

На основе исходных данных по стехиометрии процесса были подробно проанализированы три независимые реакции, включающие образование целевого продукта D и побочных соединений E и G. Материальный баланс, выполненный в мольных и массовых единицах, показал полное соответствие суммарных потоков на входе и выходе, что подтверждает корректность химико-технологической схемы и правильность расчётов. Определённые мольные потоки A, B и C на выходе из реактора, а также рассчитанные количества D, E и G послужили основой для дальнейших стадий расчёта, включая тепловой баланс, подбор оборудования и моделирование кинетики.

Графический и аналитический методы обработки экспериментальных данных позволили установить порядок реакции, описывающей превращение реагента A в продукты. Построение зависимостей «t–C», «t–1/C», «t–1/C²» и «t–ln C» и анализ коэффициентов аппроксимации показали, что процесс описывается кинетикой первого порядка. Дальнейший расчёт констант скорости для реакций 0-го, 1-го, 2-го и 3-го порядка подтвердил этот вывод: коэффициент вариации и разброс данных для модели первого порядка оказались минимальными. Среднее значение константы первой реакции k₁, использованное для дальнейших расчётов, обеспечивает корректное определение времени пребывания и параметров работы реактора идеального смешения.

На основе сравнения характеристических уравнений реакторов идеального смешения и вытеснения был обоснован выбор реактора типа РИС-П как оптимального для данного процесса. Выбор подтверждён свойствами процесса: реакция протекает в жидкой фазе, порядок реакции первый, селективность процесса не ухудшается при снижении концентрации реагента внутри аппарата, а интенсивное перемешивание обеспечивает однородность среды, что особенно важно при синтезе сложных антрахиноновых структур. Таким образом, использование РИС обеспечивает стабильную конверсию, равномерное распределение температуры и высокую воспроизводимость процесса.

На основании материального баланса и данных о плотности реакционной смеси был рассчитан объём аппарата. Для обеспечения требуемой производительности и безопасной работы был выбран стандартный вертикальный реактор объёмом 6,3 м³. Проведённый анализ условий работы (давление 0,3 МПа, температура 100 °C, наличие вакуумирования и барботирования азотом) позволил определить оптимальный конструкционный материал корпуса — сталь X18H10T, обладающую высокой коррозионной стойкостью. Выполненные расчёты на прочность показали, что толщина стенки корпуса по внутреннему давлению должна составлять 4 мм, однако условия вакуумной эксплуатации и давление рубашки потребовали увеличения толщины до 12 мм, что подтверждено проверочными расчётами по ГОСТ 14249-89.

Произведены расчёты эллиптического днища и крышки, расчёты рубашки реактора, фланцевых соединений, прокладок и болтов. Все элементы подобраны в соответствии с требованиями ОСТ и ГОСТ с учётом давления 0,3 МПа и температуры до 100 °C. Выполненная проверка болтов на растяжение в рабочих условиях и при сборке показала, что выбранные болты М24 обеспечивают необходимую прочность и герметичность фланцевого соединения.

Важной частью работы стал расчёт и подбор перемешивающего устройства. На основе рассчитанного крутящего момента, частоты вращения и коэффициента запаса был выбран мотор-редуктор типа ВОМ-I, обеспечивающий частоту вращения 270 об/мин и мощность 1,5 кВт. Рассчитаны муфта, опора, стойка и сальниковое уплотнение. Определены геометрические параметры вала, включая участки посадки под подшипники, резьбовую часть для крепления шлицевой гайки, место установки манжеты и длину консоли. Проектный расчёт подтвердил, что минимальный диаметр вала должен составлять 40 мм, что обеспечивает безопасную передачу вращающего момента без превышения допускаемых напряжений.

Выполнен расчёт насоса для подачи жидкой фазы в реактор. На основании данных по разности давлений, длине трубопроводов, сумме местных сопротивлений и геометрической высоте подъёма рассчитаны гидравлические потери и определена требуемая мощность насоса. Полученные данные позволяют корректно выбрать насос промышленного исполнения с соответствующей подачей и напором.

В совокупности выполненная работа позволяет утверждать, что разработанный реактор идеального смешения и сопутствующее оборудование соответствуют техническим, эксплуатационным и нормативным требованиям. Все расчёты взаимосогласованы: кинетические параметры корректно интегрируются с гидродинамическими, а механическая прочность аппарата подтверждает его надёжность при заданных условиях эксплуатации. Курсовая работа демонстрирует способность использовать теоретические знания, методические рекомендации и практические алгоритмы расчёта химических реакторов для решения инженерных задач синтеза органических соединений.