τц = τ + τв , |
(2.40) |
где τв– общее время вспомогательных операций, определяемое требованиями технологического регламента. Тогда годовая производительность реактора со-
ставит
Gр = |
G1T |
= G1n , |
(2.41) |
|
τц |
||||
|
|
|
||
где n = T / τц – количество операций полимеризации в течение года; T – |
годо- |
|||
вой фонд рабочего времени реактора, ч/г. |
|
|
||
2.5.Примеры расчета оборудования стадии полимеризации
2.5.1.Расчет загрузки ВХ, воды и стабилизатора эмульсии
Рассчитать загрузку винилхлорида, воды и стабилизатора эмульсии в реактор-
полимеризатор объемом V = 80 м3 для получения суспензионного ПВХ агрегативного типа со среднемассовым размером частиц δп = 100 мкм по следующим данным:
коэффициент заполнения реактора ϕ = 0,8;
диаметр аппарата D = 3,8 м;
диаметр мешалки dм = 1,89 м;
высота лопасти мешалки b = 0,15 м;
частота вращения мешалки n = 1,96 с–1 ;
водный модуль загрузки (вода:ВХ) m = 1,35;
стабилизатор эмульсии – метилоксипропилцеллюлоза (МЦ).
Р е ш е н и е
Количество загружаемой жидкости в реактор
Vж = jV = 0,8 × 80 = 64 м3.
Из материального баланса загрузки жидкой фазой
V |
|
= V + V = V + |
Vвρв |
|
|||
ж |
mρм |
||||||
|
в м |
в |
|||||
|
|
|
|
||||
находим объем загружаемой воды Vв = Vж /(1 + |
rв |
) , где Vв,Vм – объемы загружаемых |
|||||
|
|
|
mρм |
||||
количеств воды и мономера ВХ соответственно; ρв,ρм – плотность воды и жидкого мономе-
ра ВХ при температуре загрузки.
67
Приняв температуру загрузки 20 |
0 |
С, имеем |
V = 64 /(1 + |
|
998 |
) |
= 35,3 м2. |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
1,35 × 910 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Загрузка мономера ВХ составляет V |
= V |
− V = 64 – 35,3 = 28,7 |
м3 или по массе |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
м |
ж |
|
|
в |
|
|
|
|
|||
|
|
|
Gм = Vмrм = 28,7 ×910 = 26 100 кг. |
|
|||||||||||||||
Объемная доля мономера в жидкой фазе Ф = |
Vм |
= |
28,7 |
= 0,448 . |
|
||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Vж 64 |
|
|
|
|
||||
Плотность жидкой фазы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ρ = ρ |
м |
Ф + ρ |
в |
(1− Ф) = 910·0,448+998(1 – 0,448) = 959 кг/м3. |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Величину коэффициента межфазного натяжения на границе раствор МЦ – ВХ можно |
|||||||||||||||||||
принять s = 6 ×10−3 Н/м (см. пп. 2.3.1). Тогда число Вебера |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
We = |
rn2dм3 |
|
|
959 ×1,962 |
×1,893 |
|
|
|
6 |
|
|
||||||
|
|
|
= |
|
|
|
|
= 4,15 |
×10 . |
|
|
||||||||
|
|
s |
|
6 ×10−3 |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Предельный диаметр капель эмульсии мономера по уравнению (2.3) составит d*м = 0,064We− 0,6 (1+ 2Ф)dм= 0,064(4,15·106)–0,6 (1+2·0,448)1,89 = 24,5·10–6 м.
Определим высоту уровня жидкости в реакторе H0 . По данным [6], эллиптическое
днище диаметром 3 800 мм и толщиной стенки 16 – 25 мм имеет объем V = 8,06 м3 |
и высоту |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д |
|
Hд =1 030 мм, включая отбортовку. Объем цилиндрической части реактора, занятой жидкой |
||||||||||
фазой, V = V |
− V = 64 – 8,06 = 55,94 м3 |
, а ее высота |
|
|
||||||
ц |
ж |
д |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H ц = |
4Vц |
|
= |
4 ×55,94 |
= 4,93 |
м. |
|
|
|
|
pD 2 |
3,14 |
×3,82 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Таким образом, H о = Нц + Нд = 4,93 + 1,03 = 5,96 м. С учетом наличия внутренних
устройств принимаем H о = 6 м.
Предельный диаметр капель полимеризующего ВХ δм = δпм за время разогрева ре-
акционной массы до заданной режимной температуры ( τ = 3600 с) рассчитаем по формуле
(2.4), в которой геометрический параметр
|
|
ГV = |
dм2b |
|
= |
1,892 × 0,15 |
= 6,18 ×10 |
−3 |
, |
|||||||
|
|
D |
2 H 0 |
|
|
3,82 × 6 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
24,5×10−6 |
=1- 0,5exp[-1,33×10−5 ×6,18×10−3 (1,963 ×1,892 )1/ 3 ×(24,5 ×10−6 )−2 / 3 3600], |
||||||||||||||
|
dпм |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
откуда dпм = 29,7 ×10−6 м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Параметр агрегативной устойчивости |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
kА |
= |
dп |
|
|
= |
100 ×10−6 |
|
= 3,37 . |
|
|
||||
|
|
dпм |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
29,7 ×10−6 |
|
|
|||||||
Из графика зависимости kА = f (β) (рис. 2.7) находим величину комплексного пара-
метра b = 0,8 ×106 с2/м2. В водном растворе МЦ среднеквадратичное расстояние между кон-
68
цами полимерной цепи составляет < r2 > 0,5 = 44,7 ×10−9 м (см. пп. 2.3.2). Тогда из соотноше-
ния (2.11) имеем
6 |
[ |
−9 |
0,5 |
3 |
2 |
) |
2/3 |
−6 |
) |
5/3 |
]−1 |
, |
0,8×10 |
= 44,7 |
×10 |
×nм |
(1,96 |
×1,89 |
|
(29,6 ×10 |
|
|
|
откуда число адсорбированных молекул МЦ на поверхности контакта νм = 1,22×1016 м –2 .
Поверхностная концентрация макромолекул МЦ |
|
|
|
|
||||||||
|
nмМ |
|
1,22 ×1016 × 66 ×103 |
|
|
−3 |
|
2 |
||||
Сп = |
|
|
= |
|
|
|
|
= 1,33 ×10 |
|
г/м , |
||
N А |
|
|
6,02 ×1023 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где М = 66 ×103 – молекулярная масса МЦ; NА = 6,02 ×1023 моль–1 |
– |
число Авогадро. |
||||||||||
Начальную концентрацию МЦ в водном растворе находим из соотношения (2.8): |
||||||||||||
С = |
6ФСп |
= |
6 × 0,448×1,33×10−6 |
= 0,22 |
3 |
|||||||
|
|
кг/м . |
||||||||||
dпм(1- Ф) |
29,6 ×10−6 (1- 0,448) |
|||||||||||
Количество загружаемого стабилизатора эмульсии МЦ при заданных условиях соста-
вит
Gсэ = CVв = 0,22 · 35,3 = 7,77 кг.
2.5.2. Расчет производительности реактора-полимеризатора
Рассчитать производительность реактора полимеризации ВХ объемом V = 80 м3 при получении ПВХ с константой Kф = 70. Расчеты выполнить по двум вариантам: при работе
без обратного конденсатора и с ним.
Исходные данные:
диаметр корпуса аппарата внутренний D = 3,8 м;
материал стенки корпуса – сталь 10Х17Н13М2Т;
толщина стенки корпуса δ = 18 мм;
площадь поверхности теплообмена рубашки Fр = 86 м2;
поперечные размеры спирального канала рубашки:
ширина а= 66 мм,
высота h = 160 мм;
количество отражателей П= 2;
площадь теплообменной поверхности отражателей Fот = 8,5 м2;
площадь поверхности теплообмена обратного конденсатора Fок= 74 м2;
частота вращения мешалки n = 1,96 с–1 ;
диаметр мешалки dм = 1,89 м;
высота лопасти b = 0,15 м;
радиус изгиба лопасти R = 0,66 м.
69
Р е ш е н и е
Вариант 1
С учетом уменьшения объема реакционной массы в процессе превращения ВХ в по-
лимер и с целью увеличения выхода продукта с одной загрузки реактора принимаем коэф-
фициент заполнения ϕ = 0,85; степень конверсии χ = 0,9 и минимально допустимую величи-
ну водного модуля m = 1,2. При этих условиях выход продукта G1 с одной операции поли-
меризации ВХ, согласно уравнению (2.18), составит
|
|
|
G = |
|
|
Vjc |
|
= |
80 × 0,85 × 0,9 |
= 26600 |
кг, |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
1 |
1/ |
ρм + m / ρв |
1/ 911 + 1,2 / 998 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
где ρ |
м |
= 911 кг/м3 и ρ |
в |
= 998 кг/м3 – |
плотность жидкого мономера ВХ и воды соответствен- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
но при температуре загрузки 200С.
Количество тепла, выделившегося в течение одной операции полимеризации,
Q1 = G1qп = 26600×1475 = 39,2 ×106 кДж,
где qп = 92,18 ×103 / М = 92,18 ×103 / 62,5 = 1475кДж/кг – удельная теплота реакции полиме-
ризации винилхлорида.
Тепловой поток через стенку корпуса рассчитаем при наиболее неблагоприятных ус-
ловиях процесса: максимальной интенсивности тепловыделения и минимальном коэффици-
енте теплопередачи, которые имеют место при степени конверсии χ = 0,7.
Для расчета теплового потока по уравнению (2.21) величину площади поверхности теплопередачи F примем равной сумме площадей поверхности рубашки Fр = 86 м2 и отра-
жателей F = 8,5 м2 |
с учетом того, что снижение уровня реакционной массы по мере пре- |
от |
|
вращения ВХ в ПВХ компенсируется подъемом уровня жидкости при образовании воронки.
В качестве теплоносителя (хладоагента) принимаем захоложенную воду при темпера-
туре θн = 5оС, нагреваемую в рубашке реактора до температуры θк = 10оС. Температура по-
лимеризационной среды при получении ПВХ с константой Kф = 70 составляет tп = 54оС (см.
п. 1.3). Средняя разность температур между реакционной массой в реакторе и теплоносите-
лем в рубашке |
|
|
|
tср = tп − θн + θк |
= 54 − |
5 + 10 |
= 46,5 оС. |
|
|||
2 |
2 |
|
|
Вп. 2.4 показано, что величина коэффициента теплоотдачи αр от реакционной массы
кстенке реактора при степени конверсии χ = 0,7 составляет 57,2% от значения коэффициен-
та теплоотдачи при перемешивании чистой жидкости (воды) αв (см. табл. 2.1). Поэтому,
чтобы избежать сложных вычислений переменных величин физико-химических характери-
стик среды, рассчитаем величину αв по уравнению А.О.Белопольского (2.28), справедливо-
му для реакторов с импеллерными мешалками, и перенесем результат на величину αр с уче-
70
том данных табл. 2.1. Определим параметры уравнения (2.28) для воды при температуре по-
лимеризации 54оС. Температуру стенки примем в первом приближении tст1 = 35оС.
Геометрический параметр уравнения С , согласно зависимости (2.28 а), равен
D −0,3 |
R 0,15 |
b 0,48 H0 |
0,45 |
2 0,16 |
|
3,8 −0,3 |
0,66 0,15 |
0,15 0,48 |
6 0,45 |
2 0,16 |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
С= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0,252; |
|
|
|
D |
П |
1,89 |
|
1,89 |
1,89 |
3,8 |
|
2 |
|||||||||||||||||||
dм |
dм |
dм |
|
|||||||||||||||||||||||||||
критерий Рейнольдса Re = |
rndм2 |
= |
986 ×1,96 ×1,89 |
2 |
= 1,34 |
×10 |
7 |
|
|
|
; |
||||
m |
0,515 ×10−3 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
критерий Прандтля Pr = |
Cm |
= |
|
4180 × 0,515 ×10−3 |
= 3,26 . |
|
|
|
|||||||
l |
|
|
|
0,66 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Критерий Нуссельта |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nu = 1,8 C Re0,63 Pr0.33 |
|
m |
|
= 1,8 × 0,252(1,34 ×107 )0,63 3,260,33 |
0,515 ×10−3 |
= 1,47 ×104 |
|||||||||
mст |
|
0,723×10−3 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
aв = |
Nul |
= |
1,47 ×10 |
4 × 0,66 |
|
= 2 550 |
2 |
|
||||
и коэффициент теплоотдачи |
|
|
|
|
|
|
|
Вт/(м ·К). |
|
||||||
|
D |
3,8 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Коэффициент теплоотдачи для реакционной массы |
|
|
|
||||||||||||
aр = a1 = 0,572aв = 0,572 × 2 550 = 1 460 Вт/(м2·К). |
|
||||||||||||||
Термические сопротивления стенки, согласно данным [4], следующие: коэффициент |
|||||||||||||||
теплопроводности хромоникелевых сталей λст = |
17 Вт/(м·К), термические сопротивления |
||||||||||||||
загрязнений со стороны полимеризационной среды с учетом применения эффективной гид-
роочистки принимаем rз1 = 2,5 ×10−4 м2·К/Вт, со стороны охлаждающей воды (очищенной) – rз2 = 2 ×10− 4 м2·К/Вт. Общее термическое сопротивление стенки корпуса
∑ r |
=r |
+ |
d |
+ r |
= 2,5 ×10− 4 + |
0,024 |
+ 2 ×10− 4 = 1,5 ×10−3 м2·К/Вт. |
lст |
|
||||||
ст |
з1 |
|
з2 |
17 |
|
||
Коэффициент теплоотдачи к охлаждающей воде в рубашке рассчитаем по уравнению
(2.25) при средней температуре воды θср = (θн + θк ) / 2 = (5+10)/2 = 7,50С и при температу-
ре стенки, которую примем в первом приближении tст2 = 150С.
Скорость потока воды в канале рубашки примем максимально допустимой: w = 3 м/с.
Тогда при эквивалентном диаметре канала
d |
|
= |
2ah |
= |
2 × 0,066 × 0,16 |
= 0,093 м ; |
|
||||
э |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
a + h 0,066 + 0,16 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
критерий Рейнольдса для воды в рубашке Re = |
wdэρ |
|
= |
3× 0,093×1000 |
= 1,98 ×105 , |
||||||
m |
1,41×10−3 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
критерий Прандтля при θср и tст2
71
Pr = |
cm |
= |
|
4 200 ×1,41×10−3 |
|
= 10,4 ; |
|
|
|
|
Pr = |
|
4 190 ×1,14 ×10−3 |
= 8,14 ; |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
0,569 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ст |
|
|
|
|
|
|
0,587 |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
критерий Нуссельта |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
0,8 |
|
|
0,43 |
|
Pr |
|
|
|
|
0,25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
0,8 |
|
|
0,43 |
|
10,4 |
0,25 |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0,021× (1,98 ×10 |
|
) |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
Nu = 0,021Re |
|
|
Pr |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10,4 |
|
|
|
|
|
= 1 055 |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Prст |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8,14 |
|
|
|
|||||||||||
и коэффициент теплоотдачи |
|
|
a2 = |
|
Nuλ |
= |
1 055 × 0,569 |
|
= 6 455 Вт/(м2·К). |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dэ |
|
|
|
|
|
|
|
0,093 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Коэффициент теплопередачи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
K = |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 427 |
|
|
Вт/(м2·К.) |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
1 |
|
+ ∑ r |
|
|
+ |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
+1,5 ×10−3 + |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
1460 |
6455 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ст |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Проверим принятые значения tст1 и tст2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Плотность теплового потока |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q = KDtср = 427 × 46,5 = 19 870 Вт/м2 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
= t |
|
- |
q |
= |
54 - |
19 870 |
= 40,4 оС , |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ст |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
a1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 460 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q |
|
|
|
|
|
= q |
|
|
|
+ |
|
|
|
q |
|
= 7,5 + |
19 870 |
|
=10,6 оС. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ст2 |
|
ср |
|
a2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 455 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
Принимаем новые значения tст1 = 41оС, tст2 = 11оС и корректируем результаты рас- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
чета: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- при t |
|
|
|
= 41оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−3 Па·с, |
a = 1 460 |
|
0,723×10−3 |
= 1 640 |
2 |
; |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
ст |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вт/(м |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,644 ×10−3 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
- при t |
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
4 190 ×1,27 ×10−3 |
|
= 9,22 ; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
ст |
2 |
= 11 С |
|
|
|
|
|
|
|
|
Pr |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ст |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,577 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8,14 0,25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a2 = 6 455 |
|
|
|
|
|
= 6 260 Вт/(м ·К) . |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9,22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 441Вт/(м2·К) , |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
+1,5 ×10−3 + |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 640 |
6 260 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q = 441× 46,5 = 20 500 Вт/м2 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
= 54 - |
20 500 |
= 41,5 оС; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ст1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 640 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
tст2 = 7,5 + 20500 = 10,8оС, 6260
что близко к вновь принятым значениям.
Таким образом, согласно уравнению теплопередачи (2.21), теплообменная рубашка может обеспечить величину тепловой нагрузки реактора
72
QF = KFDtср = 441(86 + 8,5) × 46,5 =1,94 ×106 Вт.
Расход охлаждающей воды через рубашку:
- массовый |
G |
в |
= |
|
|
QF |
= |
1,94 ×106 |
= 92,3 кг/с; |
|||
|
св (qк - qн ) |
4 200(10 - 5) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
- объемный |
v |
|
|
= |
Gв |
= |
92,3 |
= 0,0923м3/с = 332 м3/ч. |
||||
в |
ρв |
|
||||||||||
|
|
|
1 000 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Допустимый расход воды в канале рубашки v к = wah = 3 × 0,066 × 0,16 = 0,0317 м3/с.
Число секций рубашки в реакторе
z = |
v в |
= |
0,0923 |
= 2,91. |
v к |
|
|||
|
0,0317 |
|
||
Принимаем число секций рубашки z = 3 с параллельной подачей в них охлаждающей воды. Уточняем скорость охлаждающей воды в канале:
w = |
v в |
= |
|
0,0923 |
= 2,91 м/с , что близко к принятой. |
|
|
× 0,066 × 0,16 |
|||
|
zah 3 |
|
|||
Частью тепловой нагрузки теплообменной рубашки является мощность, затрачивае-
мая на перемешивание реакционной массы. Эту мощность рассчитаем из соотношения (2.1),
приняв удельную мощность перемешивания E = 1 Вт/кг (для суспензионной полимеризации обычно принимают E = 0,8 − 1,1 Вт/кг):
N = EVϕρ .
Коэффициент заполнения принимаем ϕ = 0,75 с учетом усадки реакционной массы при степени превращения χ = 0,7 , а плотность среды ρ = 1 090 кг/м3, согласно графику рис. 2.10, б. Тогда N = 1×80 × 0,75 ×1 090 = 6,5 ×104 Вт.
Максимальная скорость тепловыделения в реакторе исключительно за счет теплового
эффекта реакции полимеризации составляет
Qmax = QF - N = 1,94 ×10 6 - 6,5 ×10 4 = 1,88 ×10 6 Вт,
плотность теплового потока qmax = Qmax / F =1,88 ×106 /(86 + 8,5) =1,99 ×104 Вт/м2.
Величине qmax = 1,99 ×104 Вт/м2 соответствует кривая 1 графиков скоростей тепло-
выделения в реакторе объемом 80 м3 при концентрации инициатора лиладокса 0,062% (рис. 2.9). Согласно этой кривой, продолжительность полимеризации составляет τ = 7 ч без учета
времени на разогрев реакционной массы (1 – 1,5 ч).
Коэффициент превышения средней величины теплового потока за время полимериза-
|
|
Q |
t |
|
1,88 ×106 × 7 ×3 600 |
|
|
|
ции |
k = |
max |
|
= |
|
|
= 1,21, |
что согласуется с практическими данными |
Q1 |
|
39,2 ×109 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||
(см. рис.2.9).
При концентрации инициатора 0,062% определим загрузку лиладокса в реактор
73
Gин = |
G1 |
× |
0,05 |
= |
26 600 |
× 0,062 |
= 18,3 кг. |
c |
|
|
100 |
||||
|
100 |
0,9 × |
|
||||
Общее время вспомогательных операций (загрузка, разогрев, выгрузка, промывка, чи-
стка и т.д.) по производственным данным составляет τв = 4 ч. Тогда длительность рабочего цикла реактора составит τц = τ + τв = 7 + 4 = 11 ч.
Годовой фонд рабочего времени реактора T =330 суток, и число операций в год
n = |
T |
= |
330 × 24 |
= 720 г.–1 . |
|
τ |
|
|
|||
|
ц |
11 |
|
||
|
|
|
|
|
|
Годовая производительность реактора |
Gр = G1n = 26 600 720 = 19,2 ×106 кг/г. = 19 200 т/г. |
||||
Вариант 2
Как видно из графиков зависимости скорости тепловыделения (рис. 2.9), довести вре-
мя реакции полимеризации до 4 ч можно за счет увеличения дозы загружаемого инициатора лиладокса до 0,14% от массы загрузки винилхлорида. В этом случае максимальный тепловой поток в реакторе V = 80 м3 составляет Q = 2,7 ×106 Вт.
При условиях загрузки воды и мономера по варианту 1 обратный конденсатор должен обеспечить отвод теплового потока в количестве
Qок = Q - QF = 2,7 ×106 -1,94 ×106 = 0,76 ×106 Вт.
Тепловой поток подводится к ОК при массовой скорости испарения ВХ в реакторе
G = |
Q |
|
= |
0,76 |
×106 |
= 2,85 кг/с , |
ок |
|
|
||||
|
|
|
||||
п |
r |
|
|
267 |
×103 |
|
|
|
|
|
|||
где r = 267 ×103 Дж/кг – удельная |
теплота |
испарения при температуре полимеризации |
||||
tп = 54оС (получено интерполяцией данных, изложенных в п. 1.2).
Давление насыщенного пара мономера ВХ, соответствующее температуре полимери-
зации tп = 54оС, составляет [1] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
lg pн = 9,07073 - |
|
|
926,215 |
|
|
= 9,07073 - |
926,215 |
= 5,937 |
, |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
54 + 241,603 |
||||||||||
|
|
|
tп + 241,603 |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
pн = 0,866 ×106 Па = 0,866 МПа. |
|
|
|||||||||||||||||||
Плотность пара (газообразного ВХ) в реакторе |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
r = |
М |
× |
TоP |
= |
|
|
|
62,5 × 273 × 0,866 |
|
=19,9 кг/м3 . |
|
||||||||||||
|
|
22,4(273 + 54)0,1013 |
|
||||||||||||||||||||
|
22,4 TPо |
|
|
|
|||||||||||||||||||
Объемный расход испаряемого винилхлорида |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
v = |
Gп |
|
= |
2,85 |
= 0,143 м3/с. |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
19,9 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Скорость потока газообразного ВХ, приведенная к поперечному сечению реактора, |
|||||||||||||||||||||||
|
w = |
4v |
|
= |
|
4 × 0,143 |
= 0,013 м/с , |
|
|
||||||||||||||
|
pD 2 |
3,14 ×3,82 |
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
74
что меньше максимально допустимой скорости по условиям вспениваемости реакционной массы, равной 0,05 м/с [1, 4, 17].
Реактор V = 80 м3 оборудован обратным конденсатором – |
теплообменником типа |
|
800 ТКВ-25-М1-0/25-2-1 со следующими характеристиками [6]: |
|
|
площадь поверхности теплообмена |
|
|
по наружной поверхности трубок . . . . . . . . . . |
. |
. Fок = 74 м2; |
диаметр труб . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
. dн × δ = 25× 2 ; |
высота труб . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. |
. Н = 2 м; |
площадь сечения трубного пространства . . . . . . . |
. |
. Sтр = 0,161 м2; |
площадь сечения межтрубного пространства . . . . . . |
. |
. Sмтр = 0,079 м2. |
Скорость газообразного ВХ в трубах теплообменника
wтр = |
v |
= |
0,143 |
|
= 0,888 м/с , |
Sтр |
|
||||
|
0,161 |
|
|||
что меньше максимальной скорости wтр = 3,5 м/с [1] по условиям захлебывания.
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося ВХ в трубном пространстве рас-
считаем по формуле (2.35), поскольку типоразмер и характеристика теплообменника извест-
ны. Число труб в трубном пучке n = |
Fок |
= |
|
74 |
= 471 . |
|
|
× 0,025 × 2 |
|||
|
pdнH 3,14 |
|
|||
Средний расход конденсата ВХ в трубах теплообменника |
|||||
G = 0,5Gп = 0,5 × 2,85 =1,42 кг/с.
Принимаем в первом приближении разность температур между пленкой конденсата и стенкой трубы t < 400С и определим физико-химические величины уравнения (2.35) при температуре конденсации tкон = tп =540С:
- коэффициент теплопроводности, согласно (2.39),
l= 0,136[1 -1,8 ×10−3 (54 - 30)]= 0,13 Вт/(м·К) ;
-плотность жидкого ВХ, согласно (2.37),
|
|
|
|
|
|
r = |
|
911 |
|
|
|
|
= 854 кг/м3 ; |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
+ 1,98 ×10−3 (54 - 20) |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
- вязкость жидкого ВХ, согласно (2.38), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
lgm = |
|
390 |
|
|
- 5,075 = -3,88 , |
|
|
|
m = 1,31×10− 4 Па·с. |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
273 + 54 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Коэффициент теплоотдачи при конденсации ВХ, согласно (2.35), |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
α1 = 3,78εt λ 3 |
|
ρ2dв |
n = 3,78 ×1× 0,13 3 |
8542 × 0,021× 471 |
|
= 1 660 Вт/(м2·К). |
||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
μG |
|
|
|
|
|
|
1,31×10− 4 ×1,42 |
|
|
|
||||||||
Термическое сопротивление стенки с учетом загрязнений (см. вариант 1) |
||||||||||||||||||||||||
∑ r |
= r |
+ |
d |
|
+ r |
= 2,5 ×10 |
− 4 |
+ |
2 ×10−3 |
|
+ 2 ×10 |
− 4 |
= 5,7 |
×10 |
− 4 |
2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м ·К/Вт. |
||||||||||||||
lст |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
ст |
з1 |
|
|
|
з2 |
|
|
|
|
17 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
75
При использовании захоложенной воды с начальной температурой θн= 5оС и конеч-
ной θк = 10оС ее расход из уравнения теплового баланса составит |
||||||||||||||||||||||||||||
G = |
|
|
|
Qок |
|
|
|
|
|
|
= |
|
0,76×106 |
|
= 36,2 кг/с. |
|||||||||||||
св(qк - qн) |
4 200(10 - 5) |
|||||||||||||||||||||||||||
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
Объемный расход при средней температуре θср = 7,5оС |
|
v в = |
Gв |
= |
36,2 |
= 0,036 м3/с. |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
rв 1 000 |
||||
Скорость потока воды в межтрубном пространстве |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
w |
= |
|
|
v в |
|
|
|
= |
0,036 |
= 0,46 м/с. |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
мтр |
|
Sмтр |
0,079 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Критерий Рейнольдса |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Re |
= |
|
wмтрdнρ |
= |
0,46 ×0,025×1 000 |
= 8160; |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,41×10−3 |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Критерий Прандтля при средней температуре воды |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
Pr = |
|
cm |
|
= |
|
|
4 200 ×1,41×10−3 |
= 10,4 . |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
0,569 |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Температуру стенки принимаем в первом приближении tст2 = 15оС. Критерий Прандтля
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 190 ×1,14 ×10 |
−3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Pr |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 8,14 . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ст |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,587 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Критерий Нуссельта по формуле (2.33) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
0,6 |
|
|
Pr |
|
|
|
0,25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,6 |
|
|
0,36 |
10,4 |
|
0,25 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|||||||||||||||
|
|
|
|
0,36 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Nu = 0,4eϕ Re |
|
|
Pr |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0,4 × |
0,6 × |
8160 |
|
|
×10,4 |
|
|
|
|
|
= 132 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Prст |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8,14 |
|
|
|
|||||
коэффициент теплоотдачи к охлаждающей воде |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
a2 = |
Nul |
= |
132 × 0,569 |
= 2 995 Вт/(м2·К) . |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
dн |
|
|
|
0,025 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Коэффициент теплопередачи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
K |
= |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
= 664 |
|
Вт/(м2·К). |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
1 |
+ ∑ r |
+ |
|
1 |
|
|
1 |
|
+ 5,7 ×10− 4 + |
1 |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
a1 |
|
|
a2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ст |
|
|
1 660 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 995 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Средняя разность температур между конденсирующимся ВХ и охлаждающей водой |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
tср = tк − θн + θк = 54 − |
5 + 10 |
= 46,5 оС. |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Плотность теплового потока |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
q = KDtср = 664 × 46,5 = 30 880 Вт/м2 ; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
tст = tкон - |
q |
|
= 54 - |
30 880 |
= 35,4 оС ; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
a1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 660 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
t = t |
кон |
− t |
ст1 |
= 54 − 35,4 = 18,6 оС < 40оС, т.е. пересчета не требуется. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
76
t |
= q |
|
|
- |
|
q |
|
= 7,5 + |
30 880 |
= 17,8 оС. |
||||
ср |
|
|
||||||||||||
|
ст2 |
|
|
|
a2 |
|
|
2 995 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Принимаем новую температуру tст2 |
= 18оС и корректируем результаты расчета: |
|||||||||||||
|
Pr |
|
= |
4 190×1,06×10-3 |
= 7,48 ; |
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
ст |
|
|
|
|
|
|
|
0,594 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8,14 |
|
0,25 |
|
|
2 |
|||||
a 2 = 2 995 |
|
|
|
= 3 060 Вт/(м ·К); |
||||||||||
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
7,48 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
K = |
|
|
1 |
|
|
= 667 Вт/(м2·К); |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|||
|
|
|
1 |
+ 5,7 |
×10−4 |
+ |
|
|||
|
|
1 660 |
3 060 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
q = 667 × 46,5 = 31000 Вт/м2; |
||||||
t |
|
= 7,5 + |
31 000 |
= 17,6 оС, что близко к вновь принятому значению. |
||||||
ст2 |
|
|||||||||
|
3 060 |
|
|
|
|
|
|
|
||
Поскольку величины коэффициентов теплоотдачи α1 и α2 одного порядка, уточним рабочую площадь теплообменной поверхности теплообменника, пересчитав ее по среднему
диаметру труб:
dср = 0,5(dн + dв) = 0,5(0,025+ 0,021) = 0,023м, Fок.р = pdсрnH = 3,14 ×0,023× 471× 2 = 68 м2.
Тогда расчетная тепловая нагрузка, которую может обеспечить обратный конденса-
тор, составит |
Qок.р = qFок.р = 31 000 × 68 = 2,11×106 Вт, что больше требуемой тепловой |
||||||||||
нагрузки Q |
с запасом |
Qок.р - Qок |
= |
(2,11- 0,76)106 |
×100 =178 |
% . |
|
||||
ок |
|
|
Qок |
0,76 ×106 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
При длительности рабочего цикла реактора τц = τ + τв = 4 + 4 = 8 ч и годовом фонде |
|||||||||||
рабочего времени Т = 330 суток годовая производительность реактора |
|
||||||||||
|
Gp = |
G1T |
= |
26 600 ×330 × 24 |
= 2,63 ×107 кг = 26 300 |
т/г. |
|||||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
tц |
|
8 |
|
|
|
|
||
77
Глава 3. ОБОРУДОВАНИЕ СТАДИИ ДЕГАЗАЦИИ ПВХ
3.1. Аппаратурно-технологическое оформление процесса дегазации суспензионного ПВХ
Полимеризацию винилхлорида обычно ведут до степени конверсии
85 – 90%. Непрореагировавший мономер ВХ следует выделить из суспензии ПВХ, регенерировать и использовать в процессе полимеризации путем добав-
ления к свежему винилхлориду в соответствии с требованиями экономики и экологической безопасности производства.
Большая часть незаполимеризовавшегося мономера удаляется в газголь-
дер за счет остаточного избыточного давления в аппарате при открытии клапа-
на на линии сдувки ВХ. После этого в суспензии остается растворенный ВХ в количестве от 2 до 4% (в зависимости от пористости ПВХ), который выделяет-
ся в окружающую среду на последующих технологических стадиях выделения,
сушки и складирования готового продукта. Если не дегазировать суспензию ПВХ, то после сушки продукт может содержать до 0,05% ВХ на массу сухого
полимера (500 ррm). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обнаруженная в 70-х го- |
||||
Газ (пар) |
|
дах прошлого |
века |
высокая |
|||
|
канцерогенность |
винилхлори- |
|||||
|
|
||||||
|
5 |
да и обеспокоенность опасно- |
|||||
|
|
стью его для здоровья людей |
|||||
4 |
3 |
привели к установлению в за- |
|||||
2 |
|
конодательном |
порядке вели- |
||||
|
Вода |
чины |
предельно |
допустимой |
|||
|
|
концентрации ВХ в ПВХ в |
|||||
|
1 |
пределах 1 ррm. Столь суще- |
|||||
ПВХ |
|
ственное |
снижение |
кон- |
|||
|
|
центрации ВХ в готовом про- |
|||||
Рис. 3.1. Схема массопереноса ВХ |
дукте невозможно без приме- |
||||||
в трехфазной системе ПВХ – вода – |
газ (пар): |
нения |
специального |
десорб- |
|||
1 – 5 – стадии массоперноса |
|
ционного оборудования. |
|||||
Процесс десорбции ВХ из суспензии в газовую фазу представляет собой
массоперенос в трехфазной системе, причем в полимерной фазе растворена большая часть незаполимеризовавшегося винилхлорида (в 10 – 15 раз больше,
78
чем в воде). Поэтому массоперенос ВХ в процессе десорбции можно предста-
вить в виде последовательных этапов прохождения молекул винилхлорида че-
рез твердую, жидкую и газовую фазу по следующей схеме (рис. 3.1):
1 – диффузия ВХ внутри частицы ПВХ к ее поверхности;
2 – внешняя массоотдача от поверхности частицы в воду;
3 – диффузия ВХ в слое воды к поверхности раздела жидкой и газовой
фаз;
4 – массоотдача из воды к поверхности раздела жидкость – газ;
5 – внешняя массоотдача от поверхности раздела жидкость – газ в газо-
вую (паровую) фазу.
Необходимым условием осуществления массопереноса ВХ по всей це-
почке от твердой до газовой фазы является поддержание парциального давле-
ния его паров в газовой смеси ниже равновесного, имеющего небольшие значе-
ния. Так, расчеты, по данным Беренса [18], показывают, что при содержании ВХ в ПВХ 100 ррm (0,01%) равновесное давление газообразного ВХ при 50оС
составляет 2 мм рт.ст., а при 90оС – 15 мм рт.ст. Следовательно, процесс дега-
зации ПВХ может протекать в условиях глубокого вакуумирования либо при продувке газовой фазы инертным газом или водяным паром. В промышленной практике предпочитают применять последний вариант, так как с помощью ост-
рого пара удобно подводить к суспензии ПВХ необходимое для процесса коли-
чество тепла.
Температурные условия оказывают большое влияние на скорость процес-
са, особенно на первом этапе массопереноса, так как величина коэффициента диффузии ВХ в ПВХ в значительной степени зависит от температуры. Так, при увеличении температуры полимера от 50 до 110оС коэффициент диффузии ВХ в полимерной фазе возрастает на два порядка величины [1]. Таким образом, не-
обходимым условием интенсификации процесса дегазации ПВХ является на-
гревание его до максимально возможной температуры без ущерба качеству продукта.
Коэффициент диффузии ВХ в воде на 4 – 6 порядков больше, чем в поли-
мерной фазе зерна ПВХ, и массоперенос в водной фазе может оказать влияние на общую массопередачу в случае статического состояния суспензии в слоях большой толщины. Влияние массопереноса в жидкой фазе обычно не учитыва-
ют, так как оно легко устраняется при перемешивании.
Массоперенос на границе раздела жидкость – газ массоотдачей в жидкой фазе может иметь лимитирующее влияние на общую массопередачу в случае
79
недостаточной величины удельной поверхности контакта, т.е. отношения по-
верхности жидкой фазы к ее объему или объему аппарата. Направление интен-
сификации – организация процесса в пленочном, барботажном или пенном ре-
жиме обрабатываемой суспензии.
Массоотдача в газовой фазе, как показывают расчеты [1], обычно не ли-
митирует общую массопередачу в процессе дегазации. Дегазацию ПВХ можно осуществить путем обработки суспензии в емкостном аппарате с перемешива-
нием и подогревом при условии выдержки ее в аппарате в течение довольно длительного времени, достаточного для достижения заданной концентрации ВХ в ПВХ. При таком варианте потребуется аппарат большого объема и допол-
нительные затраты электроэнергии на перемешивание или циркуляцию суспен-
зии ПВХ.
Более интенсивно процесс дегазации можно провести в колонном аппара-
те с тарелками барботажного или полочного типа путем взаимодействия сус-
пензии с движущимся противотоком водяным паром. Как правило, требуемая конечная концентрация ВХ в ПВХ достигается за один проход суспензии. При необходимости можно применить схему рециркуляции обрабатываемой сус-
пензии.
Во многих случаях для удобства технологии оказывается целесообраз-
ным применять комбинированное аппаратурное оформление процесса дегаза-
ции последовательной установкой емкостного и колонного дегазаторов. Имен-
но по такой двухступенчатой схеме организована стадия дегазации на многих производствах суспензионного ПВХ (рис. 3.2).
Оборудование стадии состоит из двух последовательно установленных емкостных дегазаторов 1, 5 и колонны дегазации 10 с необходимым сопутст-
вующим оборудованием (сепараторами, фильтрами, теплообменниками, насо-
сами) и средствами КИП и автоматики.
Суспензия ПВХ из реакторов полимеризации периодически перегружает-
ся в емкостной дегазатор 1 объемом 125 м3, снабженный импеллерной мешал-
кой. В процессе перегрузки суспензии ПВХ из реакторов контролируется ее уровень в емкостном дегазаторе 1 и при достижении уровня 70% выгрузка из реактора пре-рывается или переводится на другой параллельно установленный дегазатор. Во время перегрузки автоматически открывается клапан на трубо-
проводе сдувки газообразного ВХ из дегазатора 1 через абшайдер 2 в газголь-
дер.
80
Рис. 3.2
81
Абшайдер 2, выполняющий функции сепаратора брызг и пены, представ-
ляет собой вертикальный цилиндрический аппарат объемом 8 м3, оборудован-
ный кольцевым коллектором для орошения стенок водой для смыва с них час-
тиц ПВХ. Промывная вода отводится периодически в дегазатор. Для промывки и предотвращения забивки трубопровода слива предусмотрена подача в абшай-
дер маточника (фугата от центрифуги).
Для предотвращения пенообразования при приеме суспензии в дегазатор
1 предусмотрена подача в него дозы пеногасителя в течение 15 мин. Для обес-
печения нормальной работы газгольдера давление ВХ на выходе из абшайдера поддерживается постоянным не ниже 15 кПа с помощью дроселирующего кла-
пана. Перед сбросом в газгольдер газ ВХ проходит через сепаратор 15, обору-
дованный встроенными форсунками, через которые в него подается на распы-
ление маточник с целью осаждения из газов содержащихся в них частиц ПВХ и пены. Промывная вода из сепаратора сливается в линию сточных вод.
Сдувку ВХ заканчивают при достижении в дегазаторе 1 давления не бо-
лее 20 кПа, после чего суспензия ПВХ перегружается из дегазатора 1 в емкост-
ной дегазатор 5. По конструкции он аналогичен первому. Дегазатор 5, кроме основного своего назначения, выполняет роль буферной емкости между перио-
дическим процессом приема суспензии ПВХ и сдувки из нее ВХ и непрерыв-
ным процессом дегазации суспензии в колонне дегазации 10.
В дегазаторе 5 также поддерживается технологически необходимый уро-
вень суспензии (0,4 – 70%). С целью максимального извлечения ВХ из суспен-
зии при получении марок ПВХ с плотными частицами, предназначенного для переработки в жесткие изделия, схемой предусмотрена возможность циркуляции суспензии
по контуру: дегазатор 5 – насос 8 – теплообменник 11 – паровой смеситель 9 –
дегазатор 5 с подогревом ее в смесителе 9 острым водяным паром.
Температуру суспензии после смесителя 9 поддерживают не ниже 85оС.
Сдувка выделяющегося в дегазаторе 5 ВХ осуществляется через абшайдер 6,
аналогичный по конструкции абшайдеру 2.
Суспензия ПВХ из дегазатора 5 непрерывно насосом 8 через фильтр 7 по-
дается в колонну дегазации 10. Количество суспензии, подаваемой в колонну,
поддерживается в пределах 15 – 35 м3/ч. При недостатке суспензии и снижении расхода ее менее 10 м3/ч автоматически включается подпитка маточником от центрифуги до стабилизации расхода суспензии из дегазатора 5.
82
2 |
6 |
12 |
Маточник
Суспензия
ПВХ
10 
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
Пар |
|
Корки |
|
|
Корки |
|
1 |
3 |
4 |
5 |
7 |
8 |
14 15 ВХ газообразный 
Маточник
Вода
. 8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
позК |
|
|
Вода сточная |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Суспензия ПВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 13
Рис. 3.2. Принципиальная технологическая схема стадии дегазации суспензионного ПВХ:
1, 5 – дегазаторы емкостные; 2, 6, 12 – абшайдеры; 3, 7 – фильтры-коркоотделители; 4, 8, 13 – насосы центробежные; 9 – смеситель паровой; 10 – колонна дегазации; 11 – теплообменник спиральный; 14 – конденсатор; 15 – сепаратор
81
83
Колонна дегазации 10 представляет собой вертикальный аппарат, обору-
дованный тарелками с арочно-щелевыми отверстиями. Суспензия подается в колонну на верхнюю тарелку и через боковые переливные отверстия стекает последовательно с тарелки на тарелку в куб колонны. В нижнюю часть колон-
ны подается пар, который проходит через отверстия в тарелках, вступает в кон-
такт с суспензией и, обогащенный парами винилхлорида, выходит из сепараци-
онной части колонны в газгольдер.
Перед подачей в колонну 10 суспензия ПВХ подогревается в спиральном теплообменнике 11 горячей суспензией, выходящей из куба колонны, до темпе-
ратуры 75 – 80 оС, а затем острым водяным паром в смесителе 9 до температуры
85 – 100 оС. Дегазация суспензии в колонне проводится при следующих пара-
метрах: давление в верхней части не более 20 кПа, температура 100 – 105 оС; в
кубе колонны давление до 55 кПа, температура – до 115оС. Поддержание тем-
пературы осуществляется регулированием подачи пара в куб колонны. Преду-
смотрен контроль уровня пены в сепарационной части колонны. При превыше-
нии уровня пены максимально допустимого значения автоматически включает-
ся подача дозы пеногасителя.
Выходящая из колонны смесь газообразного винилхлорида и водяного пара поступает в абшайдер 12, в котором отделяются унесенные потоком газо-
вой смеси частицы ПВХ и брызги суспензии. Жидкость из абшайдера периоди-
чески сливается во всасывающую линию насоса 8. Из абшайдера 12 газовая смесь поступает в конденсатор 14, в котором охлаждается до температуры ме-
нее 60оС, и из нее конденсируется водяной пар. Конденсат через гидрозатвор отводится в коллектор сточных вод. Давление газа после конденсатора 14 под-
держивается 20 кПа с помощью регулирующего клапана на трубопроводе сбро-
са газообразного ВХ в газгольдер.
Поток газообразного винилхлорида после конденсатора объединяется с потоками ВХ из абшайдеров 2, 6 и поступает в сепаратор 15 для дополнитель-
ной очистки от уносимых частиц ПВХ и брызг. Сепаратор 15 оборудован коль-
цевым коллектором для орошения стенок маточником и тремя фильтрующими элементами для очистки газа.
Перед входом в газгольдер газовый поток анализируется на содержание в нем кислорода с помощью газоанализатора. При максимально допустимой кон-
центрации кислорода 1,6% газовый поток автоматически переключается на сброс в систему аварийной адсорбции.
83