Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Алкилирование изоалканов алкенами. Учебное пособие
.pdf
91
6 .2. Р а с ч е т э н е р г е т и ч е с к о г о б а л а н с а
ф т о р и с т о в о д о р о д н о г о а л к и л и р о в а н и я
Расчет теплоты химической реакции и количества тепла, выделяющегося в реакторе.
В реакторе алкилирования протекают две основные реакции:
– реакция между бутеном-2 и изобутаном с образованием изооктана (2,2,4-триметилпентан):
– реакция между бутеном-1 и изобутаном с образованием 2,3-ди-
метилгексана:
Тепловой эффект каждой реакции найдем, используя значения
стандартных теплот образования индивидуальных веществ и следствия
из закона Гесса:
Для первой реакции стандартные теплоты образования индивидуальных веществ:
,
. . . .х р прод исх
Н Н Н = −
2
9,1
бутен
кДж
H
моль
−
= −
92
,
.
Тогда по закону Гесса тепловой эффект реакции будет равен
.
Для второй реакции стандартные теплоты образования индивидуальных веществ:
,
,
.
Тогда по закону Гесса тепловой эффект реакции будет равен
.
Следовательно, для расчетов можно принять среднее значение
между двумя полученными тепловыми эффектами и при этом пренебречь долей каждой реакции в реакторе (тепловой эффект побочных реакций не рассматривается ввиду их незначительной доли):
.
Найдем количество тепла, которое выделяется в реакторе в единицу времени при протекании химических реакций:
,
134,5
изобутан
кДж
Н
моль
= −
224,1
изооктан
кДж
Н
моль
= −
. . 2
224,1 9,1 134,5 80,5
х р изооктан бутен изобутан
кДж
Н Н Н Н
моль
−
= − − = − + + = −
1
0,1
бутен
кДж
H
моль
−
= −
134,5
изобутан
кДж
Н
моль
= −
2,3
213,9
диметилгексан
кДж
Н
моль
−
= −
. . 2,3 1
213,9 0,1 134,5 79,3
х р диметилгексан бутен изобутан
кДж
Н Н Н Н
моль
−−
= − − = − + + = −
..
80,5 79,3
79,9
2
хр
кДж
H
моль
+
= =
..
3
..
10
х р алк
хр
алк
НG
Q
М
=
93
где – выход алкилата, кг/с; – молекулярная масса алкилата,
г/моль (118 г/моль).
3600114
53,476169,79
..
=
рх
Q
= 8956,12 кВт.
Результаты расчетов сведены в табл. 6.13.
Таблица 6.13
Энергетический баланс стадии реакции
6 .3. Р а с ч е т р е а к т о р а ф т о р и с т о в о д о р о д н о г о
а л к и л и р о в а н и я
Исходные данные. Исходные данные для расчета берутся при
средних температурах теплоносителей:
= 38 °С,
= 30 °С.
алк
G
алк
М
94
Исходные данные для реакционной смеси и для охлаждающей воды –
см. в табл. 6.1 и 6.2.
С учетом потерь тепла в окружающую среду количество отводимого в реакторе тепла будет равно 8527,74 кВт.
Расход охлаждающей воды. Расход воды для охлаждения реактора найдем из теплового баланса реактора:
,
где – расход охлаждающей воды, кг/с; – теплоемкость охлаждающей воды при средней температуре, ; – конечная температура охлаждающей воды, °С; – начальная температура охлажда-
ющей воды, °С.
Найдем расход охлаждающей воды:
кг
ч
.
Расчет ориентировочной поверхности теплообмена. Для
нахождения ориентировочной поверхности определим тепловую
нагрузку на реактор, возьмем необходимое тепло, отводимое хладагентом из энергетического баланса:
8527,74 кВт.
Учитывая противоточное движение теплоносителей, найдем
средний температурный напор:
Находим значения и :
..
8617,3
хр
Q кВт=
( )
ср К Н
в
G
ср
в
c
( )
Дж кг К
К
в
t
Н
в
t
( )
( )
3
..
8617,3 10
411,8
4185,2 33 28
хр
в
ср К Н
в в в
Q
кг
G
с
c t t
= = =
−
−
..
8617,3
хр
QQ кВт==
. . . .
НК
р см р см
КН
вв
ТТ
ТТ
→
38 38
33 28
→
max
Т
min
Т
95
,
.
Поскольку отношение , то средний температурный напор
можно найти как среднее арифметическое:
.
Определяем ориентировочную поверхность теплообмена. Для
этого предварительно зададимся коэффициентом теплопередачи:
,
м
2
.
Исходя из технических характеристик реактора алкилирования
R-3001 находим:
– внутренний диаметр кожуха: D = 1960 мм;
– сортимент труб: d = 22 × 3 мм;
– количество труб: n = 1350;
– коэффициент теплопроводности материала труб (сплав
70 % Cu и 30 % Ni):
Вт
мК
.
Найдем коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве.
Найдем скорость движения реакционной смеси в межтрубном
пространстве:
,
где – площадь межтрубного пространства, м2.
max . .
38 28 10
КН
р см в
Т Т Т = − = − =
min . .
38 33 5
НК
р см в
Т Т Т = − = − =
max
min
2
Т
Т
max min
10 5
7,5
22
cp
ТТ +
+
= = =
( )
2
600К Вт м К=
3
2
8617,3 10
1915
600 7,5
ор
cp
Q
F м
K
= = =
35
Вт
мК
=
..
..
..
р см
р см
ср
р мсм ежтр
G
f
=
межтр
f
96
,
где – площадь в вырезе перегородки; – площадь между перегородками.
Из геометрических характеристик реактора находим, что площадь в вырезе перегородки равна , а площадь между пере-
городками – .
Тогда
.
Отсюда находим скорость в межтрубном пространстве:
.
Определяем режим движения реакционной смеси:
,
где – эквивалентный диаметр межтрубного пространства, м.
.
Тогда
.
Режим движения – устойчивый турбулентный.
Находим значение критерия Прандтля для межтрубного пространства:
12межтр
f f f=
1
f
2
f
2
1
0,512f м=
2
2
1,6f м=
2
0,512 1,6 0,9
межтр
f м= =
..
260,3
0,382
753 0,9
р см
м
с
==
..
..
..
Re
ср
р см Э
р см
ср
р см
d
=
Э
d
( )
2
23
22
.
3
.
1,96 2 1350 22 10
0,0413
1,96 2 1350 22 10
нар
Э
нар
D n d
d м
D n d
−
−
−
−
= = =
+
+
..
6
0,382 0,0413
Re 26960
0,5852 10
р см
−
==
97
.
Тогда коэффициент теплопередачи в межтрубном пространстве
составит
.
Находим коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве.
Определяем скорость движения охлаждающей воды в трубном
пространстве:
,
где – площадь трубного пространства, м2.
Площадь трубного пространства рассчитываем из геометрических характеристик реактора:
,
где – внутренний диаметр труб, м.
Тогда
.
Отсюда находим скорость охлаждающей воды в трубном пространстве:
.
Определяем режим движения охлаждающей воды:
.
6
. . . . . .
..
..
0,5852 10 753 2611
Pr 4,271
0,2694
ср ср ср
р см р см р см
р см
ср
р см
c
−
= = =
..
0,8 0,43 0,8 0,4
1
2
0,2694
0,021 Re Pr 0,021 26960 4,271 896
0,0413
ср
р см
Э
Вт
d
мК
= = =
.
в
в
ср
в тр
G
fn
=
.тр
f
2
.
.
4
вн
тр
d
f
=
.вн
d
( )
2
3
42
.
3,14 16 10
2,01 10
4
тр
f м
−
−
= =
4
411,8
1,52
995,8 2,01 10 1350
в
м
с
−
==
3
.
6
1,52 16 10
Re 30440
0,8007 10
в вн
в
ср
в
d
−
−
= = =
98
Режим движения – устойчивый турбулентный.
Находим значение критерия Прандтля для трубного пространства:
.
Тогда коэффициент теплопередачи в трубном пространстве составит
.
Расчет коэффициента теплопередачи. Уточняем коэффициент теплопередачи:
,
где – коэффициент теплопроводности материала стенки трубы;
– толщина стенки трубы, м.
.
Определяем уточненную поверхность теплообмена:
.
Гидравлический расчет теплообменника. В случае необходимости проводится гидравлический расчет по приведенной ниже методике.
Трубное пространство. Определяем потери давления на трение
и местные сопротивления ( ) по формуле
6
0,8007 10 995,8 4185,2
Pr 5,421
0,6156
ср ср ср
в в в
в
ср
в
c
−
= = =
0,8 0,4 0,8 0,4
2
32
0,6156
0,023 Re Pr 0,023 30440 5,421 6719
16 10
ср
в
вн
Вт
d
мК
−
= = =
12
1
11
ут
ст
ст
К
=
++
ст
ст
32
1
696
1 3 10 1
896 35 6719
ут
Вт
К
мК
−
==
++
3
2
8617,3 10
1651
696 7,5
ут
ут cp
Q
F м
K
= = =
,P Па
99
,
где – коэффициент трения; – длина трубки, м; – диаметр
труб, м; – коэффициент местного сопротивления.
Определяем коэффициент трения по формуле
.
Определяем сумму местных сопротивлений:
– вход в трубы и выход из них:
;
– поворот на 180° в плавающей головке:
;
– сумма местных сопротивлений:
.
Потери давления в трубном пространстве двух теплообменников:
.
Межтрубное пространство. Определяем потери давления на
местные сопротивления:
Определяем коэффициенты местных сопротивлений:
– на входе в кожух и выходе из него:
;
2
..
2
ср
неф неф
мс
l
Р
d
= +
l
d
( )
2
1
1,8 lgRe 1,5
=
−
12
4
вх
= =
3 180
=
180
4
вх
= +
2
2РР =
. . . .
. . . .
2
ср ср
д т д т
м с м с
Р
=
1
2
вх
=
100
– при поперечном сечении:
,
где – число рядов труб при поперечном движении между перегородками;
– при поперечных ходах:
,
где – число перегородок;
– при поворотах у перегородок:
.
Сумма местных сопротивлений:
.
2
0,2
..
3
Re
дт
т
=
т
32
п
=
п
( )
4
1
пер
п
= −
. . 1 2 3 4мс
= + + +
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]