Расчет реактора
.pdfМинистерство образования Российской Федерации
Московская Государственная Академия
тонкой химической технологии
им.М.В.Ломоносова
Кафедра
" Синтез полимеров"
И.А.Арутюнов, Н.И.Прокопов
РАСЧЕТ РЕАКТОРА РАСТВОРНОЙ
ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО
ДЕЙСТВИЯ
Учебно-методическое пособие
Москва, 2002
http://www.mitht.ru/e-library
ББК 24.7 Я 73
И.А.Арутюнов, Н.И.Прокопов. Расчет реактора раствор
ной полимеризации периодического деЙствия.-М.:
МИТХТ,2002, 27 с.
Рецензенты:
•Д.т.н., зав.кафедрой "Технологии химических веществ для
нефтяной и газовой промышленности" ргу Нефти и Газа
им. И.М. Губкина Лыков ал.
•Д.т.н., проф. кафедры процессов и аппаратов МИТХТ
ИМ.М.В.Ломоносова Арутюнов БА
Данная методическая разработка предназначена для студентов
старших курсов, обучающихся на кафедре синтеза полимеров по
специальности 25.05 "Химическая технология высокомолекулярных
соединений".
http://www.mitht.ru/e-library
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ ............................................ |
••.. 4 |
2. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА РЕАКТО-
РА.....•..•.................................................... |
7 |
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГАБАРИТОВ РЕАКТОРА И
РАСЧЕТ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТ-
~~............................................................ |
1~ |
4.РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА РЕАКТО-
|
РА..•......................... |
•.•.•.......... |
•............ |
•... |
17 |
5. |
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ОТ |
||||
|
КОНДЕНСИРУЮЩЕГО ПАРА К СТЕНКЕ |
|
|
||
|
РЕАКТОРА.•........... |
••.•................... |
•••••........ |
|
••• 22 |
6. |
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУ- |
|
|||
|
РЫ............................................................ |
|
|
|
25 |
http://www.mitht.ru/e-library
4
1. ВВЕДЕНИЕ
Расчет реактора периодического действия сводится к оп
ределению количества реагентов, загружаемых в реактор для про
ведения одной операции и количества и состава продуктов реак
ции, полученных в ходе синтеза, а таюке расчету теплового балан
са реактора.
Расчет реактора периодического действия принципиально
отличается от расчета реактора непрерывного действия.
При расчете реактора непрерывного действия все расчеты
по материальному и тепловому балансу аппарата ведутся исходя
из количеств материальных и тепловых потоков, входящих и выхо
дящих из аппарата в течение одного часа.
Кроме того, реактор непрерывного действия следует рассматри
вать как аппарат идеального смешения, тогда как реактор перио
дического действия по сути протекающего в нем процесса (измене
ние во времени концентрации мономера) является аппаратом иде
ального вытеснения. Поэтому данные, полученные в лабораторном
аппарате с мешалкой при правильном моделировании, могут быть
полностью воспроизведены в промышленном реакторе периодиче
ского действия.
В то же время при переходе от лабораторного реактора пе
риодического действия к промышленному реактору непрерывного
действия необходимо учитывать, что последний работает в режи
ме аппарата идеального смешения, и, в зависимости от необходи
мой степени конверсии мономера и порядка реакции, для достиже
ния
http://www.mitht.ru/e-library
5
той же конверсии мономера в одном аппарате, которая имеет ме
сто в лабораторном реакторе, потребуется увеличить время пре
бывания реагентов в реакторе непрерывного действия в 3,7+ 9 раз
(таблица N21).
Таблица N21
Отношение суммарного времени пребывания в каскаде реак
торов к времени периодического процесса, требуемого для
достижения заданной конверсии.
Конверсия, |
|
Число реакторов в каскаде |
|
||||
% |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
90 |
3,70 |
1,78 |
1,42 |
1,28 |
1,20 |
|
1,15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
95 |
6,08 |
2,23 |
1,65 |
1,43 |
1,31 |
|
1,24 |
|
|
|
|
|
|
|
|
97 |
8,89 |
2,63 |
1,83 |
1,52 |
1,39 |
|
1,31 |
|
|
|
|
|
|
|
|
в промышленной практике, в частности, при получении син |
|||||||
тетических |
каучуков |
методом |
растворной полимеризации |
чаще |
|||
всего используют каскад из нескольких реакторов идеального сме
шения (3-5 аппаратов), тем самым, приближая каскад аппаратов к
реактору идеального вытеснения. В этом случае время пребыва
ния в каскаде не сильно отличается от времени реакции в лабора
торном реакторе.
Чаще всего оно принимается в 1,3 + 1,7 раза больше вре
мени реакции в лабораторном реакторе периодического действия,
чтобы полученные экспериментальные данные ( конверсия моно
меров, выход полимера на грамм катализатора и т.д.) были полно
http://www.mitht.ru/e-library
стью воспроизведены.
6
Исходные данные ДЛЯ расчета реактора растворной
полимеризации периодического действия обычно включают
следующие показатели:
1) |
производительность установки,тонн/год........ |
•••...••••...•. Р |
2) |
количество суток работы в году, сут.................................. |
• Т |
3) |
конверсия мономера, % масс........................................... |
•КМ |
4) |
концентрация полимера в растворе, % масс....................... |
Сп |
5) |
температура полимеризации............................................ |
•tn |
6) |
время полимеризации, ч.................................................. |
't |
|
|
p |
7)массовое соотношение компонентов каталитической системы
сокатализатор/катализатор., ......... ,............. ,................... .те
8) |
выход полимера на грамм катализатора, кг/г...................... |
w |
9) |
расход регулятора ММ, кг/т полимера................................ |
GlI |
10) |
концентрация мономера, % масс..................................... |
•..у |
11) |
потери мономера, % масс................................................. |
•.х |
12) содержание полимера в конечном продукте, % масс............. |
Z |
|
13) данные по кинетике полимеризации (таблица или график)
http://www.mitht.ru/e-library
7
3.РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАН..
СА РЕАКТОРА .
1.4.Определяем производительность установки по продукту в
сутки: |
|
Ре = lOOO*PIТ, [кг/сут] |
(1) |
1.5.Определяем производительность установки по полимеру в
сутки: |
|
Ре' = Z*PJIOO, [кг/сут] |
(2) |
1.6. Определяем время одной операции: |
|
'tоп = 'tз + "(н + "(р + "(ок + "(в , [ч] |
(3) |
где:
"(3 - время загрузки, ч (обычно 0,5-1 ч);
"(н - время нагрева реакционной массы и аппарата до темпера
туры реакции, ч (обычно 2-3 ч);
"(р - время реакции, ч;
"(ох - время охлаждения реакционной массы и аппарата, ч (обыч-
но 2-3 ч);
"[в - время выгрузкиhttp://www, ч (обычно.mitht0,5-1.ru/eч). -library
8
Время нагрева и охлаждения реакционной массы и реакто
ра рассчитываются по уравнению:
(4)
где:
Q - общие тепловые затраты на нагрев, либо на охлаждение ре
акционной массы и реактора, кДж;
F - площадь теплопередачи (площадь рубашки или змеевика), м2;
дtср - средняя разность температур реактора и теплоносителя,
либо хладоагента.
Для случая нагрева реактора жидким теплоносителем, не изме
няющего своего агрегатного состояния [ 1 ]: |
|
дtcрн = (tp - tи)*(А-l)/ln ((tгtн)/(t.-tр»*А*lnA, |
(5) |
где: А = (t. - tp)/(t2 - tp) ; |
|
tH И tp - соответственно температуры в реакторе в начале и в
конце нагрева.
t. и t2 - температуры теплоносителя соответственно на входе и
выходе из реактора, Ос.
Для случая нагрева водяным паром расчет также ведется
по этому уравнению с учетом того, что t. = t2 = tруб.
Для случая охлаждения реактора жидким хладоагентом, который
не меняет своегоhttp://wwwагрегатного.состоянияmitht.ru/e: -library
9
L\tcpOX =(tp- tl()*(A-l )/ln«tp- tд/(tl( - tl»* А*lnA, (6)
где А = (tl( - tl)/(tK - t2)
Где tk - температура в реакторе в конце охлаждения;
t1, t2 - температуры хладоагента соответственно на входе и вы
ходе из реактора.
Общие тепловые затраты на охлаждение реактора и его
содержимого равны:
(7)
где: G p, Ср - соответственно вес (кг) и теплоемкость реактора (
кДж/кг,.оК);
Gpm,Cpm-соответственно вес (кг) и теплоемкость реакционной
массы (кДж/кг·ОК).
Общие тепловые затраты на нагрев реактора равны:
Q= (Gp*Ср+ Gpm*Cpm)*(tp- tи), кДж. |
(8) |
Уравнения для расчета коэффициентов теплопередачи в
зависимости от типа хладоагента и теплоносителя приведены в
конце методического пособия.
Для ориентировочных расчетов можно пользоваться значениями
коэффициентов теплопередачи и коэффициентов теплоотдачи,
приведенными в таблицах N22 и NQ3, соответственно [1, 2] .
http://www.mitht.ru/e-library
10
Таблица N22
Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи в различной среде
Вид теплообмена и |
К, вт/(м2к), при движении среды |
|||
|
среда |
|||
|
|
|
||
|
|
вынужденном |
свободном |
|
|
|
|||
От газа к газу при обыч- |
12-35 |
3,5-12 |
||
ных давлениях |
|
|
||
от газа к жидкости |
12-60 |
6-17 |
||
от кондеНСИРY1QIЦегося |
12-120 |
6-12 |
||
паракгазу |
|
|
||
|
|
|
||
От жидкости к жидкости |
200-400 |
100-300 |
||
(вода) |
|
|
||
|
|
|||
|
|
|||
От жидкости к жидкости |
120-300 |
30-60 |
||
(органической) |
|
|
||
От кондеНСИРY1QIЦегося |
500-1000 |
300-800 |
||
пара к воде |
|
|
||
|
|
|
||
от кондеНСИРY1QIЦегося |
100-350 |
60-180 |
||
пара |
к органическим |
|
|
|
жидкостям |
|
|
||
От кондеНСИРY1QIЦегося |
350-800 |
230-450 |
||
пара |
органических ве- |
|
|
|
ществ к воде |
|
|
||
|
|
|
|
|
От |
кондеНСИРY1Qщегося |
- |
300-500 |
|
пара к вязкой жидкости |
|
|
||
|
|
|
|
|
http://www.mitht.ru/e-library