3. Размеры реактора и количество реакторов

Внутренний диаметр реактора, представляющего собой кожухотрубчатый теплообменник, определяется с учетом размещения трубок в решетке (рис. 3.25) по треугольнику (или шестиугольнику):

где – расстояние между осями трубок, м; – число трубок, расположенных на диагонали наибольшего шестиугольника; – наружный диаметр трубок, м; – кольцевой зазор между крайними трубками и корпусом, принимаемый по конструктивным соображениям не менее 0,006 м.

Рис. 4. Схема размещения трубок в решетке.

При компоновке труб в пучке принимается шаг трубок . Вертикальные трубчатые реакторы полимеризации имеют 127 или 187 трубок диаметром 0,05–0,06 м и длиной 6–9 м [137].

Примем трубки наружным диаметром м, внутренним диаметромм и длинойм. Также примем расстояние между осями трубокм, а число трубок.

Число трубок, расположенных на диагонали наибольшего шестиугольника, определим по формуле:

где – число трубок на стороне наибольшего шестиугольника.

Связь между числом трубок на стороне наибольшего шестиугольника и общим числом трубок дается соотношением:

откуда при получим:

;

Тогда

Округлив внутренний диаметр аппарата до величины м, найдемм

Высота корпуса в промышленных реакторах при длине трубок м составляетм.

Определим объемное количество сырья, поступающего в реактор в 1 ч, по формуле:

где – производительность реактора но сырью, кг/ч;– плотность сырья в жидком виде приК, кг/м³.

Таким образом

м³/ч

Объем реакционного пространства найдем по соотношению:

где – объемная скорость (объемное количество сырья, приходящееся на единицу объема катализатора в единицу времени), м³/(м³∙ч).

Оптимальное значение объемной скорости лежит между 3–5,5 м³/(м³∙ч) из расчета на жидкое сырье. Стремлением получить целое расчетное число реакторов объясняем принятие м³/(м³∙ч).

Тогда

м³

Необходимое число трубок:

где – объем внутреннего пространства одной трубки, равный

м³

Следовательно

Определяем число реакторов:

4. Количество хладагента

Чтобы не допустить перегрева и снижения активности катализатора, в межтрубное пространство вводится водяной конденсат, который, частично испаряясь, снимает избыточное тепло реакции.

Необходимое количество водяного конденсата:

где – количество водяного пара, образующегося в реакторе, кг/ч; 0,2 – принятая, исходя из практических данных, доля испаряемого водяного конденсата.

Количество водяного пара, образующегося в реакторе:

где – теплота парообразования насыщенного водяного пара.

Для определения величины необходимо знать температуру кипения воды в межтрубном пространстве:

где – средняя температура в зоне реакции, К; – разность между средней температурой в зоне реакции и температурой кипения воды в межтрубном пространстве, К.

Средняя температура в зоне реакции равна:

К

Разность между средней температурой потока газов, движущихся в трубах и температурой кипения воды в межтрубном пространстве, определяется по формуле:

где – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К); – поверхность теплообмена одного реактора, м², – удельная тепловая нагрузка, Вт/м².

Коэффициент теплопередачи:

где – коэффициент теплоотдачи от газов, движущихся через слой гранулированного катализатора в трубках, к стенкам трубок, Вт/(м²∙К); (м²∙К)/Вт – тепловое сопротивление загрязнения внутренней поверхности трубок, – принимается как для светлых нефтепродуктов (Приложение 5): м – толщина стенки трубы;Вт/(м∙К) – коэффициент теплопроводности стальных трубок;(м²∙К)/Вт – тепловое сопротивление загрязнения наружной поверхности трубок, – принимается как величина, средняя для водяного конденсата и водяного пара (Приложение 5); – коэффициент теплоотдачи к кипящей воде, Вт/(м²∙К).

Процессу теплообмена в неподвижном слое частиц посвящено значительное число работ [71, с. 273; 141–144], результаты которых значительно отличаются. Известно, что коэффициент теплопередачи в полимеризаторах трубчатого типа составляет 116–232 Вт/(м²∙К) при температуре кипения воды на 10–15 К ниже средней температуры реакции [103, с. 327]. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи по эмпирической зависимости Бика [71, с. 273]:

где – массовая скорость реагирующей смеси, отнесенная к единице поперечного сечения трубок реактора, кг/(м²∙с); – средняя теплоемкость реагирующей смеси, Дж/(кг∙К); – критерии Рейнольдса;– критерии Прандтля.

Массовая скорость реагирующей смеси

кг/(м²∙с)

Среднюю теплоемкость реагирующей смеси рассчитаем по известному составу продуктов реакции (табл. 3.61). При этом данные о теплоемкости углеводородов берутся из справочников, а теплоемкость полимербензина может быть рассчитана по формуле:

Дж/кг∙К)

Расчет средней теплоемкости реагирующей смеси приведен в табл. 8.

Таблица 8

Компоненты	Состав , мол. доли	Теплоемкость, Дж/(кг∙К)
	0,0296	2015	59,6
	0,0151	1895	28,6
	0,7327	2027	1486,0
	0,0096	2023	19,4
Полимербензин	0,2130	2233	475,4
Сумма	1,0000	–	2069,0

Критерий Рейнольдса:

где – скорость газа в свободном сечении трубы (фиктивная скорость газа), м/с; – диаметр гранул катализатора, м; – кинематическая вязкость газа, м²/с.

Скорость газа в свободном сечении трубы:

Здесь – объемный расход газа, м³/с:

где – коэффициент сжимаемости газа; – средняя молекулярная масса газа в реакторе.

При средней приведенной температуре в реакторе и среднем приведенном давлениикоэффициент сжимаемости[44, с. 83].

Средняя молекулярная масса газа в реакторе:

Тогда:

м³/с

м/с

Для нешарообразных гранул катализатора диаметр принимают равным диаметру шара поверхностью, равной средней поверхности гранул катализатора [8, с. 135]:

где – поверхность гранулы катализатора, м².

Гранулы катализатора имеют форму цилиндриков диаметром м и высотойм.

Тогда

м²

м

Кинематическую вязкость газа примем при К равной кинематической вязкости бутана:м²/с.

Подставив в формулу для критерия Рейнольдса числовые значения величин, получим:

Для потока, проходящего через трубы, заполненные катализатором [143].

Критерий Прандтля:

где Дж/(кг∙К) – средняя теплоемкость реагирующей смеси: – динамическая вязкость. Па∙с; – коэффициент теплопроводности газа, Вт/(м∙К).

Динамическая вязкость реагирующей смеси:

где — плотность газа, равная

кг/м³

Тогда

Па∙с

Примем коэффициент теплопроводности газа в реакторе при К приблизительно равным коэффициенту теплопроводности бутанаВт/(м∙К).

Подставив в формулу для критерия Прандтля числовые значения величин, получим:

Таким образом

Вт/(м²∙К)

Коэффициент теплоотдачи к кипящей воде рассчитаем по формуле:

где Па – давление в реакторе; – удельная тепловая нагрузка, Вт/м².

Поверхность теплообмена одного реактора равна:

м²

Тогда

Вт/м²

Подставив в формулу для расчета коэффициента числовые значения величин, получим:

Вт/(м²∙К)

Коэффициент теплопередачи равен:

Вт/(м²∙К)

Разность между средней температурой потока газов в трубках и температурой кипения воды в межтрубном пространстве равна:

К

Температура кипения воды:

К

Насыщенному водяному пару такой температуры соответствует давление Па и теплота парообразования кДж/кг.

Количество водяного пара:

Количество водяного конденсата:

кг/ч

Далее следует подсчитать диаметр штуцеров для ввода и вывода газа и конденсата водяного пара и принять их окончательные размеры по существующим нормалям.

Задача 6