Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Тепловой баланс реактора йодометилирования Р-15

Поиск

Разобьём процесс на тепловые режимы и составим температурный график процесса.

Рис. 4.6.4. Температурный график процесса йодометилирования

 

 

I - Загрузка ДМАЭБ. τ = 60 мин

II - Выдержка. τ = 180 мин

III - Охлаждение. τ = 180 мин

 

 

I режим – загрузка ДМАЭБ при 20 °С, τ = 60 мин

 

Уравнение теплового баланса:

Q1+ Q2 + Q3+Qм= Q4

Q5=0, т.к. t=const

Q6=0, т.к. tнар = t окр.ср.= 20 °С

 

1) Q1 – количество тепла, вносимого с перерабатываемыми веществами, кДж

Q1 = ΣGi·ci·tнач/(β·n), [10]

где: Gi – операционная масса i -го компонента, кг;

ci – удельная теплоемкость i -го вещества, кДж/кг;

tнач – начальная температура i-го вещества, ºС.

 

Таблица 4.6.8

Наименование компонента Масса Gi, кг Теплоемкость ci, кДж/(кг·К)
ацетон 75,92 2,180
вода 0,49 4,182
йодистый метил 10,88 0,578
ДМАЭБ 20,77 1,333
примеси 0,64 1,333

 

Q1 = ((75,92·2,180 + 0,49·4,182 + 10,88·0,578+ 20,77·1,333+ 0,64·1,333)·20/(2,29·1) = 1767,54 кДж

 

2) Q3 – тепловой эффект процесса, кДж

Примем, что на I режиме реакция йодометилирования протекает на 20 %.

Q3= 0,20 · Qх.р.

Q3 = 0,20 · 2121,87 = 424,37 кДж

 

3) Qм – количество тепла, выделяемое мешалкой в перемешиваемую среду, кДж

Qм = Nуд ·Vоп ·τ ·60 [10]

где: Nуд – удельная мощность, затрачиваемая на перемешивание жидкости, Вт/м3;

Vоп – операционный объем реакционной массы, м3 (Vоп = 128,18 л);

τ – длительность режима, мин.

Nуд = Nж/V,

где: V – объем жидкости в реакторе, м3.

Nуд= 6,02/0,12818 = 46,97 Вт/м3

Qм= 46,97·128,18·60·60/106 = 21,67 кДж

 

4) Q4 – количество тепла, накопленное продуктами реакции, кДж

Q4 =ΣGi·ci·tкон/(β·n), [10]

где: tкон – конечная температура i-го вещества, ˚С

Так как реакция проходит на 20 %, то:

Таблица 4.6.9

Наименование компонента Масса Gi, кг Теплоемкость ci, кДж/(кг·К)
ацетон 75,92 2,180
вода 0,49 4,182
йодистый метил 8,94 0,578
ДМАЭБ 16,67 1,333
примеси 0,64 1,333
метацин 5,97 0,987
ДМАЭЭ ДФМУК 0,05 1,333
йодоводород 0,02 0,205

 

Q4= ((75,92·2,180 + 0,49·4,182 + 8,94·0,578+ 16,67·1,333+ 0,64·1,333+ 5,97·0,987+ 0,05·1,333+ 0,02·0,205)·20/(2,29·1) = 1762,09 кДж

5) Q2 – количество тепла, которое необходимо подвести, кДж

Q2 = Q4 – Q1– Qм – Q3

Q2 = 1762,09 – 1767,54 – 21,67 – 424,37 = – 451,49 кДж

6) Поверхность теплообмена:

Fт/о = , [10]

где: Δtср – средняя разность температур,

– коэффициент теплопередачи.

При охлаждении жидким хладагентом, если температура реакционной массы остается постоянной:

Δtср = , [10]

где: – температура жидкого теплоносителя на выходе из рубашки аппарата, ºС;

– температура жидкого теплоносителя на входе в рубашку аппарата, ºС;

t р.м. – температура реакционной массы в аппарате, ºС.

 

Задаемся для охлаждающей воды =12 °С, =14 °С, тогда:

Δtср = = 6,95 °С

 

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

К= , Вт/м2·К [10]

где: α1 – коэффициент теплоотдачи от теплоносителя (охлаждающей воды) к стенке аппарата, Вт/м·К;

α2 – коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к реакционной массе, Вт/м·К;

∑rзагр- термическое сопротивление загрязнений стенок с внутренней и наружной стороны, Вт/м2·К;

δст– толщина стенки аппарата, м

λст – теплопроводность нержавеющей стали, Вт/м2·К (λст= 46,5 Вт/м2·К – по справочным данным)

 

Охлаждение осуществляется водой, для которой по справочным данным α1=300 Вт/м·К, r загр= 18·10-5Вт/м2·К [10].

 

Коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к реакционной массе

α2 = · Re0,75 · KN0,25 · · · , Вт/м2·К [10]

где: Re – критерий Рейнольдса;

KN – критерий мощности;

с – теплоемкость перемешиваемой среды, Дж/кг·К;

λ – теплопроводность перемешиваемой среды, Вт/м·К;

D, dм – диаметр аппарата и мешалки, м;

μ, μст – вязкость перемешиваемой среды, при средней температуре в аппарате и при температуре стенки; Па·с;

HR – высота жидкости в аппарате, м.

α2 = =
1590,65 Вт/м2·К

Данные взяты из гидромеханического расчета реактора Р-15

К= = 183,45 Вт/м2·К

 

Fт/о = = 0,10 м2

 

0,10< 0,81, т.е. Fт/о<Fном ⇨ поверхности теплообмена достаточно.

7) Расход хладагента (охлаждающей воды)

G = = = 53,88 кг

8) Тепловая нагрузка:

q2 = = = 0,13 кВт [10]

 

 

II режим – выдержка при 20 °С, τ = 180 мин

 

Уравнение теплового баланса:

Q1+ Q2 + Q3+Qм= Q4

 

Q5=0, т.к. t=const

Q6=0, т.к. tнар = t окр.ср.= 20 °С

 

1) Q1II= Q4I

Q1 = 1762,09 кДж

 

2) Примем, что на II режиме реакция йодометилирования протекает на 80 %.

Q3= 0,80 · Qх.р.

Q3 = 0,80 · 2121,87 =1697,50 кДж

 

3) Nуд= 6,02/0,12818 = 46,97 Вт/м3

Qм= 46,97·128,18·180·60/106 = 65,01 кДж

 

4) Так как реакция проходит на 80 %, то:

Таблица 4.6.10

Наименование компонента Масса Gi, кг Теплоемкость ci, кДж/(кг·К)
ацетон 75,92 2,180
вода 0,49 4,182
йодистый метил 1,16 0,578
ДМАЭБ 0,26 1,333
примеси 0,64 1,333
метацин 29,84 0,987
ДМАЭЭ ДФМУК 0,27 1,333
йодоводород 0,11 0,205

 

Q4= ((75,92·2,180 + 0,49·4,182 + 1,16·0,578+ 0,26·1,333+ 0,64·1,333+ 29,84·0,987+ 0,27·1,333+ 0,11·0,205)·20/(2,29·1) = 1740,26 кДж

5) Q2 = Q4 – Q1– Qм – Q3

Q2 = 1740,26 – 1762,09 – 65,01 – 1697,50 = – 1784,44 кДж

6) Поверхность теплообмена:

Fт/о = , [10]

Δtср = = 6,95 °С

 

К= = 183,45 Вт/м2·К

 

Fт/о = = 0,15 м2

 

0,15< 0,81, т.е. Fт/о<Fном ⇨ поверхности теплообмена достаточно.

7) Расход хладагента (охлаждающей воды)

G = = = 212,94 кг

8) Тепловая нагрузка:

q2 = = = 0,16 кВт [10]

 

III режим – охлаждение до 0 °С, τ = 180 мин

Уравнение теплового баланса:

Q1 + Q2 + Qм = Q4 + Q5 + Q6

1) Q1III=Q4II = 1740,26 кДж

2) Nуд= 6,02/0,12818 = 46,97 Вт/м3

Qм= 46,97·128,18·180·60/106 = 65,01 кДж

3) Q4 = · tкон = · 0 = 0 кДж

4) Q5 – количество тепла, расходуемое на нагрев (охлаждение) аппарата, кДж

Q5 = 0,7·Gап·cмат· (tкон – tнач) · Kпот [10]

где: 0,7 – коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева;

Gап – масса аппарата, кг;

cмат - теплоемкость материала, из которого изготовлен аппарат, кДж/кг·К
(0,5 кДж/кг·К – для стали);

tкон – средняя конечная (для данного режима) температура аппарата, ˚С;

tнач– средняя начальная (для данного режима) температура аппарата, ˚С;

Kпот – коэффициент, учитывающий потери на нагрев эмали и изоляции (1,11 – для эмалированного аппарата с изоляцией).

 

Коэффициент теплопередачи:

К= , Вт/м2·К

В качестве хладагента используется холодильный рассол.

Принимаем по справочным данным: α1=200 Вт/м·К, r загр= 18·10-5Вт/м2·К.

К= = 140,49 Вт/м2·К

Принимаем начальную температуру рассола (раствор хлорида натрия) Θ1= - 5 °С, конечную температуру Θ2= - 2 °С. Средняя температура рассола:

A = = = 2,5

Δtср = = = 5,18 °С

Θ2ср.кон. = Θ1 + Δtср ·ln A = - 5 + 5,18·ln2,5= - 0,25 °С

t1 = = = - 2,63 °С

Конечная температура аппарата определяется по формулам:

tст1= t1 = –2,63– = - 0,78 °С

tст2= t2 + = 0 + = - 0,23 °С

tкон = = = - 0,51 °С

 

Q5 = 0,7·250·0,5· (–0,51 – 20) · 1,11 = – 1992,03 кДж

 

1) Q6 – количество тепла, теряемое аппаратом в окружающую среду, кДж

Q6 = Q6из + Q6неиз [10]

Q6 = Fап·α·(tнар–tокр.ср.) · τ · 3,6 [10]

где: Q6из – количество тепла, теряемое изолированной частью аппарата, кДж;

Q6неиз – количество тепла, теряемое неизолированной частью аппарата, кДж;

Fап – площадь поверхности аппарата, м2;

α – коэффициент теплоотдачи от стенки в окружающую среду, Вт/м2·К;

tнар – температура наружной поверхности аппарата, °С;

tокр.ср – температура окружающей среды, °С;

τ – продолжительность процесса, ч;

3,6 – коэффициент для перевода Дж в кДж и секунд в часы.

 

α = 9,74 + 0,07·(tнар – tокр.ср.) [10]

Принимаем температуру на поверхности изоляции tиз= 5 °С (т.к. хладагент - холодильный рассол), температуру окружающей среды tокр.ср = 20 °С. Температуру неизолированной части аппарата принимаем равной средней температуре стенки.

α из= 9,74 + 0,07·(5 – 20) = 8,69 Вт/м2·К

α неиз= 9,74 + 0,07·(–0,51 – 20) = 8,30 Вт/м2·К

Fиз = Fруб + Fобеч + Fкр· x,

где: х – процент крышки, покрытый изоляцией.

Fнеиз= Fкр·(1-х)

Fруб= 𝜋·Dнар·Hцил+1,086·(Dнар)2

Dнарруб = D1+2·S1+2·δизол= 0,55+2·0,004+2·0,05 = 0,658 м

Hцилруб= = = = 0,34 м

Fруб= 𝜋·0,658·0,34+1,086·0,6582 = 1,17 м2

Fобечцил= 𝜋·Dоб·Hоб

Dоб = D+2S+2δизол = 0,5+2·0,006+2·0,05 = 0,612 м

Hоб = H4 – S – D/4– Hрубцил

Hоб = 0,55 – 0,006 – – 0,34 = 0,079 м

Fобечцил= 𝜋·0,612·0,079 = 0,15 м2

Fкриз = 1,086·D2об· х

Fкриз = 1,086·0,6122· 0,5 = 0,20 м2

Fиз = 1,17 +0,15+0,20 = 1,52 м2

Fнеиз= 1,086·0,6122·0,5 = 0,20 м2

Q6из = 1,52·8,69·(10 – 20.) · (180/60) · 3,6 = - 1425,55 кДж

Q6неиз = 0,20·8,30·(– 0,51 – 20.) · (180/60) · 3,6 = - 367,70 кДж

Q6 = - 1425,55 +(- 367,70) = - 1794,25 кДж

5) Q2 = Q5 + Q6 + Q4 – Q1– Qм

Q2 = –1992,03 – 1794,25 + 0 – 1740,26 – 65,01= – 5591,55 кДж

6) Поверхность теплообмена:

Fт/о =

Fт/о = = 0,78 м2

0,79 < 0,81, т.е. Fт/о<Fном ⇨ поверхности теплообмена достаточно.

7) Расход хладагента (холодильного рассола – раствора хлорида натрия)

G = = = 296,59 кг

8) Тепловая нагрузка:

q2 = = = 0,52 кВт [10]




Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2016-07-16; просмотров: 270; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.117.76.255 (0.009 с.)