Технологический расчет реактора

Технологический расчет реактора

 

Назначение, устройство и основные размеры. Определение числа реакторов

 

Реактор представляет собой стальной вертикальный цилиндрический аппарат, футерованный изнутри торкретбетонным покрытием. Для равномерного распределения технологического воздуха по сечению реактора в нижней части его предусмотрена сферическая тарелка с патрубками, направленными вниз. Распределительное устройство для смеси этилена с хлороводородом состоит из патрубков, направленных также вниз и входящих в патрубки для воздуха. Таким образом достигают достаточной степенью перемешивания реагентов и создают восходящий потом для образования псевдоожиженного слоя катализатора.

Для снятия избыточного тепла предусмотрен вертикальный змеевик, в трубы которого падают циркулирующий (под давлением) и частично испаряющийся водяной конденсат. В верхнюю часть реактора вмонтирован трехступенчатый циклон для улавливания катализаторной пыли из газообразных продуктов реакции.

 

Исходные данные:

температура процесса 220;

давление в реакторе 5,0 МПа;

характеристика катализатора:

размер частиц по фракциям, мкм:250190, 19085, 8545, 4530;

w, %: 50, 43, 3, 4;

плотность катализатора (кг/м3):

частиц ρ=1750;

насыпная ρн=1050.

Площадь сечения реактора определяют из соотношения

 

 

 

Объемный расход газовой смеси при температуре 273К и давлении 101325 Па:

 

 

 

где 2561,3 и 2027,13 количество газовой смеси на входе и выходе, кмоль/ч.

Объемный расход газовой смеси при температуре 220+273=493К и давлении 500000 Па:

 

 

 

Плотность газовой смеси в условиях процесса:

 

 

 

Критическую скорость определяем по формулам:

 

 

 

 

 

 

 

Средний эквивалентный диаметр частицы рассчитываем по формуле:

 

 

 

Среднеситовой диаметр частиц катализатора, мкм:

 

d1 = (250+190)/2=220;

 

d2 = (190+85)/2=137,5;

 

d3 = (85+45)/2=65;

 

d4 = (45+30)/2=37,5.

 

dэ = (0,5/220+0,43/137,5+0,03/65+0,04/37,5)-1=144 мкм.

 

Рассчитываем динамическую вязкость газовой смеси:

в поток «дихлорэтан» включаем хлорорганические соединения, хлор и хлороводород:

 

;

 

в поток «метан» включают все углеводороды:

 

 

 

Динамическую вязкость компонентов газовой смеси при температуре 220 находим по справодчнику. Расчет динамической вязкости газовой смеси приведен в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 − Расчет динамической вязкости газовой смеси

компонент	Мi	xi, доли ед.	Мixi		10-7
N2 O2 CO CO2 H2O C2H4Cl2 CH4	28 32 28 44 18 99 16	0,5602 0,0296 0,0068 0,0142 0,2015 0,1798 0,0079 1,0000	15,686 0,947 0,190 0,625 3,627 17,800 0,126 39,001	253 232 252 234 168 143 166	0,06200 0,00408 0,00075 0,00267 0,02159 0,12448 0,00076 0,21633
Σ

 

 

 

 

Критерий Архимеда:

 

 

 

Критерий Рейнольдса, соответствует скорости псевдоожижения:

 

 

 

Критическая скорость (скорость псевдоожижения):

 

 

 

Для расчета скорости уноса частиц wy используем следующее соотношение:

 

 

 

 

 

Условие образования псевдоожиженного слоя:

 

 

 

Так как частицы катализатора достаточно мелкие, то для осуществления процесса в реакторе диаметром 3,0-3,6 м принимаем число псевдоожижения Кw=26.

Рабочая скорость катализатора:

 

 

 

Порозность псевдоожиженного слоя находим по формуле:

 

 

 

где ε0 – порозность неподвижного слоя.

 

Для принятого катализатора:

 

 

 

 

 

 

 

Действительная скорость газовой смеси в свободном сечении слоя:

 

 

 

Площадь сечения реактора:

 

 

 

Внутренний диаметр реактора (без футеровки):

 

 

 

Использовать для осуществления процесса реактор такого диаметра нецелесообразно, так как сложно распределить восходящий газовый поток по его сечению. Принимаем реактор с внутренним диаметром обечайка Dу 3200 (ГОСТ 9617-76) и толщиной футеровки 100мм.

 

Диаметр реактора (в футеровке):

 

 

 

Площадь сечения реактора:

 

 

 

Число аппаратов, необходимое для обеспечения заданной производительности:

 

 

 

Таким образом, необходимо установить два реактора.

 

Расчет реактора

 

Исходные данные:

Объемная скорость газовой смеси на входе Vоб=330 ч-1;

Температура,:

Процесса – 220; конденсата, поступающего на охлаждение – 170;

Давление конденсата 0,8МПа;

Расположение змеевика – вертикальное.

 

Определим:

 

Объемный расход газовой смеси на входе в реактор:

 

 

 

где 2561,3 – расход газовой смеси, кмоль/ч.

 

Объем катализатора в реакторе:

 

 

 

Высоту слоя катализатора в неподвижном состоянии:

 

 

Высоту псевдоожиженного слоя:

 

 

 

Степень расширения слоя:

 

 

 

Гидравлическое сопротивление слоя:

 

 

 

Площадь поверхности теплообмена встроенного змеевика определяем по формуле:

 

 

 

Тепловая нагрузка на змеевиковый теплообменник:

 

 

 

Средняя разность температур между газовой средой и кипящим конденсатом:

 

 

 

 

 

Коэффициент теплопередачи определяем по формуле:

 

 

 

где – коэффициент теплоотдачи от псевдоожиженного слоя к стенке трубы змеевика, Вт/(м2К); – коэффициент теплоотдачи от стенки трубы змеевика к кипяшему конденсату, Вт/(м2К).

 

Максимальный коэффициент теплоотдачи от псевдоожиженного слоя к стенке трубы змеевика рассчитываем по формуле:

 

 

Удельная теплоемкость газовой смеси:

 

 

 

где 44,3135 – молярная теплоемкость газовой смеси, Дж/(кмольК); 39,001 – средняя молярная масса газовой смеси, г/моль.

 

Принимают критерий Прандтля для двухатомных газов Pr=0,72, тогда теплопроводность газовой смеси равна:

 

 

 

Критерий Нуссельта при движении газа через псевдоожиженный слой определяем по формуле:

 

 

 

где – плотность газовой смеси и частиц катализатора, кг/м3; m − константа, равная 3,510-4; С – коэффициент; ск – удельная теплоемкость катализатора, кДж/(кгК).

Значение коэффициента С принимаем равным 1,47, значение удельной теплоемкости катализатора – по каолину: ск=920 Дж/(кгК).

 

Критерий Рейнольдса:

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы змеевика к кипящему конденсату рассчитываем по формуле, полученной на базе уравнения:

 

 

где p – давление кипящей воды (конденсата) при температуре 170, равное 0,8 МПа.

 

Принимаем следующие обозначения:

 

t1 – температура псевдоожиженного слоя;

tст(1) – температура стенки со стороны псевдоожиженного слоя;

tст(2) – температура стенки со стороны кипящего конденсата;

tк – температура конденсата.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Записываем систему уравнений:

 

                                                 (1)

 

                                (2)

 

Сумма термических сопротивлений стенки с учетом сопротивлений слоев загрязнений с обеих сторон:

 

 

 

где r1, r2 – термическое сопротивление слоев загрязнений со стороны газовой смеси и водяного пара соответственно, м2К/Вт.

 

 

 

 

 

 

 

где 0,011 – толщина стенки трубы змеевика, м; 17,5 – теплопроводность нержавеющей стали, Вт/(мК).

 

 

 

Подставляем значения в уравнения (1) и (2):

 

                    (1′)

 

                                                      (2′)

 

 

 

 

 

Подставляем значения и в уравнение (2′):

 

 

 

 

 

Принимаем , тогда:

 

 

 

Принимаем что , тогда:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методом последовательного приближения получаем при y=0.

 

Коэффициент теплоотдачи:

 

 

Коэффициент теплопередачи:

 

 

 

Площадь поверхности теплопередачи:

 

 

 

Площадь поверхности теплопередачи принимаем с запасом 15%:

 

 

 

Длину трубы змеевика принимают равной высоте псевдоожиженного слоя l=H=12,8 м, тогда число труб в змеевике:

 

 

 

Количество образующегося водяного пара:

 

 

 

или

 

 

 

где r – удельная теплота парообразования; η – к. п. д. змеевика.

 

При давлении 0,8 МПа r=2057103 Дж/кг; принимаем η=0,9.

Принимаем, что в водяной пар (p=0,8 МПа, t=170) превращается 10% циркулирующего в системе конденсата, следовательно, расход конденсата составит:

 

 

 

или

 

 

 

где 897 – плотность конденсата на линии насыщения при температуре 170, кг/м3.

 

Выходящая из встроенного змеевика пароводяная эмульсия с температурой 170 поступает в паросборник, предназначенный для сбора конденсата и отделения от него пара. Пар, имеющий давление 0,8 МПа, используется на установке, конденсат с помощью насоса возвращают в змеевик реактора. В паросборник подают химически очищенную воду, а часть конденсата выводят из системы для предотвращения загрязнения системы охлаждения реактора.

Номинальную вместимость паросборника рассчитываем по формуле:

 

 

 

Принимаем время заполнения паросборника конденсатом τ=3 мин, степень заполнения φ=0,8; коэффициент запаса η=1,15, тогда:

 

 

 

Принимаем по ГОСТ 9931-79 цилиндрический стальной аппарат со следующей технической характеристикой:

Тип: вертикальный с двумя эллиптическими днищам (ВЭЭ), теплоизолированный;

Вместительность номинальная, м3: 16;

Диаметр обечайки внутренней, мм: 2000;

Высота цилиндрической части, мм:4430;

Рабочее давление, МПа: 0,8-1,0;

Рабочая температура, : 170-190.

 

Расчет циклона

 

Циклон смонтирован в верхней части реактора оксихлорирования и предназначен для отделения частиц катализатора, увлекаемых восходящим потоком газовой смеси. Расчет ведем на основе данных, полученных ранее при определении основных характеристик псевдоожиженного слоя.

Выбираем для расчета циклон НИИОГАЗа типа ЦН-15 с основными параметрами:

Диаметр аппарата: D;

Диаметр выходной трубы D1: 0,60D;

Ширина входного патрубка b: 0,28D;

Высота входного патрубка h1: 0,66D;

Высота выходной трубы h2: 1,74D;

Высота цилиндрической части h3: 2,26D;

Высота конической части h4: 2,00D;

Общая высота циклона H: 4,38D;

Коэффициент сопротивления ξ0: 160.

 

Принимаем скорость входа газовой смеси в циклон wвх=15 м/с, тогда площадь сечения входного патрубка составит:

 

 

 

где n=2 – число реакторов оксихлорирования.

 

Определяем ширину входного патрубка:

 

 

 

 

 

 

 

Ориентировочное значение диаметра циклона:

 

 

 

Полученное значение диаметра циклона проверим по формуле:

 

 

 

где Dт – наружный диаметр выхлопной трубы циклона, м; wос − скорость осаждения частиц катализатора, м/с; wг – скорость газовой смеси, м/с.