Спроектировать контактный аппарат для гидрирования бензола в циклогексан
Тепловой поток газовой смеси на входе в реактор:
F1 = [12133,3/(2*3600)]*1,76*135 = 400,4 кВт
Теплота реакции гидрирования по условиям задачи – 2560 кДж/кг бензола,
Тогда в пересчёте на 1 моль бензола (молекулярная масса бензола – 78):
q = 199,68 кДж/моль
F2 = [(5000-348)/(2*3600*84)]* 199,68*1000 = 1535,9 кВт
где 5000 и 348 – количество циклогексана на выходе и входе, кг/ч.
Тепловой поток газовой смеси на выходе из реактора:
F3 = [8441,9/(2*3600)]*2,3665*180 = 499,44 кВт
Теплопотери в окружающую среду составляют 5% от общего прихода тепла:
Fпот = (400,4 + 1535,9)*0,05 = 96,8 кВт
Теплоту, отводимую кипящим конденсатом, находим из общего уравнения теплового баланса:
F4 = 400,4 + 1535,9 - 499,44 - 96,8 = 1340,06 кВт
Составляем тепловой баланс первой ступени:
| Приход | кВт | % | Расход | кВт | % |
|
Тепловой поток газо-вой смеси |
400,4 |
20,7 |
Тепловой поток газо-вой смеси |
499,44 |
25,8 |
|
Теплота экзотерми-ческой реакции |
1535,9 |
79,3 |
Теплота, отводимая кипящим конденсатом |
1340,06 |
69,2 |
|
Теплопотери в ок-ружающую среду |
96,8 |
5,0 | |||
|
Всего: |
1936,3 |
100 |
Всего: |
1936,3 |
Принимаем, что кпд процесса теплообмена равен 0,9. Определяем количество образующегося вторичного водяного пара в межтрубном пространстве реактора первой ступени:
mп = 1340,06 * 0,9/2095 = 0,576 кг/с
где 2095 – удельная теплота парообразования при давлении 0,6 Мпа и температуре Т = (135 + 180)/2 » 1580 С.
Таким образом, следует подать на испарение 0,576*3600 = 2073,6 кг/ч водяного конденсата.
Расчёт реактора первой ступени.
Тепловая нагрузка аппарата - Fа = 1 340 060 Вт.
Средняя разность температур между газовой смесью и паровым конденсатом:
Dtср = 180-158 = 220 С; DTср = 22 К
Рассчитаем теплофизические параметры газовой смеси при температуре 1800 С (453 К) при выходе из реактора первой ступени:
r0см= mt/Vt = 9843/8441,9 » 1,17 кг/м3
Плотность газовой смеси смеси при давлении 1,8 МПа и температуре 453 К:
rсм= 1,17*[(273*1800000)]/(453*101325) = 12,53 кг/м3
Средняя удельная теплоёмкость газовой смеси:
ссм = 2367/ 1,17 = 2023 Дж/(кг*К),
где 2367 – средняя объёмная теплоёмкость газовой смеси при температуре 1800 С (453 К).
Расчёт динамической вязкости газовой смеси:
| C6H6 | C6H12 | H2 | N2 | CH4 | S | |
| ji,% |
1,2 |
15,7 |
43,3 |
39,6 |
0,2 |
100 |
| Mr |
78 |
84 |
2 |
28 |
16 |
-- |
| ji*Mr/100 |
0,936 |
13,188 |
0,866 |
11,088 |
0,032 |
26,11 |
| mi*107,Па*с |
116 |
105 |
117 |
238 |
155 |
-- |
| ji*Mr/(100*mi) |
0,00806897 |
0,1256 |
0,0074 |
0,0466 |
0,0002 |
0,18786536 |
mсм = (26,11/0,18786536)*10-7 = 139*10-7 Па*с
Принимаем значение критерия Прандтля для двухатомных газов Pr = 0,72, тогда теплопроводность смеси равна:
l см = ссм * mсм / Pr = 2023 * 139*10-7 / 0,72 = 39,06*10-3 Вт/(м*К)
Объёмный расход газовой смеси при температуре 453 К и давлении 1,8 МПа:
V г = [8441,9/(2*3600)]*[453*101325/(273*1800000)] = 0,11 м3/c
Площадь сечения трубного пространства реактора Sтр = 0,812 м2.
Фиктивная скорость газовой смеси в сечении трубного пространства реактора:
w0 = V г / Sтр = 0,11/0,812 = 0,14 м/с.
Критерий Рейнольдса:
Re = w0 * dч * rсм/mсм = 0,14*0,0056*12,53/(139*10-7) = 707
Критерий Нуссельта:
Nu = 0,813*Re0,9/exp(6*dч/d) = 0,813*7070,9/exp(6*0,0056/0,032) = 104
Где d – диаметр трубы, м.
Средний коэффициент теплоотдачи от газовой смеси к стенке трубы:
a1 = Nu*l см /d = 104*39,06*10-3/0,032 = 127 Вт/(м2*К)
