Расчет реакторов для отдельных химических процессов
Задача 8-1 (расчет реактора кожухотрубного типа непрерывного действия для проведения процесса полимеризации в растворе).
Рассчитать непрерывнодействующий реактор вытеснения для проведения процесса полимеризации в растворе по следующим данным. Производительность полимеризатора по сухому веществу G=864 кг/сутки (т. е. 0,01 кг/с). Концентрация мономера в исходной смеси С0 = 25 % (масс.). Степень превращения мономера на входе x0 = 0,1, на выходе из реактора x = 0,96. Тепловой эффект реакции полимеризации (-Hr) = 1,21-106 Дж/(кг продукта). Температура реакции Тр = 308 К- Исходная смесь подается в полимеризатор при температуре реакции. Плотность реакционной смеси рр = 647 кг/м3. Удельная теплоемкость реакционной смеси ср=2,5*103Дж/(кг-К). Коэффициент теплопроводности реакционной смеси Хр=0,13 Вт/(м-К). В качестве теплоносителя (хладагента) используется вода с температурой не ниже Tх = 288 К. Плотность теплоносителя р = 1000 кг/м3, динамический коэффициент вязкости 1,18-10-3 Па-с. Теплоноситель имеет удельную теплоемкость с = 4,19-103 Дж/(кг-К) и коэффициент теплопроводности лх=0,58 Вт/(м-К). На стенках полимеризатора образуется незначительный слой загрязнений, имеющий тепловое сопротивление, равное r=5-10-4 м2-К/Вт. По технологическим условиям время полимеризации должно быть равно тр = 70 мин (4200 с).
Скачать решение задачи 8-1 (цена 100р)
Задача 8-2 (расчет непрерывнодействующего реактора с мешалкой для проведения процесса эмульсионной полимеризации).
Рассчитать полимеризатор с механическим перемешиванием реагирующих веществ для проведения непрерывного процесса эмульсионной полимеризации по следующим данным. Производительность аппарата по сухому веществу G= 14,3 т/сутки. Концентрация мономера в исходной смеси С0 = 40% (масс.). Степень превращения мономера в полимер x=0,80. Удельная теплота реакции (-Hr)=8,9-105 Дж/(кг продукта). Температура реакции TР = 307К. Исходная смесь поступает в реактор при температуре V0 = 313К. Плотность реакционной смеси рр = 1056 кг/м3. Удельная теплоемкость реакционной смеси cр = 3,14-103 Дж/(кг-К). Коэффициент теплопроводности реакционной среды лр = 0,407 Вт/(м-К). Динамический коэффициент вязкости среды 4-10-3 Па-с. В качестве теплоносителя (хладагента) используется рассол с температурой на входе tвх = 260К, который нагревается не более чем на 4 К. Теплоноситель имеет плотность р = 1240 кг/м3, динамический коэффициент вязкости 8,56-10-3 Па-с, удельную теплоемкость ск = 2,84-103 Дж/(кг-К) и коэффициент теплопроводности Кх=0,456 Вт/(м-К). На внутренней поверхности реакционного объема образуется слой отложений с тепловым сопротивлением, равным r3 = 5-10-4 м2-К/Вт. По технологическим условиям процесс полимеризации должен продолжаться в аппарате в течение пяти часов (т = 5 ч).
Скачать решение задачи 8-2 (цена 100р)
Задача 8-3 (расчет реактора непрерывного действия с перемешиванием и аэрированием для проведения процесса ферментации).
Рассчитать ферментер, предназначенный для непрерывного проведения процесса ферментации по следующим данным. Производительность по биомассе G0 = 1 т/сутки. Исходная концентрация питательных веществ Со = 39 кг/м3. Конечная концентрация питательных веществ С = 7 кг/м3. Остаточная влажность биомассы 10%. Количество питательной среды, затрачиваемой на образование 1 кг биомассы, а= 1,2 кг/кг. Концентрация питательных веществ при условии скорости роста r < 0,5 r и отсутствии продуктов обмена Сус = 1 кг/м3. Концентрация продуктов метаболизма, понижающая скорость роста биомассы в два раза, равна Спм =12 кг/м3. Коэффициент фазового равновесия для суспензии биомассы данной концентрации Kр = 35. Удельная теплота образования 1 кг биомассы составляет (-Hr)= 16,8-103 кДж/кг. Температура выращивания биомассы Тр = 307 К. Давние в реакторе - атмосферное. Удельный расход кислорода на образование 1 кг абсолютно сухой биомассы равен gк = 2,0 кг/кг. Удельный расход воздуха на 1 м3 перемешиваемого объема жидкости в 1 ч составляет 150 м3. Питательная среда охлаждается в теплообменнике на 4 К. Коэффициент теплопередачи по экспериментальным данным равен K= 930 Вт/(м2-К). Охлаждающая вода нагревается в теплообменнике на 7 К.
Для проведения процесса требуется интенсивное перемешивание взаимодействующих фаз, которое осуществляется механической мешалкой. Расход мощности по расчетным данным: на перемешивание N=60 кВт; на пеногашение Nпг = 5,0 кВт; на подачу и аэрирование воздуха Nв = 14,5 кВт. Коэффициент газосодержания в аппарате по опытным данным Ка = 0,7.
Скачать решение задачи 8-3 (цена 100р)
Задача 8-4. В каскаде из 9 последовательно соединенных аппаратов одинакового объема V, равного 1800 м3, проводится процесс получения гидроксида алюминия из алюминатного раствора по реакции: Каждый аппарат снабжен перемешивающим устройством типа эрлифт и рассматривается как аппарат полного перемешивания. Общий расход алюминатного раствора а0 составляет 300 м3/ч. Начальная концентрация алюмината натрия в растворе СA0=130 кг А13О3/м3, щелочи СNа = 160 кг Аl2О3/м3 (равна С*Na). Процесс протекает при охлаждении, в результате чего температура в аппаратах постепенно понижается от 70 до 50° по следующей схеме:(все концентрации даются на 1 м3 раствора в пересчете на безводный продукт А12О3 или Nа2О).
В первый аппарат вводят затравочные кристаллы размером d0 = 30 мкм, на поверхности которых в результате химического взаимодействия происходит осаждение гидроксида, В дальнейшем увеличение размера частиц происходит только за счет образования продукта на поверхности твердой фазы. Удельная поверхность твердых частиц в растворе Sуд = 2-105 м2/м3. Массовое соотношение А12О3 в твердой и жидкой фазах n = 3,0. Требуется определить величину достигаемой степени разложения алюминатного раствора и средний размер частиц продукта на выходе из последнего аппарата каскада.
Скачать решение задачи 8-4 (цена 100р)
Задача 8-5. В реакторе с мешалкой процесс образования олигомера проводится полунепрерывно. Мономер А загружается в аппарат до начала процесса, раствор реагента В с концентрацией СВл подается непрерывно в течение времени тп. Реагент А всегда содержится в избытке. Кинетическое уравнение имеет вид: йСв
-dCB/dт = k CB
где k = 0.001 с-1-
Объем аппарата составляет 6,3 м3, коэффициент заполнения в момент времени т=тп равен (р = 0,8. Расход раствора реагента В vB0= 0,5 м3/ч(1.39- 10~4 м3/с) начальная концентрация Св0 = = 8,4 кмоль/м3, тп = 3600 с. Реакция сопровождается тепловыделением, тепловой эффект равен (-Hr)=2-10' кДж/(кмоль В).
Определить: 1 ) общую продолжительность реакции при степени превращения хв = 0,98; 2) величину максимального теплового потока, который необходимо отводить для поддержания постоянной температуры.
Скачать решение задачи 8-5 (цена 100р)
Задача 8-6. В реакторе идеального смешения объемом 10 м3 проводится непрерывный процесс растворения кислорода в жидкости, сопровождающийся реакцией с растворенным реагентом А Кинетика реакции, протекающей в реакторе, описывается уравнением;
A + O0 -> B
Начальная концентрация Сл, = 4 кмоль/м3. Скорость подачи v0A =0,0011 м3/с. Количество воздуха - избыточное. Расход воздуха регулируется таким образом, чтобы остаточное содержание кислорода соответствовало его растворимости в жидкой фазе СO2=110 г/м~3. Удельное объемное газосодержание среды в условиях установившегося процесса составляет около 10 % (ф =0,1), коэффициент заполнения аппарата средой равен ф = 0,6.
Определить: 1) предельную степень превращения реагента А при рассматриваемых условиях проведения процесса; 2) величину коэффициента масс опер еда ч и, при которой может быть достигнута степень превращения х = 0,8.
Скачать решение задачи 8-6 (цена 100р)
Задача 8-7. В аппарате с мешалкой (Vа=2 м3) проводится непреывное растворение монодисперсных частиц реагента А, сопровождающееся быстрой химической реакцией с реагентом В, находящимся в растворе. Скорость процесса определяется скоростью массопередачи и описывается уравнением
(CA0 – CA)/CA0 = (1 - 0,0095т)^3/2 Коэффициент заполнения аппарата средой равен ф =0,8, расход суспензии через аппарат составляет v0 = 0,72 м3/ч (0,0002 м3/с). Рассчитать относительную долю частиц реагента А, не растворившихся полностью (проскок частиц).
Скачать решение задачи 8-7 (цена 100р)
Задача 8-8. Необходимо проверить пригодность непрерывнодействующего реактора с перемешивающим устройством (ввод сверху, вывод снизу) без отражательных перегородок объемом Va = 5 м3, в котором перемешивается система твердое тело (катализатор) - жидкость. Объемный расход среды через аппарат v0 = 2,78-10-3 м3/с.
Для наиболее полного протекания химической реакции необходимо, чтобы средняя относительная концентрация катализатора в объеме реактора была не менее 0,8 и чтобы перепад концентрации в осевом направлении не превышал 10%.
Известно, что плотность твердой фазы рт = 4000 кг/м3, плотность жидкой фазы рк = 1000 кг/м-3, а средний диаметр частиц катализатора dT, = 0,0003 м. В комплекте с аппаратом имеется лопастная мешалка диаметром dM = 1,25 м и электродвигатель - редуктор, обеспечивающий вращение перемешивающего устройства с частотой n=1 об/с. Диаметр аппарата D = 1,8 м, высота заполнения H = 1,97 м. Необходимо проверить, обеспечит ли объемный расход суспензии через аппарат заданную концентрацию твердой фазы и равномерность распределения твердой фазы по высоте аппарата.
Скачать решение задачи 8-8 (цена 100р)
Задача 8-9. Рассматривается химический реактор с механическим перемешивающим устройством и отражательными перегородками (объем аппарата Vа=2 м3, высота H =1,475 м, диаметр D = 1,4 м). Используется открытая турбинная мешалка dм =0,4 м, п =200 мин-1 (3,33 с-1). Реактор непрерывного действия (ввод сверху, отвод снизу). Объемный расход среды через аппарат v0= 1,1 м3/(м3-с). Рабочей средой является система твердое тело (катализатор) - жидкость. Характеристики рабочей среды: плотность жидкой фазы рж = 103 кг/м3, скорость осаждения твердой фазы wОС = 0,1 м/с. Динамический коэффициент вязкости среды 10-3 Па-с. Для наиболее полного протекания реакции необходимо, чтобы среднее время пребывания твердой фазы в объеме реактора было не меньше 0,4 ч. Проверить, удовлетворяет ли выбранный аппарат заданному технологическому требованию.
Скачать решение задачи 8-9 (цена 100р)
Задача 8-10. Вещество А, являющееся основным полупродуктом в производстве продукта К, может быть получено в условиях непрерывного производства двумя путями: 1) в каскаде реакторов барботажного типа со встроенными внутри теплообменными элементами; 2) в батарее, состоящей из кожухотрубных реакторов. Производительность реактора по веществу А зависит от количества загружаемого в аппарат исходного сырья и величины расхода воздуха, подаваемого в аппарат в качестве окислителя. В реакторе барботажного типа расход воздуха составляет 1,03 дмэ/мин на 1 дм3 реакционной смеси. При этом вещество с кислотным числом 280 может быть получено через 16 ч.
В кожухотрубном реакторе расход воздуха равен 18,2 дм3/мин на 1 дм3 реакционной смеси, что обеспечивает снижение времени окисления до 2 ч. В процессе эксплуатации реакторы должен обслуживать аппаратчик V разряда. Норма обслуживания - два аппарата на одного рабочего. Среднегодовая заработная плата одного аппаратчика V разряда 1400 руб. Отчисления на социальное страхование 8,4%. Эффективный фонд времени работы оборудования в год 345 дней. На установке трехсменная работа. Стоимость реактора барботажного типа объемом 65 м3 равна 153 100 руб. Стоимость кожухотрубного реактора того же объема составит 152800 руб. Норма амортизационных отчислений 14% от сметной стоимости реакторного оборудования. Затраты на доставку и монтаж оборудования составляют 20 % от его стоимости. Затраты на текущий ремонт оборудования в год -45% от суммы амортизации. Затраты по содержанию оборудования составляют 55 % от суммы амортизационных отчислений.
На основе имеющихся технико-экономических характеристик реак¬торов выбрать реакторную схему, наиболее экономичную для эксплуатации в производственном комплексе мощностью 54 т товарного продукта в год. Удельная норма расхода сырья на 1 т продукта составляет 0,68 т. Определить эффективность использования того или другого типа реактора.
Скачать решение задачи 8-10 (цена 100р)