166671 (Увеличение степени защиты стали от коррозии в нейтральных и кислых средах), страница 7

– реакция эндотермическая.

Рассчитаем количество тепла, необходимое для нагревания исходных веществ до температуры 393 К по следующей формуле:

,

где G_i – количество i-го компонента,

c_{p, i} – теплоемкость i-го компонента при Т₂.

Таблица 4.5 – Теплоемкость исходных веществ при температуре Т₂ = 393 К.

Тепло, выходящее из реактора с продуктами реакции:

,

где Т₂=393 К.

Ввиду того, что в результате химического превращения ни одно из веществ не претерпевает фазового перехода, то Q_ф = 0 Дж/цикл.

Примем, что тепловые потери составляют 3% от приходящего тепла.

Уравнение всего энергетического баланса для нашего случая примет вид:

Количество тепла подводимое:

Из приведенных расчетов следует, что тепло нужно подводить.

Ориентировочная поверхность теплообмена

,

где ΔТ – средняя разность температур, ΔТ=50 ^оС; k – коэффициент теплообмена, k = 270 Вт/(м²·К).

,

где 1000 – количество Дж в 1 кДж; 7200 секунд – время синтеза цикла.

Таблица 4.6 Тепловой баланс.

5. Структурно-функциональная схема и расчет емкостного аппарата

5.1 Описание структурно-функциональной схемы

Предлагаемая структурно-функциональная схема получения борат метилфосфита включает три стадии.

1) Подготовка сырья.

На данной стадии происходит хранение и дозировка диметилфосфита и борной кислоты с последующей сушкой воздухом при t = 50–60^оС.

2) Получение целевого продукта (борат метилфосфита).

Подготовленные компоненты поступают при непрерывном перемешивании в емкостной аппарат, снабженный мешалкой и греющей рубашкой, где происходит их смешение, гомогенизация и нагрев до 120^оС. Реакцию ведут при температуре 120^оС, в течение 2 часов с непрерывной отгонкой метанола.

3) Стадия выделения и обработки целевого продукта.

Полученную на предыдущей стадии смесь нагревают до 180^оС и под вакуумом отгоняют не прореагировавший диметилфосфит.

5.2 Расчет емкостного аппарата, предназначенного для синтеза

Для проведения синтеза борат метилфосфита используется емкостной вертикальный гладкостенный аппарат с эллиптическим днищем, отъемной элиптической крышкой с гладкостенной рубашкой, с открытой турбинной мешалкой и характеризующийся следующими параметрами [3]:

Таблица 5.1 – Основные технические параметры реактора

Ввиду того, что в начале процесса, реакционная масса представляет собой суспензию, то соответственно мощность перемешивания дисперсных систем будет отличаться от мощности перемешивания гомогенных жидкостей как из-за изменения плотности и вязкости, так из-за изменения условий обтекания лопастей мешалки. Поэтому целесообразно определить эти параметры:

Объемная доля дисперсной фазы на приходящий поток:

,

где V_ф – объемная доля дисперсной фазы, дискретно распределенной в сплошной фазе V_с.

Для всех видов дисперсий их плотность ρ определяется плотностью дисперсной фазы ρ_ф, плотностью сплошной фазы ρ_с и величиной φ.

Динамическая вязкость дисперсии μ для суспензии для φ < 1, определяется по формуле

Центробежный критерий Рейнольдса

Согласно [35] аппарат работает в переходном режиме с сохранением сплошности.

Параметр высоты заполнения

Параметр гидравлического сопротивления

Параметры распределения скоростей ψ₁ = -0,3, ψ₂ = -1,25 [3].

Параметр глубины воронки В = 12 [3].

Глубина воронки

Из расчетов видно, что 0,42 < 0,6 – это говорит о том, что условие безопасности выполняется, а принятые характеристики мешалки обеспечивают нормальную работу аппарата.

Значение коэффициента К₁, являющийся функцией ψ₁ и ψ₂, можно принять К₁ = 0,019 [3].

Критерий мощности К_N

Мощность перемешивания

Мощность привода аппарата составляет 5 кВт, следовательно привод в состояние обеспечивать перемешивание заданного количества реакционной массы.

Выбор турбинной мешалки как перемешивающего устройства обусловлен тем, что она (мешалка) обеспечивает интенсивное перемешивание во всем объеме аппарата, ввиду создания радиальных потоков жидкости. Мощность, потребляемая турбинными мешалками, практически не зависит от вязкости среды [14].

В результате нагревания массы происходит ее гомогенизация. Повторные расчеты показывают, что мощность, затрачиваемая на перемешивание снижается и составляет N = 2,9 кВт, при этом аппарат работает в турбулентном режиме Re = 173634 с сохранением сплошности, условие безопасности сохраняется 0,48 < 0,6 [3].

Выполним тепловой расчет гладкостенного аппарата с мешалкой.

Расчет теплоотдачи от перемешиваемой среды

Коэффициенты а₁ а₂ а₃

Здесь с – удельная теплоемкость смеси Дж/(кг·К); λ – коэффициент теплопроводности среды Вт/(м·К)

Коэффициент теплоотдачи от перемешиваемой среды

Средняя разность температур:

Реакционная масса 25 ^оС → 120^оС

Пар 135 ^оС → 135^оС

Δt_б = 110 ^оС Δt_м = 15 ^оС

Поверхностная плотность теплового потока

Согласно приведенным расчетам для нагревания заданного количества реакционной массы от 25 ^оС до 120 ^оС необходимо Q_F =951762490 Дж/цикл или 132189,23 Вт

Поверхностная плотность теплового потока

Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя

,

где – соответственно плотность, динамическая вязкость и теплопроводность конденсата; t_т – температура конденсации; – плотность и удельная теплота парообразования насыщенного пара; – температура стенки со стороны греющего пара. Параметры теплоносителя представим в таблице

Таблица 5.2 – Параметры насыщенного пара при t_т = 135 ^оС [22].

Средняя температура смеси