Расчет реактора первой ступени

Принимаем, что объемное отношение катализатора в первой и второй ступенях реактора равно 1,00:1,08, следовательно, объем катализатора В первой ступени:

100· 1,00/(1,00+1,08) = 48 м³;

Во второй ступени:

100 — 48 = 52 м³.

Расчет времени пребывания смеси в зоне катализа

Время пребывания парогазовой смеси в зоне катализа рассчитывают по формуле:

ф = V_ф / (V_k· е_o),.

где V_ф — расход парогазовой смеси при температуре 610 ^оС (883К) и давлении 0,45 МПа, м³/с; V_к — объем катализатора в реакторе, м³, е_o — порозность слоя катализатора.

Расход парогазовой смеси при нормальных условиях (273 К, 101 325 Па):

V⁰_ф = 9887,178 · 22,4 / 3600 = 61,52 м³/с.

Расход парогазовой смеси в условиях процесса:

V⁰_ф = 61,52· 883·101 325 / (273· 0,45·10⁶) = 44,8 м³/с.

Порозность слоя катализатора:

е_o = 1- с_н/с = 1- 1400/2300 = 0,39,.

с_н — насыпная плотность катализатора, кг/м³; с — кажущаяся плотность катализатора, кг/м³.

ф = 44,8/ (2· 100·0,39) = 0,57 с.,.

что соответствует оптимальному технологическому режиму.

Расчет межступенчатого теплообменника

Межступенчатый теплообменник предназначен для подогрева парогазовой смеси после первой ступени катализа перегретым водяным паром (поток 9).

Цель расчета — определение площади поверхности теплопередачи, выбор теплообменного аппарата.

Исходные данные:

Температура, ^оС: перегретого водяного пара на входе — 760; перегретого водяного пара на выходе — 655; парогазовой смеси на входе — 547; парогазовой смеси на выходе — 610;

Давление перегретого водяного пара 0,9 МПа;

Диаметр трубы 25×2,5 мм;

Перегретый водяной пар поступает в трубное пространство, а парогазовая смесь — в межтрубное пространство. Необходимую площадь поверхности теплопередачи находят по формуле:

F_a = Ф_а/ (к?Т_ср).

По данным теплового баланса межступенчатого теплообменника рассчитывают тепловую нагрузку теплообменника:

Ф_а = (41 314,25 — 38 897,25)*10³ = 2 417 000 Вт.

Определяем среднюю разность температур между теплоносителями двухходового (по трубному пространству) межступенчатого теплообменника.

Температурная схема теплообмена при противотоке:

• ?t_max = 760−610 = 150 єС
• ?t_min = 655−547 = 108 єС

Средняя разность температур между теплоносителями:

Коэффициент теплопередачи определяют по формуле:

к =.

б₁ — коэффициент теплоотдачи от перегретого водяного пара к стенке трубы, Вт/(м²· К); б₂ — коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к парогазовой смеси, Вт/(м²· К).

Для расчета коэффициентов теплоотдачи определяют теплофизические параметры теплоносителей.

Теплофизические параметры перегретого водяного пара при средней температуре.

t_ср.=(760+655)/2 = 707,5 ^оС (980,5 К) и давлении p=0,9 МПа. Для упрощения расчета теплофизических параметров парогазовой смеси в один поток «этилбензол» объединяют этилбензол, бензол и толуол. Удельную теплоемкость парогазовой смеси (в данном случае при постоянном объеме) рассчитывают по формуле:

с_v = Cp/K,

K — коэффициент Пуассона.

Теплоемкости и вязкости компонентов парогазовой смеси при температуре.

t_ср.=(547+610)/2=578,5 ^оС (851,5 К) рассчитываем по справочным данным.

Таблица 2.8.1 Расчет теплофизических параметров парогазовой смеси.

м _см = 24,43•10^-7/ 0,0933 = 262•10^-7 Па•с.

Принимаем К= Ср/с_н = 1,3 тогда:

с_{н (см)} = 2374 /1,3 = 1826 Дж/(кг•К) Теплопроводность парогазовой смеси вычисляем по формуле:

л = Вс_н м _см,.

где В = 0,25(9К-5) = 0,25 (9•1,3 — 5) = 1,675.

л = 1,675 · 1826 · 262 · 10^-7 = 8013 · 10^-3 Вт/(м· К) Критерий Прандтля:

Рr = 2374•262•10^-7/(80,13•10^-3) = 0,78.

Теплофизические параметры теплоносителей:

Расход водяного пара в межступенчатом теплообменнике:

m_п = Фа/(h₁-h₂) = 2 417 000 / [(3720−3581,52)· 10³] = 17,4 кг/с, где h₁ и h₂ — энтальпия перегретого водяного пара при температуре 610 и 547 ^оС и давлении 0,9 МПа, Дж/кг.

Принимают минимальное для турбулентного потока значение критерия Рейнольдса Re' = 10 000, тогда необходимое число труб диаметром d_тр = 25×2,5 мм составит:

n= m_п / (0,785· d·Re' м) = 17,4 / (0,785· 0,02·10 000·366·10^-7) = 3028,.

следовательно, для создания турбулентного потока перегретого водяного пара максимальное число труб должно быть не более 3028.

Число труб определяем по формуле:

n = 3a (a-1)+1, a=(b+1)/2,.

где, а и b — число труб на стороне и диагонали наибольшего шестиугольника.

Значение b определяют из соотношения.

D = t · (b-1) + 4d_н;

2,0 = 0,032 · (b-1) + 4· 0,025; b=60;

а = (60+1) / 2 = 30,5; n = 3 · 30,5 · (30,5−1) + 1 = 2700.

Учитывая наличие в парогазовой смеси катализаторной пыли, число труб уменьшают на 9−10%. Общее число труб равно 2470, число труб на один ход трубного пространства.

n=2470/2= 1235.

Площадь сечения трубного пространства:

S_т = 0,785· d²n = 0,785· 0,02²·1235 = 0,388 м².

Уточняем значение критерия Рейнольдса:

Re = m_nd/ (S_трм) = 17,4 · 0,02/ (0,388 · 366 · 10^-7) = 24 506.

Режим движения устойчивый, турбулентный, следовательно, критерий Нуссельта рассчитываем по формуле:

Nu = 0,023Re^0,8Pr^0,4 = 0,023· 24 506^0,8·0,87^0,4 = 61,1.

Коэффициент теплоотдачи от перегретого водяного пара к стенке трубы теплообменника:

б₁ = Nuл / d = 61,1· 95,5· 10^-3 / 0,02 = 293 Вт/(м²· К).

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы теплообменника к парогазовой смеси определяют по формуле:

б₂ = Nuл / d_н.

Площадь сечения межтрубного пространства теплообменника:

S₂ = 0,785 (D²-nd²_н) = 0,785· (2,0² — 1235· 0,025²) = 2,534 м².

Эквивалентный диаметр межтрубного пространства:

d_экв = (D² — nd²_н) / (D+nd_н) = (2,0² — 1235· 0,025²) / (2,0 + 1235· 0,025) = 0,098 м.

Для расчета критерия Рейнольдса определяют расход парогазовой смеси после первой ступени катализа:

m_г = 119 562,861 / (2· 3600) = 16,6 кг/с.

Критерий Рейнольдса:

Re = m_гd_экв / (S₂м) = 16,6 · 0,098 / (2,534· 262·10^-7) = 24 503.

Расчетная формула критерия Нуссельта для аппарата с однократно-перекрестным движением парогазовой смеси:

Nu = 0,4е_цRe^0,6Pr^0,36(Pr / Pr_ст)^0,25

Для газовых потоков.

Pr/Pr_ст = 1.

При ц = 10^о е_ц = 0,42, тогда:

Nu = 0,4· 0,42·24 503^0,6·0,78^0,36 = 66.

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к парогазовой смеси:

б₂ = 66· 80,13·10^-3 / 0,098 = 53,7 Вт/(м²· К).

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

?r_ст = r_{ст (1)} + r_{ст (2)} + r_{ст (3)} = 0,18 +0,0025/17,5 + 0,35 = 0,673 м²•К/Вт Где 0,18 и 0,35 — сопротивления слоев загрязнений со стороны водяного пара и парогазовой смеси соответственно, м²· К/Вт; 0,0025 — толщина стенки трубы, м; 17,5 — теплопроводность нержавеющей стали, Вт/(м· К) Коэффициент теплопередачи:

К = (1/606 + 0,673+ 1/83)^-1 = 70 Вт (м²· К).

Необходимая площадь поверхности теплопередачи:

2 417 000 / (70· 124) = 279 м².

Площадь поверхности теплопередачи выбранного теплообменника:

Fa = рd_срln = 3,14· 0,0225·4·1270 = 359 м²,.

Где d_ср = (0,025+0,020) / 2 = 0,0225 м.

Запас площади поверхности теплопередачи:

(359−279)100/279 = 28,7%.