Тепловой баланс. 
Расчет реактора полимеризации этилена производительностью 10,75 т/час

Целью расчета теплового баланса является определение количества тепла необходимого для обеспечения процесса.

В основу расчета теплового баланса положен закон сохранения энергии, согласно которому количесво теплоты (УQґ), поступающей в данный процесс, если в последнем нет превращения ее в другой вид энергии, равно количеству теплоты, выделяющейся в процессе (УQґґ).

УQ ґ = УQґґ.

УQ ґ- УQґґ=0.

Тепловой баланс составляют в дж, кДж, Гдж на одну единицу, 100 или 100 единиц массы основного сырья, или конечного продукта, или же в форме теплового потокав дж/сек (вт).

При составлении теплового баланса необходимо учитывать:

• 1) Теплоту, которую несут с собой входящие и выходящие продукты.
• 2) Теплоту, образующуюся за счет физических и химических превращений, если таковы имеют место в данном процессе (теплоты химической реакции, растворения, плавления, возгонки, парообразования и пр.)
• 3) Теплоту теряемую аппаратом в окружающую среду и т. д

В уравнение теплового баланса входят главным образом следующие величины:

Q1-теплота входящих в аппарат продуктов.

Q2-теплота физических и химических превращений, протекающих данном аппарате.

Q3-теплота вносимая за счет посторонних продуктов, не принимающих непосредственного участия в процессе.

Q4-теплота выходящих из аппарата продуктов.

Q5- потери тепла в окружающую среду Уравнение теплового баланса принимает вид:

Q1+ Q2+ Q3 = Q4 + Q5,.

Подсчет каждой из указанных величин является одной из главных задач расчета технологического процесса и проектирования химической аппаратуры.

Q1-теплота входящих в аппарат продуктов подсчитывается по уравнению:

Q1=Ms*Cst.

Расчет теплового баланса приходной части Проводим расчет удельных теплоемкостей для используемых веществ по формулам:

Этилен.

Q1C2H4 = MC2H4*CC2H4*t[2с,.249].

T= 273+33= 306K.

Cs1 (C2H4) = 5,72+0,1304*Т-0,0447*10−3*Т2 кДж/кмоль*град.

Cs2 (C2H4)=27,9+0,067*Т.

Cs1 (C2H4) = 5,72+0,1304*306−0,0447*10−3*3062=41,4370 кДж/кмоль*град.

Cs2 (C2H4) =27,9+0,067*306=48,402кДж/кмоль*град.

Cs (C2H4) =Cs1 (C2H4)+Cs2 (C2H4)=89,8400 кДж/кмоль*град.

M (C2H4) = 11 126,250/28=397,3660кмоль/ч.

Q1(C2H4)=397,3660кмоль/ч*89,8400кДж/кмоль*град*3060=10 924 004,6006 кДж/ч Бутен-1.

Q1С4Н8 = MС4Н8 *CС4Н8*t.

Cs (С4Н8) = 0,504+0,270*Т-0,0952*10−3*Т2 кДж/кмоль*град [Бесков].

T= 273+27 = 300K.

Cs (С4Н8) = 0,504+0,270*300−0,0952*10−3*3002=72,934 кДж/кмоль*град.

M (С4Н8) = 311,750/56=5,5670кмоль/ч.

Q1(С4Н8) = 5,5670кмоль/ч*72,934кДж/кмоль*град*3000=121 807,0734кДж/ч Водород.

Q1(H2) = M (H2) *C (H2) *t.

Cs (H2) = 28,8+0,276*Т+1,17*10−6*Т2 кДж/кмоль*град [2,с.249].

Cs (H2)=27,2+0,0038*Т.

T= 273+28 = 301К.

Cs1 (H2) = 28,8+0,276*301+1,17*10−6*3012=28,7770 кДж/кмоль*град.

Cs2 (H2)=27,2+0,0038*301=28,3438 кДж/кмоль*град.

Cs (H2) =Cs1 (H2)+Cs2 (H2)=57,1208 кДж/кмоль*град.

M (H2) = 6,020/2=3,0100кмоль/ч.

Q1(H2) = 3,0100кмоль/ч*57,1208кДж/кмоль*град*3010=51 752,0160кДж/ч Азот.

Q1(N2) = M (N2)*C (N2)*t.

Cs (N2) = 26,4+0,760*Т-1,445*10−6*Т2 кДж/кмоль*град [2,с.249].

T=273+30 = 300К.

Cs (N2) = 26,4+0,760*300−1,445*10−6*3002=28,5701 кДж/кмоль*град.

M (N2) = 1659,15/28=59,2553кмоль/ч.

Q1(N2) =59,2553кмоль/ч*28,5701кДж/кмоль*град*3000=512 957,7434кДж/ч Катализатор S-2.

Q1(sio2)=M (sio2)*C (sio2)*t.

SiO2=11,92ккал/град*кмоль.

1кал/г*град=4,1868кмоль/кг*град.

Q1(sio2)=2,365*4,1868*301=2980,4363 кДж/ч.

Q1-циркуляционного газа Этилен.

Cs1 (C2H4) = 5,72+0,1304*Т-0,0447*10−3*Т2 [2,с.249].

Cs2 (C2H4) =27,9+0,087*Т.

T= 273+24 = 297K.

Cs1 (C2H4) = 5.27+0,1304*297−0,0447*10−3*2972=40,0560кДж/кмоль*град.

Cs2 (C2H4)=27,9+0,087*297=53,740кДж/кмоль*град.

Cs (C2H4) = Cs1 (C2H4) + Cs2 (C2H4) =93,796кДж/кмоль*град Бутен-1.

Cs (С4Н8) = 0,504+0,270*Т-0,0952*10−3*Т2 [2,с.249].

Cs (С4Н8) = 0,504+0,270*297−0,0952*10−3*2972=72,2966 кДж/кмоль*град.

M (С4Н8) = 29 250,000/56=522,3214кмоль/ч.

Q1(С4Н8)=72,2966кДж/кмоль*град*522,3214кмоль/ч*2970=11 215 332,2141кДж/ч Водород.

Cs1 (H2) = 28,8+0,276*Т+1,17*10−6*Т2 [2,с.249].

Cs2 (H2) =27,2+0,0038*T.

Cs1 (H2) = 28.8+0.276*297+1.17*10−6*2972=29.7230кДж/кмоль*град.

Cs2 (H2) =27,2+0,0038*297=28.3286.

Cs (H2) = Cs1 (H2)+Cs2 (H2) =58.0516кДж/кмоль*град.

M (H2) = 8775,000/2=4387,5кмоль/ч.

Q1(H2) 58,0516*4387,5*297=75 646 314,315кДж/ч Азот.

Cs (N2) = 26,4+0,760*Т-1,445*10−6*Т2 [2,с.249].

Cs (N2) = 26,4+0,760*297−1,445*10−6*2972=28,5696кДж/кмоль*град.

M (N2) = 2925,000/28=104,4642кмоль/ч.

Q1 (N2) =28,5696*104,4642*297=886 396,6212кДж/ч.

Q1=6 404 596,282кж/ч.

Q1цирк.газа=541 123 651,0082+11 215 332,2141+75 646 314,315+86 396,6212=628 871 694,1585 кДж/ч Рассчитаю физические и химические превращения протекающие в данном аппарате-Q2-теплота экзотермической реакции полимеризации этилена:4160 кДж/кг [Бесков ].

Q2=10 750*4160=44 720 000кДж/ч Расчет расходной части теплового баланса.

Рассчитаю теплоту выходящую из аппарата с продуктами реакции полиэтилена порошка Q4.

Удельная теплоемкость полиэтилена порошка равна 2,15кмоль/кДж*град.

Q4=M*C*t [Бесков].

Порошок:

T=273+96 = 369 К.

Q4=10 750*2,15*96=2 218 800кДж/ч.

Q4Циркуляционного газа Этилен.

Cs1 (C2H4) = 5,72+0,1304*Т-0,0447*10−3*Т2 [2,с.249].

Cs2 (C2H4)=27.9+0.087*T.

Cs1 (C2H4)=5,27+0,1304*369−0,0447*10−3*369=47,3013кДж/кмоль*град.

Cs2 (C2H4)=27,9+0,08…

V = H*S.

H = V/S.

V = Vсек * ф сек= 8*10 = 80 м³.

S = рD2/4 = 3,14*8,35/4 = 6,55 м².

H = Vсек * ф сек/S = 80 /6,55 =12,2 м Расчет толщины стенки цилиндрической части реактора Толщину стенки рассчитываем по формулам [9,с. 6]:

S1? S1p + C (7.02).

S1p = РR/2*ц*у * 0,5P.

Где, Rрадиус кривизны в вершине днища, рассчитывают по формуле:

R = D2/4H.

Где, D — внутренний диаметр цилиндрической части, м;

Н — внутренняя высота выпуклой части днища, без учета отбортовки, м.

Для стандартных днищ R= D, тогда:

S1p = 2,13*3000/2*1*104,8−0,5*2,13 = 32,1 мм.

S1 = S1p + C = 32,1+2 =34,1 мм Принимаем исполнительную толщину стенки цилиндрической части реактора 35 мм.

Расчет эллиптического днища нагруженного внутренним избыточным давлением.

Рис. 2. Днище реактора нагруженное избыточным давлением

Толщину стенки рассчитываем по формулам [9,с. 6]:

S1? S1p + C (7.03).

S1p = РR/2*ц*у * 0,5P.

Где, Rрадиус кривизны в вершине днища, рассчитывают по формуле:

R = D2/4H.

Где, D — внутренний диаметр цилиндрической части, м;

Н — внутренняя высота выпуклой части днища, без учета отбортовки, м.

Для стандартных днищ R= D, тогда:

S1p = 2,13*3000/2*1*104,8- 0,5*2,13 = 32,1 мм.

S1 = S1p + C = 32,1+2 =34,1 мм Принимаем исполнительную толщину эллиптического днища нагруженную избыточным давлением 35 мм.

Выполняем поверочный расчет толщины эллиптического днища по формулам:

S-C/D? 0,1 (7.04).

• 35−2/3000 = 0,011
• 0,011 > 0,1

Неравенство выполняется, значит толщина эллиптического днища выполнена правильно.

Расчет диаметра гладкой конической обечайки без тороидального перехода Для расчета диаметра гладкой конической обечайки принимаем D = 7000 мм б = 10о.

Dк = D — 1,4*а1 *sinб1 (7.05).

где, а1-расчетная длина переходной части;

а1= 0,7 *vD/cosб1*(S-C).

а1= 0,7*v3000/0,985 *(35−2) = 10,024 мм.

Dк =3000−1,4*10,024*0,174 = 5230,08 мм Принимаем диаметр гладкой конической обечайки 5500 мм по ГОСТ 9617–76.

Высота гладкой конической обечайки будет равна 4560мм[10,с.3].

Расчет толщины гладкой конической обечайки нагруженной избыточным давлением.

Sк? Sк. р+С (7.06).

Sк.р=PD/2* цp* [у]-p*1/ cosб1.

Sк.р=(2,13*3000/2*134*1−2,13)*1/0,985=23,77 мм.

S = Sк. р + C = 23,77+2 =25,77 мм Принимаем толщину гладкой конической обечайки 28 мм Расчет толщины сферической крышки:

S1? S1р+С (7.07).

Где, S1р= PR/2* цp* [у]-0, 5*p.

S1р=1,8*5500/2*134*1−0,5*1,8=37,06 мм.

S = Sр + C =37,06+2=39,06 мм Высота сферической крышки будет равна 2750 мм Расчет высоты эллиптического днища: [ГОСТ 9931−85].

L+S=H (7.08).

H=910+35=945мм.