Практическая работа №4

Тема: Расчет реактора полимеризации

Цель: Рассчитать реактор полимеризации

Теоретические основы

     Полимеризацию этилена проводят в реакторах двух типов; в трубчатых змеевиковых аппаратах или в автоклавах с мешалками.

     Реактор змеевикового типа является аппаратом идеального вытеснения, он конструктивно проще автоклавного, но неравномерность распределения инициатора (кислорода) и изменение температуры по длине реакционной зоны приводят к получению полиэтилена с широким интервалом молекулярной массы. В реакторе автоклавного типа за счет интенсивного перемешивания реакционной массы тепловой режим более благоприятен, часть выделяющегося тепла расходуется на нагревание этилена до нужной температуры. Благодаря малому перепаду температур в реакторе автоклавного типа получается более однородный по молекулярной массе полиэтилен.

Задание

Рассчитать реактор полимеризации этилена змеевикового типа

Рисунок 4.1 Схема для расчета зоны реакции

Варианты заданий

Давление в реакторе Р = 150МПа.

Начальная температура этилена t_э = 35⁰С.

Температура этилена в начале зоны реакции t₁= 180⁰С.

Температура этилена в точке промежуточного ввода t₂= 240⁰С.

Температура этилена на выходе из зоны реакции t_к=200⁰С.

Порядок выполнения работы

• Ø Расход этилена на входе в реактор в кг/ч:

      G_п × 100

                                           G_э = ───── ,                                      (1)

      У

где G_п – производительность реактора по полиэтилену, кг/ч;

        у – конверсия этилена, масс.%.

• Ø Объем паров этилена V(м³/ч) определяется по формуле:

      G_э × 22,4 × Т × Р₀ × z 

                                   V = ──────────────,                            (2)

М × 273 Р

где G_э – расход этилена, кг/ч;

        Т – абсолютная температура (Т= t₁ + 273) ;

        Р – давление в реакторе, МПа;

        Р₀ – атмосферное давление, МПа (Р₀= 0,1013МПа);

        М – молекулярный вес;

        z – коэффициент сжимаемости (z =0,7).

• Ø Диаметр труб реактора определяют по формуле:

                             d =1,128× ,                                     (3)

где V- объем паров, м³/с;

       u – допустимая линейная скорость движения паров, м/с (и = 3,0м/с).

• Ø Сечение труб (м²) определяют по формулу:

      p d²

                                            S = ────                                          (4)

   4

• Ø Тепловой баланс зоны реакции

• ·Приход тепла, ккал/ч:

üС этиленом при температуре начала реакции t₁

Qэ_н = Gэ₁× I э₁,

где Gэ₁ – количество этилена, подаваемого в начальное сечение

       реактора, кг;

       I э₁ – энтальпия этилена при температуре в начале зоны реакции t₁.

Gэ₁ = Gэ₂ = Gэ/2

I  = (129,58 + 0,134Т + 0,00059Т²)× (4 - d) – 308,99,  [кДж/кг]       (5)

d= d+ 5а,

где а – средняя температурная поправка (а = 0,000633);

 d=0,91- 0,93 (плотность ПЭВД)

1калория = 4,185 Дж.

üС холодным этиленом при температуре t_э

Qэ₂ = Gэ₂ × I э,

где Gэ₂ – количество этилена, подаваемого в промежуточное сечение реактора, кг/ч;

I э – энтальпия этилена при начальной температуре этилена t_э (рассчитывают по формуле 5 при температуре t_э).

üТепловой эффект реакции

Q_р = G_п × q_р,

где q_р – тепловой эффект реакции, ккал/кг (q_р = 994,03 ккал/кг).

Всего входит тепла

Q_пр = Qэ_н + Qэ₂ + Q_р

Расход тепла, ккал/ч:

üС этиленом

Qэ_к = (G_э - G_п)× I э_к,

где I э_к – энтальпия этилена при температуре на выходе из зоны реакции t_к (рассчитывают по формуле 5 при температуре t_к).

üС полиэтиленом

Q_п = G_п × с_п × t_к,

где с_п – теплоемкость полиэтилена, ккал/кг×⁰С (с_п = 0,55 ккал/кг×⁰С)

üОтводится водой через рубашку Q

Всего выходит тепла

Q_вых = Qэ_к + Q_п + Q

     Из равенства прихода и расхода находим количество тепла Q, которое необходимо отвести водой через стенки реактора:

Q = Q_пр – (Qэ_к + Q_п)

     Для определения точки ввода холодного этилена составляем тепловой баланс II зоны. Для этого необходимо задаться конверсией этилена в первой и второй зоне у₁ и у₂.

у₁ = 12%; у₂ = 8%.

• ·Приход тепла, ккал/ч

üС этиленом I зоны

                         Qэ₁ = (Gэ₁ – G_п × )× I э₂,

где I э₂ – энтальпия этилена при температуре в точке промежуточного ввода t₂ (рассчитывают по формуле 5 при температуре t₂).

üС холодным этиленом Qэ₂ 

üТепловой эффект реакции

Q_р2 = G_п ×  × q_р

Всего входит тепла       Q_пр2 = Qэ₁ + Qэ₂ + Q_р2

• · Расход тепла, ккал/ч

üС этиленом Qэ_к

üС полиэтиленом Q_п

üОтводится водой через рубашку II зоны Q₂

Всего выходит тепла Q_{вых 2} = Qэ_к + Q_п +Q₂

Q_пр2 = Q_{вых 2}, находим Q₂

Q₂ = Q_пр2 – (Qэ_к + Q_п)

Определяем Q₁= Q - Q₂

• Ø Длина каждой секции змеевика определяется по формуле:

    Q₁                     Q₂

L₁ = ──── ;        L₂ = ──── ,

       k_L× θ_m                             k_L× θ_m

где k_L – линейный коэффициент теплопередачи (k_L = 130 ккал/м× ч ×⁰С);

       θ_m – средняя разность температур, ⁰С (θ_m= 60⁰С).

     Суммарная длина змеевика

L = L₁ + L₂

Контрольные вопросы:

1. В каких реакторах проводят полимеризацию этилена?

2. Что собой представляет трубчатый реактор змеевикового типа?

3. Назовите достоинства и недостатки змеевикового реактора?

4. Назовите достоинства и недостатки реактора автоклавного типа?