Порядок проведения лабораторной работы

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

2 Цель лабораторной работы

1) Рассчитать загрузку винилхлорида, воды и стабилизатора эмульсии в реактор-полимеризатор объемом V =80 м³ для получения суспензионного ПВХ агрегативного типа со среднемассовым размером частиц δ_П = 100 мкм по следующим данным:

- коэффициент заполнения реактора φ = 0,6;

- диаметр аппарата D = 3,8 м;

- диаметр мешалки d_м = 1,89 м;

- высота лопасти мешалки b =0,15 м;

- частота вращения мешалки n = 1,96 с^-1;

- водный модуль загрузки (вода:ВХ) m = 1,35;

- стабилизатор эмульсии - метилоксипропилцеллюлоза (МЦ).

Порядок выполнения работы

1) Количество загружаемой жидкости в реактор

V_ж = φV = 0,6·80 = 48 м³

Из материального баланса загрузки жидкой фазой

V_ж = V_в + V_м = V_в + V_вp_в/ mp_м

находим объем загружаемой воды

V_в= V_ж/(1 + p_в/ mp_м),

где V_в,V_ж -объемы загружаемых количеств воды и мономера ВХ соответственно; p_в,p_м- плотность воды и жидкого мономера ВХ при температуре загрузки.

Приняв температуру загрузки 20°С, имеем V_в=48/(1+998/(1,35·910))   = 26,48 м²

Загрузка мономера ВХ составляет V_м = V_ж — V_в = 48–26,48=21,52 м³ или по массе G_м= V_мp_м =21,52 · 910 = 19579 кг.

Объемная доля мономера в жидкой фазе

=0,45

Плотность жидкой фазы
р = р_мФ + р_в(1 -Ф) = 910 · 0,4775 + 998( 1 - 0,4775) = 955,98 кг/м³.
Величину коэффициента межфазного натяжения на границе раствор МЦ - ВХ можно принять σ = 6 · 10³ Н/м. Тогда число Вебера

Предельный диаметр капель эмульсии мономера но уравнению δ*_М=0,064We^-0.6(1+2Ф)d_М (где We = pn²d³_М/σ- число Вебера; Ф - объемная доля дисперсной фазы в эмульсии) составит

Определим высоту уровня жидкости в реакторе Н₀. По данным [5], эллиптическое днище диаметром 3 800 мм и толщиной стенки 16-25 мм имеет объем V_Д = 8,06м³ и высоту Н_Д =1 030 мм, включая отбортовку. Объем цилиндрической части реактора, занятой жидкой фазой,

V_Ц=V_ж-V_Д=60-8,06=51,94м³ , а ее высота

Предельный диаметр капель полимеризующего ВХ δ_М =δ_пм за время разогрева реакционной массы до заданной режимной температуры (τ = 3600 с) рассчитаем по формуле

(где - геометрический параметр, характеризующий отношение объемов динамической зоны мешалки π /4 и перемешиваемой жидкости πD²H₀ в аппарате; b - высота лопасти мешалки; D- диаметр аппарата; H₀-высота уровня жидкости в реакторе), в которой геометрический параметр

откуда δ_пм= 24,3·10^-6 м.

Параметр агрегативной устойчивости

=4,12

Из графика зависимости k_A=f( ) (рис.1) находим величину комплексного параметра . В водном растворе МЦ среднеквадратичное расстояние между концами полимерной цепи составляет <r²>^0.5=44,7

Рисунок 1 – Зависимость отношения размеров частиц k_A=  от комплексного параметра

Тогда из соотношения   имеем

откуда число адсорбированных молекул МЦ на поверхности контакта V_M=1,22 – 1016 м.

Поверхностная концентрация макромолекул МЦ

где М= - молекулярная масса МЦ; N_A= - число Авогадро.

Начальную концентрацию МЦ в водном растворе находим из соотношения

Количество загружаемого стабилизатора эмульсии МЦ при заданных условиях составит

2) Проверка расчетов на калькуляторе

Рисунок 2 – Расчет загрузки компонентов

Вывод: В ходе лабораторной работы рассчитали загрузку винилхлорида, воды и стабилизатора эмульсии в реактор-полимеризатор объемом V =100 м³ для получения суспензионного ПВХ агрегативного типа.

Результаты расчетов сошлись с результатами расчетов на калькуляторе, за исключением некоторых значений, что может бытьсвязано с округлением некоторых чисел.

2. Цель лабораторной работы: Рассчитать производительность реактора полимеризации ВХ объемом V = 60 м³ при получении ПВХ с константой K_ф = 70. Расчеты выполнить по двум вариантам: при работе без обратного конденсатора и с ним.
Исходные данные:
- диаметр корпуса аппарата внутренний D = 3,6 м;
- материал стенки корпуса - сталь 1ОХ17Н1ЗМ2Т;
- толщина стенки корпуса δ= 18 мм;
- площадь поверхности теплообмена рубашки F_р = 86м²;
- поперечные размеры спирального канала рубашки:
- ширина а= 66 мм,
- высота h = 160 мм;
- количество отражателей П = 2;
- площадь теплообменной поверхности отражателей F_от= 8,5 м²;
- площадь поверхности теплообмена обратного конденсатора F_ок=74м²;
- частота вращения мешалки n = 1,96 с^-1;
- диаметр мешалки dм = 1,79 м;
- высота лопасти b = 0,15 м;
- радиус изгиба лопасти R = 0,66 м.

Порядок выполнения работы
1) Вариант 1
С учетом уменьшения объема реакционной массы в процессе превращения ВХ в полимер и с целью увеличения выхода продукта с одной загрузки реактора принимаем коэффициент заполнения φ= 0,85; степень конверсии X=0,9 и минимально допустимую величину водного модуля m= 1,2. При этих условиях выход продукта G₁, с одной операции полимеризации ВХ, составит

где р_м = 911 кг/м³ и р_B = 998 кг/м³ - плотность жидкого мономера ВХ и воды соответственно при температуре загрузки 20°C

Количество тепла, выделившегося в течение одной операции полимеризации,

где q_п = 92,18 • 103 /М - 92,18 • 103 / 62,5 = 1475 кДж/кг - удельная теплота реакции полимеризации винилхлорида.

Тепловой поток через стенку корпуса рассчитаем при наиболее неблагоприятных условиях процесса: максимальной интенсивности тепловыделения и минимальном коэффициенте теплопередачи, которые имеют мест при степени конверсии X = 0,7.

Для расчета теплового потока по уравнению Q_p=KFΔt_cp величину площади поверхности теплопередачи Р примем равной сумме площадей поверхности рубашки F_p = 86 м² и отражателей F_ОT = 8,5 м² с учетом того, что снижение уровня реакционной массы по мере превращения ВХ в ПВХ компенсируется подъемом уровня жидкости при образовании воронки.

В качестве теплоносителя (хладоагента) принимаем захоложенную воду при температуре θ_Н=5°С, нагреваемую в рубашке реактора до температуры θ_К=10°С. Температура полимеризационной среды при получении ПВХ с константой К_ф=70 составляет t_п=54°С. Средняя разность температур между реакционной массой в реакторе и теплоносителем в рубашке

Определим параметры уравнения Nu=α_ВD/λ=1,8CRe^0,63Pr^0,33μ/μ_ст, где С-коэффициент, зависящий от геометрических характеристик реактора и перемешивающего устройства:

С=(D/d_м)^-0,3(R/d_м)^0,15(b/d_м)^0,48(H₀/D)^0,45(2/П)^0,16

Геометрический параметр уравнения С, равен

критерий Рейнольдса

критерий Прандтля

критерий Нуссельта
Nu=1,8CRe^0.63Pr^0.33

и коэффициент теплоотдачи

коэффициент теплоотдачи для реакционной массы

Термические сопротивления стенки, согласно данным [3], следующие: коэффициент теплопроводности хромоникелевых сталей λ_ст= 17 Вт/(м•К), термические сопротивления загрязнений со стороны полимеризационной среды с учетом применения эффективной гидроочистки принимаем

r_з1 = 2,5 • 10^-4 м²К/Вт, со стороны охлаждающей воды (очищенной) -r_з2 =2• 10^-4 м²К/Вт. Общее термическое сопротивление стенки корпуса

Коэффициент теплоотдачи к охлаждающей воде в рубашке рассчитаем при средней температуре воды θ_ср=(θ_Н +θ_К)/2 = (5+10)/2 = 7,5°С и при температуре стенки, которую примем в первом приближении t_СТ2 = 15°С.

Скорость потока воды в канале рубашки примем максимально допустимой: w = 3 м/с. Тогда при эквивалентном диаметре канала

м
критерий Рейнольдса для воды в рубашке

критерий Прандтля при θ_ср и t_СТ2

Критерий Нуссельта

=1055
Коэффициент теплоотдачи

Коэффициент теплопередачи

 Вт
Проверим принятые значения t_СТ1и t_СТ2
Плотность теплового потока

Принимаем новые значения t_СТ1=41°С, t_СТ2=11°С и корректируем результаты расчета
-при t_СТ1=41°С µ_СТ1=0,646·10^-3 Па·с,

-при t_СТ2=11°С

/м²

что близко к вновь принятым значениям.

Таким образом, согласно уравнению теплопередачи Q_p=KFΔt_cp, теплообменная рубашка может обеспечить величину тепловой нагрузки реактора

Расход охлаждающей воды через рубашку:

-массовый
- объемный

Допустимый расход воды в канале рубашки

Число секций рубашки в реакторе

Принимаем число секций рубашки z = 3 с параллельной подачей в них охлаждающей воды. Уточняем скорость охлаждающей воды в канале:

Частью тепловой нагрузки теплообменной рубашки является мощность, затрачиваемая на перемешивание реакционной массы. Эту мощность рассчитаем, приняв удельную мощность перемешивания Е = 1 Вт/кг (для суспензионной полимеризации обычно принимают Е = 0,8 — 1,1 Вт/кг):

Коэффициент заполнения принимаем φ = 0,75 с учетом усадки реакционной массы при степени превращения X = 0,7, а плотность среды р = 1 090 кг/м³, согласно графику рис. 2. Тогда N = 1 • 80 • 0,75 • 1 090 = 6,5 • 10⁴ Вт.

Рисунок 3 – Зависимость физико-химических характеристик дисперсной системы от степени конверсии Х при суспензионной полимеризации ВХ: плотность  и вязкость

Максимальная скорость тепловыделения в реакторе исключительно за счет теплового эффекта реакции полимеризации составляет

плотность теплового потока

При концентрации инициатора 0,062% определим загрузку лиладокса в реактор

Общее время вспомогательных операций (загрузка, разогрев, выгрузка, промывка, чистка и т.д.) по производственным данным составляет τ_в= 4 ч. Годовой фонд рабочего времени реактора Т =330 суток, и число операций в год

Годовая производительность реактора G_p=G₁n=19956•1980=39,5·10⁶=39500 т/г.

2) Вариант 2

Рисунок 4 – Зависимость теплового потока в реакторе V=80 м² от времени полимеризации ВХ t при концентрации инициатора (лиладокс, % к ВХ): 1 – 0,062; 2 – 0,077; 3 – 0,14.

Как видно из графиков зависимости скорости тепловыделения

(рис. 3), довести вре­мя реакции полимеризации до 4 ч можно за счет увеличения дозы загружаемого инициатора лиладокса до 0,14% от массы загрузки винилхлорида. В этом случае максимальный тепловой ноток в реакторе V = 60 м3 составляет 2,7 • 10⁶ Вт.

При условиях загрузки воды и мономера по варианту 1 обратный конденсатор должен обеспечить отвод теплового потока в количестве

Тепловой поток подводится к ОК при массовой скорости испарения ВХ в реакторе

где r = 267 10³ Дж/кг - удельная теплота испарения при температуре полимеризации t_п = 54°С.

Давление насыщенного пара мономера ВХ, соответствующее температуре полимеризации t_п = 54°С, составляет [1]

р_н = 0,866 • 10⁶ Па = 0,866 МПа.

Плотность пара (газообразного ВХ) в реакторе

Объемный расход испаряемого винилхлорида

Скорость потока газообразного ВХ, приведенная к поперечному сечению реактора,

что меньше максимально допустимой скорости по условиям вспениваемости реакционной массы, равной 0,05 м/с [1,3, 13].
Реактор V = 60 м³ оборудован обратным конденсатором - теплообменником типа 800 ТКВ-25-М1-0/25-2-1 со следующими характеристиками [5]:
площадь поверхности теплообмена
по наружной поверхности трубок Fок=74 м²
диаметр труб d_н х δ = 25 х 2;
высота труб Н = 2 м;
площадь сечения трубного пространства STP = 0,161 м²;
площадь сечения межтрубного пространства Sмтр =0,079 м².
Скорость газообразного ВХ в трубах теплообменника

что меньше максимальной скорости w_тр =3,5 м/с [1] по условиям захлебывания.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося ВХ в трубном пространстве рассчитаем, поскольку типоразмер и характеристика теплообменника известны. Число труб в трубном пучке

Средний расход конденсата ВХ в трубах теплообменника

Принимаем в первом приближении разность температур между пленкой конденсата и стенкой трубы Δt< 40°С и определим физико-химические величины уравнения
при температуре конденсации t_кон =t_п=54°С
- коэффициент теплопроводности

- плотность жидкого ВХ,

- вязкость жидкого ВХ,
µ= 1,31 • 10^-4Па•с.

Коэффициент теплоотдачи при конденсации ВХ,

Термическое сопротивление стенки с учетом загрязнений (см. вариант 1)

При использовании захоложенной воды с начальной температурой

θ_н= 5°С и конечной θ_К = 10°С ее расход из уравнения теплового баланса составит

Объемный расход при средней температуре θ_ср=7,5°С

Скорость потока воды в межтрубном пространстве

Критерий Рейнольдса

Критерий Прандтля при средней температуре воды

Температуру стенки принимаем в первом приближении t_СТ2 =15°С. Критерий Прандтля

Критерий Нуссельта

коэффициент теплоотдачи к охлаждающей воде

Коэффициент теплопередачи

Средняя разность температур между конденсирующимся ВХ и охлаждающей водой

Плотность теплового потока

 т.е. пересчета не требуется

Принимаем новую температуру t_СТ2 = 18°С и корректируем результаты расчета:

,что близко к вновь принятому значению

Поскольку величины коэффициентов теплоотдачи α₁ и α₂ одного порядка, уточним рабочую площадь теплообменной поверхности теплообменника, пересчитав ее по среднему диаметру труб:

Тогда расчетная тепловая нагрузка, которую может обеспечить обратный конденсатор, составит  что больше требуемой тепловой нагрузки Q_ок с запасом

При длительности рабочего цикла реактора τ_ц = τ+ τ_в = 4 + 4 = 8ч и годовом фонде рабочего времени Т = 330 суток годовая производительность реактора

2) Проверка расчетов на калькуляторе тренажера

Рисунок 5 – Расчет производительности реактора – полимеризатора без обратного конденсатора

Рисунок 6 – Расчет производительности реактора – полимеризатора с обратным конденсатором

Вывод: В результате этой лабораторной работы рассчитали производительность реактора полимеризации ВХ объемом V = 60 м³ при получении ПВХ с константой K_ф = 70.

Расчеты выполнили по двум вариантам: при работе без обратного конденсатора и с ним. Результаты расчетов полностью сошлись с результатами расчетов на калькуляторе. Вывод, расчеты выполнены верно.

3) Цель лабораторной работы: Используя интерактивную

функциональную схему автоматизации виртуальной лабораторной работы смоделировать автоматизированную систему управления процессом полимеризации винилхлорида согласно предоставленному варианту, подобрав средства автоматизации в соответствии с базой данных, исходя из соответствия их характеристик.

Исходные данные: Создайте автоматизированную систему управления процессом полимеризации винилхлорида на базе контроллера Modicon M340 и включающую датчики давления Сапфир-22-ДИ-Ех в контурах контроля и регулирования давления.

Рисунок 7 – Проверка на правильность заполнения контура (выбор сделан неправильно)

Рисунок 8 – Проверка на правильность заполнения контура (выбор сделан неправильно)

Выводы:Используя интерактивную функциональную схему автоматизации виртуальной лабораторной работы смоделировали автоматизированную систему управления процессом полимеризации винилхлорида на базе контроллера Modicon M340 и включающую датчики давления Сапфир-22-ДИ-Ех в контурах контроля и регулирования давления, подобрав средства автоматизации в соответствии с базой данных, исходя из соответствия их характеристик.

Мною была выбрана позиция 14-1 (измерения, отображение давления в реакторе Р201, с выдачей регулирующего сигнала). Для этой позиции был выбран регулирующий орган – регулирующий шаровой клапан LD, в результате чего проверка оказалась верной. Но при выборе регулирующего органа – клапан шаровой GH100-12 проверка была выполнена неверно.

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Тактические действия в защите

История Олимпийских игр

История развития права интеллектуальной собственности