3.1.2 Расчет реактора синтеза эпоксидной смолы

Данные для расчета:

мощность установки	Gг = 2930 т/год;
годовой фонд рабочего времени	Т = 7200 ч/год;
предпочтительное время рабочего цикла	 = 16ч;
массы компонентов смеси в реакторе	см. табл.3.14.4.

Определение свойств реакционной массы

Массы компонентов, входящих в состав реакционной массы, их массовые доли и плотности при температуре 60С сводим в таблицу 3.5.

Массовые концентрации определяем по формуле:

x_i = m_i /m_i, (3.12)

где m_i – масса i-го компонента.

Плотность смеси определяем по формуле:

, (3.13)

Таблица 3.5 Состав и плотность реакционной массы

№ п/п	Наименование компонента	Масса mi, кг	Массовая доля xi	Плотность i, кг/м3	Литература
1 2 3 4	Эпоксидная смола Вода Хлорид натрия Глицерин	1000 461,86 392,51 118,36	0,507 0,234 0,199 0,060	1150 983 2350 1229	/2/ /13/ /13/ /13/
		1972,73	1	1230	

Динамический коэффициент вязкости смеси принимаем равным вязкости эпоксидной смолы ЭД-16 при 60С:  = 12 Пас .

Теплоемкость и теплопроводность смеси принимаем равными теплоемкости и теплопроводности смолы. В связи с отсутствием экспериментальных данных эти свойства смолы определяем по эмпирическим формулам.

Теплоемкость смолы определяем по формуле /11, с.208/:

, (3.14)

где C_i – атомная теплоемкость химических элементов, входящих в состав смолы, Дж/(гатК);

n_i – число атомов соответствующих элементов;

М = 507,56 – молекулярная масса смолы.

Для углерода, водорода и кислорода в составе жидкого вещества атомные теплоемкости равны соответственно 11,72; 17,99; 25,1 Дж/(гатК). Количественная формула смолы имеет вид С₂₁Н₂₄О₄[C₁₈H₂₀O₃]_n, где n = 0,59 –коэффициент поликонденсации смолы.

Подставляем численные значения в формулу (3.14):

с = [(21 + 180,59)11,72 + (24 + 200,59)17,99 + (4 + 30,59)25,1]/507,56 =

= 2,28 Дж/(гК) = 2280 Дж/(кгК)

Коэффициент теплопроводности смолы при 20С определяем по формуле /11, (XVI.2)/:

, (3.15)

где А = 0,42210^–17 – коэффициент для неассоциированных жидкостей.

Коэффициент теплопроводности смолы при t = 60С определяем по формуле /11, с.325/:

 = ₂₀[1 + (t – 20)], (3.16)

где  = –0,0012 – среднее значение коэффициента изменения теплопровод­ности.

 = 0,146[1 – 0,0012(60 – 20)] = 0,139 Вт/(мК)

Определение объема и числа реакторов

Наибольшая степень заполнения реактора имеет место при проведении третьей стадии водно-толуольных промывок.

Доля воды, подаваемой на третью промывку, составляет _III = 28% от общего количества подаваемой воды. Тогда масса воды при m_в = 1200 кг по формуле (3.4) составит:

m_вIII = 0,281200 = 336 кг/т смолы

Глицерин и NaCl отводятся из толуольного раствора смолы с водой; их масса на третьей стадии промывок при m_г = 118,36 кг/т,:

m_гIII = 0,28118,36 = 33,14 кг/т смолы

m_сIII = 0,28392,51 = 109,90 кг/т смолы

Часть толуола (m_т.п = 30,25 кг/т) также отводится с водой. Масса толуола при m_т = 2200 кг/т составляет:

; (3.17)

Массы компонентов, входящих в состав смеси, их массовые доли и плотности при температуре 60С сводим в таблицу 3.6. Массовые концентрации определяем по формуле (3.12), плотность смеси определяем по формуле (3.13).

Таблица 3.6 Состав и плотность смеси при третьей стадии промывок

№ п/п	Наименование компонента	Масса mi, кг	Массовая доля xi	Плотность i, кг/м3	Литература
1 2 3 4 5	Эпоксидная смола Толуол Вода Хлорид натрия Глицерин	1000 2191,53 336 109,9 33,14	0,272 0,597 0,092 0,030 0,009	1150 828 983 2350 1229	/2/ /13/ /13/ /13/ /13/
		3670,57	1	934	

Объем смеси в реактора в расчете на 1т готовой смолы:

V_III = m_III/_III, (3.18)

где m_III =3670,57 кг/т – масса смеси;

_III = 934 кг/м³ – плотность смеси.

V_III = 3670,57/934 = 3,93 м³/т

Число реакторов определяем, исходя из условия:

, (3.19)

где _ц – коэффициент полезного действия цикла, определяемый по формуле:

; (3.20)

Принимаем число реакторов z = 2.

Масса смолы, получаемой за один цикл работы реактора:

, (3.21)

Объем смеси в реакторе при максимальной загрузке составляет:

V_ж = V_IIIG_оп; (3.22)

V_ж = 3,933,66 = 14,4 м³

Принимаем максимальную степень заполнения реактора  = 0,85.

Номинальный объем реактора:

V_н = V_ж/ ; (3.23)

V_н = 14,4/0,85 =16,9 м³

Принимаем значение объема реактора из стандартного ряда значений:

V_н = 16 м³

Степень заполнения реактора:

 = V_ж/V_н; (3.23а)

 = 14,4/16 = 0,9

Принимаем значение диаметра реактора из стандартного ряда:

D = 2,2 м

Определяем размеры и частоту вращения мешалки.

Принимаем диаметр мешалки из стандартного ряда значений диаметров /4, табл.7/:

d_м = 1400 мм = 1,4 м

Ширина лопасти мешалки /4, с.41/:

b = 0,2d_м ; (3.24)

b = 0,21,4 = 0,28 м

Согласно рекомендациям /4, табл.9.1/ окружная скорость мешалки w = 3,816 м/с. Принимаем w = 4,5 м/с.

Частота вращения мешалки составит:

; (3.25)

Принимаем значение частоты вращения мешалки из стандартного ряда /4, табл.9/:

n = 63 об/мин = 1,05 с^–1

Тогда окружная скорость составит:

w = d_мn (3.26)

w = 3,141,41,05 = 4,62 м/с