Таблица 9.11. Расчет теплоемкости по методу Джонсона-Хуанга

Группа	a	b·102	c·104	d·106
¾CH3	1.787	9.138	-0.3612	0.00465
¾CH2¾	-0.779	9.389	-0.5287	0.01147
=CH2	2.771	7.409	-0.3659	0.00699
=CH¾	-1.000	6.961	-0.4420	0.01088
C6H5¾	-31.71	46.08	-3.0516	0.07539
ºCH	8.443	5.860	-0.4843	0.01473
¾CH=	-21.987	16.27	-1.8418	0.06367
½		11.85		0.02767
¾CH	-8.129		-0.9548
½
¾CH2—C6H5	-8.945	10.35	-0.5002	0.00829
¾CH2—C5H4	-9.703	10.34	-0.5417	0.01076
½		15.41		0.04111
¾C¾	-19.49		-1.4865
½
>C=	-0.224	5.618	-0.4266	0.01143

Более точным является метод Джиаколоне:

Lèñï .ê =	RTêðTê ln(10 ЧPêð )	,
	Têð − Tê

где – Ткр и Ркр –критические температура (К) и давление (МПа). Энтальпию плавления можно приближенно определить по формуле

Lпл=56,5Тпл, где Lпл – энтальпия плавления, Дж/моль;

Тпл – температура плавления, К.

Для органических соединений соотношение между энтальпиями испа-

рения и плавления имеет вид

Lпл ≈ 0,356Lисп.к.

9.6. РАСЧЕТ РЕАКТОРА ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

В общем случае технологический процесс в реакторе периодического действия протекает в несколько стадий. Если предполагается химическую реакцию проводить в изотермическом режиме, то условно можно весь процесс разделить на следующие этапы:

1.Подготовка реактора к загрузке реагентов.

2.Загрузка реагентов в реактор.

3.Доведение условий проведения реакции (температуры, давления и т. д.) до заданных.

219

4. Проведение химического процесса до заданной глубины превраще-

ния.

5.Доведение условий выгрузки продуктов реакции (температуры, давления и т. д.) до заданных.

6.Подготовка реактора к выгрузке продуктов реакции.

7.Выгрузка продуктов реакции из реактора.

График такого условного технологического процесса в реакторе периодического действия можно проиллюстрировать рис. 9.3.

При поверочном расчете реактора должны быть известны времена проведения всех стадий, начальные и конечные температуры в реакторе, достигаемые степени превращения и, естественно, масса загружаемых компонентов. Задачей такого расчета является определение теплонапряженности каждой стадии с дальнейшим расчетом достаточности поверхности теплопередачи для нормального ведения процесса.

На основе известных данных, уравнений реакций и кинетических закономерностей для каждой стадии составляется система материальных и тепловых балансов, из которых рассчитывается количество передаваемого тепла. По расходу этого тепла можно рассчитать либо максимально потребную поверхность теплопередачи, либо расход теплоносителя, либо его начальную и конечную температуру.

Рис. 9.3. К тепловому расчету реактора периодического действия

Рассмотрим на примере графика на рис. 9.3 порядок расчета многостадийного периодически действующего реактора для простой реакции первого порядка А=В. Допустим, что известны: времена протекания стадий τ1−τ7, температуры Т1–Т4 и степени превращения ключевого компонента А в конце третьей стадии – ХА1, в конце четвертой стадии – ХА2 и в конце пятой стадии – ХА3. Кроме того, известны все физико-химические свойства компонентов и энтальпия реакции Н. Зависимость константы скорости реакции от температуры выражается известной функцией k=k(T).

220

1-ая стадия. Эта стадия технологического расчета не требует, так как основной ее параметр – время протекания – определен расчетным заданием.

2-ая стадия. Здесь возможно снижение или увеличение температуры загружаемых реагентов за счет теплообмена с материалом реактора. Запишем уравнение теплового баланса

	mrCrT1 + N A0CATA = (mrCr + N A0CA )T2 ;
	T = mrCrT1 + N A0CATA .
	2	mrCr + N A0CA
Здесь	mr и Cr – масса и теплоемкость материала реактора;

NA0 и CA – число молей компонента А и его теплоемкость. Таким образом, определена начальная температура в реакторе Т2.

3-я стадия. На этой стадии происходит доведение температуры процесса до заданной - Т3. Допустим, что реакция эндотермична ( Н – положительна) и требуется нагрев реакционной смеси. Из уравнения баланса тепла определяется количество тепла, необходимое для нагревания реакционной смеси

Q1 = N A0 X A1 H + (N A0CA (1 − X A1 ) + N A0 X A1CB )(T3 − T2 ).

Среднее значение теплового потока третьей стадии (Вт) выразится

	уравнением	Q1
	q =		.
	1	τ 3 − τ 2

Имея значение теплового потока, можно определить расход теплоносителя. Определяя известными методами коэффициент теплопередачи по заданным температурам теплоносителя и реакционной смеси, можно найти поверхность теплопередачи на рассматриваемом этапе технологического процесса:

S1 = K1q1Tñð .

4-ая стадия. Здесь протекает изотермический процесс при постоянном коэффициенте теплопередачи. В этом случае уравнение баланса тепла будет

Q2 = N A0 (X A2 − X A1) H .

Значение теплового потока выразится также формулой

q2	=		Q2	.
		τ 4
			− τ 3

Требуемая поверхность теплообмена в этом случае будет равна

S2 = K2q2Tñð .

5-ая стадия. На этом этапе происходит охлаждение реакционной смеси с затуханием химической реакции. Уравнение баланса тогда выразится формулой

Q3 = N A0 (X A3 − X A2 ) H + (N A0CA (1 − X A3 ) + N A0 X A3CB )(T4 − T3 ).

221