Исследование энергетических затрат при работе

Изотермического реактора с мешалкой

Большинство процессов химического превращения различных веществ в химической технологии осуществляются в специальных аппаратах – химических реакторах. Реактор является главным аппаратом технологической установки. Оборудование, установленное до химического реактора и после него, служит лишь для подготовки исходного сырья или выделения (обработки) готового продукта.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение конструкции и принципа работы изотермического реактора периодического действия с мешалкой, опытное и теоретическое определение мощности, затрачиваемой на перемешивание.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во всех реакторах имеют место определенные физические процессы (гидродинамческие, тепловые и диффузионные), с помощью которых создаются оптимальные условия проведения химических процессов.

Для осуществления физических этапов процесса химические реакторы имеют в своей структуре простые аппараты или элементы аппаратов: мешалки; теплообменники; контактные устройства (тарелки, насадки и т.д.).Таким образом, химический реактор можно рассматривать как комплексный аппарат, состоящий из определенных сочетаний простых аппаратов или элементов аппаратов.

Наиболее часто химические реакторы классифицируют по следующим критериям: непрерывность работы; тепловой режим и режим движения реакционной среды; фазовое состояние реагентов; конструктивные особенности.

По принципу организации различают: реакторы периодического действия; непрерывного действия; полупериодического действия.

По режиму движения реакционной среды:

1) реакторы идеального (полного) смешения (рис. 1);

2) реакторы идеального (полного) вытеснения (рис. 2);

3) промежуточного типа - реальные.

 

 

 

Рис. 2.1 – Схема реактора Рис. 2.2 – Схема реактора

идеального смешения идеального вытеснения

 

Аппарат идеального смешения – это аппарат с мешалкой, через который непрерывно проходит поток. Мощность мешалки такова, что поступающая жидкость мгновенно равномерно перемешивается со всей массой, уже находящейся в аппарате.

Аппарат идеального вытеснения характеризуется тем, что поток в нем движется равномерно. Все частицы жидкости имеют одинаковую скорость и, следовательно, одинаковое время пребывания. Фронт потока движется, как твердый поршень. Поэтому аппараты идеального вытеснения называют еще аппаратами с поршневым течением.

По тепловому режиму:

1) изотермические реакторы – работают при постоянной температуре реакционной массы, которая поддерживается за счет подвода или отвода тепла из зоны реакции. Внешние конструктивные признаки такого аппарата – наличие устройств для подвода или отвода тепла (теплообменники, рубашки, змеевики и т.д.);

2) адиабатические реакторы – без отвода тепла из зоны реакции. Внешние конструктивные признаки – наличие изоляции;

3) политропические – промежуточного типа.

По фазовому состоянию реагентов: гомогенные (если реакция проводится в одной фазе); гетерогенные (если вещества в реакторе находятся в различных агрегатных состояниях).

По конструктивным признакам: типа реакционной камеры; колонны; теплообменники; печи.

В настоящей работе изучается химический реактор периодического действия полного перемешивания с якорной мешалкой, изотермический с теплообменом через рубашку, гомогенный – типа автоклава.

 

а) б) в) г)

 

 

Рис. 2.3. Схемы конструкций мешалок:

а) – турбинной, б) – пропеллерной, в) – якорной, г) – лопастной.

 

Затраты энергии при работе такого реактора складываются из:

1. затрат энергии на перемешивание реагентов;

2. энергетических затрат на изменение температуры реагентов, то есть на их нагрев или, иногда, охлаждение.

Перемешивание и гомогенизация реагентов являются необходимым условием для обеспечения высокой производительности реактора. Приспособления для перемешивания имеют разнообразные конструктивные формы в зависимости от агрегатного состояния реагентов. Для жидких реагирующих сред наиболее распространено механическое перемешивание с помощью мешалок различного типа. Схемы некоторых мешалок (лопастной, турбинной, якорной и др.) представлены на рис. 2.

Наиболее просты по устройству и дешевы в изготовлении лопастные мешалки. К этому типу мешалок, кроме собственно лопастных, относятся также мешалки якорные, рамные и листовые.

Якорные мешалки используются для перемешивания невысоковязких жидкостей (μ ≤ 10^-2 Н·с/м²) в аппаратах, обогреваемых с помощью рубашек или змеевиков, в тех случаях, когда возможно выпадение осадка или загрязнение теплопередающей поверхности. Они имеют форму, соответствующую форме внутренней поверхности аппарата, и диаметр, близкий к внутреннему диаметру аппарата. При вращении такие мешалки очищают стенки и дно аппарата от налипающих загрязнений.

Мощность перемешивающих устройств рассчитывается с помощью теории подобия. При этом в связи со сложностью явления возможно получение различных соотношений между величинами, определяющими протекание процесса в натуре и модели, в зависимости от того, по какому из параметров процесса происходит моделирование. Наиболее подробно изучено моделирование по величине потребляемой мощности. В этом случае в качестве основного параметра, по которому моделируется процесс перемешивания, выбирают критерий мощности К_N, который представляет из себя модифицированный критерий Эйлера:

(2.1)

Если учесть, что для мешалки:

, , (2.2)

получим:

(2.3)

где N – мощность, затрачиваемая на перемешивание, [ Вт ]; ρ – плотность перемешиваемой жидкости, [ кг/м³ ]; n – скорость вращения мешалки, [ об/сек ]; d – диаметр мешалки, [ м ].

Критерий мощности в общем случае может быть определен как:

(2.4)

где - модифицированный критерий Рейнольдса; - модифицированный критерий Фруда; Г₁, Г₂ …- симплексы геометрического подобия.

Если в аппарате имеются отражательные перегородки, что позволяет избежать образования воронки при перемешивании, влиянием критерия Фруда на коэффициент мощности можно пренебречь. В этом случае для геометрически подобных аппаратов и мешалок затрачиваемая на перемешивание мощность определяется лишь величиной критерия Рейнольдса. График зависимости к_N = f(Re) для якорной мешалки приведен на рисунке 4.

 

Рис. 2.4. График зависимости к_N = f(Re_M) для якорной мешалки