Home - Rasfoiesc.com
Educatie Sanatate Inginerie Business Familie Hobby Legal
Meseria se fura, ingineria se invata.Telecomunicatii, comunicatiile la distanta, Retele de, telefonie, VOIP, TV, satelit




Aeronautica Comunicatii Constructii Electronica Navigatie Pompieri
Tehnica mecanica

Tehnica mecanica


Index » inginerie » Tehnica mecanica
PROIECT REACTOARE - Modelul fizic al reactorului


PROIECT REACTOARE - Modelul fizic al reactorului


UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI

FACULTATEA DE CHIMIE APLICATA SI STIINTA MATERIALELOR

PROIECT REACTOARE



CUPRINS

1. Tema de proiect

2. Locul si rolul reactorului in schema de proiectare

3. Modelul fizic al reactorului

4. Dimensionarea tehnologica a reactorului

4.1. Dimensionarea geometrica

4.2. Alegerea si calculul puterii agitatorului

4.3. Verificarea ariei de transfer termic a reactorului

4.4. Calculul diametrelor racordurilor

5. Modelul matematic al reactorului. Analiza dimensionala a ecuatiilor modelului matematic

6. Programul de calcul si simularea comportari in functioare a reactorului

7. Analiza rezultatelor obtinute.Concluzii

8. Fisa tehnica a reactorului

9. Bibliografie

10. Materialul grafic al proiectului (format A4)

  1. Tema de proiect

Sa se proiecteze un reactor de fabricare a polimetilmetacrilatului de metil prin procedeul de polimerizare in suspensie. Datele initiale de proiectare sunt urmatoarele

Capacitatea de productie: 3200 tone/an polimetacrilat de metil;

Conversia metacrilatului de metil: 85%;

Temperatura de reatie: 700C;

Raportul apa monomer

Concentratia de initiator in monomer: peroxid de benzoil 2,1%

Concentratia de stabilizator in apa: alcool polivinilic 0,3%.

2. Locul si rolul reactorului in schema de proiectare

Schema procesului tehnologic de polimerizare in suspensie a metacrilatului de metil este redata in figura 1:

 

Intr-o autoclava 8 se introduc succesiv din vase de masura 6 si 7 apa distilata si monomer adus din rezervorul 1 prin coloanele 2, 4 si condensatorul 5; ulterior printr-un racord se introduce manual stabilizatorul. Se agita 10-20 de minute, dupa care se introduc plastifiantul, colorantul si initiatorul dizolvat in monomer.

Autoclavele industriale sunt confectionate din otel antiacid; ele au o capacitate de 1-10 m3 si sunt prevazute cu manta si agitator tip lopata sau turbina ce functioneaza dupa necesitate 150-300 rot./min. .

Autoclava trebuie proiectata pentru regim de lucru pentru 3-5 at. ; ea este prevazuta si cu o gura de vizitare pentru curatirea agitatorului si a partii sale interioare.

Trimitand abur in manta, temperatura se ridica la 70-750C; datorita exotermicitatii reactiei, dupa 40-60 minute, temperatura mediului se ridica la 80-850C. Temperatura de regim se mentine prin introducerea apei sau a aburului prin manta. Controlul polimerizarii se face prin determinarea periodica a cantitatii de monomer nereactionate. Procesul necesita 2-4 ore.

Prin intermediul unui vas tampon 9 suspensia este trimisa la o centrifuga 10 din otel inoxidabil; tot aici se fac spalari in vederea indepartarii stabilizatorului. Uscarea perlelor se face cu aer cald intr-un uscator tip tambur 11. Perlele uscate se omogenizeaza prin valtuire 12; aici se adauga plastifiant si eventual colorant. Foile scoase de pe valt se macina intr-o moara cu ciocane 13, iar pulberea rezultata ce cerne 14.

In timpul reactiei se poate intampla sa se piarda stabilitatea suspensiei si deci exista pericolul ca reactia sa se desfasoare necontrolat, in bloc. In cazul in care se observa acest lucru se mareste turatia agitatorului si se adauga o cantitate suplimentara de emulgator. Daca suspensia nu se stabilizeaza atunci amestecul de reactie se goleste rapid in groapa de avarii.

Pentru separarea perlelor din amestecul de reactie exista doua posibilitati: sistemul hidrocicloanelor care sunt prevazute in final cu o centrifuga sau filtrare pe filtre nuce.

Uscarea polimerului se poate realiza si pneumatic, cu aer cald, la temperatura de 70-1000C.

Polimerul uscat intra in extruderul granulator in care se pot introduce si platifianti si coloranti. Granulele obtinute sunt asortate pe sita vibratoare I trimise in buncarul de depozitare. Polimetilmetacrilatul granulat astfel obtinut este trimis la prelucrare in obiecte prin presare, injectie sau extrudere.

3. Modelul fizic al reactorului

In cazul metilmetacrilatului polimerizarea in suspensie se aplica in scopul obtinerii pulberilor de presare sau a granulelor care urmeaza a fi prelucrate prin injectie si a unor produse pentru proteze dentare; acestea din urma se obtin pe baza de polimetacrilat de metil sau copolimeri ai metacrilatului de metil cu stirenul sau acrilatul de metil.

Procesul de polimerizare cuprinde urmatoarele faze:

prepararea fazei organice,

polimerizarea,

separarea si spalarea polimerului,

uscarea,

granularea,

depozitarea si purificarea apelor mume si de spalare.

  Polimerizarea in suspensie a monomerilor acrilici se supune acelorasi legi ca si cea in masa, deosebindu-se de aceasta numai prin faptul ca ea se desfasoara in picaturile de monomer aflate in mediul apei. In acest caz se decurge la initiatori peroxidici (peroxid de benzoil, peroxid de benzoil-acetil, peroxid de acetil) sau compusi azo ca azoizobutironitril. Compusii azo se folosesc in cazul produselor colorate, deoarece ei nu descompun colorantii. In acest caz utilizam ca initiator peroxidul de benzoil cu o concentratie in monomer de 2,1 % .Un rol important il au stabilizatorii. Raportul faza apoasa-monomer, varieaza in mod obisnuit intre 2:1 si 3:1.

4. Dimensionarea tehnologica a reactorului

4.1. Dimensionarea geometrica

o      Numarul de sarje intr-un an:

Pentru obtinerea unei cantitati de 3200 tone/an de polimetilmetacrilat se va calcula numarul de zile lucratoare dintr-un an si respectiv numarul de sarje pe an.

Cpolimer=3200 tone/an

Tinand cont de zilele libere de sambata si duminica, zilele de sarbatoare, de reparatii si revizii dintr un an, vom obtine

104+30+8=142 de zile libere.

Respectiv 365-142=223 zile lucratoare intr-un an.

Stiind ca durata unei sarje este de 9 ore, rezulta:

=595 sarje/an => =5,38 tone/sarja

Productia de polimetilmetacrilat de va desfasura in 5 linii

=1,076 tone/linie

o      Volumul amestecului de reactie

Cpolimer=1,076 tone=1076 kg

-cantitatea de monomer: metilmetacrilat, mMMA:

mMMA===1260 kg

-cantitatea de apa, mapa

mapa=4*1260=5040 kg

-cantitatea de initiator: peroxid de benzoil, mPB:

mPB=mMMA*2,1% =1260*2,1%=26,46 kg

-cantitatea de stabilizator: alcool polivinilic, mAlc.Poliv.:

mAlc.Poliv.=mapa =5040*0,3%=15,12 kg

Fractiile masice ale apei si monomerului:

wapa=    wMMA=

wapa==0,8    wMMA==0,2

Densitatea apei si a monomerului:

ρapa=1000 kg/m3

ρMMA=940 kg/m3

Volumul amestecului de reactie:

Vam= => Vam= 5,04+1,34

Vam=6,38 m3

Volumul spatiului de reactie se calculeaza alegand un coeficient de umplere, φ

Vr= => Vr=

Vr=7,5 m3

o      Stabilirea diametrului D al reactorului se face alegand un raport s=H/D (coeficient de svelteta), unde H reprezinta inaltimea lichidului in vas si asimiland vasul cu un cilindru. Astfel daca se ia s=1,2 rezulta:

D==

D=2 m

Un calcul mai exact se poate face luand in considerare separat volumul partii cilindrice si al fundului:

V=Vc+Vf=

Unde s =Hc D, Hc fiind inaltimea partii cilindrice.

Se alege o forma tiosferica deoarece este recomandata din punct de vedere constructiv:

Vf=0,0809*D3

h=0,157*D=0,157*2=0,314 m

unde h reprezinta inaltimea lichidului in zona

Vr=(0,785*s +0,0809)*D3

Luand s`=1,2 rezulta:

D=

D=1,94 m

Diferentele intre cele doua sunt mici ele neinfluentand calculele, din punct de vedere tehnologic. Adoptand D=2 m se obtine s`=1,2, de unde Hc=s`*D=1,2*2=2,4 m

o      Inaltimea lichidului in recipient se determina conform relatiei:

Hl=Hl,c+h

Unde Hl,c reprezinta inaltimea in zona cilindrica

h inaltimea pentru zona fundului.

Hl,c=



Hl,c=

Hl,c=2,12 m

Hl=Hl,c+h

Hl=2,12+0,314=2,434 m

o      Suprafata de transfer termic disponibila corespunde inaltimii lichidului in recipient in partea cilindrica. Astfel:

AT=π*D*Hl,c=π*2*2,12=13,32 m2

4.2. Alegerea si calculul puterii agitatorului

o      Alegerea agitatorului

La reactoarele de polimerizare in suspensie se folosesc de obicei agitatoare de tip impeller sau turbina a caror actiune este sustinuta de elemente statice de promovare a turbulentei. Elementul principal in calcul il reprezinta diametrul cercului descris de agitator. Considerand un raport de similitudine d/D=0,3 rezulta:

d=0,3*2=0,6 m

Se considera o turatie de N=150 rot min.

Pentru alegerea agitatorului trebuie sa tinem cont de urmatoarele caracteristici:

-domeniul de vascozitate:

ηamMMAФapa1-Ф

η MMA=0,6 cP

η apa=0,406 cP

Ф=

Ф==0,21

ηam=0,60,21*0,4061 -0,21

ηam=0,89*0,49

ηam=0,436 cP

-turatie: n=150 rot min

-H/D=1,2

-d/D=0.3

-h/d=0,52

Conform rezultatelor obtinute se alege un agitator turbina disc cu palete plane.

o      Puterea agitatorului

Puterea de regim a agitatorului se calculeaza utilizand urmatoarea relatie:

Nreg=C∙d5-2∙m∙n3-m∙ρam1-m∙ηamm

In care:

Nreg - puterea de regim a agitatorului exprimat in W;

C,m -constantele agitatorului;

n - turatia exprimata in s-1;

d - diametrul agitatorului exprimat in m;

ρam - densitatea amestecului exprimata in kg m3;

ηam - vascozitatea amestecului exprimata in kg/m∙s .

ρam=

ρam=

ρam=987 kg/m3

ηam=0,436 cP=4.36∙10-4 kg/m∙s

n=150 min-1 = 150/60 s-1

C=3,9

m=0.2

Nreg=C∙d5-2∙m∙n3-m∙ρam1-m∙ηamm

Nreg=3,9∙0,65-2∙0,2∙9871-0,2∙(4,36∙10-4) 0,2

Nreg=255 W

Puterea de pornire:

Se alege un coeficient ω=3 care tine seama de frecarile dintre mediul de reactie si peretele reactorului:rugozitatea peretelui,spargatorul de valui,teaca termometrului.

Ppornire=3∙Nreg

Ppornire=3∙255

Ppornire=765 W

4.3. Verificarea ariei de transfer termic a reactorului

Pentru verificarea ariei de transfer termic se va aplica relatia ecuatiei de bilant termic a unui reactor cu functionare discontinua in regim nestationar

=(-ΔH)vRVamQT

Unde:

Cp reprezinta caldura specifica

T repezinta temperatura

m reprezinta masa totala din reactor

ΔHR reprezinta entalpia

vR reprezinta viteza de reactie

Vam reprezinta volumul de amestec

QT reprezinta caldura transferata agentului de racire

(-ΔH)vRVam=KTAT(T-Ta)

Unde:

KT reprezinta coeficientul total de transfer termic

Ta reprezinta temperatura apei de racire

o       Calculul vitezei de reactie

Viteza de reactie se calculeaza dupa urmatoarea relatie

vR=kpI1/2M

unde:

kp- constanta de propagare

f- factorul de eficacitate

kd- constanta de disociere

kt- constanta de transfer

I- concentratia initiatorului

M concentratia monomerului

Calcularea coeficientilor de viteza

constanta de propagare:

kp=Ape-Ep/RT

Factori preexponexiali si energia de activare pentru viteza de propagare au urmatoare valori:

Ap=2,646107 l/molmin

Ep=4350 cal/mol

R=1,98 cal/kmol

T=70+273=343 K

kp=2,646107


kp=4,374104 l/molmin

constanta de disociere:

kd= Ade-Ed/RT

Factori preexponexiali si energia de activare pentru viteza de disociere au urmatoare valori:

Ad=1,0141016 min-1

Ed=30000 cal/mol

R=1,98 cal/kmol

T=70+273=343 K

kp=1,0141016


kp=6,63310-4 min-1

constanta de terminare:

kt= Ate-Et/RT

Factori preexponexiali si energia de activare pentru viteza de terminare au urmatoare valori:

At=3,9109 l/molmin

Et=700 cal/mol

R=1,98 cal/kmol

T=70+273=343 K

kt=3,9109


kt=1,391109 l/molmin

Calcularea concentratiei de initiator si monomer

concentratia de initiator

I0=

Unde:

Io-concentratia initia initiala de initiator

mPB-masa de peroxid de benzoil

Vam- volumul de amestec

MPB- masa moleculara de peroxid de benzoil

I0=

I0=0,017 mol/l

I=I0e- kdt

Se alege un timp de t=80 min.

I=0,017

I=0,016 mol/l

constanta globala de reactie

kg=kpI01/2

Se alege un factor de eficacitate, f=0,5

kg=4,3741040,0171/2

kg=4,3741046,9110-70,13

kg=0,0039

concentratia de monomer

M0=

Unde:

Mo-concentratia initia initiala de monomer

mMMA-masa de metilmetacrilat

Vam- volumul de amestec

MMMA- masa moleculara de metilmetacrilat

M0=

M0=1,97 mol/l

ln=- kg( -1)

ln= - 0,0039( -1)

ln=0,307

=e0,307 => =1,36 => M==1,44 mol//l

Viteza de reactie

vR=kpI1/2M

vR=4,3741040,0161/21,44

vR=4,3741046,9110-70,131,44

vR=5,6510-3 mol/lmin

o       Calcularea caldurii generata de reactia de polimerizare:

Qg=(-ΔHr)vRVam

Qg=138005,6510-36,38103

Qg=497448,6 cal/mim=29,84103 kcal/h

o       Calculul coeficientilor partiali de transfer termic



Debitul apei de racire (ΔTa=100C):

Da=

Da=

Da=12,48103 kg/h

Mantaua se construieste avand in vedere ca diametrul ei interior sa fie cu 50 mm mai mare decat diametrul exterior al reactorului. Daca grosimea reactorului este t=20 mm, atunci diametrul exterior este De=2+20,02=2,04 m. Se ia astfel constructiv Dm=2,1 m.

Diametrul echivalent este:

de=Dm-De

de=2,1-2,04

de=0,06 m

calculul coeficientului partial de transfer termic apa de racire perete reactor α1:

Viteza de curgere a apei:

w=

w=

w=0,0177 m/s

Criteriul Reynolds va fi:

Re=

Unde:

w-viteza de curgere a apei, m/s

de-diametrul echivalent, m

ρa-densitatea apei, kg/m3

ηa- vascozitatea apei, kg/ms

Re=

Re=1187,9

Criteriul Prandtl, la 250 are valoarea Pr=6,2.

Pentru calculul coeficientului α1 se incearca mai intai o formula valabila in cazul transmiterii caldurii prin convectie fortata la curgerea de-a lungul unei suprafete plane

Re < 5105    Nu=0,66Re0,5Pr0,33

Nu=0,661187,90,56,20,33

Nu=41,39

Avand Nu 41,39, λ=0,606 si l=Hl,c=2,12 rezulta

α1=Nu=41,39=11,58 W/m2K

Aceste valori sunt foarte mici si in consecinta se incearca formule care iau in consideratie efectul convectiei libere. Astfel in cazul transmiterii prin convectie naturala la suprafetele verticale plane sau cilindrice se cunoasc relatiile

Nu=0,56(GrPr)0,25 pentru GrPr < 108

Nu=0,129(GrPr)0,33 pentru GrPr > 108

Temperatura de referinta pentru proprietati este temperatura peretelui, lungimea caracteristica fiind inaltimea zonei de transfer. In acest caz se poate considera intr-o prima aproximatie ca cei doi coeficienti sunt de acelasi ordin de marime si astfel diferentele de temperatura, mediu de reactie-perete si perete-apa de racire, sunt egale. Temperatura peretelui este astfel aproximata prin

Tp=+=25+=47,50C

Rezulta: ΔT=47,5-25=22,50C

Criteriul Grashoff este, pentru β=2,4110-4 K-1 :

Gr=βΔT

Unde:

g- acceleratia gravitationala

l=Hl,c - inaltimea in zona cilindrica

ρ- densitatea apei

η- vascozitatea apei

Gr=9,82,1232,4110-422,5

Gr=6,321011

Intrucat Prp=5,13 se obtine

Nu=0,129(GrPr)0,33 pentru GrPr > 108   

Nu=0,129(6,3210116,2)0,33

Nu=4,375103

De unde:

α1=Nu=4,375103=1225 W/m2K

α1=1225 W/m2K=1053 kcal/m2hK

calculul coeficientului partial de transfer termic mediul de reactie-perete reactor α2:

La inceputul reactiei in vas se afla o dispersie lichid lichid. Se poate considera o comportare pseudoomogena a acesteia, la care proprietatile se medieaza.

Criteriul Reynolds va fi:

Re=

n - turatia exprimata in s-1;

d - diametrul agitatorului exprimat in m;

ρam - densitatea amestecului exprimata in kg m3;

ηam - vascozitatea amestecului exprimata in kg/m∙s .

ρam=987 kg/m3

ηam=0,436 cP=0,436∙10-3 kg/m∙s

n=150 min-1 = 150/60 s-1

d=0,6 m

Re==2,016106

Criteriul Prandtl va fi:

Pr=

Pr=

Pr=3,04

Rezulta

Nu=0,36Re0,67Pr0,33

Nu=0,36(2,016106)3,040,33

Nu=8,702103

De unde:

α2===2201,6 W/m2K

α2=2201,6 W/m2K=1893 kcal/m2hK

o       Calculul coeficientului total de transfer termic,KT:

KT=

KT=

KT=636,73 kcal/m2hK

Dupa calcularea vitezei de reactie si a coeficientului de transfer termic, se verifica aria de transfer termic din relatia

(-ΔH)vRVam=KTAT(T-Ta)

De unde rezulta ca AT va fi egal cu

AT=

AT=

AT=17,361 m2

o       Calculul caldurii transmise de reactie de polimerizare

QT=KTATΔTm

QT=636,7317,3645

QT=5105 kcal/h

Avand QG= 0,2984105 kcal/h si QT=5105 kcal/h este deci indeplinita conditia QT>QG.

4.4. Calculul diametrelor racordurilor

a.Racord de alimentare a apei si monomerului in reactor

   

Se propune un timp de incarcare de 3000 s

Se calculeaza debitul volumetric

Se considera o viteza de alimentare si se calculeaza diametrul racordului

Dupa standard se alege un diametru exterior de 60 mm si o grosime a peretelui de 3 mm

b. Racordul de evacuare a suspensiei



Se calculeaza    volumul de polimer si de monomer dintr-o sarja la finalul reactiei

Se considera un timp de golire de 3000 s si o viteza de golire de 1 m/s

Dupa standard se alege un diametru exterior de 60 mm si o grosime de 4 mm

c. racorduri alimentare si evacuare apa de racire

Se calculeaza debitul volumetric al apei de racire

densitatea apei la 25 grade celsius este 999.7026

Se propune o viteza de alimentare

Diametrul racordurilor vor fi:

Dupa standard se alege un diametru exterior de 89 mm si grosime de 3.5 mm







Politica de confidentialitate





Copyright © 2023 - Toate drepturile rezervate

Tehnica-mecanica


Auto
Desen tehnic


Crerarea unui reper prin extrudare
Sinterizarea Selectiva cu Laser (SSL)
Sudarea otelurilor carbon si aliate
ELEMENTE DE TEORIA ELASTICITATII
MODELAREA, SIMULAREA SI IMPLEMENTAREA FIZICA A UNUI SISTEM PNEUTRONIC CU UN CILINDRU
Defectarea elementelor transmisiilor cu roti dintate
Clasificarea si simbolizarea rulmentilor
Caracterul de generalitate al metodei elementelor finite
INSTALATII DE UNGERE
Tehnologa de fabricatie de montaj pentru subansamblul camera de distributie




termeni
contact

adauga