Расчет на эвм реактора идеального вытеснения для проведения эндотермических процессов
РАСЧЕТ НА ЭВМ РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Методические указания к лабораторной работе
РПК
«Политехник»
Волгоград
2008 г.
УДК 536.629
Расчет на ЭВМ реактора идеального вытеснения для проведения эндотермических процессов: метод. указ. к лабораторной работе / сост.:
А.Б. Голованчиков, Н.А. Дулькина, А.В. Ильин, А.А. Шагарова; Волгоград. гос. техн. ун-т. - Волгоград, 2008. - 20 с.
Приведена методика расчета реактора идеального вытеснения с конденсирующимся паром в межтрубном пространстве для обогрева реакционной массы в трубках трубного пучка. Даны таблицы с исходными и справочными данными и расчетными параметрами и их величинами в контрольном примере расчета.
Работа выполняется в процессе изучения дисциплин «Математическое моделирование стационарных систем в химической технологии», «Моделирование объектов и систем».
Предназначены для студентов, обучающихся по направлениям 240100 «Химическая технология и биотехнология» и 150400 «Технологические машины и оборудование».
Табл. 4, рис. 3, Библиогр.: 6 назв.
Рецензент Г.В. Рябчук
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
© Волгоградский государственный
технический университет, 2008
ВВЕДЕНИЕ
Реакторы идеального вытеснения широко применяются в химической и нефтехимической промышленности, а также в близких к ним отраслям производства: фармакологической, пищевой, микробиологической.
Основной проблемой при расчете и проектировании таких реакторов является определение диаметра и числа трубок в трубном пучке, обеспечивающих расчетный объем и поверхность теплопередачи для заданной степени конверсии, кинетике химической реакции, тепловом эффекте (положительной энтальпии реакции) и производительности [1-4].
I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Изучить методику расчета кожухотрубчатого реактора идеального вытеснения для проведения эндотермических процессов.
2. Научиться выбирать справочные данные по учебной и научной литературе и подбирать стандартные реакторы [1] по результатам расчетов.
3. Уметь иллюстрировать проводимые расчеты в виде схем и графиков.
4. Делать выводы по результатам расчетов на ЭВМ и выбирать оптимальные технологические режимы и геометрические размеры реактора.
II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.
Рассчитать технологические параметры и геометрические размеры трубок трубного пучка реактора идеального вытеснения и их число по заданной производительности, степени конверсии основного реагирующего компонента, его тепловому эффекту реакции (положительной энтальпии реакции) и заданной дифференциальной кинетической зависимости в виде степенного уравнения [6] для средней температуры реакционной массы:
.
III. ПРИМЕР РАСЧЕТА
Рассчитать кожухотрубный реактор идеального вытеснения для эндотермической реакции этерификации метанола уксусной кислотой с образованием метилацетата и воды.
Стехиометрическое уравнение химической реакции имеет вид [2]
,
.
Общий порядок реакции n=2. Константа скорости реакции описывается уравнением [4]
.
Выбираем температуру реакционной массы в реакторе так, чтобы она была ниже температуры кипения самого легколетучего компонента реакционной массы. Этот компонент – продукт реакции – метилацетат с температурой кипения 
°С [3]. Принимаем температуру реакционной массы в реакторе 
°С. Тогда константа скорости численно равна 
.
Так как концентрация исходных веществ и продуктов реакции в водном растворе незначительна, то физические свойства реакционной массы выбираем как соответствующие физическим свойствам воды при средней температуре
°С.
Исходные и необходимые справочные данные для расчета кожухотрубного реактора идеального вытеснения для эндотермической реакции этерификации метанола уксусной кислотой с образованием метилацетата и воды приведены в таблице 1.
IV. ИСХОДНЫЕ И СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ
Таблица 1-Исходные и справочные данные программы РИВД
| № | Наименование параметра | Размер-ность | Обозначения | Величина | |
| в учебной литер. | в программе | ||||
| Исходные параметры | |||||
| 1. | Производительность по реакционной массе | м3/час | qv | qv | 3,6 |
| 2. | Начальная концентрация реагирующего компонента А | мольА/м3 | CAO | Ca0 | |
| 3. | Степень конверсии | - | cAK | xak | 0,94 |
| 4. | Температура реакционной массы на входе в реактор | оС | tн | tn | 13/100 |
| 5. | Температура реакционной массы на выходе из реактора | оС | tк | tk | |
| 6. | Константа скорости реакции при средней температуре | - | k | k | 0,05 |
| 7. | Порядок реакции | - | n | n | |
| Справочные данные | |||||
| 1. | Тепловой эффект эндотермической реакции (энтальпия) [2] |  | qt | qt | |
| 2. | Плотность реакционной массы при средней темпе-ратуре в реакторе tр [3] | кг/м3 | ρ | ro | |
| Вязкость реакционной массы при 0 °С [3] | Па×с | μ0 | Vi0 | 1,79×10-3 | |
| Температурный коэффициент вязкости реакционной массы [3] | К-1 | α | a | 0,023 | |
| Теплоемкость реакционной массы [3] |  | Cp | cp | 4,18 | |
| Теплопроводность реакционной массы [3] |  | λ | la | 0,63 | |
| Коэффициент объемного расширения реакционной массы [3] | К-1 | β | be | 3,7×10-5 | |
| Температура насыщенного водяного пара, подводимого в межтрубное пространство [3] | °С | td | td | 132,9 | |
| Давление насыщенного водяного пара [3] | атм | pd | pd | ||
| Удельная теплота конденсации пара [3] |  | rd | rd | ||
| Плотность конденсата пара при температуре конденсации td [3] | кг/м3 | ρd | rod | ||
| Динамическая вязкость конденсата греющего пара [3] | Па×с | μd | vid | 2×10-4 | |
| Теплопроводность конденсата греющего пара [3] |  | λd | lad | 0,686 | |
| Длина труб трубного пучка | м | l | l | ||
| Толщина стальной стенки трубы | м | δ | de | 0,0025 | |
| Теплопроводность стальной стенки трубы | | λc | lac | 17,2 | |
| Термическое сопротивление ржавчины, накипи, солевого камня и т.д.) |  | rc | rc | 1,75×10-4 | |
| Коэффициент теплопередачи |  | Кt | kt | 115,4 |
VII. Содержание отчета.
1. Титульный лист с названием работы.
2. Таблицы исходных и справочных данных и расчетных параметров.
3. Таблица 3 с результатами варьирования заданногоKt и расчетного Ktpкоэффициентов теплопередачи и таблица 4.
4. Рисунки 1, 2 и 3, а также рисунок 4, которые должны быть построены студентами самостоятельно по данным таблиц 3 и 4.
5. Методика расчета с основными расчетными формулами.
6. Выводы по результатам работы, которые должны включать пункты, описывающие рассчитанные технологические параметры (расход, давление и температуру) греющего пара и геометрические параметры кожухотрубчатого реактора (число трубок, их длину, внутренний диаметр, толщину стенок, площадь поверхности теплопередачи и внутренний объем).
Примечание. Титульный лист, таблицы 1 и 2 (без величины параметров), методику расчета с основными расчетными формулами и рисунок 1 студенты должны принести на лабораторную работу подготовленными заранее.
VIII. Вопросы и заданиЯ для самостоятельной работы
1. Почему в кожухотрубчатых реакторах пар подводится в межтрубное пространство, а реакционная масса в трубки трубного пучка?
2. Почему величина средней движущей силы не зависит от направления потоков: прямотока или противотока?
3. Напишите уравнение теплового баланса и получите из него уравнение (5) для расхода конденсирующегося пара. Что в этом уравнении характеризует коэффициент 1,03?
4. Из дифференциального степенного кинетического уравнения 
получите интегральное кинетическое уравнение (2).
5. Объясните физический смысл удельной теплоты конденсации rd.
6. Объясните физический смысл теплового эффекта эндотермической реакции qt.
7. Что характеризует число Re?
8. Что характеризует число Pr?
9. Что такое число Прандтля стенки?
10. Что учитывает отношение чисел Прандтля к Прандтлю стенки?
11. Выведите формулу (10) для расчета числа Рейнольдса реакционной массы в трубке трубного пучка, исходя из общего выражения для числа Рейнольдса 
.
12. Выведите уравнение для расчета внутреннего диаметра трубок трубного пучка при известном объеме реакционной массы в трубах и поверхности теплопередачи.
13. Почему на входе в трубку реакционная масса может уменьшать температуру ниже начальной температуры tн, если идет эндотермическая реакция (рисунок 2)?
14. Почему заданный коэффициент теплопередачи Kt может быть несколько меньше (а не больше) расчетного коэффициента теплопередачи Ktp (таблица 3)?
15. Нарисуйте по данным таблицы 3 график зависимости расчетного коэффициента теплопередачи Ktp от заданного Kt. Покажите на этом графике точку в которой Kt =Ktp. Нарисуйте график последнего уравнения (биссектриса).
16. Дайте графическую интерпретацию данных таблицы 4. Объясните как происходит уравнивание удельных тепловых мощностей конденсирующегося пара и реакционной массы.
17. Что характеризует число Грасгофа? Дайте его физический смысл. Для какого режима течения учитывается его значение при расчете числа Нуссельта?
18. Постройте графики зависимости дифференциальной и интегральной кинетической кривых по заданному степенному уравнению 
и отметьте на последней рабочую точку, соответствующую концентрации реакционной массы на выходе CAK и среднему времени пребывания τс .
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.1. – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. – 852 с.
2. Общие основы химической технологии. Перевод с польского П.Г. Романковым и М.И. Курочкиной. Л.: Химия, 1977, 504 с.
- Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987.
- Смирнов Н.Н., Волжинский А.И. Химические реакторы в примерах и задачах. – Л.:Химия, 1978, 259 с.
- Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. – М.: Химия, 1979.
- Голованчиков А.Б., Симонов Б.В. Применение ЭВМ в химической технологии и экологии. Учебное пособие. Часть 5. Химические процессы и реакторы. – Волгоград: РПК «Политехник», 1998.
Составители: Александр Борисович Голованчиков
Наталия Александровна Дулькина
Александр Валентинович Ильин
Анжелика АнатольевнаШагарова
РАСЧЕТ НА ЭВМ РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Методические указания к лабораторной работе
РПК
«Политехник»
Волгоград
2008 г.
УДК 536.629
Расчет на ЭВМ реактора идеального вытеснения для проведения эндотермических процессов: метод. указ. к лабораторной работе / сост.:
А.Б. Голованчиков, Н.А. Дулькина, А.В. Ильин, А.А. Шагарова; Волгоград. гос. техн. ун-т. - Волгоград, 2008. - 20 с.
Приведена методика расчета реактора идеального вытеснения с конденсирующимся паром в межтрубном пространстве для обогрева реакционной массы в трубках трубного пучка. Даны таблицы с исходными и справочными данными и расчетными параметрами и их величинами в контрольном примере расчета.
Работа выполняется в процессе изучения дисциплин «Математическое моделирование стационарных систем в химической технологии», «Моделирование объектов и систем».
Предназначены для студентов, обучающихся по направлениям 240100 «Химическая технология и биотехнология» и 150400 «Технологические машины и оборудование».
Табл. 4, рис. 3, Библиогр.: 6 назв.
Рецензент Г.В. Рябчук
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
© Волгоградский государственный
технический университет, 2008
ВВЕДЕНИЕ
Реакторы идеального вытеснения широко применяются в химической и нефтехимической промышленности, а также в близких к ним отраслям производства: фармакологической, пищевой, микробиологической.
Основной проблемой при расчете и проектировании таких реакторов является определение диаметра и числа трубок в трубном пучке, обеспечивающих расчетный объем и поверхность теплопередачи для заданной степени конверсии, кинетике химической реакции, тепловом эффекте (положительной энтальпии реакции) и производительности [1-4].
I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Изучить методику расчета кожухотрубчатого реактора идеального вытеснения для проведения эндотермических процессов.
2. Научиться выбирать справочные данные по учебной и научной литературе и подбирать стандартные реакторы [1] по результатам расчетов.
3. Уметь иллюстрировать проводимые расчеты в виде схем и графиков.
4. Делать выводы по результатам расчетов на ЭВМ и выбирать оптимальные технологические режимы и геометрические размеры реактора.
II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.
Рассчитать технологические параметры и геометрические размеры трубок трубного пучка реактора идеального вытеснения и их число по заданной производительности, степени конверсии основного реагирующего компонента, его тепловому эффекту реакции (положительной энтальпии реакции) и заданной дифференциальной кинетической зависимости в виде степенного уравнения [6] для средней температуры реакционной массы:
.
III. ПРИМЕР РАСЧЕТА
Рассчитать кожухотрубный реактор идеального вытеснения для эндотермической реакции этерификации метанола уксусной кислотой с образованием метилацетата и воды.
Стехиометрическое уравнение химической реакции имеет вид [2]
,
.
Общий порядок реакции n=2. Константа скорости реакции описывается уравнением [4]
.
Выбираем температуру реакционной массы в реакторе так, чтобы она была ниже температуры кипения самого легколетучего компонента реакционной массы. Этот компонент – продукт реакции – метилацетат с температурой кипения °С [3]. Принимаем температуру реакционной массы в реакторе °С. Тогда константа скорости численно равна .
Так как концентрация исходных веществ и продуктов реакции в водном растворе незначительна, то физические свойства реакционной массы выбираем как соответствующие физическим свойствам воды при средней температуре
°С.
Исходные и необходимые справочные данные для расчета кожухотрубного реактора идеального вытеснения для эндотермической реакции этерификации метанола уксусной кислотой с образованием метилацетата и воды приведены в таблице 1.
IV. ИСХОДНЫЕ И СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ
Таблица 1-Исходные и справочные данные программы РИВД
| № | Наименование параметра | Размер-ность | Обозначения | Величина | |
| в учебной литер. | в программе | ||||
| Исходные параметры | |||||
| 1. | Производительность по реакционной массе | м3/час | qv | qv | 3,6 |
| 2. | Начальная концентрация реагирующего компонента А | мольА/м3 | CAO | Ca0 | |
| 3. | Степень конверсии | - | cAK | xak | 0,94 |
| 4. | Температура реакционной массы на входе в реактор | оС | tн | tn | 13/100 |
| 5. | Температура реакционной массы на выходе из реактора | оС | tк | tk | |
| 6. | Константа скорости реакции при средней температуре | - | k | k | 0,05 |
| 7. | Порядок реакции | - | n | n | |
| Справочные данные | |||||
| 1. | Тепловой эффект эндотермической реакции (энтальпия) [2] | | qt | qt | |
| 2. | Плотность реакционной массы при средней темпе-ратуре в реакторе tр [3] | кг/м3 | ρ | ro | |
| Вязкость реакционной массы при 0 °С [3] | Па×с | μ0 | Vi0 | 1,79×10-3 | |
| Температурный коэффициент вязкости реакционной массы [3] | К-1 | α | a | 0,023 | |
| Теплоемкость реакционной массы [3] | | Cp | cp | 4,18 | |
| Теплопроводность реакционной массы [3] | | λ | la | 0,63 | |
| Коэффициент объемного расширения реакционной массы [3] | К-1 | β | be | 3,7×10-5 | |
| Температура насыщенного водяного пара, подводимого в межтрубное пространство [3] | °С | td | td | 132,9 | |
| Давление насыщенного водяного пара [3] | атм | pd | pd | ||
| Удельная теплота конденсации пара [3] | | rd | rd | ||
| Плотность конденсата пара при температуре конденсации td [3] | кг/м3 | ρd | rod | ||
| Динамическая вязкость конденсата греющего пара [3] | Па×с | μd | vid | 2×10-4 | |
| Теплопроводность конденсата греющего пара [3] | | λd | lad | 0,686 | |
| Длина труб трубного пучка | м | l | l | ||
| Толщина стальной стенки трубы | м | δ | de | 0,0025 | |
| Теплопроводность стальной стенки трубы | | λc | lac | 17,2 | |
| Термическое сопротивление ржавчины, накипи, солевого камня и т.д.) | | rc | rc | 1,75×10-4 | |
| Коэффициент теплопередачи | | Кt | kt | 115,4 |