РАСЧЕТ НА ЭВМ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ
Методические указания к лабораторной работе
РПК
«Политехник»
Волгоград
УДК 536.629
Расчет на ЭВМ экзотермического реактора идеального смешения: метод. указ. к лабораторной работе / сост.: А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина,
В. А. Козловцев, А. А. Шагарова; Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2006. – 18 с.
Приведен алгоритм расчета экзотермического реактора идеального смешения. Дана таблица идентификаторов с исходными и справочными данными и расчетными параметрами.
Работа выполняется в процессе изучения дисциплины «Математическое моделирование стационарных систем в химической технологии».
Предназначены для студентов дневной и вечерней форм обучения по направлениям 550800 «Химическая технология и биотехнология» и 551800 «Технологические машины и оборудование».
Ил. 4. Табл.3. Библиогр.: 7 назв.
Рецензент Г.В. Рябчук
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
© Волгоградский государственный
технический университет, 2006
I. ВВЕДЕНИЕ
Экзотермические реакторы идеального смешения широко применяются в химической и нефтехимической промышленности.
Основной проблемой при их расчете является определение поверхности рубашки и при необходимости поверхности змеевика, обеспечивающих отвод тепла реакции от реакционной массы к хладагенту [1-3].
II. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Изучить алгоритм расчета экзотермического реактора идеального смешения.
2. Научить студентов выбирать справочные данные по учебной и научной литературе и выбирать стандартные реакторы по результатам расчетов.
3. Уметь иллюстрировать проводимые расчеты в виде схем и графиков.
4. Делать выводы по результатам расчетов на ЭВМ.
III. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассчитать технологические параметры и геометрические размеры экзотермического реактора идеального смешения по заданной производительности, степени конверсии основного реагирующего компонента, тепловому эффекту реакции и зависимости концентрации основного реагирующего компонента от времени (интегральной кинетической кривой, рис.1) [4-6]. Исходные и необходимые справочные данные приведены в таблице 2.
Рис.1. Интегральная кинетическая кривая зависимости концентрации основного исходного компонента А от времени реакции.
Таблица 1. Исходные данные интегральной кинетической зависимости концентрации реагирующего компонента А от времени реакции (рис. 1), при рабочей температуре в реакторе.
| i | |||||||||
| t, с | |||||||||
| Са, моль/м3 | 15,6 | 11,7 | 9,3 | 7,3 | 5,8 | 4,8 | 3,9 |
| i | |||||||||
| t, с | |||||||||
| Са, моль/м3 | 3,3 | 2,9 | 2,6 | 2,3 | 2,0 | 1,7 | 1,3 | 0,9 | 0,5 |
Таблица 2. Результаты расчетов дифференциальной кинетической зависимости скорости реакции от концентрации при рабочей температуре в реакторе.
| Саc, моль/м3 | 18,8 | 13,65 | 10,5 | 8,3 | 6,55 | 5,3 | 4,35 | 3,6 | |
| υr, моль/м3×с | 1,6 | 0,975 | 0,6 | 0,5 | 0,375 | 0,25 | 0,18 | 0,12 |
| Саc, моль/м3 | 3,1 | 2,75 | 2,45 | 2,15 | 1,85 | 1,5 | 1,1 | 0,7 |
| υr, моль/м3×с | 0,0677 | 0,05 | 0,03 | 0,025 | 0,01875 | 0,016 | 0,0129 | 0,0093 |
Рис. 2. Дифференциальная кинетическая кривая (1) зависимости скорости реакции от концентрации реагирующего компонента А и рабочая линия (2) реактора идеального смешения.
Таблица 3. Исходные и справочные данные и расчетные параметры программы «ИPИC» [4-6].
| № | Наименование параметра | Размер- ность | Обозначение | Вели-чина | |
| в лекциях | в программе | ||||
| Исходные данные | |||||
| Производительность по реакционной массе | м3/час | qυ | qv | ||
| Начальная концентрация основного реагирующего компонента А | моль А/м3 | САО | са0 | ||
| Степень конверсии | - | cАК | хак | 0,92 | |
| Массив концентраций компонента А в интегральной кинетической зависимости | мольА/м3 | СА | сa(i) | см. табл. 1 | |
| Массив времени реакции в интегральной кинетической зависимости | с | τ | t(i) | см. табл. 1 | |
| Число точек в вышеназванных массивах | - | n | n | ||
| Температура реакционной массы на входе в реактор | °С | tН | tн | ||
| Справочные данные | |||||
| Рабочая температура реакционной массы в реакторе и на выходе из него | °С | tK | tk | ||
| Тепловой эффект реакции по компоненту А | кДж/моль А | qt | qt | ||
| Плотность реакционной массы при рабочей температуре | кг/м3 | ρ | ro | ||
| Вязкость реакционной массы при 0 °С | Па×с | μ0 | υi0 | 0,0005 | |
| Температурный коэффициент вязкости реакционной массы | К-1 | β | be | 0,062 | |
| Теплоемкость реакционной массы | кДж/кг×К | сР | ср | 3,920 | |
| Теплопроводность реакционной массы | Вт/м×К | λ | la | 0,62 | |
| Начальная температура хладагента (воды) на входе в рубашку | °С | tWH | twн | ||
| Конечная температура хладагента (воды) на выходе из рубашки | °С | tWK | twk | ||
| Теплоемкость хладагента (воды) | кДж/кг×К | сW | cw | 4,190 | |
| Вязкость хладагента (воды) при 0 °С | Па×с | μW | υiw0 | 0,001 | |
| Коэффициент вязкости хладагента (воды) | К-1 | βW | bew | 0,0057 | |
| Плотность хладагента (воды) при средней температуре в рубашке | кг/м3 | ρW | row | ||
| Теплопроводность хладагента (воды) при средней температуре | Вт/м×К | λW | law | 0,68 | |
| Ширина кольцевого сечения рубашки, в котором движется хладагент | м | δР | dp | 0,006 | |
| Толщина стальной стенки реактора | м | δС | dc | 0,006 | |
| Теплопроводность стальной стенки реактора | Вт/м×К | λС | lac | 46,2 | |
| Термическое сопротивление стенки рубашки (ржавчина, накипь, солевой камень) | 
| rC | rc | 0,00046 | |
| Относительный диаметр мешалки в реакторе идеального смешения | - | dОТ | dot | 0,3 | |
| Число оборотов промышленной мешалки | об/с | nM | nm | ||
| Расчетные параметры | |||||
| Конечная концентрация реагирующего компонента А | моль/м3 | САК | сак | 2,4 | |
| Массив средних концентраций компонента А для дифференциальной кинетической зависимости | моль/м3 | САС | сaс(i) | см. табл.2 | |
| Массив средних скоростей реакции компонента А для дифференциальной кинетической зависимости | моль/м3×с | υr | υr(i) | см. табл.2 | |
| Скорость химической реакции в реакторе идеального смешения, соответствующая конечной концентрации САК | моль/м3×с | υrк | υrk | 0,0267 | |
| Среднее время пребывания в реакторе идеального смешения | с | τCM | tcm | ||
| Среднее время пребывания в реакторе идеального вытеснения | с | τ В | tв | 56,67 | |
| Отношение объемов реактора идеального смешения и вытеснения | - | VOT | υot | 18,26 | |
| Объем реакционной массы в реакторе идеального смешения | м3 | VP | υP | 0,2875 | |
| Тепловая мощность реактора | кВт | Q | q | 10,58 | |
| Массовый расход хладагента в рубашке | кг/час | GW | gw | 605,9 | |
| Расчетный диаметр реактора | м | DА | da | 0,66 | |
| Высота цилиндрической части реактора | м | HA | ha | 0,66 | |
| Эквивалентный диаметр кольцевого зазора в рубашке | м | dЭ | dе | 0,012 | |
| Диаметр пропеллерной мешалки | м | DM | dm | 0,198 | |
| Площадь сечения кольцевого зазора рубашки | м2 | SM | sm | 0,0171 | |
| Вязкость реакционной массы при температуре в реакторе | Па×с | μ | υi | 0,0004 | |
| Вязкость хладагента при средней температуре в рубашке | Па×с | μW | υiw | 0,0009 | |
| Число Рейнольдса для реакционной массы в реакторе с мешалкой | - | Re | Re | 6,61×105 | |
| Число Прандтля реакционной массы | - | Pr | Pr | 25,45 | |
| Объемный расход хладагента | м3/с | QW | qw | 1,72×10-4 | |
| Скорость хладагента в рубашке | м/с | υX | υx | 0,0134 | |
| Число Рейнольдса для хладагента в рубашке | - | ReX | Rex | 175,8 | |
| Число Прандтля для хладагента в рубашке | - | PrX | Prx | 9,54 | |
| Средняя движущая сила по температуре | К | ΔtC | dtc | 16,37 | |
| Средняя температура хладагента | °С | tXC | txc | 18,6 | |
| Отношение чисел Прандтля для реакционной массы | - | 
| Pr0 | 0,957 | |
| Число Нуссельта для реакционной массы | - | Nu | Nu | ||
| Коэффициент теплоотдачи для реакционной массы | Вт/м2×К | α | al | 775,4 | |
| Отношение чисел Прандтля для хладагента | - | Pr0X | Pr0x | 1,035 | |
| Число Нуссельта для хладагента | - | NuX | Nux | ||
| Коэффициент теплоотдачи для хладагента | Вт/м2×К | αХ | alx | 880,1 | |
| Удельная тепловая мощность горячей реакционной массы | Вт/м2 | qГ | qg | ||
| Удельная тепловая мощность хладагента | Вт/м2 | qX | qx | ||
| Средняя удельная тепловая мощность | Вт/м2 | qC | qc | ||
| Температура реакционной массы на стенке реактора | °С | Х | х | ||
| Температура хладагента на стенке рубашки | °С | tW | tw | 24,80 | |
| Поверхность боковой цилиндрической стенки реактора | м2 | FC | fc | 1,37 | |
| Поверхность эллиптического днища реактора | м2 | FД | fd | 0,59 | |
| Общая поверхность стенки и днища реактора | м2 | FA | fa | 1,96 | |
| Необходимая расчетная поверхность теплопередачи | м2 | F | f | 1,95 | |
| Высота рубашки в реакторе | м | HP | hp | 0,66 | |
| Коэффициент теплопередачи | Вт/м2×К | Kt | kt | 331,6 |
IV. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА
экзотермического реактора идеального смешения [4-6]
1. Конечная концентрация реагирующего компонента А:
2. Численное дифференцирование интегральных кинетических данных (рис.1, табл.1) для определения зависимости скорости реакции от концентрации:
(рис. 2, табл. 2).
3. Среднее время пребывания реакционной массы в реакторе с мешалкой:
4. Среднее время пребывания в реакторе идеального вытеснения [рассчитывается для сравнения по интегральной кинетической кривой (рис.1)].
5. Отношение средних времен пребывания и объемов реакторов идеального смешения и вытеснения:
6. Объем реакционной массы в реакторе идеального смешения:
7. Тепловая мощность химического реактора:
8. Расход хладагента:
9. Диаметр реактора с эллиптическим днищем:
10. Высота стенки реактора «смоченной» реакционной массой:
11. Площадь стенки реактора «смоченной» реакционной массой:
12. Площадь эллиптического днища:
13. Общая поверхность реактора, включая стенки и днище:
14. Эквивалентный диаметр кольцевого зазора в рубашке:
15. Диаметр лопастей пропеллерной мешалки:
16. Площадь сечения рубашки:
17. Средняя движущая сила процесса теплопередачи:
18. Средняя температура хладагента:
19. Динамическая вязкость реакционной массы при ее температуре в реакторе:
20. Динамическая вязкость хладагента при его средней температуре в рубашке:
21. Число Рейнольдса для реакционной массы в реакторе с мешалкой:
22. Число Прандтля для реакционной массы в реакторе:
23. Объемный расход хладагента:
24. Средняя скорость хладагента в рубашке:
25. Число Рейнольдса для хладагента:
26. Число Прандтля для хладагента:
27. Температура накипи, ржавчины, солевого камня на стенке со стороны реакционной массы (рассчитывается методом половинного деления между температурами реакционной массы и средней температуры хладагента).
28. Отношение чисел Прандтля реакционной массы при ее температуре в реакторе и при температуре Х:
29. Число Нуссельта для реакционной массы в реакторе (для пропеллерной мешалки) [7]:
30. Коэффициент теплоотдачи от реакционной массы к стенке реактора:
31. Удельная тепловая мощность реакционной массы:
32. Температура ржавчины (накипи, солевого камня) на внешней стенке реактора со стороны хладагента:
33. Отношение чисел Прандтля хладагента при средней температуре tXC и температуре tW:
34. Число Нуссельта для хладагента в рубашке [7]:
если 
, то 
;
если 
, то 
.
35. Коэффициент теплоотдачи для холодного теплоносителя (воды):
36. Удельная тепловая мощность, передаваемая от рубашки к холодному теплоносителю:
37. Средняя удельная тепловая мощность:
38. Необходимая поверхность теплопередачи:
39. Необходимая высота рубашки (для случая F < FC):
40. Коэффициент теплопередачи:
.
V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Титульный лист с названием работы;
2. Интегральная кинетическая кривая (рис. 1, задается преподавателем);
3. Таблицы 1 и 3 с заполненными величинами исходных и справочных данных;
4. Таблица 2, полученная после расчетов на ЭВМ;
5. Дифференциальная кинетическая кривая, построенная по данным таблицы 2, и рабочая линия 2 реактора идеального смешения;
6. Схема реактора идеального смешения с обозначением материальных потоков, их концентраций и температур (рис. 3);
7. Алгоритм расчета;
8. График изменения температуры реакционной массы и средней температуры хладагента поперек стенки рубашки (рис 4);
9. Выводы.
Перед получением задания студенты должны принести на лабораторную работу титульный лист, таблицу 3, алгоритм расчета и рисунок реактора (рис.3).
VI. ВОПРОСЫИ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
1. Почему в реакторе идеального смешения температура внутри реактора и на выходе из него одинаковая?
2. Почему в реакторе идеального смешения концентрация реагирующего компонента А внутри реактора и на выходе из него одинаковые?
3. Почему отношения объемов реакторов идеального смешения и вытеснения равны отношению средних времен пребывания в этих реакторах?
4. Почему в рубашку хладагент целесообразно подавать снизу вверх? Что нужно предусмотреть при подаче хладагента в рубашку сверху вниз?
5. Почему для элементарных реакций среднее время пребывания и объем реактора всегда больше, чем аналогичные параметры реактора идеального вытеснения?
6. Почему эквивалентный диаметр рубашки равен удвоенной ширине кольцевого зазора, в котором движется хладагент?
7. Внесите изменения в программу, если кинетика реакции задана в виде степенного уравнения 
.
8. Что характеризует число Рейнольдса?
9. Что характеризует число Прандтля?
10. Что характеризует отношение . Что означает, когда его величина меньше 1 или, когда она больше 1?
11. Что характеризует число Нуссельта?
12. Дайте физический смысл коэффициенту теплоотдачи и удельной тепловой мощности.
13. Дайте физический смысл коэффициенту теплопередачи.
14. Дайте графическую интерпретацию расчета температуры на стенке реактора со стороны реакционной массы X методом половинного деления.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Денбиг К.Т. «Теория химических реакторов». – М.: Наука, 1968.
2. Левеншпиль О. «Инженерное оформление химических процессов». – М.: Химия, 1969.
3. Брайнес Я.М. «Введение в теорию и расчеты химических и нефтехимических реакторов». – М.: Химия, 1968.
4. 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. - 121 с.
5. Голованчиков А.Б., Симонов Б.В. Применение ЭВМ в химической технологии и экологии. Учебное пособие. Часть 1. – Волгоград: ВолгГТУ, 1994. – 114 с.
6. Дулькина Н.А., Голованчиков А.Б., Рябчук Г.В. Расчет химических реакторов на ЭВМ с учетом структуры потоков и уровня смешения. Методические указания к расчету химических реакторов. – Волгоград: РПК «Политехник», 2001. - 36 с.
7. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу химической технологии. – Изд. 8-е. – Л.: Химия, 1976. – 553 с.
Составители: Александр Борисович Голованчиков
Наталия Александровна Дулькина
Вячеслав Андреевич Козловцев
Анжелика Анатольевна Шагарова
РАСЧЕТ НА ЭВМ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ
Методические указания к лабораторной работе
Темплан 2006 г., поз № 20.
Подписано в печать 04.04.2006 г. Формат 60х84 1/16.
Бумага газетная. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ____. Бесплатно.
Волгоградский государственный технический университет.
400131 Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28.
РПК «Политехник» Волгоградского государственного
технического университета.
400131 Волгоград, ул. Советская, 35.