РАСЧЕТ НА ЭВМ КОЖУХОТРУБНОГО ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ
Методические указания к лабораторной работе по курсу
«Математическое моделирование стационарных систем
в химической технологии»
РПК
«Политехник»
Волгоград
УДК 536.629
Рецензент Г.В. Рябчук
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
Расчет на ЭВМ кожухотрубного экзотермического реактора идеального вытеснения. Методические указания к лабораторной работе. Сост. А.Б. Голованчиков, Н.А. Дулькина, В.А. Козловцев, А.А. Шагарова. Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2006. – 20 с.
Приведен алгоритм расчета кожухотрубного экзотермического реактора идеального вытеснения. Дана таблица идентификаторов с исходными и справочными данными и расчетными параметрами.
Предназначены для студентов дневной и вечерней форм обучения по направлениям 550800 «Химическая технология и биотехнология» и 551800 «Технологические машины и оборудование»
Табл.4, Библиогр. 4 назв.
© Волгоградский государственный
технический университет, 2006
ВВЕДЕНИЕ.
Кожухотрубчатые экзотермические реакторы идеального вытеснения находят широкое применение в химической и нефтехимической промышленности.
Основной проблемой при их расчете и проектировании является определение диаметра и числа трубок в трубном пучке, обеспечивающих необходимый объем реакционной массы в трубках и поверхность теплопередачи [1, 2].
Обычно коэффициент теплопередачи выбирается по справочной и учебной литературе. В настоящей лабораторной работе он варьируется до тех пор, пока его выбранное значение не становится равным расчетному.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
1. Изучить алгоритм расчета кожухотрубного экзотермического реактора идеального вытеснения.
2. Научить студентов выбирать справочные данные по учебной и научной литературе.
3. Научить студентов работать на ЭВМ в диалоговом режиме, варьируя задаваемый коэффициент теплопередачи так, чтобы он соответствовал его расчетному значению.
4. Уметь иллюстрировать проводимые расчеты в виде схем и графиков.
5. Делать выводы по результатам расчетов на ЭВМ.
I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассчитать технологические параметры и геометрические размеры кожухотрубного экзотермического реактора идеального вытеснения по заданной производительности, степени конверсии, начальной концентрации основного реагирующего компонента и данной для него зависимости скорости реакции от концентрации (дифференциальной кинетической кривой рис.1), а также тепловому эффекту реакции.
Рис.1. Дифференциальная кинетическая кривая химической реакции.
|
Таблица 1. Зависимость скорости реакции от концентрации для дифференциальной кинетической кривой (рис.1).
| Са | |||||||||
| υr | 0,53 | 0,521 | 0,516 | 0,51 | 0,5 | 0,495 | 0,482 | 0,476 | 0,46 |
| Са | |||||||||
| υr | 0,42 | 0,4 | 0,38 | 0,361 | 0,33 | 0,30 | 0,26 | 0,23 | 0,21 |
| Са | |||||||||
| υr | 0,19 | 0,18 | 0,167 | 0,155 | 0,15 | 0,144 | 0,14 | 0,135 | 0,13 |
| Са | ||||||||||
| υr | 0,125 | 0,12 | 0,1 | 0,08 | 0,06 | 0,04 | 0,010 | 0,005 | 0,0025 |
* Примечание: последнее значение скорости реакции υr лучше записать в виде числа больше нуля, например 0,0001.
Таблица 2. Рассчитанная на ЭВМ зависимость концентрации от времени реакции (интегральная кинетическая зависимость).
| Са | |||||||||
| τ | 3,77 | 7,61 | 11,49 | 15,41 | 19,41 | 23,45 | 27,6 | 31,8 | 36,15 |
| Са | |||||||||
| τ | 40,9 | 45,9 | 51,17 | 56,7 | 62,8 | 69,5 | 77,2 | 85,8 | 95,4 |
| Са | |||||||||
| τ | 115,9 | 141,9 | 155,2 | 169,1 | 183,4 | 198,2 | 213,6 |
| Са | |||||||||
| τ | 229,6 | 246,3 | 266,3 | 291,3 | 324,6 | 374,6 | 574,6 | 974,6 | 1174,6 |
Рис.2. Зависимость концентрации реагирующего компонента А
от времени реакции (интегральная кинетическая кривая,
построенная по данным таблицы 2).
| На интегральной кинетической кривой обозначена точка А, соответствующая рассчитанным значениям конечной концентрации Сак = 7,2 и среднему времени пребывания реакционной массы в реакторе τс = 369,7 с. |
Таблица 3. Исходные и справочные данные и расчетные параметры программы «RИV».
| № | Наименование параметра | Размер- ность | Обозначение | Величина | ||||
| в лекциях | в програм-ме | |||||||
| Исходные данные | ||||||||
| Производительность | м3/час | qV | qv | |||||
| Степень конверсии по основному реагирующему компоненту | - | cА | xa | 0,90 | ||||
| Массив скоростей реакции | кг/(м3×с) | υr | vr(i) | см. табл.1 | ||||
| Равномерный интервал разбиения дифференциальной кинетической кривой по концентрации | кг/м3 | ΔСA | dсa | |||||
| Число точек в массиве скоростей реакции | - | n | n | |||||
| Начальная концентрация реагента А | кг/м3 | САО | са0 | |||||
| Справочные данные | ||||||||
| Молекулярная масса компонента А | кг/кмоль | МА | ма | |||||
| Удельная теплоемкость реакционной массы | кДж/(кг×К) | сР | ср | 3,25 | ||||
| Тепловой эффект экзотермической реакции | кДж/кмоль | qt | qt | |||||
| Плотность реакционной массы при рабочей температуре в реакторе | кг/м3 | ρ | ro | |||||
| Вязкость реакционной массы при рабочей температуре в реакторе | Па×с | μ | υi | 0,00065 | ||||
| Температура реакционной массы: - на входе в реактор - на выходе из реактора | °С | tН tК | tн tк | |||||
| Температура хладагента (воды): - на входе в реактор - на выходе из реактора | °С | tХН tХК | tхн tхк | |||||
| Удельная теплоемкость хладагента | кДж/(кг×К) | cХ | сх | 4,19 | ||||
| Толщина стенки труб трубного пучка | м | δ | dw | 0,002 | ||||
| Термическое сопротивление ржавчины, накипи, солевого камня | 
| r | r | 0,0082 | ||||
| Теплопроводность реакционной массы | Вт/(м×К) | λГ | lg | 0,58 | ||||
| Теплопроводность хладагента (воды) | - | λХ | lx | 0,68 | ||||
| Теплопроводность стальной стенки труб трубного пучка | - | λС | lw | 46,2 | ||||
| Длина труб трубного пучка | м | l | l | |||||
| Плотность хладагента при его средней температуре | кг/м3 | ρХ | rox | |||||
| Динамическая вязкость хладагента при его средней температуре | Па×с | μХ | υix | 0,00078 | ||||
| Коэффициент вязкости реакционной массы | 1/K | аг | ag | 0,067 | ||||
| Коэффициент вязкости хладагента | 1/K | aX | ax | 0,058 | ||||
| Коэффициент объемного расширения реакционной массы | 1/К | bг | bg | 0,00125 | ||||
| Задаваемый коэффициент теплопередачи (30÷270) [4,стр 175] | Вт/(м2×К) | Кt | kt | 38,85 | ||||
| Расчетные параметры | ||||||||
| Конечная концентрация реагирующего компонента А | кг/м3 | САК | сак | 7,2 | ||||
| Массив средних концентраций реагирующего компонента А на интегральной кинетической кривой | кг/м3 | СА | сa(i) | см. табл.2 | ||||
| Массив времени на интегральной кинетической кривой | сек | τ | t(i) | см. табл.2 | ||||
| Среднее время пребывания реакционной массы в реакторе | сек | τС | tc | 369,6 | ||||
| Тепловая мощность реактора | кВт | Q | q | 7,387 | ||||
| Расход хладагента (воды) | кг/час | GX | gx | 423,13 | ||||
| Средняя движущая сила теплопередачи от реакционной массы к хладагенту при прямотоке | К | ΔtC | dtc | 12,33 | ||||
| Необходимая поверхность теплопередачи при заданном коэффициенте теплопередачи | м2 | F | f | 15,42 | ||||
| Объем труб трубного пучка реактора | м3 | V | υ | 0,1026 | ||||
| Расчетный внутренний диаметр труб трубного пучка | м | dв | db | 0,0266 | ||||
| Теоретическое число труб трубного пучка | - | nT | nt | 30,7 | ||||
| Диаметр кожуха (корпуса реактора) | м | DК | dk | 0,453 | ||||
| Площадь межтрубного пространства, в котором движется хладагент | м2 | SМ | sm | 0,138 | ||||
| Эквивалентный диаметр межтрубного пространства | м | DЭМ | dem | 0,126 | ||||
| Число Рейнольдса для хладагента | - | ReX | rex | 137,6 | ||||
| Средняя температура хладагента | °C | tX | tx | 12,5 | ||||
| Средняя температура реакционной массы | °C | tг | tg | 24,8 | ||||
| Средняя скорость реакционной массы в трубах трубного пучка | м/с | υC | υc | 0,016 | ||||
| Число Рейнольдса для реакционной массы | - | Reг | reg | 518,8 | ||||
| Число Прандтля для реакционной массы в трубах | - | Prг | prg | 3,64 | ||||
| Число Прандтля для хладагента в межтрубном пространстве | - | PrX | prx | 4,81 | ||||
| Отношение чисел Прандтля реакционной массы и стенки в степени 0,25 | - | 
| pr0 | 0,959 | ||||
| Число Грасгофа для реакционной массы | - | Grг | grg | 8,35*105 | ||||
| Число Нуссельта для реакционной массы | - | Nuг | nug | 8,74 | ||||
| Коэффициент теплоотдачи для реакционной массы | Вт/(м2×К) | aг | alg | 190,4 | ||||
| Удельная тепловая мощность для реакционной массы | Вт/м2 | qг | qg | |||||
| Разность температур в ржавчине, стенке, накипи и солевом камне (процессов теплопроводности) | К | ΔtW | dtw | 0,02 | ||||
| Температура ржавчины, солевого камня или накипи на стенке со стороны реакционной массы | К | X | x | 22,33 | ||||
| Температура ржавчины, солевого камня или накипи на внешней стенке трубы со стороны хладагента | К | tW | tw | 22,31 | ||||
| Число Нуссельта для хладагента в межтрубном пространстве | - | NuX | nux | 9,14 | ||||
| Коэффициент теплоотдачи для хладагента | Вт/(м2×К) | αX | alx | 49,1 | ||||
| Удельная тепловая мощность для хладагента | Вт/м2 | qX | qx | |||||
| Средняя удельная тепловая мощность | Вт/м2 | qC | qc | |||||
| Разница удельных тепловых мощностей | - | U | u | -4,42 | ||||
| Расчетная поверхность теплопередачи | м2 | FP | fr | 15,41 | ||||
| Расчетный коэффициент теплопередачи | Вт/(м2×К) | Кtp | KtR | 38,86 | ||||
Рис. 3. Схема кожухотрубного реактора с прямоточным движением
реакционной массы в трубах трубного пучка и хладагента:
1 – трубки трубного пучка; 2 – трубные решетки; 3 – корпус;
4 – крышки корпуса.
Вид А
|
Рис. 4. Схема изменения средней температуры реакционной массы и хладагента поперек стенки трубки:
1 – ржавчина и накипь на внутренней стенке трубки; 2 – стенка трубки толщиной δ; 3 – ржавчина и солевой камень на внешней стенки трубки; 4 – тепловые пограничные слои (ограничены пунктирными линиями).
|
Рис. 5. Схема изменения температуры реакционной массы (1) и хладагента (2) по длине трубок трубного пучка (режим прямотока).
|
II. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА
1. Конечная концентрация реагирующего компонента А:
, кг/м3
2. Массив средних концентраций реагирующего компонента А на интегральной кинетической кривой:
, кг/м3
3. Массив времени на интегральной кинетической кривой:
, с
4. Среднее время пребывания реакционной массы в реакторе:
, с
5. Тепловая мощность реактора:
, кВт
6. Расход хладагента (воды):
, кг/час
7. Средняя движущая сила процесса теплопередачи при прямотоке:
, К
8. Необходимая поверхность теплопередачи при заданном коэффициенте теплопередачи:
, м2
9. Объем труб трубного пучка реактора:
, м3
10. Так как объем труб трубного пучка определяется формулой:
,
а поверхность теплопередачи равна их боковой поверхности:
,
то внутренний диаметр труб:
.
11. Теоретическое число труб трубного пучка:
.
12. Диаметр кожуха реактора [3, стр.40]:
, м
13. Площадь межтрубного пространства, в котором движется хладагент:
, м2
14. Эквивалентный диаметр межтрубного пространства:
, м
15. Число Рейнольдса для хладагента [4]:
.
16. Средняя температура хладагента:
, К
17. Средняя температура реакционной массы:
, К
18. Средняя скорость реакционной массы в трубах трубного пучка:
, м/с
19. Число Рейнольдса для реакционной массы в трубах:
.
20. Число Прандтля для реакционной массы:
.
21. Число Прандтля для хладагента:
.
22. Отношение чисел Прандтля к Прандтля стенки в степени 0,25:
.
23. Число Грасгофа для реакционной массы:
.
24. Число Нуссельта для реакционной массы [3,4]:
если 
, 
;
если 
, 
;
если 
, 
.
25. Коэффициент теплоотдачи для реакционной массы:
, Вт/(м2×К)
26. Удельная тепловая мощность для реакционной массы:
, Вт/м2
27. Разность температур в ржавчине, стальной стенке труб, накипи и солевом камне (процессов теплопроводности):
, К
28. Температура ржавчины, солевого камня или накипи на стенке со стороны реакционной массы Х, °С (рассчитывается методом половинного деления до уравнивания удельных тепловых мощностей реакционной массы и хладагента [3, стр. 64-71]).
29. Температура ржавчины, солевого камня или накипи на внешней стенке трубы со стороны хладагента:
, °С
30. Число Нуссельта для хладагента в межтрубном пространстве:
.
31. Коэффициент теплоотдачи для хладагента:
, Вт/(м2×К)
32. Удельная тепловая мощность для хладагента:
, Вт/м2
33. Средняя тепловая мощность:
, Вт/м2
34. Разница удельных тепловых мощностей:
, Вт/м2
(расчет X проводится до тех пор, пока не выполняется условие 
).
35. Расчетная поверхность теплопередачи:
, м2
36. Расчетный коэффициент теплопередачи:
, Вт/(м2×К).
Результаты заданных и расчетных коэффициентов теплопередачи заносятся в таблицу 4.
Таблица 4. Заданные и расчетные значения коэффициентов теплопередачи.
| Kt, Вт/(м2×К) | 38,9 | 38,85 | ||||
| Ktр, Вт/(м2×К) | 28,88 | 35,97 | 38,63 | 38,81 | 38,84 | 38,86 |
Варьируя значения заданного коэффициента теплопередачи Kt, получают его расчетное значение Ktp несколько больше заданного, 
.
При выполнении последнего неравенства в таблицу 3 заносятся все остальные расчетные параметры программы PИV.
III. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ.
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Дифференциальную кинетическую кривую (задается преподавателем), (рис.1).
4. Таблицы 1, 2, 3 и 4.
5. Интегральную кинетическую кривую, (рис.2).
6. Рис. 3, 4 и 5.
7. Выводы.
IV. ВОПРОСЫИ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ.
1. Почему в отличии от кожухотрубных теплообменников в реакторах вытеснения целесообразно использовать прямоточное движение реакционной массы и хладагента?
2. В каких случаях целесообразно в трубки подавать реакционную массу, а в межтрубное пространство хладагент, в каких случаях их необходимо менять местами?
3. Истинная поверхность теплопередачи 
больше или меньше расчетной FP?
4. Из формул алгоритма расчета, поз. №5 – 10 получите уравнение для расчета внутреннего диаметра трубок
,
связывающего технологические и геометрические параметры реактора. Анализируя эту формулу, приведите качественную оценку влияния каждого аргумента на функцию.
5. Дайте графическую интерпретацию расчета температуры X методом половинного деления.
6. Почему целесообразно потоки жидкостей подавать снизу вверх?
7. Выведите уравнение для расчета реактора идеального вытеснения (пункт №4 в алгоритме расчета).
8. Выведите уравнение для расчета тепловой мощности реактора
(пункт №5).
9. Выведите формулу для расхода хладагента (пункт №6).
10. Объясните, как рассчитывается площадь межтрубного пространства (пункт №13).
11. Объясните, как рассчитывается эквивалентный диаметр межтрубного пространства (пункт №14).
12. Нарисуйте по данным таблицы 4 график зависимости расчетного значения коэффициента теплопередачи Ktp.
13. Что характеризует отношение 
? Когда значение этого отношения больше 1, когда меньше?
14. Объясните, почему число Нуссельта увеличивается с увеличением числа Рейнольдса.
15. Что характеризует число Грасгофа? Почему оно «работает» в формулах для ламинарного течения потока (поз. №24).
16. Что характеризует число Рейнольдса?
17. Что характеризует число Прандтля?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
1. 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.
2. 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.
3. Голованчиков А.Б., Симонов Б.В. Применение ЭВМ в химической технологии и экологии. Учебное пособие. Часть 1. – Волгоград: ВолгГТУ, 1994. – 114 с.
4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу химической технологии. – Изд. 8-е. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.
Александр Борисович Голованчиков
Наталия Александровна Дулькина
Вячеслав Андреевич Козловцев
Анжелика Анатольевна Шагарова