РАСЧЕТ НА ЭВМ РЕАКТОРА
ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Методические указания к лабораторной работе
РПК
«Политехник»
Волгоград
2009 г.
УДК 536.629
Расчет на ЭВМ реактора идеального смешения для проведения эндотермических процессов: метод. указ. к лабораторной работе / сост.: А.Б. Голованчиков, Н.А. Дулькина, А.А. Шагарова; Волгоград. гос. техн. ун-т. - Волгоград, 2009. - 16 с.
Приведена методика расчета реактора идеального смешения с паровой рубашкой для обогрева реакционной массы. В качестве примера рассмотрен расчет реактора идеального смешения для эндотермической реакции этерификации метанола уксусной кислотой. Даны таблицы с исходными и справочными данными и расчетными параметрами для указанной реакции.
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. 3, Ил. 4, Библиогр.: 6 назв.
Рецензент В.А. Козловцев
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
© Волгоградский государственный
технический университет, 2009
ВВЕДЕНИЕ
Реакторы идеального смешения находят широкое применение в химической и нефтехимической промышленности, а также в близких к ним отраслях производства: фармакологической, пищевой, микро-биологической.
Основной проблемой при расчете и проектировании таких реакторов является определение размеров реактора, объем реакционной массы в котором обеспечивает заданную степень конверсии при заданной производительности и кинетике самой реакции, а поверхность рубашки позволяет подводить необходимое количество тепла к реакционной массе от конденсирующегося пара.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Изучить методику расчета реактора идеального смешения для проведения эндотермических процессов.
2. Научиться выбирать справочные данные по учебной и научной литературе [3] 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.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассчитать технологические параметры и геометрические размеры реактора идеального смешения для проведения эндотермического процесса по заданной производительности, степени конверсии основного реагирующего компонента, его тепловому эффекту реакции (при положительной энтальпии) и заданной дифференциальной кинетической зависимости в виде степенного уравнения [6]:
.
ПРИМЕР РАСЧЕТА
Рассчитать реактор идеального смешения 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, 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 
.
Исходные и необходимые справочные данные для расчета реактора идеального смешения для эндотермической реакции этерификации метанола уксусной кислотой с образованием метилацетата и воды приведены в таблице 1.
Примечание: так как концентрации исходных веществ А и В в воде малы, то практически можно считать, что реакционная масса является водой, и все параметры реакционной массы приводятся для воды.
Рисунок 1 - Схема реактора идеального смешения с рубашкой
ИСХОДНЫЕ И СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ
Таблица 1 - Исходные и справочные данные программы РИСД [1-3]
| № | Наименование параметра | Размер- ность | Обозначение | Вели-чина | |
| в учебной литературе | в программе | ||||
| Исходные данные | |||||
| Производительность по реакционной массе | м3/час | q v | qv | 3,6 | |
| Начальная концентрация основного реагирующего компонента А | мольА/м3 | СА 0 | са0 | ||
| Степень конверсии | - | cАК | хак | 0,94 | |
| Температура реакционной массы на входе в реактор | °С | tн | tн | ||
| Температура реакционной массы в реакторе и на выходе из него [3] | °С | tк | tк | ||
| Константа скорости реакции [2] | - | k | k | 0,05 | |
| Порядок реакции [2] | - | n | n | ||
| Справочные данные | |||||
| Тепловой эффект эндотермической реакции (энтальпия) [2] | 
| qt | qt | ||
| Плотность реакционной массы при рабочей температуре tK [3] | кг/м3 | ρ | ro | ||
| Вязкость реакционной массы при 0 °С [3] | Па×с | μ 0 | vi0 | 1,79×10-3 | |
| Температурный коэффициент вязкости реакционной массы [3] | К-1 | β | be | 0,023 | |
| Теплоемкость реакционной массы [3] | 
| сР | ср | 4,18 | |
| Теплопроводность реакционной массы [3] | Вт/м×К | λ | la | 0,653 | |
| Температура насыщенного водяного пара, подводимого в рубашку [3]. | °С | tD | td | 132,9 | |
| Давление насыщенного водяного пара и конденсата в рубашке [3] | атм | рD | рd | ||
| Удельная теплота конденсации (парообразования) [3] | кДж/кг | 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 | 0,685 | |
| Относительный диаметр лопастей пропеллерной мешалки [3] | - | dот | dоt | 0,2 | |
| Число оборотов мешалки в реакторе [3] | об/с | nм | nm | ||
| Толщина стальной стенки реактора | м | δС | dc | 0,01 | |
| Теплопроводность стальной стенки реактора [3] (нержавеющая сталь) [3] |
| λС | lac | 17,5 | |
| Термическое сопротивление стенки рубашки (ржавчина, накипь, солевой камень) [3] | 
| rc | rc | 1,75×10-4 |
МЕТОДИКА РАСЧЕТА РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭНДОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА [6,7]
1. Конечная концентрация реагирующего компонента А
.
2. Среднее время пребывания реакционной массы в реакторе
.
3. Объем реакционной массы в реакторе
.
4. Потребляемая от пара тепловая мощность химического реактора
.
5. Расход конденсирующего пара
.
6. Диаметр реактора с эллиптическим днищем
.
7. Высота боковой стенки реактора, «смоченной» реакционной массой
.
8. Площадь стенки реактора, «смоченной» реакционной массой
.
9. Площадь эллиптического днища
.
10. Общая «смоченная» поверхность реактора, включая стенку и днище
.
11. Средняя движущая сила процесса теплопередачи (рисунок 2)
.
12. Вязкость реакционной массы при её температуре в реакторе tк
.
13. Диаметр лопастей мешалки
.
14. Число Рейнольдса мешалки для реакционной массы
.
15. Число Прандтля для реакционной массы
.
16. Температура ржавчины на стенке рубашки х со стороны конденсирующего пара (определяется методом половинного деления между температурами tD и tк при уравнивании удельных тепловых мощностей от конденсирующегося пара к стенке и от солевого камня (накипи) к реакционной массе) (рисунок 3).
17. Удельная тепловая мощность от конденсирующегося пара к стенке реактора [3]
.
18. Температура накипи (солевого камня) на стенке со стороны реакционной массы
.
19. Отношение числа Прандтля реакционной массы при температуре tк
к его значению при температуре tx
.
20. Число Нуссельта для пропеллерной мешалки реакционной массы [7]
.
21. Коэффициент теплоотдачи от накипи (солевого камня, сажи) к реакционной массе
.
22. Удельная тепловая мощность, передаваемая от накипи к реакционной массе
.
23. Средняя удельная тепловая мощность 
.
24. Разница удельных тепловых мощностей пара и реакционной массы (функция рассогласования)
.
25. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к ржавчине на стенке рубашки
.
26. Коэффициент теплопередачи 
.
27. Расчетная поверхность теплопередачи 
.
28. Высота рубашки, когда расчетная поверхность теплопередачи меньше боковой поверхности реактора Fа
.
Таблица 2 – Расчетные параметры
| № | Наименование параметра | Размер- ность | Обозначение | Величина | |
| в учебной литературе | в программе | ||||
| Конечная концентрация реагирующего компонента А на выходе из реактора | моль/м3 | САК | сак | 0,6 | |
| Среднее время пребывания реакционной массы в реакторе | с | tCM | tcm | 522,2 | |
| Объем реакционной массы в реакторе идеального смешения | м3 | VP | vр | 0,522 | |
| Тепловая мощность химического реактора | кВт | Q | q | 144,85 | |
| Расход конденсирующегося пара | кг/с | GD | gd | 6,87 | |
| Диаметр реактора с эллиптическим днищем | м | Da | da | 0,8 | |
| Высота боковой стенки реактора, «смоченной» реакционной массой | м | Ha | Ha | 0,8 | |
| Площадь боковой стенки реактора, «смоченной» реакционной массой | м2 | FС | fc | ||
| Площадь эллиптического днища | м2 | FД | fd | 0,9 | |
| Общая «смоченная» реакции-онной массой поверхность реактора, включая боковую стенку и днища | м2 | Fа | fa | 2,9 | |
| Средняя движущая сила процесса теплопередачи | К | DtС | dtc | 77,9 | |
| Вязкость реакционной массы при температуре реакции tК | Па×с | m | vi | 5,05×10-4 | |
| Диаметр мешалки | м | DM | dm | 0,16 | |
| Число Рейнольдса для реакционной массы в реакторе с мешалкой | - | Re | Re | 2,53×106 | |
| Число Прандтля для реакционной массы | - | Pr | Pr | 3,23 | |
| Температура ржавчины со стороны конденсирующегося в рубашке пара | °С | x | x | ||
| Удельная тепловая мощность, передаваемая от конденсирующегося пара к ржавчине в рубашке | Вт/м2 | qD | qd | 5,075×104 | |
| Температура накипи на стенке реактора | °С | tx | tx | 81 | |
| Отношение чисел Прандтля к Прандтлю стенки | - | 
| Pro | 1,82 | |
| Число Нуссельта для реакционной массы | - | Nu | Nu | 480,9 | |
| Коэффициент теплоотдачи от накипи к реакционной массе | Вт/м2×К | α | al | 1949,2 | |
| Удельная тепловая мощность, передаваемая от накипи к реакционной массе | Вт/м2 | qР | qp | 5,09×104 | |
| Средняя удельная тепловая мощность, передаваемая от конденсирующегося пара к реакционной массе через стенку реактора | Вт/м2 | qС | qc | 5,084×104 | |
| Функция рассогласования (разница удельных тепловых мощностей пара и реакционной массы) | Вт/м2 | U | u | 169,1 | |
| Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к ржавчине | Вт/м2×К | αD | ald | 3678,3 | |
| Коэффициент теплопередачи | Вт/м2×К | Kt | Kt | 652,7 | |
| Расчетная поверхность теплопередачи | м2 | F | f | 2,85 | |
| Высота рубашки (когда расчетная поверхность тепло-передачи меньше боковой поверхности реактора FA) | м | Hp | hp | 0,8 |
Таблица 3 – Зависимость скорости от концентрации
| С А, моль/м3 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 1,2 | 1,4 | 1,6 | 1,8 |
| vr, моль/(м×с) | 0,002 | 0,008 | 0,018 | 0,032 | 0,05 | 0,072 | 0,098 | 0,128 | 0,162 |
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Титульный лист с названием работы.
2. Таблицы исходных данных и результатов расчета.
3. Методика расчета реактора.
4. Рисунки 1, 2 и 3.
5. График заданной дифференциальной кинетической зависимости (таблица 3)
с рабочей линией реактора идеального смешения (рисунок 4).
6. Выводы.
Примечание: первые три пункта и рисунок 1 подготовить заранее и принести к началу лабораторной работы.
Рисунок 2 - Распределение температуры конденсирующегося пара и реакционной массы вдоль поверхности (боковой стенки) рубашки
Рисунок 3 - Схема изменения средней температуры поперек стенки реактора:
1 - стальная стенка; 2 - накипь со стороны реакционной массы;
3 - ржавчина со стороны пара; 4 - тепловой пограничный слой; 5 – конденсат
Рисунок 4 – Дифференциальная кинетическая кривая
1 – дифференциальная кривая, 2 – рабочая линия
ВОПРОСЫИ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
1. Выведите математическую модель реактора идеального смешения (пункт 2 методики расчета).
2. Выведите уравнение теплового баланса эндотермического реактора идеального смешения (пункты 4 и 5).
3. Дайте графическую интерпретацию расчета температуры x методом половинного деления.
4. Что характеризует отношение Pr/Prст?
5. Почему отношения Pr/Prст описываются уравнением пункта 19?
6. Что характеризуют числа Рейнольдса, Прандтля, Нуссельта?
7. Какой физический смысл имеет коэффициент теплоотдачи?
8. Какой физический смысл имеет коэффициент теплопередачи?
9. Что делать, если суммарная поверхность стенки и днища меньше расчетной поверхности теплопередачи, Fa<F?
10. Как влияет число оборотов мешалки nм на расчетную поверхность теплопередачи F?
11. Как влияет давление насыщенного водяного пара pD на расчетную поверхность теплопередачи F?
12. Как влияет термическое сопротивление rc на расчетную поверхность теплопередачи F?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
- Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.1. – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. – 852 с.
- 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.
- Голованчиков А.Б., Симонов Б.В. Применение ЭВМ в химической технологии и экологии. Учебное пособие. Часть 1.– ВолгГТУ, 1994.
Составители: Александр Борисович Голованчиков
Наталия Александровна Дулькина
Анжелика Анатольевна Шагарова