А. Б. Голованчиков, Ю. В. Аристова РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ А. Б. Голованчиков, Ю. В. Аристова РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ Учебное пособие Волгоград 2018 1 УДК 66.023 (075) Рецензенты: кафедра «Электроснабжение сельского хозяйства и теоретические основы электротехники» ВолГАУ, зав. кафедрой, канд. техн. наук доцент Н. М. Веселова; канд. физ.-мат. наук доцент кафедры ТФиСА ФГБОУ ВО СГУ им. Н. Г. Чернышевского Р. Н. Фадеев На первой странице обложки – рисунок. Режим доступа– http://www.nhjct.com/content/uploadfile/201511/b9221448008128.jpg Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета Голованчиков, А. Б. Расчет тепловых процессов, протекающих в химических реакторах: учеб. пособие / сост. А. Б. Голованчиков, Ю. В. Аристова; ВолгГТУ.– Волгоград, 2018. – 64 с. ISBN 978–5–9948–2879–3 В учебном пособии приведены методики расчета на ЭВМ реакторов химической промышленности для протекания эндотермических и экзотермических реакций, в том числе идеального вытеснения с конденсирующимся паром в межтрубном пространстве для обогрева реакционной массы в трубках трубного пучка, реактора идеального смешения с паровой рубашкой для обогрева реакционной массы для протекания эндотермических реакций. В качестве примера рассмотрен расчет реактора идеального смешения для эндотермической реакции этерификации метанола уксусной кислотой. Приведены методики и алгоритмы расчета реакторов. Представлены таблицы идентификаторов с исходными и справочными данными, расчетными параметрами и их величинами в примерах. Предназначено для студентов всех форм обучения по направлениям подготовки бакалавров 18.03.01 «Химическая технология» и 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии». Ил. 20. Табл. 22. Библиогр.: 5 назв. Волгоградский государственный технический университет, 2018 ISBN 978–5–9948–2879–3 2 СОДЕРЖАНИЕ Введение…………………………………………………………………………………. 4 Лабораторная работа № 1 Расчет кожухотрубного реактора идеального (РИВ) вытеснения для проведения экзотермических реакций…………….………………………………………………… 5 Лабораторная работа № 2 Расчет кожухотрубного реактора идеального вытеснения (РИВ) для проведения эндотермических реакций……………………………………………………………… 19 Лабораторная работа № 3 Расчет реактора идеального смешения (РИС) для проведения экзотермических реакций…………………………..………………………...…………………………….. 31 Лабораторная работа № 4 Расчет реактора идеального смешения (РИС) для проведения эндотермических реакций…………………………..………………………………………………………. 43 Приложения..………………………………………………………………..…………… 53 3 ВВЕДЕНИЕ Химические реакторы – это промышленные аппараты для осуществления химических реакций. Конструкция и режим работы реактора определяются типом реакции, фазовым состоянием реагентов, характером протекания процесса во времени, режимом движения реакционной среды, тепловым режимом работы, типом теплообмена, видом теплоносителя. При проведении реакции при постоянной температуре (изотермический процесс) степень превращения реагентов зависит от их концентрации и не зависит от температуры, при неизотермическом проведении процесса (адиабатическом или программно регулируемом) приходится решать совместно уравнения материального и теплового баланса с учетом зависимости скорости реакции от температуры и при необходимости процесса теплопередачи. Для создания изотермических условий в реакторе можно применить несколько способов теплообмена: при постоянной скорости теплопередачи (коэффициент теплопередачи изменяется мало, а температура настолько высока, что изменение температуры реагентов практически не влияет на температурный напор); при постоянном коэффициенте теплопередачи (в аппаратах с мешалкой коэффициент теплопередачи зависит в основном от скорости перемешивания, которую можно держать постоянной, и скорость теплопередачи будет определяться изменением температуры реагентов); автоматическое регулирование скорости теплопередачи путем регулирования расхода теплоносителя или изменения температуры его фазового перехода, например за счет давления. В данном учебном пособии, варьируя параметрами процесса (температурой, давлением насыщенного водяного пара и пр.), студентам предлагается рассчитать и подобрать конструкцию реактора в зависимости от теплового режима его работы, сравнить характеристики выбранных аппаратов и выявить наиболее оптимальную конструкцию реактора. 4 Лабораторная работа № 1 РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБНОГО РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (РИВ) ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Одна и та же реакция может быть проведена в реакционной аппаратуре различного типа. Вследствие огромного количества технологических процессов и больших различий в конструкциях реакторов при обосновании выбора аппарата учитывают следующие критерии: – режим движения реакционной массы в реакторе; – вид поверхности теплообмена. Кожухотрубные экзотермические реакторы идеального вытеснения находят широкое применение в химической и нефтехимической промышленности. Однако 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. 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 [13]. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Рассчитать технологические параметры и геометрические размеры кожухотрубного экзотермического реактора идеального вытеснения (рис. 1, 2) по заданной производительности, степени конверсии, начальной концентрации основного реагирующего компонента А и заданной для него зависимости скорости реакции от концентрации (дифференциальной кинетической кривой), а также тепловому эффекту реакции. 5 t, °С tг Х 4 2 Gх, dв Dк tW Реакционная масса 1 А Хладагент qv, Cак, tх αх, qх αг, qг 0 Ось трубки 3 Gх, 4 1 2 3 4 4 qv, Cаo, Рис. 1. 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 Рис. 2. 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 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ 1. Для начала работы необходимо заполнить таблицу идентификаторов исходных и справочных данных (табл. 1) согласно варианту задания. Варианты заданий вынесены в Приложение 1. 6 Таблица 1 Исходные и справочные данные и расчетные параметры программы № 1 2 3 4 5 6 Обозначение Величина в в литературе программе Исходные данные м3/час qV qv Наименование параметра Размерность Производительность Степень конверсии по основному реагирующему компоненту Массив скоростей реакции Равномерный интервал разбиения дифференциальной кинетической кривой по концентрации Число точек в массиве скоростей реакции Начальная концентрация реагента А А xa кг/(м3с) υr vr(i) кг/м3 ΔСA dсa n n кг/м3 САО са0 кг/кмоль МА ма кДж/(кгК) сР ср кДж/кмоль qt qt кг/м3 ρ ro Пас μ υi С tН tК tн tк С tХН tХК tхн tхк кДж/(кгК) cХ сх м δ dw (Вт/м2·К)-1 r r Справочные данные 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Молекулярная масса компонента А Удельная теплоемкость реакционной массы Тепловой эффект реакции Плотность реакционной массы при рабочей температуре в реакторе Вязкость реакционной массы при рабочей температуре в реакторе Температура реакционной массы: - на входе в реактор - на выходе из реактора Температура хладагента (воды): - на входе в реактор - на выходе из реактора Удельная теплоемкость хладагента Толщина стенки труб трубного пучка Термическое сопротивление ржавчины, накипи, солевого камня 7 см. табл. 2 № 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Наименование параметра Продолжение табл. 1 Обозначение Размерность Величина в в литературе программе Теплопроводность λГ Вт/(мК) реакционной массы Теплопроводность λХ Вт/(мК) хладагента (воды) Теплопроводность стальной λС Вт/(мК) стенки труб трубного пучка Длина труб трубного пучка м l Плотность хладагента при кг/м3 ρХ его средней температуре Динамическая вязкость хладагента при его средней μХ Пас температуре Коэффициент вязкости 1/K аг реакционной массы Коэффициент вязкости 1/K aX хладагента Коэффициент объемного расширения реакционной 1/К βг массы Задаваемый коэффициент Кt Вт/(м2К) теплопередачи [4–5] Расчетные параметры Конечная концентрация кг/м3 САК реагирующего компонента А Массив средних концентраций реагирующего компоненкг/м3 СА та А на интегральной кинетической кривой Массив времени на интегральс τ ной кинетической кривой Среднее время пребывания рес τС акционной массы в реакторе Тепловая мощность реактора кВт Q Расход хладагента (воды) Средняя движущая сила теплопередачи от реакционной массы к хладагенту при прямотоке Необходимая поверхность теплопередачи при заданном коэффициенте теплопередачи Объем труб трубного пучка реактора lg lx lw l rox υix ag ax bg kt сак сa(i) см. табл.3 t(i) см. табл.3 tc q кг/час GX gx К ΔtC dtc м2 F f м3 V υ 8 № 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Наименование параметра Расчетный внутренний диаметр труб трубного пучка Теоретическое число труб трубного пучка Диаметр кожуха (корпуса реактора) Площадь межтрубного пространства, в котором движется хладагент Эквивалентный диаметр межтрубного пространства Число Рейнольдса для хладагента Средняя температура хладагента Средняя температура реакционной массы Средняя скорость реакционной массы в трубах трубного пучка Число Рейнольдса для реакционной массы Число Прандтля для реакционной массы в трубах Число Прандтля для хладагента в межтрубном пространстве Отношение чисел Прандтля реакционной массы и стенки в степени 0,25 Число Грасгофа для реакционной массы Число Нуссельта для реакционной массы Коэффициент теплоотдачи для реакционной массы Удельная тепловая мощность для реакционной массы Разность температур в ржавчине, стенке, накипи и солевом камне (процессов теплопроводности) Продолжение табл. 1 Обозначение Размерность Величина в в литературе программе м dв db nT nt м DК dk м2 SМ sm м DЭМ dem ReX rex C tX tx C tг tg м/с υC υc Reг reg Prг prg PrX prx PrГ PrX 0 , 25 pr0 Grг grg Nuг nug Вт/(м2К) г alg Вт/м2 qг qg К ΔtW dtw 9 Окончание табл. 1 № 28 29 30 31 32 33 34 35 36 Наименование параметра Размерность Температура ржавчины, солевого камня или накипи на стенке со стороны реакционной массы Температура ржавчины, солевого камня или накипи на внешней стенке трубы со стороны хладагента Число Нуссельта для хладагента в межтрубном пространстве Коэффициент теплоотдачи для хладагента Удельная тепловая мощность для хладагента Средняя удельная тепловая мощность Разница удельных тепловых мощностей Расчетная поверхность теплопередачи Расчетный коэффициент теплопередачи Обозначение Величина в в литературе программе К x x К tW tw − NuX nux Вт/(м2К) αX alx Вт/м2 qX qx Вт/м2 qC qc − U u м2 FP fr Вт/(м2К) Кtp KtR 2. Составить кинетическое уравнение скорости простой химической реакции согласно варианту задания, основываясь на уравнениях общего вида для типовых химических реакций 1 и 2 порядков: Уравнение реакции А → продукты 2А → продукты; А + В → продукты Кинетическое уравнение kC A Общий порядок реакции 1 kC A2 2 kC A C B 2 3. По полученному уравнению скорости реакции, задаваясь рядом произвольных значений концентрации реагирующего вещества А в пределах от 1 до САО с равным шагом, записать в табл. 2 соответствующие этим концентрациям значения скоростей реакции в каждый момент времени. По полученным данным нарисовать на миллиметровой бумаге 10 дифференциальную кинетическую кривую заданной химической реакции (рис. 3) [13]. Таблица 2 Зависимость скорости реакции от концентрации для дифференциальной кинетической кривой* № 1 Са υr 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 … * последнее значение скорости реакции υr записать в виде числа, большего нуля, например, 0,0001. υr, кг А м3 с Cао, 0 100 кг А м3 Рис. 3. Вид дифференциальной кинетической кривой химической реакции 3. По результатам расчета программы составить табл. 3 зависимости концентрации компонента А от времени реакции τ и по полученным данным построить интегральную кинетическую кривую на миллиметровой бумаге (рис. 4). Таблица 3 Рассчитанная на ЭВМ зависимость концентрации от времени реакции (интегральная кинетическая зависимость) № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Са τ 11 4. На интегральной кинетической кривой обозначить точку А, соответствующую рассчитанным значениям относительной конечной концентрации Сак и среднему времени пребывания реакционной массы в реакторе τс. Са , кг А м3 А Сак τ, с τср Рис. 4. Вид графической зависимости концентрации реагирующего компонента А от времени реакции (интегральная кинетическая кривая, построенная по данным табл. 3) 5. Варьируя параметрами коэффициента теплопередачи рассчитанного и заданного, подобрать такие значения начальной и конечной температур, а также начальную температуру теплоносителя, чтобы значения коэффициентов теплопередачи уравнялись. По варьируемым значениям построить на миллиметровой бумаге график зависимости расчетного коэффициента теплопередачи Ktp от заданного Kt. На графике указать оптимальное его значение К* (рис. 5), обеспечивающее заданную степень конверсии. 12 Кtp, Вт/(м2·К) y f x К*tр К tр f K t Кt, Вт/(м2·К) К *t Рис. 5. Зависимости расчетного коэффициента Ktp от заданного Kt 6. Для графической интерпретации уравнения тепловых мощностей методом половинного деления необходимо построить график (рис. 6). y, Вт/м2 х* tD tр 1) ав х * а 2 ав 2) 1 х * 2 ав 2 а1 3) а 2в х * 2 в а 1в 2 в а 2в 2 а2 а 3в 2 а3 4) а 3в х * 2 5) а 3 в1 х * 2 x, °C а в в в1 Рис. 6. Графическая интерпретация уравнения тепловых мощностей методом половинного деления 13 АЛГОРИТМ РАСЧЕТА 1. Конечная концентрация реагирующего компонента А [1–3]: С АК С А0 1 А , [кг/м3]. 2. Массив средних концентраций реагирующего компонента А на интегральной кинетической кривой: С А С А0 С А i 1 C A , [кг/м3]. 2 3. Массив времени на интегральной кинетической кривой: СА С А0 dC A , [с]. r ( A) 4. Среднее время пребывания реакционной массы в реакторе: С АК C С А0 dC A , [с]. r ( A) 5. Тепловая мощность реактора: q 3600 , [кВт]. Q q V c p t K t H q V c A0 t A M A 6. Расход хладагента (воды): GX 3600 Q t ХК t ХН c X , [кг/час]. 7. Средняя движущая сила процесса теплопередачи при прямотоке: t t XK t H t XH , [К]. tC K t t XK ln K t H t XH 8. Необходимая поверхность теплопередачи при заданном коэффициенте теплопередачи: F 1000 Q , [м2]. K t t C 14 9. Объем труб трубного пучка реактора: V qV C 3600 , [м3]. 10. Так как объем труб трубного пучка определяется формулой: d в2 V n T l , [м2]. 4 а поверхность теплопередачи равна их боковой поверхности: F d в nt l ,[м2], тогда внутренний диаметр труб составит: dв 4 V F . 11. Теоретическое число труб трубного пучка: nt F ( l d в ) . 12. Диаметр кожуха реактора [3, стр. 40]: DK 3,2 d в 2 nt 0,447 , [м]. 13. Площадь межтрубного пространства, в котором движется хладагент: SM 4 D 2 nt d в 2 2 , [м2]. K 14. Эквивалентный диаметр межтрубного пространства: D ЭМ 4SM , [м]. D K nt d в 2 15. Число Рейнольдса для хладагента [4]: Re X G X D ЭМ 3600 S M X 16. Средняя температура хладагента: t X t XH t XK 2 , [К]. 17. Средняя температура реакционной массы: t г t X tC , [К]. 15 . 18. Средняя скорость реакционной массы в трубах трубного пучка: C l , [м/с]. C 19. Число Рейнольдса для реакционной массы в трубах: Re г C dв . 20. Число Прандтля для реакционной массы: Prг 1000 с Р r . 21. Число Прандтля для хладагента: Pr Х 1000 с Х Х . Х 22. Отношение чисел Прандтля к Прандтля стенки в степени 0,25: Pr Pr0 г Pr W 0,25 . 23. Число Грасгофа для реакционной массы: 2 Grг g d в2 b t г x . 24. Число Нуссельта для реакционной массы [3,4]: Pr если Re г 2320 , то Nuг 0,17 Re 0г ,33 Prг0,43 Grг0,1 г PrW 0,25 Pr если 2320 Re г 10000 , то Nuг 0,008 Re 0г ,9 Prг0,43 г PrW Pr если Re г 10000 , то Nuг 0,021 Re 0г ,8 Prг0,43 г PrW 0,25 25. Коэффициент теплоотдачи для реакционной массы: г Nuг г , [Вт/(м2К)]. dв 16 . ; 0,25 ; 26. Удельная тепловая мощность для реакционной массы: qг г t г x , [Вт/м2]. 27. Разность температур в ржавчине, стальной стенке труб, накипи и солевом камне (процессов теплопроводности): t W qг r W W , [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: t W x t W , [С]. 30. Число Нуссельта для хладагента в межтрубном пространстве: Nu Х Pr 0,246 Re 0,6 Pr 0,33 Х Pr Х Х W 0,25 . 31. Коэффициент теплоотдачи для хладагента: Х Nu Х Х D ЭМ , [Вт/(м2К)]. 32. Удельная тепловая мощность для хладагента: q Х Х t W t X , [Вт/м2]. 33. Средняя тепловая мощность: qC qг q Х , [Вт/м ]. 2 2 34. Разница удельных тепловых мощностей: U qг q Х , [Вт/м2]. (расчет X проводится до тех пор, пока не выполняется условие U q C 0,01 ). 17 35. Расчетная поверхность теплопередачи: Fp 1000 Q , [м2]. qC 36. Расчетный коэффициент теплопередачи: Kt p qC t C , [Вт/(м2К)]. Результаты заданных и расчетных коэффициентов теплопередачи заносятся в табл. 4. Варьируя значения заданного коэффициента теплопередачи Kt, получают его расчетное значение Ktp несколько больше заданного, K tp K t . Таблица 4 Заданные и расчетные значения коэффициентов теплопередачи № Kt, Вт/(м2К) Ktр, Вт/(м2К) 1 2 3 4 5 … При выполнении последнего неравенства в табл. 4 заносятся все расчетные параметры программы. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА Отчет по лабораторной работе должен содержать оформленный протокол, включающий в себя: 1. Начерченную на миллиметровой бумаге схему кожухотрубного реактора с прямоточным движением, схему изменения средней температуры реакционной массы и хладагента поперек стенки трубки с указанием всех областей и температур процесса. 4. Заполненные табл. 1–4; алгоритм расчета; выводы. 18 Лабораторная работа № 2 РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБНОГО РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (РИВ) ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Реакторы идеального вытеснения широко применяются в химической и нефтехимической промышленности, а также в близких к ним отраслях производства: фармакологической, пищевой, микробиологической. Несмотря на то что кожухотрубные реакторы сложны в изготовлении, они имеют существенные преимущества в обеспечении более строгого теплового режима, так как в них возможно достичь требуемые режимы теплообмена благодаря созданию больших теплопередающих поверхностей. Основной проблемой при расчете и проектировании данных реакторов является определение диаметра и числа трубок в трубном пучке, обеспечивающих расчетный объем и поверхность теплопередачи для заданной степени конверсии, кинетики химической реакции, тепловом эффекте (положительной энтальпии реакции) и производительности [4, 5]. 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, по тепловому эффекту реакции (положительной энтальпии реакции) и заданной дифференциальной кинетической зависимости в виде степенного уравнения [4, 5] для средней температуры реакционной массы r k C An [2]. 19 4 2 t Х Пар, GD 1 tx GD, tD, dв Реакционная масса t, °С qv, Cак, qp qD tp D 0 Ось трубки 3 1 GD, tD(конд) 2 3 4 5 4 qv, Cаo, Рис. 1. Схема кожухотрубного реактора с противоточным движением реакционной массы в трубах трубного пучка и пара: 1 – трубки трубного тучка; 2 – трубные решетки; 3 – корпус аппарата; 4 – крышки корпуса Рис. 2. Схема изменения температур пара, конденсата 1, ржавчины 2 на трубке со стороны пара, стенки 3 трубки, накипи и солевого камня 4 на внутренней стенке трубки и реакционной массы в тепловом пограничном слое 5 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ Рассмотрим методику проведения работы на примере процесса получения уксусной кислоты этерификацией метанола. Стехиометрическое уравнение химической реакции имеет вид [2]: k CH 3OH CH 3COOH CH 3COOCH3 H 2O 18,8 k АВ R P 18,8 кДж моль , кДж . моль Общий порядок реакции n = 2. Константа скорости реакции описывается уравнением [2] k Ae Ea RT ; 9800 k 5 1011 exp T . 20 Выбираем температуру реакционной массы в реакторе так, чтобы она была ниже температуры кипения самого легколетучего компонента. Данный компонент (продукт реакции) – метилацетат с температурой кипения tr = 57,5 С [1–3]. Принимаем температуру реакционной массы в реакторе tк = 55 С. Тогда константа скорости реакции численно равна k = 0,05. 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 tc tн tк 20 55 37,5 o С. 2 2 1. Для начала расчетов необходимо заполнить табл. 1 исходных и справочных данных для расчета кожухотрубного реактора идеального вытеснения для эндотермической реакции согласно варианту задания (Приложение 2). Таблица 1 Исходные и справочные данные программы «РИВД» [1–3] № 1 2 3 4 5 6 7 Обозначения Величина в в литературе программе Исходные параметры Наименование параметра Размерность Производительность по реакционной массе Начальная концентрация реагирующего компонента А Степень конверсии Температура реакционной массы на входе в реактор Температура реакционной массы на выходе из реактора Константа скорости реакции при средней температуре Порядок реакции м3/час qv qv моль А/м3 CAO Ca0 - AK xak о С tн tn о С tк tk k k n n 21 Продолжение табл. 1 Обозначения № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Наименование параметра Величина в в литературе программе Справочные данные Тепловой эффект эндотермиqt qt кДж/мольА ческой реакции (энтальпия) Плотность реакционной маскг/м3 сы при средней температуре ρ ro в реакторе tр Вязкость реакционной массы μ0 Vi0 Пас при 0 С Температурный коэффициент вязкости реакционной К-1 α a массы Теплоемкость реакционной кДж/(кг·К) cp Cp массы Теплопроводность реакциВт/(м·К) λ la онной массы Коэффициент объемного расК-1 β be ширения реакционной массы Температура насыщенного водяного пара, подводимого td td С в межтрубное пространство Давление насыщенного атм pd pd водяного пара Удельная теплота конденсакДж/кг rd rd ции пара Плотность конденсата пара при кг/м3 ρd rod температуре конденсации td Динамическая вязкость μd vid Пас конденсата греющего пара Теплопроводность конденсаλd lad Вт/(м·К) та греющего пара Длина труб трубного пучка м l l 15 Толщина стальной стенки трубы 16 17 18 Размерность м δ Теплопроводность стальной стенки трубы Термическое сопротивление (ржавчины, накипи, солевого камня и т. д.) Вт 2 м К Коэффициент теплопередачи Вт/(м2·К) Вт/(м·К) 22 1 λc rc Кt de lac rc kt Продолжение табл. 1 Обозначения № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Наименование параметра Размерность Величина в в литературе программе Расчетные параметры Конечная концентрация реагирующего компонента А моль А / м3 на выходе из реактора Среднее время пребывания реакционной массы в трубках c трубного пучка Объем реакционной массы в м3 трубках трубного пучка Тепловая мощность кВт химического реактора Расход конденсирующегося пакг/час ра в межтрубном пространстве Средняя движущая сила °С процесса теплопередачи Заданная поверхность м2 теплопередачи Внутренний диаметр труб м трубного пучка Теоретическое число трубок Средняя температура °С реакционной массы Вязкость реакционной массы Пас при средней температуре Число Рейнольдса для реакционной массы Средняя скорость реакционм/с ной массы в трубах Число Прандтля для реакционной массы Температура ржавчины на о С внешней поверхности труб Движущая сила процесса о теплоотдачи от конденсиС рующегося пара к ржавчине Удельная тепловая мощность Вт/м2 конденсирующегося пара Движущая сила процессов теплопроводности через о С ржавчину, стенку трубки, накипь и солевой камень 23 Сак cak τс tc Vp vp Q q Gd gd ∆tcр dt F F dв dв nt nt tp tp μ vi Re Re Vc vc Pr Pr x x ∆tD dtd qD qd ∆tw dtw Окончание табл. 1 Обозначения № Наименование параметра 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Размерность Температура ржавчины, накипи и солевого камня на о С внутренней поверхности труб со стороны реакционной массы Отношение чисел Прандтля реакционной массы к Пран дтлю стенки Число Нуссельта для реакци онной массы Число Грасгофа для реакци онной массы Коэффициент теплоотдачи Вт/(м2·К) Движущая сила процесса теплоотдачи от ржавчины, °С накипи и солевого камня к реакционной массе Удельная тепловая мощность Вт/м2 реакционной массы Разница удельных тепловых мощностей пара и реакционВт/м2 ной массы (функция рассогласования) Средняя удельная тепловая Вт/м2 мощность Относительная разница удельных тепловых мощностей кон− денсирующегося пара и реакционной смеси Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К) расчетный Диаметр кожуха м Величина в в литературе программе tw tw Pr Prст 0, 25 pro Nu nu Gr gr α al ∆tp dtp qp qp y y qc qc u u Kt ktp Dк dk 2. По результатам расчетов программы на ЭВМ на миллиметровой бумаге необходимо построить график изменения температуры реакционной массы и конденсирующегося пара по длине труб трубного пучка (рис. 3). Пунктиром показано изменение температуры для сильно эндотермической реакции. 24 2 tD (конд) tD (пар) 1 Δtс tк tр tн l, м Рис. 3. Схема изменения температуры реакционной массы (1) и конденсирующегося пара (2) по длине трубок трубного пучка (режим противотока) 3. Задаваясь рядом значений коэффициента теплопередачи Kt, подобрать такое его значение, чтобы он стал равным или несколько меньше расчетного коэффициента теплопередачи Ktp. Данные подбора необходимо внести в табл. 2. Таблица 2 Результаты варьирования заданного Kt и расчетного Ktp коэффициентов теплопередачи № Kt, Ktp, 1 2 3 4 … Вт м2 K Вт м2K 4. Построить на миллиметровой бумаге график зависимости расчетного коэффициента теплопередачи Ktp от заданного Kt. На графике указать оптимальное его значение К* (рис. 4), обеспечивающее заданную степень конверсии. 25 Кtp, Вт/(м2·К) y f x К *tр К tр f K t К *t Кt, Вт/(м2·К) Рис. 4. Зависимости расчетного коэффициента Ktp от заданного Kt 5. Для графической интерпретации уравнения тепловых мощностей методом половинного деления необходимо построить график (см. лабораторная работа № 1). Таблица 3 Зависимость относительной разницы удельных тепловых мощностей у конденсирующегося пара и реакционной жидкости от температуры ржавчины x со стороны конденсирующегося пара x, °C у, Вт / м 2 АЛГОРИТМ РАСЧЕТА 1. Конечная концентрация основного сырьевого компонента А [13]: C AK C AK (1 ak ) . 2. Среднее время пребывания реакционной массы в трубках трубного пучка: n n c (C1AO C1AK ) /[k (1 n)] . 3. Объем массы в трубках трубного пучка: V p qv c / 3600 . 26 4. Тепловая мощность химического реактора: Q qv C AO A qt . 3600 5. Расход конденсирующегося пара в межтрубном пространстве: Gd . 1,03 Q 3600 qv C p tk tн rd 6. Средняя движущая сила процесса теплопередачи: t cp tk tн t t ln d н td tk ; заданная поверхность теплопередачи: F Q Kt ; внутренний диаметр трубок трубного пучка: 4V p dв F . число трубок в трубном пучке: nt F ; l d в диаметр кожуха реактора Dk и dk: Dk 3,2( d в 2 )nt0, 447 ; d k 3,2(d в 2 d e )nt0, 447 . 7. Средняя температура реакционной массы: t p t d t cp . 8. Вязкость реакционной массы при средней температуре: 0e t p . 9. Число Рейнольдса реакционной массы в трубке трубного пучка: 27 Re 4 qv . 3600 d в nt 10. Средняя скорость реакционной массы: Re . dв Vc 11. Число Прандтля для реакционной массы в трубках: C Pr p 1000 . 12. Средняя температура ржавчины x на внешней поверхности трубки (со стороны конденсирующегося пара) определяется методом половинного деления между температурой пара td и средней температурой реакционной массы tp с учетом необходимости равенства удельных тепловых мощностей пара и реакционной массы. 13. Движущая сила процесса теплоотдачи от конденсирующегося пара к ржавчине на внешней поверхности трубки: t d t d x 14. Удельная тепловая мощность конденсирующегося пара: t d 3 . qd 2,04 4 rd d2 d l 15. Движущая сила процессов теплопроводности через ржавчину, стенку, накипь и солевой камень: t w q d rc . c 16. Температура солевого камня и накипи на внутренней поверхности труб со стороны реакционной массы: t x x t w . 17. Отношение чисел Прандтля к Прандтлю стенки для реакционной массы в степени 0,25 (характеризует направление теплового потока): 28 Pr0 Pr Pr ст 0, 25 . 18. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к ржавчине на внешней поверхности трубки: d qd t d . 19. Число Грасгофа для реакционной массы в трубке при ламинарном течении: g d в3 2 Gr 2 t w . 20. Число Нуссельта для реакционной массы рассчитывается по одному из трех уравнений: если Re < 2320, то режим ламинарный: Nu 0,17 Re 0,33 Pr 0, 43 0,1 Pr Gr Pr ст 0, 25 ; если 2320 Re 10000 , то режим переходный: Nu 0,008 Re 0,9 Pr 0, 43 Pr Pr ст 0, 25 ; если Re > 10000, то режим турбулентный: Nu 0,021 Re 0,8 Pr 0.43 Pr Prст 0, 25 . 21. Коэффициент теплоотдачи для реакционной массы: Nu dв . 22. Движущая сила процесса теплоотдачи от накипи и солевого камня к реакционной массе: t p t x t p . 29 23. Удельная тепловая мощность реакционной массы: q p t p . 24. Разница удельных тепловых мощностей пара и реакционной массы (функция рассогласования): y qd q p . 25. Средняя удельная тепловая мощность: qc qd q p 2 . 26. Относительная разница удельных тепловых мощностей пара и реакционной массы: u y qc . 27. Коэффициент теплопередачи, расчетный Kt Gd rd . qc 3,6 ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА Отчет по лабораторной работе должен содержать оформленный протокол, включающий в себя: 1. Начерченную в масштабе на миллиметровой бумаге схему кожухотрубного реактора с указанием материальных потоков, температур. 2. Заполненные таблицы. 3. Алгоритм расчета. 4. Графики, построенные на миллиметровой бумаге согласно рассчитанным параметрам процесса. 5. Выводы, содержащие значения и анализ рассчитанных технологических параметров (расхода, давления и температуры) греющего пара и геометрические параметры кожухотрубного реактора (количество трубок, их длину, внутренний диаметр, толщину стенок, площадь поверхности теплопередачи и внутренний объем). 30 Лабораторная работа № 3 РАСЧЕТ РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ (РИС) ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Экзотермические реакторы идеального смешения (рис. 1, 2) широко применяются в химической и нефтехимической промышленности. При этом основной проблемой их расчета является определение поверхности рубашки и при необходимости поверхности змеевика, обеспечивающих отвод тепла реакции от реакционной массы к хладагенту [4, 5]. qv, Cаo, tн qv, Cаo, tн nм nм Gw, twк Gw, twк FС qt DА HA qt HР Gw, twн HA Gw, twн DМ FД qv, Cак, tк qv, Cак, tк а б Рис. 1. Схема реактора: а – с рубашкой на боковой стенке и днище (максимально возможная поверхность теплопередачи Fc + Fд); б – с рубашкой на боковой стенке (Hp < Ha) ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Рассчитать технологические параметры и геометрические размеры экзотермического реактора идеального смешения по заданной производительности для двух режимов работы – изотермического и политропного, степени конверсии основного реагирующего компонента, тепловому эффекту реакции и зависимости концентрации основного реагирующего компонента от времени (интегральной кинетической кривой, рис. 3). 31 t, °С tК αГ , qГ Х tW αХ, qХ tХС 0 1 2 3 4 5 Рис. 2. Схема изменения температуры реакционной массы и средней температуры хладагента поперек стенки рубашки: 1, 5 – тепловые пограничные слои; 2 – накипь со стороны реакционной массы; 3 – стальная стенка; 4 – ржавчина со стороны хладагента МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ 1. На миллиметровой бумаге необходимо начертить оси зависимости концентрации основного исходного компонента А от времени реакции. Преподаватель задает вид интегральной кинетической кривой (рис. 3). Са, моль/м3 Сак τ, сек τв Рис. 3. Интегральная кинетическая кривая зависимости концентрации основного исходного компонента А от времени реакции 32 2. По графику (рис. 3) необходимо заполнить табл. 1, взяв на графике произвольные 20 значений концентрации реагирующего компонента А и соответствующие им 20 значений времени реакции при рабочей температуре в реакторе. Таблица 1 Исходные данные интегральной кинетической зависимости от времени реакции № Са моль/м3 , сек 1 2 3 … 20 3. Заполняется табл. 2 идентификаторов исходных и справочных данных (Приложение) [13]. Таблица 2 Исходные и справочные данные и расчетные параметры программы № Наименование параметра Размерность Обозначение Величина в в лекциях программе Исходные данные 1 2 3 4 5 6 7 Производительность по реакционной массе Начальная концентрация основного реагирующего компонента А Степень конверсии Массив концентраций компонента А в интегральной кинетической зависимости Массив времени реакции в интегральной кинетической зависимости Число точек в вышеназванных массивах Температура реакционной массы на входе в реактор м3/час qυ qv моль А/м3 САО са0 АК хак мольА/м3 СА сa(i) см. табл. 8 с τ t(i) см. табл. 8 − n n С tН tн 33 Продолжение табл. 2 Справочные данные 1 Рабочая температура реакционной массы в реакторе и на выходе из него С № Наименование параметра Размерность Тепловой эффект реакции по компоненту А Плотность реакционной массы при рабочей температуре Вязкость реакционной массы при 0 С Температурный коэффициент вязкости реакционной массы Теплоемкость реакционной массы Теплопроводность реакционной массы Начальная температура хладагента (воды) на входе в рубашку Конечная температура хладагента (воды) на выходе из рубашки Теплоемкость хладагента (воды) Вязкость хладагента (воды) при 0 С Коэффициент вязкости хладагента (воды) Плотность хладагента (воды) при средней температуре в рубашке Теплопроводность хладагента (воды) при средней температуре Ширина кольцевого сечения рубашки, в котором движется хладагент Толщина стальной стенки реактора Теплопроводность стальной стенки реактора Термическое сопротивление стенки рубашки (ржавчина, накипь, солевой камень) Относительный диаметр мешалки в реакторе идеального смешения кДж/моль А qt qt кг/м3 ρ ro Пас μ0 υi0 К-1 β be кДж/кгК сР ср Вт/мК λ la С tWH twн С tWK twk кДж/кгК сW cw Пас μW υiw0 К-1 βW bew кг/м3 ρW row Вт/мК λW law м δР dp м δС dc Вт/мК λС lac Вт/(м2/К)-1 rC rc − dОТ dot 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 34 tK tk Обозначение Величина в в лекциях программе № Наименование параметра 20 Число оборотов промышленной мешалки Продолжение табл. 2 Обозначение Размерность Величина в в лекциях программе об/с nM nm моль/м3 САК сак моль/м3 САС сaс(i) см. табл. 10 моль/м3с υr υr(i) см. табл. 10 моль/м3с υrк υrk с τCM tcm с τВ tв − VOT υot м3 VP υP кВт Q q кг/час GW gw м DА da м HA ha м dЭ dе м DM dm м2 SM sm Пас μ υi Пас μW υiw − Re Re Расчетные параметры 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Конечная концентрация реагирующего компонента А Массив средних концентраций компонента А для дифференциальной кинетической зависимости Массив средних скоростей реакции компонента А для дифференциальной кинетической зависимости Скорость химической реакции в реакторе идеального смешения, соответствующая конечной концентрации САК Среднее время пребывания в реакторе идеального смешения Среднее время пребывания в реакторе идеального вытеснения Отношение объемов реактора идеального смешения и вытеснения Объем реакционной массы в реакторе идеального смешения Тепловая мощность реактора Массовый расход хладагента в рубашке Расчетный диаметр реактора Высота цилиндрической части реактора Эквивалентный диаметр кольцевого зазора в рубашке Диаметр пропеллерной мешалки Площадь сечения кольцевого зазора рубашки Вязкость реакционной массы при температуре в реакторе Вязкость хладагента при средней температуре в рубашке Число Рейнольдса для реакционной массы в реакторе с мешалкой 35 № 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 Наименование параметра Число Прандтля реакционной массы Объемный расход хладагента Скорость хладагента в рубашке Число Рейнольдса для хладагента в рубашке Число Прандтля для хладагента в рубашке Средняя движущая сила по температуре Средняя температура хладагента Отношение чисел Прандтля для реакционной массы Число Нуссельта для реакционной массы Коэффициент теплоотдачи для реакционной массы Отношение чисел Прандтля для хладагента Число Нуссельта для хладагента Коэффициент теплоотдачи для хладагента Удельная тепловая мощность горячей реакционной массы Удельная тепловая мощность хладагента Средняя удельная тепловая мощность Температура реакционной массы на стенке реактора Температура хладагента на стенке рубашки Поверхность боковой цилиндрической стенки реактора Поверхность эллиптического днища реактора Общая поверхность стенки и днища реактора Необходимая расчетная поверхность теплопередачи Высота рубашки в реакторе Коэффициент теплопередачи Окончание табл. 2 Обозначение Размерность Величина в в лекциях программе − Pr Pr м3/с м/с QW υX qw υx − ReX Rex − PrX Prx К ΔtC dtc С tXC txc − Pr/Prст Pr0 − Nu Nu Вт/м2К α al − Pr0X Pr0x − NuX Nux Вт/м2К αХ alx Вт/м2 qГ qg Вт/м2 qX qx Вт/м2 qC qc С Х х С tW tw м2 FC fc м2 FД fd м2 FA fa м2 F f м Вт/м2К HP Kt hp kt 36 4. Для расчета необходимо задаться такой начальной температурой реакционной массы и подобрать температуры теплоносителя, чтобы в результате расчета выполнялось условие равенства расчетной и заданной поверхности теплопередачи. 5. По результатам расчетов программы на ЭВМ (табл. 3) необходимо построить дифференциальную кинетическую кривую зависимости (1) скорости реакции от концентрации реагирующего компонента А, а также рабочую линию (2) реактора идеального смешения (рис. 4). Таблица 3 Результаты расчетов дифференциальной кинетической зависимости скорости реакции от концентрации при рабочей температуре в реакторе 1 № 2 3 … Саc, моль/м3 υr, моль/м3с υr, моль м3 с 1 2 САС, моль/м3 υrк СА0 САК Рис. 4. Дифференциальная кинетическая кривая (1) зависимости скорости реакции от концентрации реагирующего компонента А и рабочая линия (2) реактора идеального смешения 37 6. Для каждого режима работы реактора построить на миллиметровой бумаге согласно полученным расчетным данных графики зависимости изменения температуры реакционной массы вдоль и поперек поверхности теплопередачи, дать графическую интерпретацию уравнения тепловых мощностей конденсирующегося пара и реакционной массы методом половинного деления (см. Лабораторную работу № 2). АЛГОРИТМ РАСЧЕТА 1. Конечная концентрация реагирующего компонента А [1–3]: С АК С А0 1 АК . 2. Численное дифференцирование интегральных кинетических данных для определения зависимости скорости реакции от концентрации: r C A . 3. Среднее время пребывания реакционной массы в реакторе с мешалкой: CМ С А0 С АК rк . 4. Среднее время пребывания в реакторе идеального вытеснения (рассчитывается для сравнения по интегральной кинетической кривой. 5. Отношение средних времен пребывания и объемов реакторов идеального смешения и вытеснения: Vот CM B . 6. Объем реакционной массы в реакторе идеального смешения: VP CM q 3600 . 7. Тепловая мощность химического реактора: Q q qt caA0 AK c P t K t H 3600 . 8. Расход хладагента: GW cW 3600 Q . t WK t WH 38 9. Диаметр реактора с эллиптическим днищем: D A 3 VP . 10. Высота стенки реактора «смоченной» реакционной массой: Н А DА . 11. Площадь стенки реактора «смоченной» реакционной массой: FC D A H A . 12. Площадь эллиптического днища: 2 F Д 1,35 D A . 13. Общая поверхность реактора, включая стенки и днище: FA FC F Д . 14. Эквивалентный диаметр кольцевого зазора в рубашке: dЭ 2 P . 15. Диаметр лопастей пропеллерной мешалки: DM d ОТ D A . 16. Площадь сечения рубашки: S P D A 2 C P 2 D A 2 C 2 . 4 17. Средняя движущая сила процесса теплопередачи: t C t WK t WH . t K t WH ln t K t WK 18. Средняя температура хладагента: t XC t K t C . 19. Динамическая вязкость реакционной массы при ее температуре в реакторе: 0 exp t K . 39 20. Динамическая вязкость хладагента при его средней температуре в рубашке: W W 0 exp X t XC . 21. Число Рейнольдса для реакционной массы в реакторе с мешалкой: n M DМ 2 . Re 22. Число Прандтля для реакционной массы в реакторе: Pr 1000 c P . 23. Объемный расход хладагента: QW GW . 3600 W 24. Средняя скорость хладагента в рубашке: X QW S P . 25. Число Рейнольдса для хладагента: Re X X d Э W W . 26. Число Прандтля для хладагента: Pr X 1000 c W W W . 27. Температура накипи, ржавчины, солевого камня на стенке со стороны реакционной массы (рассчитывается методом половинного деления между температурами реакционной массы и средней температурой хладагента). 28. Отношение чисел Прандтля реакционной массы при ее температуре в реакторе и при температуре Х: Pr0 Pr Pr СТ exp t K x . 40 29. Число Нуссельта для реакционной массы в реакторе (для пропеллерной мешалки) [7]: Nu 0,36 Re 0,67 Pr Pr 0,33 0,14 Pr СТ Г D М D А . 30. Коэффициент теплоотдачи от реакционной массы к стенке реактора: Nu . DM 31. Удельная тепловая мощность реакционной массы: qГ tК x . 32. Температура ржавчины (накипи, солевого камня) на внешней стенке реактора со стороны хладагента: t W x q Г rC C C . 33. Отношение чисел Прандтля хладагента при средней температуре tXC и температуре tW: Pr Pr0 X X exp X t XC t W . PrW 34. Число Нуссельта для хладагента в рубашке [4, 5]: 0,25 если Re х 5 105 , то Nu Х 0,037 Re 0Х,8 Pr Х0,43 PrOX ; 0,25 если Re х 5 105 , то Nu Х 0,66 Re 0Х,5 PrХ0,33 PrOX . 35. Коэффициент теплоотдачи для холодного теплоносителя (воды): Х Nu X X DЭ . 36. Удельная тепловая мощность, передаваемая от рубашки к холодному теплоносителю: q Х Х t W t XС . 41 37. Средняя удельная тепловая мощность: qC q X q Г 2 . 38. Необходимая поверхность теплопередачи: F 1000 Q . qC 39. Необходимая высота рубашки (для случая F < FC): F . DA HP 40. Коэффициент теплопередачи: K t qC t C . ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА Отчет по лабораторной работе должен содержать оформленный протокол, включающий в себя: 1. Алгоритм расчета. 2. Интегральную кинетическую кривую (задается преподавателем). 3. Таблицы, требуемые в работе, с заполненными величинами исходных и справочных данных согласно варианту задания. 4. Дифференциальную кинетическую кривую, построенную по полученным данным, с нанесенной рабочей линией РИС. 5. Графики, требуемые в работе, и схему реактора идеального смешения с обозначением материальных потоков, их концентраций и температур. 6. Выводы. 42 Лабораторная работа № 4 РАСЧЕТ РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ (РИС) ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Реакторы идеального смешения (рис. 1) находят широкое применение в химической и нефтехимической промышленности, а также в близких к ним отраслях производства: фармакологической, пищевой, микробиологической. 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 [4, 5]. qv, Cаo, tн HA GD, tD (конд) nм GD, tD (пар) qt DА HР DМ qv, Cак, tк Рис. 1. Схема реактора идеального смешения с рубашкой для проведения эндотермических реакций 43 t, °С tК λст αD , qD tD Х tХ α, qр tК Реакционная смесь Пар 0 1 2 3 4 5 Рис. 2. 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 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Рассчитать реактор идеального смешения непрерывного действия для эндотермической реакции заданного порядка: его геометрические размеры для изотермического и политропного режимов работы, подобрать технологические параметры по заданным значениям производительности, степени конверсии реагирующего компонента А, тепловому эффекту реакции и дифференциальной кинетической зависимости в виде степенного уравнения [13]: k = k0 · exp( –E / RT). МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ 1. Заполнить исходные и справочные данные табл. 1 идентификаторов согласно Приложения. 44 Таблица 1 Идентификаторы программы исходных и справочных данных [13] № 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Наименование параметра Размерность Обозначение в в лекции программе Исходные данные Производительность по м3/ч qv реакционной массе Начальная концентрация кмольА/м3 СА,0 реагирующего компонента А Степень конверсии ха Температура реакционной масºС tн сы на входе в реактор Порядок реакции n Число оборотов мешалки об/с nМ Относительный диаметр DМ/DA лопастей Справочные данные Тепловой эффект эндотермикДж/мольА qt ческой реакции Температура реакционной масºС tк сы в реакторе Константа скорости реакции К Плотность реакционной массы кг/м3 ρ при рабочей температуре Вязкость реакционной массы Па·с μ0 при 0 ºС Температурный коэффициент К-1 β вязкости Теплоемкость реакционной кДж/(кг·К) Ср массы при рабочей температуре Теплопроводность реакционВт/(м·К) λ ной массы Температура насыщенного водяºС tD ного пара, подводимого в рубашку Давление греющего пара ат pD Удельная теплота конденсации кДж/кг rD Плотность конденсата, который кг/м3 ρD создает пограничный слой Динамическая вязкость конденсата Па·с μD Теплоемкость конденсата Вт/(м·К) λD Толщина стальной стенки реакм δc тора Теплопроводность стальной Вт/(м·К) λC стенки реактора 45 qv сaø ха tн n nm dot qt tк k ro Viø be сp la td pd rd rod Vid ld dc lac Величина Продолжение табл. 1 № 17 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Наименование параметра Размерность Обозначение в в лекции программе Термическое сопротивление 1 Вт ржавчины, накипи, солевого rс 2 м К камня Расчетные параметры Конечная концентрация реагимольА/м3 САК рующего компонента Среднее время пребывания c τсм реакционной массы в реакторе Объем реакционной массы м3 Vp в реакторе Тепловая мощность реактора кВт Q Расход конденсирующегося кг/с GD пара Диаметр реактора с эллиптим Dа ческим днищем Высота смоченной стенки м Hа реактора Площадь боковой стенки м2 Fc реактора Площадь эллиптического м2 Fd днища Общая площадь, на которую м2 Fa можно повесить рубашку Средняя движущая сила К ∆tc Вязкость реакционной массы Па·с μ при рабочей температуре Диаметр мешалки м Dм Число Рейнольдса реакционной Re массы Число Прандтля реакционной Pr массы Температура ржавчины со стоºС x роны конденсирующегося пара Температура накипи, ржавчины, солевого камня на стенке ºС tx со стороны реакционной массы rc сak tcm vp q gd da ha fc fd fa dtc Vi dm Re Pr x tx Отношение Pr к Pr(ст) (Pr/Prст)0,25 pro Число Нуссельта реакционной массы Удельная тепловая мощность реакционной массы Удельная тепловая мощность конденсирующегося пара Nu Nu Вт/м2 qp qp Вт/м2 qD qd 46 Величина Окончание табл. 1 Обозначение № 22 23 24 25 26 27 28 Наименование параметра Размерность в лекции в программе Средняя удельная тепловая мощность Функция рассогласования Коэффициент теплоотдачи от накипи к реакционной массе Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к накипи, ржавчине Коэффициент теплопередачи Расчетная поверхность теплопередачи Высота рубашки Вт/м2 qc qc Вт/м2 u u Вт/(м2·К) α al Вт/(м2·К) αD ald Вт/(м2·К) kt kt м2 F* f м Hp hp Величин а 2. Начертить интегральную кинетическую кривую и обозначить на ней 15 точек – интервалы изменения концентрации реагента А за равные промежутки времени. Са, моль/м3 Сак τ, сек τв Рис. 3. Интегральная кинетическая кривая 3. Ввести в программу исходные и справочные данные табл. 1 согласно Приложения 4 и отредактировать программу. 47 4. Начертить на миллиметровой бумаге дифференциальную кинетическую кривую и по полученным рассчитанным данным программы обозначить на ней рабочую линию (рис. 4). Значения скоростей рассчитывают как тангенсы угла касательной, проведенной к каждой точке концентрации компоненте А на интегральной кинетической кривой в данные моменты времени. 5. Рассчитать геометрические размеры и параметры эндотермического реактора идеального смешения, обеспечивающие заданную степень конверсии и необходимую поверхность теплопередачи для изотермического режима, задаваясь начальной температурой реакционной массы. Температуру теплоносителя – греющего пара – необходимо выбрать в зависимости от величины давления греющего пара, обеспечивающего поддержание изотермического режима в аппарате смешения до заданной конечной температуры реакционной массы tК. υr, моль м3 с υrк 1 2 СА, моль/м3 υro САK САO Рис. 4. Дифференциальная кинетическая кривая (1 – дифференциальная кривая; 2 – рабочая линия) 48 6. Аналогичный расчет провести для политропного режима работы реактора, варьируя величиной начальной температуры реакционной массы до тех пор, пока расчетная площадь поверхности теплопередачи не станет равной заданной. 7. Начертить на миллиметровой бумаге графическое изменение температуры реакционной массы и конденсирующегося пара вдоль поверхности теплопередачи согласно рассчитанным параметрам процесса (рис. 5). 8. По полученным расчетным данным начертить схему изменения температуры теплопередающих поверхностей поперек поверхности теплопередачи (рис. 2). t, °С tD (конд.) tD (пар) Δtср tК tН F, м2 НР , м Рис. 5. Распределение температуры конденсирующегося пара и реакционной массы вдоль поверхности (боковой стенки) рубашки 9. Дать графическую интерпретацию уравнения тепловых мощностей конденсирующегося пара и реакционной массы методом половинного деления (см. Лабораторную работу № 2). АЛГОРИТМ РАСЧЕТА 1. Конечная концентрация реагирующего компонента [1–3] С А, К С А, 0 1 х А, К . 2. Среднее время пребывания реакционной массы в реакторе 49 см С А, 0 С А, К rк . 3. Объем реакционной массы Vр ср qV 3600 . 4. Тепловая мощность химического реактора Q qV C р tк tн qt С А, 0 х А / 3600 . 5. Расход конденсирующегося пара Q 1,03 rД GД . 6. Диаметр реактора с эллиптическим днищем Д а 3 Vр . 7. Высота смоченной стенки реактора Hа Да . 8. Площадь боковой стенки реактора Fс Д а Н а . 9. Площадь эллиптического днища FД 1,35 Д а2 . Fа Fс FД . tср t Д tк . 10. Общая площадь 11. Средняя движущая сила 12. Вязкость реакционной массы при температуре реакции 0 exp tк . 13. Число Re для реакционной массы Re nМ Д М2 / . 50 14. Диаметр мешалки Д М dot Д а . 15. Число Pr для реакционной массы Pr 1000 Ср . 16. Удельная тепловая мощность конденсирующегося пара q Д 2,04 4 r Д Д2 3Д t Д х 3 Д На . 17. Температура накипи, солевого камня, ржавчины на стенке реактора со стороны реакционной массы t х х q Д rс С С . 18. Отношение критерия Прандтля к Прандтлю стенки Pr Pr o exp tк t х Prст . 19. Число Nu для реакционной массы Nu 0,36 Re0,67 Pr 0,33 Pr o0,14 dot . 20. Коэффициент теплоотдачи от накипи к реакционной массе Nu ДМ . 21. Удельная тепловая мощность реакционной массы q р t х t к . 22. Средняя удельная тепловая мощность qС q р q Д / 2 . 23. Функция рассогласования u qД qр . 24. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к ржавчине Д q Д / t Д х 51 . 25. Коэффициент теплопередачи Кt qС tср . 26. Расчетная поверхность теплопередачи F если F < Fст , тогда H p 1000 Q ; qc F . Да ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА Отчет по лабораторной работе должен содержать оформленный протокол, включающий в себя: 1. Заполненные таблицы исходных, справочных и рассчитанных данных. 2. Начерченную в масштабе на миллиметровой бумаге схему рассчитанного реактора идеального смешения для изотермического режима с обозначением основных узлов, материальных потоков, концентраций и температур. 3. Начерченные на миллиметровой бумаге графики согласно результатам расчетов программы на ЭВМ для политропного режима работы реактора. 4. Выводы о том, как обеспечивается заданная поверхность теплопередачи для эндотермической реакции, как обосновывается выбор параметров процесса давлении и температуре, какие характеристики пара при этом используются и т. д. 52 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Таблица 1 δ 10-3 qt 103 0,90 72 113,6 2,0 6 82 38,85 46,2 1,1 0,95 70 113,6 2,1 5 80 38,11 47,1 1,2 0,89 68 89,1 2,2 7 88 39,12 48,2 1,3 0,88 66 89,1 2,3 6 94 40,23 49,3 λс 1,0 kt r 10-4 4 KOH + HCl → KCl + H2O l 3 CAO 2 2NaOH + H2SO4 → → Na2SO4 + 2H2O XA 1 Уравнение химической реакции (компонент А обозначен курсивом) qv № варианта Варианты заданий 5 C2H5OH + CH3COOH → 1,4 0,87 65 256 2,4 5 74 41,24 50,4 6 CH3COOC2H5 + H2O 1,5 0,92 64 256 2,5 7 76 42,56 51,5 7 СН3OH + CH3COOH → CH3COOCH3 + H2O 1,6 0,91 74 18,8 2,6 6 77 43,87 52,6 1,7 0,93 73 18,8 2,7 5 65 44,95 53,7 СН3СООС2Н5 + NaOH → СН3СООNa + C2Н5ОH 1,8 0,94 75 31,4 1,9 7 82 38,64 54,8 1,9 0,95 76 31,4 1,8 6 83 37,82 40,9 СН3-СН2-СН2-СН3 → → СН3-СН2(СН3)-СН3 1,8 0,84 72 20,4 1,7 5 90 36,35 41,8 2,0 0,85 70 20,4 1,6 7 97 35,31 42,7 2,1 0,86 68 96,6 2,0 6 69 34,65 43,6 2,2 0,87 65 79,3 2,1 5 64 33,21 44,5 2,3 0,88 67 34,9 2,2 7 85 40,22 45,4 2,4 0,89 64 34,9 2,3 6 73 41,44 46,3 2,3 2,2 0,90 0,91 69 72 2,4 2,0 5 7 69 42,65 47,2 90 39,38 48,4 2,1 0,92 74 78,7 1,9 6 80 38,54 49,1 2,1 0,93 73 78,7 1,8 5 70 37,97 50,0 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2Н2О2 → 2Н2О2 + О2 NaOH + H2SO4 → NaНSO4 + H2O СаО + Н2О → Са(ОН)2 NaHSO4 + NaOH → Na2SO4 + H2O 53 108 108 Таблица 2 Физические свойства реакционной массы (г) и хладагента (х) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 tн tхн tк tхк Сi λ μ×10-5 Реакционная масса 3,25 0,58 65 780 варьир. 30 67 125 Хладагент 4,19 0,68 78 956 варьир. варьир. 58 Реакционная масса 3,11 0,50 62 788 варьир. 32 67 120 Хладагент 4,20 0,65 70 960 варьир. варьир. 59 Реакционная масса 3,15 0,51 60 790 варьир. 33 68 128 Хладагент 4,22 0,66 71 965 варьир. варьир. 60 Реакционная масса 4,00 0,52 55 810 варьир. 35 69 115 Хладагент 4,28 0,67 72 966 варьир. варьир. 61 Реакционная масса 3,17 0,53 71 777 варьир. 30 70 113 Хладагент 4,10 0,68 74 968 варьир. варьир. 62 Реакционная масса 2,99 0,54 68 690 варьир. 37 71 120 Хладагент 4,11 0,69 76 964 варьир. варьир. 63 Реакционная масса 2,98 0,55 64 750 варьир. 32 72 121 Хладагент 4,13 0,70 78 950 варьир. варьир. 64 Реакционная масса 3,21 0,56 61 755 варьир. 40 73 128 Хладагент 4,12 0,71 80 944 варьир. варьир. 65 Реакционная масса 3,35 0,57 44 748 варьир. 41 74 127 Хладагент 4,22 0,70 60 953 варьир. варьир. 66 Реакционная масса 3,33 0,58 81 757 варьир. 36 75 136 Хладагент 4,19 0,69 62 949 варьир. варьир. 67 Реакционная масса 3,26 0,59 77 800 варьир. 39 74 132 Хладагент 4,15 0,68 64 951 варьир. варьир. 67 Реакционная масса 3,14 0,60 55 799 варьир. 46 73 140 Хладагент 4,14 0,67 66 952 варьир. варьир. 66 Реакционная масса 2,97 0,61 60 788 варьир. 36 72 126 Хладагент 4,33 0,66 74 953 варьир. варьир. 65 Вариант 54 ρ а×103 βг×105 Окончание табл. 2 14 15 16 17 18 19 20 tн tхн tк tхк Сi λ μ×10-5 Реакционная масса 4,01 0,62 50 745 варьир. 38 71 140 Хладагент 4,30 0,65 61 961 варьир. варьир. 64 Реакционная масса 3,75 0,63 55 800 варьир. 36 70 121 Хладагент 4,24 0,64 78 963 варьир. варьир. 63 Реакционная масса 3,64 0,64 67 805 варьир. 35 69 134 Хладагент 4,60 0,70 81 947 варьир. варьир. 62 Реакционная масса 3,31 0,65 68 802 варьир. 33 68 133 Хладагент 4,18 0,72 74 950 варьир. варьир. 60 Реакционная масса 3,40 0,61 74 784 варьир. 39 67 144 Хладагент 4,17 0,74 80 955 варьир. варьир. 59 Реакционная масса 3,28 0,59 72 794 варьир. 29 66 132 Хладагент 4,15 0,72 86 965 варьир. варьир. 58 Реакционная масса 3,29 0,58 69 791 варьир. 30 65 128 Хладагент 4,14 0,66 72 960 варьир. варьир. 57 Вариант 55 ρ а×103 βг×105 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Таблица 3 n qv XAК CAO qt δ × 10-3 l λс РD 0,05 1 2,5 0,90 12 114 2,0 6 1,82 2,1 16,2 2,6 2 0,06 1 2,8 0,95 10 113 2,1 5 1,80 2,2 17,1 2,5 3 0,07 1 3,6 0,89 18 89 2,2 4 1,88 2,3 18,2 2,8 4 0,08 1 4,0 0,88 16 90 2,3 6 1,94 2,0 19,3 2,9 5 0,09 1 3,7 0,87 15 80 2,4 5 1,74 1,9 20,4 3,0 6 0,10 1 2,9 0,92 9 75 2,5 4 1,76 2,1 21,5 3,1 7 0,11 2 3,0 0,91 8 88 2,6 6 1,77 2,0 12,6 3,2 8 0,04 2 3,1 0,93 13 100 2,7 5 1,65 2,2 13,7 3,3 9 0,05 2 3,3 0,94 15 120 1,9 4 1,82 2,3 14,8 3,2 10 0,06 2 3,7 0,95 16 95 1,8 6 1,83 2,4 20,9 3,1 11 0,07 2 3,9 0,84 12 68 1,7 5 1,90 1,8 11,8 3,0 12 0,08 2 2,9 0,85 10 65 1,6 4 1,97 1,7 12,7 3,1 13 0,03 3 2,8 0,86 8 102 2,0 6 1,69 1,9 13,6 2,9 14 0,02 3 3,3 0,87 15 79 2,1 5 1,64 2,0 14,5 2,8 15 0,04 3 3,2 0,88 17 34,9 2,2 4 1,85 2,1 15,4 2,7 16 0,05 3 3,5 0,89 14 89 2,3 6 1,73 2,2 16,3 3,0 17 18 19 0,06 0,07 2 2 3,6 2,7 0,90 0,91 9 17 108 100 2,4 2,0 5 4 1,69 1,90 2,3 2,2 17,2 18,4 3,1 3,2 0,08 2 2,5 0,92 14 78 1,9 6 1,80 2,0 19,1 2,9 20 0,10 2 3,5 0,93 13 88 1,8 5 1,70 1,9 20,0 2,8 56 rD×10-3 k 1 rс × 104 № варианта Варианты заданий Таблица 4 Физические свойства реакционной массы и насыщенного водяного пара, подводимого в межтрубное пространство λ μ×104 ρ tн tD tк а×103 β×106 Сi Реакционная масса 0,58 15 980 13 50 27 25 3,25 Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель 0,68 0,50 0,65 0,51 0,66 0,52 0,67 0,53 0,68 0,54 0,69 0,55 0,70 0,56 0,71 0,57 0,70 0,58 0,69 0,59 0,68 0,60 0,67 0,61 0,66 0,62 0,65 0,63 0,64 0,64 0,70 0,65 0,72 0,61 0,74 0,59 0,72 0,58 0,66 2,0 12 2,1 10 2,3 15 2,1 11 2,5 18 2,0 14 1,9 11 1,8 14 1,7 11 2,0 17 2,1 15 2,2 16 2,3 15 1,8 15 1,9 17 2,0 18 2,0 14 2,2 18 2,3 19 2,1 956 988 960 990 965 910 966 977 968 990 964 950 950 955 944 948 953 957 949 900 951 999 952 988 953 945 961 900 963 905 947 902 950 984 955 994 965 991 960 133 11 123 12 134 13 135 14 136 15 137 16 138 17 139 18 140 19 129 10 128 13 137 12 136 17 135 16 144 12 133 12 134 13 145 12 136 11 137 20 3,11 28 3,15 15 4,00 13 3,17 20 2,99 21 2,98 28 3,21 27 3,35 36 3,33 32 3,26 40 3,14 26 2,97 40 4,01 21 3,75 34 3,64 33 3,31 44 3,40 32 3,28 28 3,29 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 57 52 27 53 28 55 29 50 20 57 21 52 22 50 23 51 24 56 25 59 24 56 23 56 22 58 21 56 20 55 29 53 28 59 27 59 26 50 25 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Таблица 5 qt n dот rс × 104 λс δс × 103 δр × 103 XAК CAO qv № варианта Варианты заданий 1 0,8 32 0,90 6,0 5 46,2 4,82 0,6 4 2755 2 0,9 30 0,95 6,1 6 47,1 4,80 0,5 5 2600 3 0,6 28 0,89 6,2 6 48,2 4,88 0,6 6 2720 4 1,0 26 0,88 6,3 6 49,3 4,94 0,5 7 2614 5 0,7 25 0,87 6,4 6 40,4 4,74 0,3 6 2516 6 0,9 39 0,92 6,5 5 41,5 4,76 0,4 5 2810 7 1,0 38 0,91 5,6 6 42,6 4,77 0,2 4 2763 8 1,1 33 0,93 5,7 5 43,7 4,65 0,3 5 2754 9 1,3 35 0,94 5,9 5 44,8 4,82 0,2 6 2813 10 0,7 26 0,95 5,8 6 40,9 4,83 0,5 7 2697 11 0,9 32 0,84 5,7 6 41,8 4,90 0,3 8 2614 12 0,9 30 0,85 5,6 6 42,7 4,97 0,5 6 2758 13 0,8 28 0,86 6,0 6 43,6 4,69 0,4 5 2699 14 1,3 25 0,87 6,1 6 44,5 4,64 0,3 4 2755 15 1,2 27 0,88 6,2 6 45,4 4,85 0,4 7 2600 16 0,5 34 0,89 6,3 5 46,3 4,73 0,2 6 2720 17 18 19 0,6 0,7 29 27 0,90 0,91 5,4 6,0 5 5 47,2 48,4 4,69 4,90 0,6 0,5 5 7 2614 2516 1,5 34 0,92 5,9 6 49,1 4,80 0,4 8 2810 20 1,5 33 0,93 5,8 5 40,0 4,70 0,3 9 2763 58 Таблица 6 Физические свойства реакционной массы и хладагента (воды) Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель Реакционная масса Теплоноситель λ μ×104 ρ tн twн tк (из) / tк (пол) twк 0,58 5,1 980 варьир. 35 / 15 0,68 0,50 0,65 0,51 0,66 0,52 0,67 0,53 0,68 0,54 0,69 0,55 0,70 0,56 0,71 0,57 0,70 0,58 0,69 0,59 0,68 0,60 0,67 0,61 0,66 0,62 0,65 0,63 0,64 0,64 0,70 0,65 0,72 0,61 0,74 0,59 0,72 0,58 0,66 10 5,2 11 5,0 13 5,5 11 5,1 15 4,8 10 4,4 11 5,1 18 5,4 17 5,1 10 4,7 11 4,5 12 4,6 13 4,5 18 5,5 12 4,7 10 4,8 11 5,4 12 4,8 13 4,9 12 986 988 980 990 985 910 986 977 988 990 984 950 980 955 984 948 983 957 979 900 981 999 982 988 983 945 981 900 983 905 977 902 950 984 985 994 975 991 980 варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. 59 31 / 11 32 / 12 варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. 33 / 13 34 / 14 35 / 8 варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. 36 / 9 37 / 10 варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. 38 / 7 29 / 11 варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. 30 / 10 29 / 9 28 / 8 варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. 37 / 10 36 / 11 варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. 35 / 15 34 / 9 33 / 13 варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. варьир. 32 / 12 35 / 15 β×103 с 55 5,7 62 5,8 58 5,9 55 5,4 63 5,5 62 5,3 61 5,2 58 5,1 57 5,5 66 5,4 62 5,6 64 5,7 56 5,8 59 5,9 61 6,0 64 5,8 63 5,9 64 5,4 62 5,7 58 5,8 3,25 4,19 3,11 4,20 3,15 4,22 4,00 4,18 3,17 4,17 2,99 4,00 2,98 4,22 3,21 4,19 3,35 4,18 3,33 4,17 3,26 4,21 3,14 4,23 2,97 4,19 4,01 4,18 3,75 4,15 3,64 4,14 3,31 4,20 3,40 4,22 3,28 4,23 3,29 4,21 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Температура, °С Абсолютное давление, кгс/см2 Удельная теплота парообразования, кДж/кг Плотность пара, кг/м3 Температура, °С Абсолютное давление, кгс/см2 Удельная теплота парообразования, кДж/кг Плотность пара, кг/м3 Таблица 7 Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от температуры 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 0,0062 0,0089 0,0125 0,0174 0,0238 0,0323 0,0433 0,0573 0,0752 0,0977 0,1258 0,1605 0,2031 0,2550 0,3177 0,393 0,483 0,590 0,715 0,862 1,033 1,232 1,461 1,724 2,025 2,367 2,755 2493,1 2481,7 2470,4 2459,5 2448,2 2436,9 2425,6 2414,3 2403,0 2391,3 2380,0 2368,2 2356,9 2345,2 2333,0 2321 2310 2297 2285 2273 2260 2248 2234 2221 2207 2194 2179 0,00484 0,00680 0,00940 0,01283 0,01729 0,02304 0,03036 0,03960 0,05114 0,06543 0,0830 0,1043 0,1301 0,1611 0,1979 0,2416 0,2929 0,3531 0,4229 0,5039 0,5970 0,7036 0,8254 0,9635 1,1199 1,296 1,494 135 140 145 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 374 3,192 3,685 4,238 4,855 6,303 8,080 10,23 12,80 15,85 19,55 23,66 28,53 34,13 40,55 47,85 56,11 65,42 75,88 87,6 100,7 115,2 131,3 149,0 168,6 190,3 214,5 225 2165 2150 2125 2120 2089 2056 2021 1984 1945 1904 1860 1813 1763 1710 1653 1593 1528 1459 1384 1302 1213 1117 1009 881,2 713,6 411,5 0 1,715 1,962 2,238 2,543 3,252 4,113 5,145 6,378 7,840 9,567 11,600 13,98 16,76 20,01 23,82 28,27 33,47 39,60 46,93 55,59 65,95 78,53 93,98 113,2 139,6 171,0 322,6 60 Таблица 8 Физические свойства воды на линии насыщения Давление абсолютное, ат Температура, °С Плотность, кг/м3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,03 1,46 2,02 2,75 3,68 4,85 6,30 8,08 10,23 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 1000 1000 998 996 992 988 983 978 972 965 958 951 943 935 926 917 907 897 887 Динамическая вязкость, ×106, Па·с 1790 1310 1000 804 657 549 470 406 355 315 282 256 231 212 196 185 174 163 153 Теплоемкость конденсата, ×102, Вт/(м·К) 55,1 57,5 59,9 61,8 63,4 64,8 65,9 66,8 67,5 68,0 68,3 68,5 68,6 68,6 68,5 68,4 68,3 67,9 67,5 Таблица 9 № варианта qv CAO XAК n nМ Dс × 10-3 λс rс × 10-3 DМ / DА qt Варианты заданий 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 18 19 16 10 17 19 15 16 14 17 14 16 18 13 15 15 16 17 18 15 32 30 28 26 25 39 38 33 35 26 32 30 28 25 27 34 29 27 34 33 0,90 0,95 0,89 0,88 0,87 0,92 0,91 0,93 0,94 0,95 0,84 0,85 0,86 0,87 0,88 0,89 0,90 0,91 0,92 0,93 0,9 1 1,1 0,8 0,9 0,7 1 1 0,9 0,7 0,8 0,9 1,1 0,8 1 0,9 0,9 1 1,1 0,8 6,7 6,0 5,8 6,6 6,5 6,4 5,7 7,0 6,9 6,5 7,0 6,7 6,4 6,6 6,7 5,9 6,8 6,9 7,1 6,5 8 7 6 6 8 5 9 5 8 6 7 6 8 7 8 9 8 9 6 8 46,2 47,1 48,2 49,3 40,4 41,5 42,6 43,7 44,8 40,9 41,8 42,7 43,6 44,5 45,4 46,3 47,2 48,4 49,1 40,0 1,0 0,8 0,7 0,9 1,0 1,1 1,0 0,8 0,7 0,9 1,0 1,1 1,0 0,8 0,7 0,9 1,0 1,1 1,0 0,8 0,26 0,25 0,26 0,25 0,31 0,24 0,32 0,43 0,22 0,25 0,23 0,25 0,34 0,23 0,24 0,22 0,26 0,25 0,24 0,23 5,5 6,0 5,2 6,1 5,1 5,3 5,5 6,0 5,1 4,9 4,8 5,1 5,3 5,7 5,6 6,2 6,4 5,7 5,5 6,0 61 Таблица 10 Физические свойства реакционной массы Вариант λ μ×10-4 ρ tк β×10-3 с 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0,58 0,50 0,51 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58 0,59 0,60 0,61 0,62 0,63 0,64 0,65 0,61 0,59 0,58 5,1 5,2 5,0 5,5 5,1 4,8 4,4 5,1 5,4 5,1 4,7 4,5 4,6 4,5 5,5 4,7 4,8 5,4 4,8 4,9 980 988 990 910 977 990 950 955 948 957 900 999 988 945 900 905 902 984 994 991 80 101 102 103 115 99 106 102 90 109 100 112 108 95 106 105 120 103 102 78 5,5 6,2 5,8 5,5 6,3 6,2 6,1 5,8 5,7 6,6 6,2 6,4 5,6 5,9 6,1 6,4 6,3 6,4 6,2 5,8 3,25 3,11 3,15 4,00 3,17 2,99 2,98 3,21 3,35 3,33 3,26 3,14 2,97 4,01 3,75 3,64 3,31 3,40 3,28 3,29 62 Список рекомендуемой литературы 1. Голованчиков, А. Б. Применение ЭВМ в химической технологии и экологии: учебное пособие. Часть 5. Химические процессы и реакторы / А. Б. Голованчиков, Б. В. Симонов. – Волгоград: РПК «Политехник», 1998. 121 с. 2. Дулькина, Н. А. Расчет химических реакторов на ЭВМ с учетом структуры потоков и уровня смешения: методические указания к расчету химических реакторов / Н. А. Дулькина, А. Б. Голованчиков, Г. В. Рябчук – Волгоград: РПК «Политехник», 2001. 36 с. 3. Голованчиков, А. Б. Применение ЭВМ в химической технологии и экологии: учебное пособие. Часть 1. / А. Б. голованчиков, Б. В. Симонов – Волгоград: ВолгГТУ, 1994. – 114 с. 4. Павлов, К. Ф. Примеры и задачи по курсу химической технологии / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков – Изд. 8-е. – Л.: Химия, 1987. – 576 с. 5. Тимонин, А. С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.1. / А. С. Тимонин – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. – 852 с. 63 Учебное издание Александр Борисович Голованчиков Юлия Валерьевна Аристова РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ Учебное пособие Редактор В. В. Свитачева Темплан 2018 г. (учебники и учебные пособия). Поз. № 73. Подписано в печать 16.04.2018 г. Формат 6084 1/16. Бумага газетная. Гарнитура Times. Печать офсетная. Усл. печ. л. 3,72. Уч.-изд. л. 3,08. Тираж 100 экз. Заказ . Волгоградский государственный технический университет 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 1. Отпечатано в типографии ИУНЛ ВолгГТУ 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 7. 64
![Br , T A NaOH [O] C HCN D [O] KMnO , H+, T E](http://s1.studylib.ru/store/data/002401663_1-0244162beba17b16174e32f4a61cc432-300x300.png)
