МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ РЕАКЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ РЕАКЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

 

Методические указания к лабораторному практикуму

 

Самара

Самарский государственный технический университет

2018


 

Печатается по решению методического совета нефтетехнологического факультета

 

УДК 681.3.068(07)


Моделирование и расчет реакционных процессов химической технологии : метод. указ. к лаб. работе / Сост. С.П.Шкаруппа. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2018. – 32 с.:ил.

 

Рассматривается применение метода математического моделирования  для описания и исследования химико-технологических процессов, расчета химических ректоров.

Методические материалы предназначены для студентов, обучающихся по следующим направлениям бакалавриата 180302 Химическая технология, Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии.

 

Рецензент канд. техн. наук Н.Г. Кац

 

 

© С.П.Шкаруппа, составление, 2017

©Самарский государственный

технический университет, 2017

 



Материальный баланс.

             
Скорость изменения концентрации в-ва. Сi
 
Кинетика DСкин.
 
Гидродинамика DСг/д.
 
Массопередача DСмо


=                +            +

 


Тепловой баланс.

Тепловые эффекты реакции DТкин
Изменение температуры Тi
 

     
Гидродинамика DТг/д
 
Теплопередача DТт.п.


                                          =              +                   +

 

Гидросопротивление. (Фиксирует скорость изменения давления в системе).

 

         
Изменение давления в системе  Рi
 
Потеря давления на местные сопротивления DРмс.
 
Потери давления    на трения DРтр


                                          =                                    +

 

 i = 1…..М - номер потока и их число,

 j = 1…..N - суммарное количество компонентов во всех потоках и фазах

Общее число уравнений в системе:

1. Материальный баланс – по количеству  компонентов в системе с учетом  фазового состава

Уравнений материального  баланса = N*M.

2. Тепловой баланс – по количеству  независимых потоков. 

Уравнений теплового баланса = М

3. Гидродинамика – по количеству независимых потоков.

Уравнений гидродинамики  = М

 

Математические модели химических аппаратов строятся на основе блочного принципа с использованием гидродинамических моделей, учитывающих характер распределения времени пребывания частиц потока реагирующей смеси в данном объёме.

 Основу моделирования химических реакторов составляет описание блока кинетической модели.

 

КИНЕТИКА.

Это отрасль науки, которая занимается изучением скоростей химических реакций. Скорость химической реакции представляет собой первую производную концентрации по времени: r = dC/dt.

Процедура получения кинетического уравнения.

1. Поставить кинетический эксперимент, получить кривые C=f (T,t).

2. Выбрать вид кинетической модели.

3. Определить порядок реакции.

4. Рассчитать константы скорости и вычислить энергию активации.

5. Проверить адекватность кинетического описания. При неадекватности возврат к пунктам 1 или 2.

 

Уравнения, основанные на классическом законе действующих масс называется классической или формальной кинетикой. Некоторые виды реакций описываются уравнениями специального вида. Вид этих уравнений определяется как теоретически так и на основе экспериментальных данных. Подобная кинетика называется неформальной.

Скорость сложной реакции по любому веществу равна алгебраической сумме скоростей всех стадий по этому веществу. Стадия – это однонаправленный химический процесс, в котором участвуют два или три компонента: исходные для данной стадии и продукт данной стадии.

 Н-р:  А ® В

  А+В ® С

Если в ходе химической реакции концентрация компонента уменьшается, то выражение, описывающее скорость данной реакции берётся со знаком минус. Если же вещество накапливается, то с плюсом. Обобщённое уравнение кинетики многостадийной реакции имеет вид:

rj = Sai *k *PCjn,

Где a - стехиометрический коэффициент,

j – номер компонента.

Правила построения кинетической модели.

1. Задать исходную информацию в виде схемы реакции.

2. В модели будет столько уравнений, сколько веществ в химической системе.

3. В каждом уравнении - столько слагаемых, сколько реакций влияет на концентрацию данного компонента.

4. Каждое слагаемое – это произведение стехиометрических коэффициентов, константы скорости и концентрации вещества в степени своего порядка.

5. Константа скорости умножается на концентрацию компонента, который является исходным для данной стадии.



Тепловой баланс системы.

 

DТ=DТкин.+DТг/д +DТт/о

Температура принадлежит к числу факторов наиболее сильно влияющих на скорость химической реакции, поскольку протекание большинства химических процессов в значительной степени зависит от явления переноса тепла в системе.

Величина DТкинетич в структуре теплового баланса для всех типов моделей записывается как сумма произведений скорости каждой стадии на соответствующий ей тепловой эффект. Скорость стадии берётся по модулю, а знак сомножителя определяется знаком теплового эффекта.

,

где r - плотность реакционной смеси,

 ср – теплоемкость реакционной смеси.

Н-р:

Следующая составляющая в уравнении теплового баланса гидродинамическая DТгидр, характеризует каким образом изменяется температура в потоке в зависимости от скорости перемешивания потока и конструкционных особенностей аппарата, в котором происходит процесс.

1). Модель идеальное смешение.

 Гидродинамическая составляющая описывается следующим уравнением:

;    ; где Т0 – температура потока на входе в аппарат, Т – температура на выходе из аппарата

2). Модель идеальное вытеснение.

Гидродинамическая составляющая описывается следующим уравнением:

.

3). Модель диффузионное однопараметрическое вытеснение.

Гидродинамическая составляющая описывается следующим уравнением:

 ,где ll – продольная теплопроводность турбулентного потока

4).Модель диффузионное двухпараметрическое вытеснение.

Гидродинамическая составляющая описывается следующим уравнением:

lR – поперечная теплопроводность

5). Ячеечная модель.

Гидродинамическая модель:

 

Теплообмен - D Т то.

Учёт стохастической составляющей модели теплообменной аппаратуры позволяет найти распределение температур по длине поверхности теплообмена. Обычно расчёт теплообменной аппаратуры выполняется в следующей последовательности:

1. Составляется тепловой баланс всех потоков приводящих и отводящих тепло Qприх.=Qрасх.

Qпр.=G*Cр*(Тнач - Ткон)

G-количество теплоносителя , Cр- теплоноситель

  Тначкон -начальная и конечная температура теплоносителя.

2). Определяется поверхность теплообмена

    F=Qт./k Dtср.t

Анализ процессов, связанных с отводом тепла и теплообменом базируется на исследовании материальных моделей этих процессов, представляющих собой определенные варианты уравнения теплового баланса.

Идеальное смешение.

 Модель основана на предположении о полном смешении теплоносителя, поэтому его температура будет постоянной по длине теплообменника.

где К – коэффициент теплопередачи,

F –поверхность теплопередачи,

Т1 –температура потока в аппарате,

Т2 – температура теплоносителя,

Vr – объем аппарата.

Знак «+» - тепло поступает в систему, знак «-» - отвод тепла из системы

Идеальное вытеснение.

В основе модели лежат допущения о постоянстве температуры в поперечном сечении и отсутствии продольного перемешивания.

 ,

где     dR- диаметр трубы теплообменника.

В зависимости от тепловых режимов все реакторы делятся на:

- изотермические,

- адиабатические ,

-  политропные.

В изотермических для поддержания постоянной температуры необходимо подводить или отводить тепло. Его количество соответствует суммарному тепловому эффекту всех реакций протекающих в системе. Так как в таком реакторе температура постоянна, то уравнения теплового баланса нет.

DТ= const.

 Однако эти реактора сравнительно редко используются в крупномасштабных производствах из-за высокой стоимости оборудования для съёма или подвода тепла.

Реактор называется адиабатическим, если в системе выделяемое в результате химической реакции тепло полностью идёт на изменение температуры при этом теплообмен с окружающей средой полностью отсутствует. В структуре теплового баланса отсутствует третья составляющая DTто=0.

В политропном реакторе изменение температурного режима в системе происходит и за счёт химической реакции и за счёт теплообмена с окружающей средой.

Задания для выполнения лабораторной работы

 

ВАРИАНТ 1

ПОЛУЧИТЬ ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ(ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ) И РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ), ГДЕ ПРОТЕКАЮТ РЕАКЦИИ

А ® В (k1)    В ® С (k2) С ® D (k3) D ® E (k4)

D E (k5)  A C (k6)

 

Исходные данные:

Предэкспоненциальные множители (с-1)

k01 = 6,27E 22       k02 = 2,92E 14  k03 = 2,33E 14  

k04 = 8,1E 11 k05 = 1,54E 11       k06 = 2,38E 20

 энергии активации (кДж/моль)

Е1 =2,08Е 5    Е2 = 1,35Е 5   Е3 =1,35Е 5  

Е4 = 1,15Е 5 Е5 = 1,15Е 5   Е6 = 2,01Е 5

Тепловые эффекты реакции (Дж/кг)

Н1 =700   Н2 = 300  Н3 = 300 Н4 = 200 Н5 = - 100  Н6 = 100

Начальная температура сырья Т= 480 К

Температура хладагента       Тх = 300 К

Теплоемкость                         ср = 3000 Дж/кг*К

Коэффициент теплопередачи К = 410 Вт/м2

Плотность сырья                    r = 700 кг/м3

Поверхность теплопередачи F = 1,2 м2

Объем реактора                      V = 0,22 м3

Расход сырья                           С = 0,07 м3/сек

При расчете реактора идеального вытеснения (изотермический и адиабатический) задать шаг интегрирования 0,05 (5 см) и 0,1 (10см), скорость потока 0,5 м/с, 1 м/с, 5 м/с, 10 м/с

Построить графики зависимости конверсии сырья (вещество А) от скорости потока для РИВ адиабатического и изотермического длиной 0,5м и 1 м.

Вывод : сравнительный анализ влияния гидродинамического и теплового режимов на конверсию сырья. Обосновать выбор типа реактора по результатам выполненных расчетов.

__________________________________________________

ВАРИАНТ 2

ПОЛУЧИТЬ ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ(ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ) И РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ), ГДЕ ПРОТЕКАЮТ РЕАКЦИИ

А ® В (k1)    В ® С (k2) С ® D (k3) D ® E (k4)

А В (k5)  В C (k6)  С D (k7) A C (k8)

 

Исходные данные:

Предэкспоненциальные множители (с-1)

k01 = 1,4E 18       k02 = 4,31E 16  k03 = 2,54E 18    

k04 = 2,071E 16 k05 = 7,77E 8       k06 = 8,3E 11     k 07 = 2,32E 10       k 08 = 2,713E 17

 энергии активации (кДж/моль)

Е1 = 1,3Е 5    Е2 = 1,2Е 5   Е3 =1,34Е 5   Е4 = 1,2Е 5

Е5 = 6,69Е 5   Е6 = 9,36Е 5  Е 7 = 8,09Е 5 Е 8 = 1,34Е 5

Тепловые эффекты реакции (Дж/кг)

Н1 = 1300   Н2 = 200  Н3 = 200 Н4 = 200     

Н5 = - 100  Н6 = 100 Н7 = 2 Н8 = 6

 

Начальная температура сырья Т= 380 К

Температура хладагента       Тх = 300 К

Теплоемкость                         ср = 2600 Дж/кг*К

Коэффициент теплопередачи К = 530 Вт/м2

Плотность сырья                    r = 620 кг/м3

Поверхность теплопередачи F = 1,6 м2

Объем реактора                      V = 0,38 м3

Расход сырья                           С = 0,02 м3/сек

При расчете реактора идеального вытеснения (изотермический и адиабатический) задать шаг интегрирования 0,05 (5 см) и 0,1 (10см), скорость потока 0,5 м/с, 1 м/с, 5 м/с, 10 м/с

Построить графики зависимости конверсии сырья (вещество А) от скорости потока для РИВ адиабатического и изотермического длиной 0,5м и 1 м.

Вывод : сравнительный анализ влияния гидродинамического и теплового режимов на конверсию сырья. Обосновать выбор типа реактора по результатам выполненных расчетов.

 

ВАРИАНТ 3

ПОЛУЧИТЬ ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ(ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ) И РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ), ГДЕ ПРОТЕКАЮТ РЕАКЦИИ

А ® В (k1)    В ® С (k2) С ® D (k3) D ® E (k4)

А ® С (k5)

 

Исходные данные:

Предэкспоненциальные множители (с-1)

k01 = 8,63E 13       k02 = 1,71E 7  k03 = 1,19E 8 k04 = 5,5E 10 k05 = 4,48E 5

 энергии активации (кДж/моль)

Е1 = 9,85Е 4    Е2 = 5,56Е 4   Е3 = 6,27Е 4       

Е4 = 8,2Е 4   Е5 = 4,79Е 4

Тепловые эффекты реакции (Дж/кг)

Н1 = 700   Н2 = 300  Н3 = 300 Н4 = 200 Н5 = 100  

 

Начальная температура сырья Т= 370 К

Температура хладагента       Тх = 300 К

Теплоемкость                         ср = 1900 Дж/кг*К

Коэффициент теплопередачи К = 470 Вт/м2

Плотность сырья                    r = 870 кг/м3

Поверхность теплопередачи F = 2,3 м2

Объем реактора                      V = 0,17 м3

Расход сырья                           С = 0,014 м3/сек

При расчете реактора идеального вытеснения (изотермический и адиабатический) задать шаг интегрирования 0,05 (5 см) и 0,1 (10см), скорость потока 0,5 м/с, 1 м/с, 5 м/с, 10 м/с

Построить графики зависимости конверсии сырья (вещество А) от скорости потока для РИВ адиабатического и изотермического длиной 0,5м и 1 м.

Вывод : сравнительный анализ влияния гидродинамического и теплового режимов на конверсию сырья. Обосновать выбор типа реактора по результатам выполненных расчетов.

 

ВАРИАНТ 4

ПОЛУЧИТЬ ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ(ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ) И РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ), ГДЕ ПРОТЕКАЮТ РЕАКЦИИ

А ® В (k1)    В ® С (k2) С ® D (k3) D ® E (k4)

А В (k5)  В C (k6)  С D (k7)

 

Исходные данные:

Предэкспоненциальные множители (с-1)

k01 = 6,65E 7       k02 = 1,22E 19  k03 = 2,25E 11    

k04 = 1,071E 15 k05 = 1,77E 18 k06 = 1,14E 11 k 07 = 1,15E 7

 энергии активации (кДж/моль)

Е1 = 5,68Е 4    Е2 = 1,49Е 5   Е3 = 8,99Е 4 Е4 = 1,17Е 5

Е5 = 1,44Е 5   Е6 = 8,36Е 4  Е 7 = 5,68Е 4

Тепловые эффекты реакции (Дж/кг)

Н1 = 700   Н2 = 200  Н3 = 200 Н4 = 200 Н5 = - 100  Н6 = 10 Н7 = 5     

 

Начальная температура сырья Т= 400 К

Температура хладагента       Тх = 300 К

Теплоемкость                         ср = 2900 Дж/кг*К

Коэффициент теплопередачи К = 730 Вт/м2

Плотность сырья                    r = 660 кг/м3

Поверхность теплопередачи F = 2,6 м2

Объем реактора                      V = 0,27 м3

Расход сырья                           С = 0,018 м3/сек

При расчете реактора идеального вытеснения (изотермический и адиабатический) задать шаг интегрирования 0,05 (5 см) и 0,1 (10см), скорость потока 0,5 м/с, 1 м/с, 5 м/с, 10 м/с

Построить графики зависимости конверсии сырья (вещество А) от скорости потока для РИВ адиабатического и изотермического длиной 0,5м и 1 м.

Вывод : сравнительный анализ влияния гидродинамического и теплового режимов на конверсию сырья. Обосновать выбор типа реактора по результатам выполненных расчетов.

 

ВАРИАНТ 5

ПОЛУЧИТЬ ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ(ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ) И РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ), ГДЕ ПРОТЕКАЮТ РЕАКЦИИ

А ® В (k1)    В ® С (k2) С ® D (k3) D ® E (k4)

D С (k5)  A C (k6)

 

Исходные данные:

Предэкспоненциальные множители (с-1)

k01 = 4,27E 22       k02 = 2,92E 14  k03 = 2,33E 14    

k04 = 8,1E 11 k05 = 2,54E 11       k06 = 2,38E 20

 энергии активации (кДж/моль)

Е1 = 2,08Е 5    Е2 = 1,35Е 5   Е3 =1,35Е 5 Е4 = 1,15Е 5

Е5 = 1,15Е 5   Е6 = 2,01Е 5

Тепловые эффекты реакции (Дж/кг)

Н1 =700   Н2 = 300  Н3 = 300 Н4 = 200 Н5 = - 100  Н6 = 100

 

Начальная температура сырья Т= 470 К

Температура хладагента       Тх = 300 К

Теплоемкость                         ср = 3000 Дж/кг*К

Коэффициент теплопередачи К = 460 Вт/м2

Плотность сырья                    r = 700 кг/м3

Поверхность теплопередачи F = 1,5 м2

Объем реактора                      V = 0,22 м3

Расход сырья                           С = 0,07 м3/сек

При расчете реактора идеального вытеснения (изотермический и адиабатический) задать шаг интегрирования 0,05 (5 см) и 0,1 (10см), скорость потока 0,5 м/с, 1 м/с, 5 м/с, 10 м/с

Построить графики зависимости конверсии сырья (вещество А) от скорости потока для РИВ адиабатического и изотермического длиной 0,5м и 1 м.

Вывод : сравнительный анализ влияния гидродинамического и теплового режимов на конверсию сырья. Обосновать выбор типа реактора по результатам выполненных расчетов.

 

ВАРИАНТ 6

ПОЛУЧИТЬ ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ(ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ) И РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ), ГДЕ ПРОТЕКАЮТ РЕАКЦИИ

А ® В (k1)    В ® С (k2) С ® D (k3) D ® E (k4)

А В (k5)  В C (k6)  С D (k7)

 

Исходные данные:

Предэкспоненциальные множители (с-1)

k01 = 1,5E 17       k02 = 4,41E 15  k03 = 2,44E 17    

k04 = 1,071E 16 k05 = 7,7E 8 k06 = 8,3E 11   k 07 = 2,32E 10

энергии активации (кДж/моль)

Е1 = 1,33Е 5    Е2 = 1,24Е 5        Е3 =1,4Е 5   Е4 = 1,29Е 5

Е5 = 6,9Е 5   Е6 = 9,3Е 5  Е 7 = 8,0Е 5       

Тепловые эффекты реакции (Дж/кг)

Н1 = 1300   Н2 = 200  Н3 = 200 Н4 = 200 Н5 = - 100  Н6 = 100 Н7 = 2

 

Начальная температура сырья Т= 390 К

Температура хладагента       Тх = 300 К

Теплоемкость                         ср = 2900 Дж/кг*К

Коэффициент теплопередачи К = 580 Вт/м2

Плотность сырья                    r = 640 кг/м3

Поверхность теплопередачи F = 1,6 м2

Объем реактора                      V = 0,38 м3

Расход сырья                           С = 0,02 м3/сек

При расчете реактора идеального вытеснения (изотермический и адиабатический) задать шаг интегрирования 0,05 (5 см) и 0,1 (10см), скорость потока 0,5 м/с, 1 м/с, 5 м/с, 10 м/с

Построить графики зависимости конверсии сырья (вещество А) от скорости потока для РИВ адиабатического и изотермического длиной 0,5м и 1 м.

Вывод : сравнительный анализ влияния гидродинамического и теплового режимов на конверсию сырья. Обосновать выбор типа реактора по результатам выполненных расчетов.

__________________________________________________________________

ВАРИАНТ 7

ПОЛУЧИТЬ ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ(ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ) И РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ), ГДЕ ПРОТЕКАЮТ РЕАКЦИИ

 

А ® В (k1)    В ® С (k2) С ® D (k3) D ® E (k4)

А ® Е (k5)

 

Исходные данные:

Предэкспоненциальные множители (с-1)

k01 = 8,63E 13       k02 = 1,71E 7  k03 = 1,19E 8 k04 = 5,5E 10   k05 = 4,4E 5

 

энергии активации (кДж/моль)

Е1 = 9,85Е 4    Е2 = 5,56Е 4   Е3 = 6,27Е 4  Е4 = 8,2Е 4      Е5 = 4,7Е 4

 

Тепловые эффекты реакции (Дж/кг)

Н1 = 700   Н2 = 300  Н3 = 300 Н4 = 200 Н5 = 100  

 

Начальная температура сырья Т= 370 К

Температура хладагента       Тх = 300 К

Теплоемкость                         ср = 1900 Дж/кг*К

Коэффициент теплопередачи К = 470 Вт/м2

Плотность сырья                    r = 870 кг/м3

Поверхность теплопередачи F = 2,3 м2

Объем реактора                      V = 0,17 м3

Расход сырья                           С = 0,014 м3/сек

При расчете реактора идеального вытеснения (изотермический и адиабатический) задать шаг интегрирования 0,05 (5 см) и 0,1 (10см), скорость потока 0,5 м/с, 1 м/с, 5 м/с, 10 м/с

Построить графики зависимости конверсии сырья (вещество А) от скорости потока для РИВ адиабатического и изотермического длиной 0,5м и 1 м.

Вывод : сравнительный анализ влияния гидродинамического и теплового режимов на конверсию сырья. Обосновать выбор типа реактора по результатам выполненных расчетов.

___________________________________________________

ВАРИАНТ 8

ПОЛУЧИТЬ ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ(ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ) И РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ), ГДЕ ПРОТЕКАЮТ РЕАКЦИИ

А ® В (k1)    В ® С (k2) С ® D (k3) D ® E (k4)

А В (k5)  В C (k6)

 

Исходные данные:

Предэкспоненциальные множители (с-1)

k01 = 3,65E 17 k02 = 1,2E 19  k03 = 2,5E 11 k04 = 1,071E 15

k05 = 1,77E 18       k06 = 1,14E 11         

 энергии активации (кДж/моль)

Е1 = 5,6Е 4    Е2 = 1,4Е 5   Е3 = 8,99Е 4   Е4 = 1,17Е 5

Е5 = 1,44Е 5   Е6 = 8,36Е 4      

Тепловые эффекты реакции (Дж/кг)

Н1 = 700   Н2 = 200  Н3 = 200 Н4 = 200     Н5 = - 100  Н6 = 10

 

Начальная температура сырья Т= 400 К

Температура хладагента       Тх = 300 К

Теплоемкость                         ср = 2900 Дж/кг*К

Коэффициент теплопередачи К = 730 Вт/м2

Плотность сырья                    r = 660 кг/м3

Поверхность теплопередачи F = 2,6 м2

Объем реактора                      V = 0,27 м3

Расход сырья                           С = 0,018 м3/сек

При расчете реактора идеального вытеснения (изотермический и адиабатический) задать шаг интегрирования 0,05 (5 см) и 0,1 (10см), скорость потока 0,5 м/с, 1 м/с, 5 м/с, 10 м/с

Построить графики зависимости конверсии сырья (вещество А) от скорости потока для РИВ адиабатического и изотермического длиной 0,5м и 1 м.

Вывод : сравнительный анализ влияния гидродинамического и теплового режимов на конверсию сырья. Обосновать выбор типа реактора по результатам выполненных расчетов.

 

ВАРИАНТ 9

ПОЛУЧИТЬ ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ(ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ) И РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ), ГДЕ ПРОТЕКАЮТ РЕАКЦИИ

 

А ® В (k1)    В ® С (k2) С ® D (k3) D ® E (k4)

D E (k5)    

 

Исходные данные:

Предэкспоненциальные множители (с-1)

k01 = 6,27E 22       k02 = 2,92E 14  k03 = 2,33E 14  

k04 = 8,1E 11 k05 = 1,54E 11          

 энергии активации (кДж/моль)

Е1 =2,08Е 5    Е2 = 1,35Е 5   Е3 =1,35Е 5 Е4 = 1,15Е 5 Е5 = 1,15Е 5       

Тепловые эффекты реакции (Дж/кг)

Н1 =700   Н2 = 300  Н3 = 300 Н4 = 200 Н5 = - 100    

Начальная температура сырья Т= 480 К

Температура хладагента       Тх = 300 К

Теплоемкость                         ср = 3000 Дж/кг*К

Коэффициент теплопередачи К = 410 Вт/м2

Плотность сырья                    r = 700 кг/м3

Поверхность теплопередачи F = 1,2 м2

Объем реактора                      V = 0,22 м3

Расход сырья                           С = 0,07 м3/сек

При расчете реактора идеального вытеснения (изотермический и адиабатический) задать шаг интегрирования 0,05 (5 см) и 0,1 (10см), скорость потока 0,5 м/с, 1 м/с, 5 м/с, 10 м/с

Построить графики зависимости конверсии сырья (вещество А) от скорости потока для РИВ адиабатического и изотермического длиной 0,5м и 1 м.

Вывод : сравнительный анализ влияния гидродинамического и теплового режимов на конверсию сырья. Обосновать выбор типа реактора по результатам выполненных расчетов.

__________________________________________________

ВАРИАНТ 10

ПОЛУЧИТЬ ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ(ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ) И РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ), ГДЕ ПРОТЕКАЮТ РЕАКЦИИ

А ® В (k1)      В ® С (k2) С ® D (k3) D ® E (k4)

А В (k5)  В C (k6)  С D (k7

 

Исходные данные:

Предэкспоненциальные множители (с-1)

k01 = 1,4E 18       k02 = 4,31E 16  k03 = 2,54E 18    

k04 = 2,071E 16 k05 = 7,77E 8       k06 = 8,3E 11     k 07 = 2,32E 10       

 энергии активации (кДж/моль)

Е1 = 1,3Е 5    Е2 = 1,2Е 5   Е3 =1,34Е 5   Е4 = 1,2Е 5

Е5 = 6,69Е 5   Е6 = 9,36Е 5  Е 7 = 8,09Е 5   

Тепловые эффекты реакции (Дж/кг)

Н1 = 1300   Н2 = 200  Н3 = 200 Н4 = 200 Н5 = - 100  Н6 = 100 Н7 = 2  

 

Начальная температура сырья Т= 380 К

Температура хладагента       Тх = 300 К

Теплоемкость                         ср = 2600 Дж/кг*К

Коэффициент теплопередачи К = 530 Вт/м2

Плотность сырья                    r = 620 кг/м3

Поверхность теплопередачи F = 1,6 м2

Объем реактора                      V = 0,38 м3

Расход сырья                           С = 0,02 м3/сек

При расчете реактора идеального вытеснения (изотермический и адиабатический) задать шаг интегрирования 0,05 (5 см) и 0,1 (10см), скорость потока 0,5 м/с, 1 м/с, 5 м/с, 10 м/с

Построить графики зависимости конверсии сырья (вещество А) от скорости потока для РИВ адиабатического и изотермического длиной 0,5м и 1 м.

Вывод : сравнительный анализ влияния гидродинамического и теплового режимов на конверсию сырья. Обосновать выбор типа реактора по результатам выполненных расчетов.

 

ВАРИАНТ 11

ПОЛУЧИТЬ ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ(ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ) И РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ), ГДЕ ПРОТЕКАЮТ РЕАКЦИИ

 

А ® В (k1)    В ® С (k2) С ® D (k3) D  ® E (k4)

А ® С (k5)

 

Исходные данные:

Предэкспоненциальные множители (с-1)

k01 = 8,63E 13       k02 = 1,71E 7  k03 = 1,19E 8 k04 = 5,5E 10 k05 = 4,48E 5

 энергии активации (кДж/моль)

Е1 = 9,85Е 4    Е2 = 5,56Е 4   Е3 = 6,27Е 4   Е4 = 8,2Е 4   Е5 = 4,79Е 4

Тепловые эффекты реакции (Дж/кг)

Н1 = 700   Н2 = 300  Н3 = 300 Н4 = 200 Н5 = 100  

 

Начальная температура сырья Т= 370 К

Температура хладагента       Тх = 300 К

Теплоемкость                              ср = 1900 Дж/кг*К

Коэффициент теплопередачи К = 470 Вт/м2

Плотность сырья                    r = 870 кг/м3

Поверхность теплопередачи F = 2,3 м2

Объем реактора                      V = 0,17 м3

Расход сырья                               С = 0,014 м3/сек

При расчете реактора идеального вытеснения (изотермический и адиабатический) задать шаг интегрирования 0,05 (5 см) и 0,1 (10см), скорость потока 0,5 м/с, 1 м/с, 5 м/с, 10 м/с

Построить графики зависимости конверсии сырья (вещество А) от скорости потока для РИВ адиабатического и изотермического длиной 0,5м и 1 м.

Вывод : сравнительный анализ влияния гидродинамического и теплового режимов на конверсию сырья. Обосновать выбор типа реактора по результатам выполненных расчетов.

 

ВАРИАНТ 12

ПОЛУЧИТЬ ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ(ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ) И РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ (ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ), ГДЕ ПРОТЕКАЮТ РЕАКЦИИ

А  ® В (k1)    В ® С (k2) С ® D (k3) D ® E (k4)

А В (k5)  В C (k6)     

 

Исходные данные:

Предэкспоненциальные множители (с-1)

k01 = 6,65E 7       k02 = 1,22E 19  k03 = 2,25E 11    

k04 = 1,071E 15 k05 = 1,77E 18 k06 = 1,14E 11 

 энергии активации (кДж/моль)

Е1 = 5,68Е 4    Е2 = 1,49Е 5   Е3 = 8,99Е 4 Е4 = 1,17Е 5 Е5 = 1,44Е 5   Е6 = 8,36Е 4    

Тепловые эффекты реакции (Дж/кг)

Н1 = 700   Н2 = 200  Н3 = 200 Н4 = 200 Н5 = - 100  Н6 = 10

 

Начальная температура сырья Т= 400 К

Температура хладагента       Тх = 300 К

Теплоемкость                         ср = 2900 Дж/кг*К

Коэффициент теплопередачи К = 730 Вт/м2

Плотность сырья                    r = 660 кг/м3

Поверхность теплопередачи F = 2,6 м2

Объем реактора                      V = 0,27 м3

Расход сырья                           С = 0,018 м3/сек

При расчете реактора идеального вытеснения (изотермический и адиабатический) задать шаг интегрирования 0,05 (5 см) и 0,1 (10см), скорость потока 0,5 м/с, 1 м/с, 5 м/с, 10 м/с

Построить графики зависимости конверсии сырья (вещество А) от скорости потока для РИВ адиабатического и изотермического длиной 0,5м и 1 м.

Вывод : сравнительный анализ влияния гидродинамического и теплового режимов на конверсию сырья. Обосновать выбор типа реактора по результатам выполненных расчетов.

 

Контрольные вопросы

  1. Признаки классификации химических реакторов.
  2. Характеристика РИС и РИВ, конструкции.
  3. Изотермический, адиабатический реакторы, характеристика, конструкции.
  4. Возможности и преимущества метода математического моделирования.
  5. Структура и состав математической модели ХТО.
  6. Особенности создания математического описания химического реактора. Иерархический подход при разработке математической модели химического реактора.
  7. Начальные и граничные условия математической модели ХТО.
  8. Исходные данные для расчета химреактора. Способы представления результатов расчета химреактора.
  9. Основные показатели эффективности работы реакторного блока
  10. Как используется теория подобия при расчете химреактора.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 СТРУКТУРА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ. СОСТАВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ. 4
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОТОКОВ В АППАРАТЕ (ГИДРОДИНАМИКА). 6
3 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС СИСТЕМЫ. 9
4 СПОСОБЫ РЕШЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ. 15
5 Задания для выполнения лабораторной работы 22

Учебное издание

Составитель ШКАРУППА Светлана Петровна

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ РЕАКЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

 

Дата: 2019-02-25, просмотров: 221.