Научные и технологические расчеты основных типов и конструкций химических реакторов: Рабочая программа, задание на контрольную работу, методические указания к выполнению контрольной работы

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет

Кафедра экологии и инженерной защиты окружающей среды

Научные и технологические расчеты основных типов и конструкций химических реакторов Рабочая программа. Задание на контрольную работу. Методические указания к выполнению контрольной работы

Факультет технологии веществ и материалов Направления и специальности подготовки дипломированных специалистов: 655000 – Химическая технология органических веществ и топлива 654900 – Химическая технология неорганических веществ и материалов 250100 – Химическая технология органических веществ 250200 – Химическая технология неорганических веществ Направление подготовки бакалавра 550800 – Химическая технология и биотехнология

Санкт-Петербург 2004

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 66.011 Научные и технологические расчеты основных типов и конструкций химических реакторов : Рабочая программа, задание на контрольную работу, методические указания к выполнению контрольной работы. – СПб.: CЗТУ, 2004. – 19с. Рабочая программа составлена в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлениям подготовки дипломированного специалиста 655000 (специальность 250100 – "Химическая технология органических веществ"), 654900 (специальность 250200 – "Химическая технология неорганических веществ") и направлению подготовки бакалавра 550800. Методический комплекс содержит рабочую программу дисциплины с контрольными вопросами по каждому разделу, список рекомендованной литературы, тематический план лекций и практических занятий, задания на контрольную работу и методические указания к ее выполнению.

Рассмотрено на заседании кафедры экологии и инженерной защиты окружающей среды « 19 » января 2004 года, одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов « 26 » января 2004 года. Рецензенты: кафедра экологии и инженерной защиты окружающей среды (заведующий кафедрой А.И. Алексеев, д-р техн. наук, проф.); Б.А.Дмитревский, заведующий кафедрой технологии неорганических веществ Санкт-Петербургского государственного технологического института, д-р техн. наук, проф.

Составители: С.К.Цветков, канд.техн.наук, доц., А.Н.Серов, канд.техн.наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004 2

Предисловие Основная задача химико-технологической переработки различного сырья заключается в том, чтобы в результате химических и физико-химических превращений исходных веществ получить целевые продукты, обладающие необходимыми свойствами. Многочисленные и разнообразные процессы химического превращения исходных веществ осуществляются в специальных аппаратах, которые носят название химических реакторов. Химический реактор является главным аппаратом технологической схемы, и он должен обеспечивать требуемую глубину и избирательность химического превращения. От правильности выбора реактора и его конструктивного совершенства зависит эффективность всего химико-технологического процесса. Основными показателями процессов, протекающих в реакторе, являются конверсия реагентов, выход продуктов и селективность химического процесса. Поэтому необходимо не только правильно выбрать все значения параметров процесса, но и провести его строго в этих условиях. Для этого требуется установить основные факторы, влияющие как на скорость и пути химического превращения исходных веществ, так и на их конверсию, т.е. знать способы, позволяющие управлять химическими процессами. Правильное аппаратурное оформление технологического процесса обеспечивает улучшение его экономических и экологических показателей и качества продукта. Следовательно, выбор и правильная эксплуатация реактора являются главными задачами химика-технолога. Химический реактор должен удовлетворять ряду различных требований: иметь необходимый реакционный объем, обеспечивать определенный гидродинамический режим движения реагентов, создавать требуемую поверхность контакта взаимодействующих фаз, поддерживать необходимый теплообмен в процессе. Число конструкций и типов реакторов, применяемых в настоящее время в химической промышленности, очень велико. Однако, для всех реакторов существуют общие принципы, на основе которых можно найти связь между конструкцией аппарата и основными закономерностями протекающих в нем химических процессов. Во всех реакторах происходят определенные физические процессы (гидродинамические, тепловые, диффузионные), с помощью которых создаются оптимальные условия проведения собственно химического превращения вещества. Знание основных термодинамических и кинетических закономерностей химических процессов необходимо для расчета реактора. К важнейшим факторам, определяющим устройство реактора, относятся агрегатное состояние исходных веществ и продуктов реакции, температура и давление, при которых протекает процесс, тепловой эффект химической реакции, интенсивность перемешивания реагентов, 3

непрерывность или периодичность процесса, простота изготовления, доступность конструкционных материалов, удобство монтажа, эксплуатации ремонта. В промышленных условиях важнейшее значение приобретает производительность химического реактора. Поэтому выбор его типа и конструкции является одним из основных и ответственных этапов осуществления химико-технологического процесса. В промышленном процессе должны быть сведены к минимуму затраты сырья, энергии, труда, вспомогательных материалов. Необходимо также соблюдение экологических требований при работе химических реакторов. Таким образом, сравнение и выбор определенного типа реактора является сложной технической задачей, для решения которой необходим совместный анализ большого числа технологических и экономических факторов. Наука о химических реакторах решает задачи, связанные с оптимизацией технологических режимов, разработкой новых конструкций оборудования, обладающих высокой производительностью. Дисциплина "Научные и технологические расчеты основных типов и конструкций химических реакторов" основывается на общих законах математики, физики, химии. Изучаемая дисциплина рассматривает физико-химические закономерности процессов, протекающих в реакторных устройствах, устройство химических реакторов, принцип их расчета. В соответствии с вышеизложенным задачами дисциплины "Научные и технологические расчеты основных типов и конструкций химических реакторов" являются: - изучение термодинамических и кинетических закономерностей химических процессов, протекающих в реакторах; - анализ моделей идеальных реакторов; - ознакомление с устройством типовых конструкций химических реакторов; - овладение методами расчета реакторов. В соответствии с учебным планом дисциплина "Научные и технологические расчеты основных типов и конструкций химических реакторов" изучается на 4 курсе в течение одного семестра. Основные положения дисциплины излагаются на лекциях (16 часов) и практических занятиях (12 часов). При изучении данной дисциплины рабочим учебным планом предусмотрены выполнение контрольной работы и сдача зачета. Конечная цель изучения дисциплины "Научные и технологические расчеты основных типов и конструкций химических реакторов" заключается в приобретении студентами теоретических знаний и навыков инженерных расчетов, необходимых в дальнейшем при изучении специальных дисциплин, дипломном проектировании и для успешной работы в области химической технологии неорганических органических веществ. 4

1. Содержание дисциплины 1.1. Рабочая программа (Объём 93 часа) Введение [1] , с.309…355 Предмет и задачи дисциплины "Научные и технологические расчеты основных типов и конструкций химических реакторов", ее взаимосвязь с другими общеинженерными и специальными дисциплинами. Общие представления о реакторах – устройствах для проведения химических превращений. Классификация реакторных устройств. Современные задачи по совершенствованию химической технологии и реакторных устройств. Экологические проблемы при работе химических реакторов. Общие принципы расчета и конструирования химических реакторов. Вопросы для самопроверки 1. Каковы цели и задачи дисциплины "Научные и технологические расчеты основных типов и конструкций химических реакторов"? 2. Как классифицируют химические реакторы? 3. Укажите пути экологической безопасности работы химических реакторов. 4. Назовите основные направления научно-технического прогресса в химической промышленности. 5. Как связано решение экологических проблем с устройством и эксплуатацией химических реакторов? 6. Укажите пути интенсификации работы реакторных устройств. 1.1.1. Классификация и выбор химических реакторов [1], с.367…373; [2], с.64…121 Технологическое назначение химических реакторов. Основные показатели работы химических реакторов. Классификация химических реакторов. Реакторы непрерывного и периодического действия. Фазовое состояние реагентов. Гидродинамические и тепловые режимы работы реакторов. Организация движения реагирующих фаз.

5

Основные конструктивные типы химических реакторов. Реакторы типа реакционной камеры, реакторы типа колонны, реакторы типа теплообменника, реакторы типа печи. Структурные элементы химических реакторов. Устройства для перемешивания и теплообмена в реакторах. Требования к химическим реакторам. Выбор химических реакторов. Вопросы для самопроверки 1. Какие признаки лежат в основе классификации химических реакторов? 2. Дайте сопоставление реакторов непрерывного и периодического действия. 3. Какие устройства используют для организации теплообмена в химических реакторах? 4. Дайте классификацию реакторов по тепловому режиму. 5. Охарактеризуйте понятия производительности и интенсивности работы реактора. 6. Назовите структурные элементы химических реакторов. 7. Какие предъявляют требования к химическим реакторам? 8. Перечислите основные факторы, которые следует учитывать при выборе реакторного устройства. 1.1.2. Математические модели идеальных реакторов [2], с.121…252; [3], с.290…313 Основные положения теории химических реакторов. Математическое моделирование как метод исследования химических процессов и реакторов. Термодинамические и кинетические основы химических процессов в реакторах. Уравнения материального и теплового балансов в химических реакторах. Классификация математических моделей химических реакторов. Реактор идеального вытеснения. Изменение параметров процесса в реакторе идеального вытеснения. Характеристическое уравнение реактора идеального вытеснения. Реактор идеального смешения. Характеристические уравнения проточного и периодического реакторов при полном перемешивании. Каскад реакторов идеального смешения. Аналитический и графический методы расчета реакторов. Сравнительная характеристика и выбор моделей идеальных реакторов. Отклонение реальных реакторов от идеализированных моделей. Причины отклонений от идеальных режимов.

6

Вопросы для самопроверки 1. В чем заключается принцип математического моделирования химических реакторов? 2. Как влияет гидродинамическая структура потов на химико-технологические процессы в реакторах? 3. Дайте сравнительную оценку реакторам идеального вытеснения и идеального смешения. 4. Приведите характеристические уравнения периодического и проточного реакторов идеального смешения. 5. Опишите графический метод расчета каскада реакторов идеального смешения. 6. Сделайте вывод характеристического уравнения реактора идеального смешения. 7. Что понимают под средним временем пребывания частиц в реакторе? От чего оно зависит и как определяется? 8. Охарактеризуйте ячеечную и диффузионную модели структуры потоков. 9. Укажите причины отклонений от идеальных режимов в химических реакторах. 10. На чем основан выбор реактора для обеспечения максимального выхода целевого продукта? 1.1.3. Тепловые режимы в химических реакторах [2], с.275…309; [ 3 ], с.313…352 Классификация химических реакторов по тепловым режимам. Адиабатические, изотермические и политермические реакторы. Способы поддержания теплового режима. Уравнения теплового баланса химических реакторов. Изотермические процессы в химических реакторах. Влияние структуры потока, параметров процесса (температуры, давления, концентрации, времени протекания) и типа химической реакции (обратимой и необратимой, простой и сложной) на показатели функционирования реактора (степень превращения реагентов, выход продуктов, селективность процесса). Принцип расчета реакторов, работающих в изотермических условиях. Неизотермические процессы в химических реакторах. Организация теплообмена в реакционной зоне химических реакторов. Профили температуры и степени превращения. Связь температуры и степени превращения для адиабатического процесса. Оптимизация температурного режима в многослойном реакторе при адиабатическом протекании обратимой реакции. 7

Температурная устойчивость реакторов. Число и устойчивость стационарных режимов в проточном реакторе идеального смешения. Автотермический реактор с внутренним теплообменом. Вопросы для самопроверки 1. В чем заключаются достоинства и недостатки адиабатических реакторов? 2. Охарактеризуйте адиабатический температурный режим. 3. Приведите характеристическое уравнение адиабаты. 4. Напишите уравнения теплового баланса реактора идеального смешения в различных температурных режимах работы. 5. Как определяют оптимальный температурный режим реактора? 6. Охарактеризуйте влияние температуры на равновесный выход продуктов обратимых эндотермической и экзотермической реакций. 7. Приведите уравнения теплового баланса адиабатического и политермического реакторов идеального вытеснения. 8. Объясните понятие устойчивости работы реактора. 1.1.4. Промышленные химические реакторы [2], с.275…309; [ 3 ], с.313…352 Основные требования к промышленным химическим реакторам. Производительность и интенсивность работы реактора. Классификация промышленных химических реакторов. Реакторы для газовых гомогенных процессов. Устройства для смешения взаимодействующих реагентов: сопло, эжектор, центробежный смеситель. Камерные и трубчатые реакторы. Реакторы для жидкостных гомогенных процессов. Механическое и пневматическое перемешивание. Конструкции механических мешалок. Устройства для подвода и отвода тепла. Колонные реакторы идеального вытеснения. Автоклавы. Реакторы для газожидкостных гетерогенных процессов. Пленочные колонные реакторы трубчатого и насадочного типов. Виды и характеристики насадок. Требования, предъявляемые к насадкам. Барботажные реакторы. Типы тарелок, их сравнительная характеристика. Колонные реакторы разбрызгивающего типа. Способы диспергирования жидкой фазы. Реакторы пенного типа. Реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой. Реакторы для процессов в системе "жидкость-твердое" (растворение, экстрагирование, кристаллизация). Реакторы с фильтрующим и взвешенным слоем твердого 8

реагента. Реакторы с перемешивающими устройствами. Реакторы со шнеками. Типы реакторов для некаталитических процессов в системе "газ-твердое". Конструкции печей. Шахтные, полочные, трубчатые, барабанные, камерные печи. Печи с взвешенным слоем. Реакторы гетерогенного катализа. Конструкции контактных аппаратов с неподвижным, движущимся и взвешенным слоем катализатора. Анализ работы многоступенчатых каталитических реакторов. Типовые конструкции промышленных химических реакторов в технологиях неорганических веществ, основного органического и нефтехимического синтеза. Расчет промышленных химических реакторов. Вопросы для самопроверки 1. Какой принцип положен в основу классификации промышленных химических реакторов? 2. Назовите способы создания развитой поверхности контакта между фазами. 3. Охарактеризуйте основные показатели работы химических реакторов. 4. Чем обоснован предел единичной мощности промышленных химических реакторов? 5. Какие факторы влияют на работу реакторных устройств? 6. В чем заключается основная задача расчета химического реактора? 7. Опишите виды движения жидкости в аппаратах с механическими мешалками. Назовите основные типы мешалок и области их применения. 8. Какие выполняются мероприятия с целью повышения эффективности жидкостных реакторов? 9. Назовите типовые конструкции реакторов для газожидкостных гетерогенных процессов. 10. В чем заключаются недостатки и преимущества насадочных колонных реакторов перед барботажными реакторами? Назовите типы насадочных элементов. Какие типы тарелок используются в барботажных реакторах? 11. Укажите способы диспергирования жидкой фазы в реакторах разбрызгивающего типа. 12. Опишите устройство трубчатого и шахтного реакторов конверсии метана. 13.Назовите типы печей для обжига серного колчедана. Сделайте сравнительный анализ их работы. 14. Объясните устройство и принцип действия реактора с псевдоожиженным и плотно движущимся слоем катализатора. Опишите работу реактора каталитического крекинга со взвешенным слоем катализатора.

9

1.2. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения – 16 часов № п/п

Тема лекции

1

Общие представления о реакторах – устройствах для проведения химических превращений. Классификация химических реакторов. Основные конструкции и структурные элементы химических реакторов. Термодинамические и кинетические основы химических процессов в реакторах. Уравнения материального и теплового балансов в химических реакторах. Принцип расчета и конструирования химических реакторов. Классификация математических моделей химических реакторов. Характеристические уравнения реакторов идеального смешения и идеального вытеснения. Каскад реакторов идеального смешения. Аналитический и графический методы расчета реакторов. Сравнительная характеристика и выбор моделей идеальных реакторов. Классификация химических реакторов по тепловым режимам. Изотермические процессы в химических реакторах. Неизотермические процессы в химических реакторах. Связь температуры и степени превращения для адиабатического процесса. Промышленные химические реакторы. Реакторы для газовых и жидкостных гомогенных процессов. Реакторы для газожидкостных гетерогенных процессов. Колонные реакторы трубчатого, насадочного и барботажного типов. Реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой. Конструкции печей. Реакторы гетерогенного катализа. Конструкции контактных аппаратов с неподвижным, движущимся и взвешенным слоем катализатора. Типовые конструкции промышленных химических реакторов. Принцип расчета и конструирования химических реакторов.

2

3

4

5

6

10

Часов 2

2

4

4

2

2

1.3. Темы практических занятий для студентов очно-заочной формы обучения – 12 часов № п/п

Тема

1

Термодинамические и кинетические основы химикотехнологических процессов. Расчет констант равновесия, состава реакционных смесей, составление материальных и тепловых балансов. Расчет степени превращения, выхода и селективности. Основные математические модели реакторов. Химические реакторы в изотермических условиях. Расчет реакторов при проведении простых и сложных реакций. Графический метод определения числа реакторов в каскаде реакторов идеального смешения. Неизотермические режимы идеальных реакторов. Расчет реакторов, работающих в различных тепловых режимах. Расчет каталитических реакторов. Определение высоты слоя катализатора. Расчет реакторов на основе вычисления времени контакта.

2

3 4

Часов 2

4

4 2

2. Библиографический список Основной : 1. Бесков В.С., Сафронов В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии: Учебник для вузов. – М.: Химия, 1999. – 472 с. 2. Общая химическая технология. Часть1.Теоретические основы химической технологии / Под ред. И.П.Мухленова. – М.: Высш. школа, 1984. – 255 с. 3. Смирнов Н.Н., Волжинский А.И. Химические реакторы в примерах и задачах. – СПб.: Химия, 1994. –280 с. 4. Расчеты химико-технологических процессов / Под ред. И.П.Мухленова. – Л.: Химия, 1982. – 248 с. Дополнительный : 5. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. – М.: Химия, 1969. – 621 с. 6. Михаил Р., Кырлогану К. Реакторы в химической промышленности. Л.: Химия, 1968. – 388 с. 11

7. Бесков В.С., Флокк В. Моделирование каталитических процессов и реакторов. – М.: Химия, 1991. – 253 с. 8. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. – М.: Высш. школа, 1990. – 520 с. 3. Задания на контрольную работу Задача 1. Обратимая химическая реакция А + В ↔ 2R протекает при температуре Т. Тепловой эффект реакции при температуре Т составляет ∆НТ0, изменение энтропии ∆SТ0. Начальные концентрации реагентов равны CA,0 и CВ,0 . Определить состав реакционной смеси в момент равновесия. Исходные данные приведены в табл.1. Таблица 1 Варианты Параметры 0 Т, К -∆НТ0, МДж/кмоль -∆SТ0, кДж/кмоль⋅К CA,0 , кмоль/м3 CВ,0 , кмоль/м3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

573 298 473 323 373 423 323 523 298 423 55,8 26,6 38,2 31,7 41,5 46,4 37,1 54,5 26,0 41,5 75 70 85 90 80 85 75 60 70 80 1,0 0,5 2,0 0,5 1,0 0,5 1,0 2,0 0,5 1,0 2,0 1,0 2,0 1,0 2,0 0,5 1,0 3,0 1,0 2,0

Задача 2. Реакция 2А ↔ R + S протекает непрерывно в каскаде реакторов с перемешиванием. Объемный расход реагентов V0 . Концентрация исходного вещества А равна СА,0 (концентрации СR,0 и СS,0 равны 0). Константа скорости прямой реакции составляет k1. Константа равновесия равна КС. Степень превращения составляет α от равновесной, т.е. хА = α хА∗. Объемы ступеней каскада равны, и объем каждой ступени составляет 1/10 от объема единичного реактора смешения. Определить объем каскада реакторов. Исходные данные представлены в табл.2. 12

Таблица 2 Варианты Параметры

V0, м3/ч СА,0, кмоль/м3 k1, м3/ кмоль⋅ч КС α

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2,5 10 0,75 25 0,8

2,8 15 0,80 36 0,75

3,0 25 0,65 16 0,9

2,85 20 0,50 9 0,85

2,5 18 0,70 36 0,7

2,75 25 0,60 25 0,8

2,3 16 0,80 49 0,9

2,8 21 0,65 16 0,75

3,0 14 0,85 25 0,8

2,75 18 0,70 36 0,9

Задача 3. Рассчитать необходимое число труб в реакторе для получения изобутана с расходом G из н-бутана в результате его парофазной изомеризации на хлориде алюминия. Процесс протекает при температуре t и давлении P. Степень конверсии н-бутана составляет α при времени реакции τ. Реактор собран из труб диаметром d и длиной l. Исходные данные представлены в табл.3. Таблица 3 Варианты Параметры

G, т/ч t, ºС Р, МПа α, % τ, мин. d, мм l, м

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

3,5 120 1,5 40 12 120 5

4,0 110 2,0 50 14 140 7

4,5 100 1,8 42 16 160 9

3,0 90 1,6 55 11 100 6

2,5 115 1,9 45 15 80 5

3,2 110 1,7 50 12 100 8

2,8 95 1,5 43 14 120 7

2,0 100 2,0 52 17 80 5

3,4 110 1,8 48 11 100 8

2,9 100 1,4 54 19 120 6

13

Задача 4. Сравнить объемы непрерывно действующих реакторов идеального смешения и идеального вытеснения для проведения простой необратимой реакции А + В → R + S. Объемный расход реакционной смеси V0. Концентрации исходных веществ А и В равны СА,0 и СВ,0 соответственно (концентрации СR,0 и СS,0 равны 0). Константа скорости реакции равна k. Степень превращения составляет хА. Исходные данные представлены в табл.4. Таблица 4 Варианты Параметры

V0, м3/ч СА,0, кмоль/м3 СВ,0, кмоль/м3 k,м3/кмоль⋅ч хА

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,25 1,0 2,0 0,25 0,8

0,32 1,5 3,0 0,36 0,75

0,20 2,5 2,5 0,16 0,9

0,40 2,0 4,0 0,29 0,85

0,35 1,0 1,0 0,32 0,7

0,27 1,5 2,5 0,25 0,8

0,48 2,0 3,0 0,49 0,9

0,60 1,0 2,0 0,26 0,75

0,30 1,5 3,0 0,20 0,8

0,20 2,0 2,0 0,38 0,9

Задача 5. Определить объем реактора идеального вытеснения для проведения простой необратимой реакции 2А → 3R + S , описываемой кинетическим уравнением первого порядка. Молярный расход реагента ВА,0. Процесс протекает при температуре t и давлении P. Константа скорости реакции равна k. Степень превращения составляет хА. Исходные данные представлены в табл.5. Таблица 5 Варианты Параметры

ВА,0, кмоль/с t, ºС Р, кПа k ⋅103, с-1 хА

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,25 160 2,0 1,25 0,8

0,32 200 3,0 2,36 0,75

0,20 180 2,5 3,12 0,9

0,40 220 4,0 1,29 0,85

0,35 170 1,0 3,24 0,7

0,27 250 2,5 2,56 0,8

0,48 200 3,0 1,49 0,9

0,60 160 2,0 2,26 0,75

0,30 240 3,0 1,20 0,8

0,20 190 2,0 1,68 0,9

14

Задача 6. Определить внутренний диаметр реактора для получения этилбензола путем алкилирования бензола этиленом. Массовый расход бензола равен G. Молярное соотношение бензол:этилен = п:1, конверсия этилена составляет α. Производительность реакционного объема по этилбензолу равна I. Штуцер для слива алкилата расположен на высоте h. Исходные данные представлены в табл.6. Таблица 6 Варианты Параметры

G, т/ч п I, кг/м3⋅ч α, % h, м

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

9,5 2,5 170 93 5

12,0 3,0 200 89 7

10,5 4,0 180 92 9

9,0 3,5 160 90 6

12,5 2,0 190 88 5

13,2 3,0 170 85 8

11,8 2,5 150 93 7

12,0 4,0 220 90 5

10,4 3,5 180 86 8

11,6 3,0 240 91 6

Задача 7. Определить состав реакционной смеси на выходе из непрерывно действующего реактора идеального смешения объемом VР , если в нем протекает реакция А + 2В → 3R . Константа скорости реакции равна k. Объемный расход реакционной смеси V0. Концентрации исходных веществ А и В равны СА,0 и СВ,0 соответственно. Исходные данные представлены в табл.7. Таблица 7 Варианты Параметры

VР, м3 СА,0, кмоль/м3 СВ,0, кмоль/м3 V0, м3/ч k, м6/кмоль2⋅ч

0

1

2

3

4

2,5 1,0 2,0 2,5 0,92

3,0 1,5 3,0 1,5 0,75

2,0 2,5 5,0 1,0 0,87

1,5 2,0 4,0 1,5 0,81

15

5

3,0 2,5 1,5 1,0 3,0 2,0 1,25 3,0 0,72 0,88

6

7

8

9

4,0 2,0 4,0 2,0 0,96

3,5 1,0 2,0 1,75 0,72

2,0 1,5 3,0 2,0 0,84

5,0 2,0 4,0 2,5 0,91

Задача 8. Исходные реагенты А и В подаются в реактор отдельными потоками и смешиваются в определенном соотношении перед входом в реактор, в котором протекает простая необратимая реакция А + В → R + S. Объемный расход реагирующей смеси V0. Концентрации исходных веществ А и В в отдельных потоках равны СА и СВ соответственно. Соотношение между объемными расходами реагентов составляет VА : VВ = 1 : п. Константа скорости реакции равна k. Степень превращения составляет хА. Объем единичного реактора в каскаде равен Vр, т. Сравнить объемы реактора идеального смешения периодического действия и непрерывно действующих реакторов идеального смешения и идеального вытеснения. Исходные данные представлены в табл.8. Таблица 8 Варианты Параметры 0 V0, м3/ч 9 3 СА, кмоль/м 2,0 3 СВ, кмоль/м 3,0 k, л/моль⋅мин 0,52 0,8 хА 3 п 3 0,1 Vр, т, м

1

2

3

4

5

6

7

8

9

24 1,8 3,6 0,46 0,75 2 0,2

13,5 2,5 2,5 0,58 0,9 4 0,15

30 1,5 3,0 0,49 0,85 1,5 0,25

18 2,0 2,0 0,52 0,7 3 0,2

27 1,4 2,8 0,42 0,8 2,5 0,3

12 2,0 3,0 0,55 0,9 4 0,1

24 1,2 1,8 0,47 0,75 2 0,25

18 1,6 2,4 0,51 0,8 3 0,15

21 1,0 2,0 0,48 0,9 1,5 0,2

Задача 9. Определить внутренний диаметр реактора прямой гидратации этилена. В реактор поступает парогазовая смесь с расходом G. Исходные реагенты подают с массовым соотношением этилен : водяной пар = п : 1. Объемная скорость подачи газовой смеси V. Степень конверсии этилена составляет α. Селективность процесса β. Рассчитать удельную производительность катализатора, если высота его слоя в реакторе составляет h. Исходные данные представлены в табл.9.

16

Таблица 9 Варианты Параметры

G, т/ч V⋅10-3, ч-1 п α, % β, % h, м

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

50 1,8 1,5 3,5 90 5

60 2,1 2,0 4,0 88 7

70 1,6 2,5 4,5 85 9

55 1,5 1,75 3,0 93 6

60 1,9 3,0 2,5 89 5

45 1,6 1,25 3,2 86 8

70 2,4 2,5 2,8 91 7

30 1,2 2,0 3,0 87 5

55 1,4 1,75 3,4 90 8

50 1,9 1,5 2,9 94 6

4. Методические указания к выполнению контрольной работы Согласно учебному плану дисциплина "Научные и технологические расчеты основных типов и конструкций химических реакторов" изучается в течение одного семестра на 4 курсе, при этом предусмотрено выполнение контрольной работы. Контрольная работа включает 3 задачи, которые выбираются в соответствии с последней цифрой шифра студента. Последняя цифра шифра

0,1,2

3,4

5,6,7

8,9

Номера задач

1,4,6

2,3,5

1,8,9

3,4,7

К задаче прилагается таблица исходных данных. Номер варианта, который необходимо выполнить, выбирается в соответствии с предпоследней цифрой шифра студента. Каждая контрольная работа состоит из трех задач, составленных по вышеуказанным темам изучаемой дисциплины. Задачи относятся к расчету констант равновесия химических реакций и равновесных составов реакционных смесей, к расчету объемов реакторов идеального смешения и идеального 17

вытеснения и к технологическим расчетам типовых реакторов, применяемых в различных отраслях химической технологии. Приступать к решению задачи рекомендуется после изучения соответствующей темы по литературе [1,2] в объеме, предусмотренном рабочей программой. С примерами решения типовых задач можно ознакомиться в учебном пособии [3,4]. Наметив путь решения задачи, необходимо выбрать нужные расчетные формулы. Все используемые формулы записываются первоначально в общем виде, затем приводится расшифровка обозначений соответствующих величин с указанием единиц их измерения. Выбор эмпирических расчетных формул должен быть обоснован указанием условий и области их применения. При этом следует учесть, что приведенные в литературе [2,4] формулы в пределах каждой из глав содержат свои традиционные обозначения физических величин, соответствующие международным стандартам, вследствие чего различные величины в отдельных главах могут обозначаться одним и тем же символом. В соответствии с этим, в каждой контрольной работе все используемые формулы записываются первоначально в общем виде, затем приводится расшифровка обозначений соответствующих величин с указанием единиц их измерения. Решение задач должно сопровождаться изображением эскиза рассчитываемого аппарата или схемы соответствующей установки с обозначением направления потоков и их параметров. Все расчеты и окончательные ответы должны быть приведены в системе СИ. Результаты расчетов следует анализировать с точки зрения соответствия реальным значениям величин. На используемые в расчетах эмпирические формулы, физико-химические константы и различные справочные данные необходимо давать ссылки на литературные источники с указанием порядкового номера в списке литературы и страницы. Список литературы приводится в конце контрольной работы. Контрольная работа выполняется в стандартной тетради. Сначала записываются текст задачи и выбранные по шифру исходные данные, затем изображаются соответствующий аппарат или схема установки, приводится последовательность хода решения и список использованных литературных источников. Выполненная контрольная работа сдается преподавателю на проверку. На титульном листе указываются фамилия, инициалы, шифр студента и специальность, а также наименование дисциплины и номер контрольной работы. Исправление ошибок в проверенной преподавателем контрольной работе производится в конце этой же тетради. Зачет по контрольной работе студент получает после собеседования с преподавателем.

18

Содержание Предисловие …………………………………………………………………...3 1. Содержание дисциплины………………………………………………..... 5 1.1.Рабочая программа ………………………………………………….…… .5 Введение……………………………………..………………………………... .5 1.1.1.Классификация и выбор химических реакторов……………………….5 1.1.2.Математические модели идеальных реакторов………….………….….6 1.1.3.Тепловые режимы в химических реакторах…………….……….….….7 1.1.4.Промышленные химические реакторы………………….……….….….8 1.2.Тематический план лекций…………………………………………….…10 1.3.Темы практических занятий……………………………………………...11 2.Библиографический список…………………………………………….…..11 3.Задания на контрольную работу………………………………………..….12 4.Методические указания к выполнению контрольной работы…………...17

19

Редактор А.В.Алехина Сводный темплан 2004 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 21.11.2003 г.

Подписано в печать Формат 60х84 1/16 Б.кн.-журн. П.л. Б.л. РТП РИО СЗТУ Тираж Заказ ___________________________________________________________________ Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул.Миллионная,5 20