Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление подготовки (специальность) Энерго- и ресурсосберегающие процессы вхимической технологии, нефтехимии ибиотехнологии

Отделение химической инженерии

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №2

Модульный принцип расчета ХТС

по дисциплине Системный анализ процессов химической технологии

Выполнил студент гр. 2К51 ___________ Ларина Е.Е.

(Номер группы) (Подпись) (Ф.И.О.)

_____ _____________ 2019г.

(Дата сдачи отчета)

Отчет принят:

___________________________ ____________ Чузлов В.А..

(Ученая степень, ученое звание, должность) (Подпись) (Ф.И.О.)

_____ _____________ 2019г.

(дата проверки отчета)

Томск, 2019 г.

Цель работы:

1. Освоение методики, составление и использование моделирующих программ ХТС.

2.Построение подпрограммы для расчета смесителя, распределителя потоков и теплообменников.

Задачи работы (ход работы):

1. Написать процедуры расчета для следующих элементов ХТС:

• Смесителя. Найти: расход выходного потока; доля первого компонента в выходном потоке; доля второго компонента в выходном потоке; температуру выходного потока.

• Теплообменника. Найти: расход выходного потока; доли компонента в выходном потоке; температуру выходного потока.

• Делителя. Найти: расходы выходных потоков; доли компонентов в потоках; температуры выходных потоков.

2. Составить программу расчета для ХТС 1, ХТС 2.

3. Составить матрицу потоков.

4. Сделать вывод по проделанной работе.

Теоретическая часть

ХТС – это совокупность физико-химических процессов, происходящих в системе, а также средств для их реализации.

Элемент ХТС – это аппарат, в котором протекает химико- технологический процесс.

По своему назначению можно выделить следующие основные элементы ХТС: объединительный, распределительный, соединительный, разделительный, межфазного обмена, элемент типа «нагрев-охлаждение». Объединительный элемент осуществляет суммирование входных потоков и имеет один выходной поток. Распределительный элемент осуществляет распределение одного входного потока на несколько в заданном отношении. Соединительный элемент осуществляет химическое превращение исходных веществ в продуты реакции. Разделительный элемент осуществляет фазовое разделение потоков. Элемент межфазного обмена осуществляет массообмен между потоками.

• Смеситель потоков

Смесители используются главным образом для интенсификации процессов тепло- и массопередачи, особенно при различных химических реакциях [2].

Постановку задачи сформулируем следующим образом: для заданных параметров входных потоков( расход, состав, температура) определить параметры выходного потока.

Допущения при расчете:

1. Имеет место идеальное перемешивание.

2. Тепловые потери отсутствуют.

3. Тепловой эффект смешения не учитывается.

4.Теплоемкость веществ постоянна.

Основные расчетные формулы [3]:

𝐶_𝑃 = 𝐴 + 𝐵𝑇 (1)

Общее уравнение материального баланса:

(2)

Уравнение материального баланса по каждому компоненту:

(3)

(4)

Уравнение теплового баланса [2,3]:

(5)

(6)

(7)

(8)

где , i- номер входного потока; n- количество потоков; j- номер компонента; l- количество компонентов; G_K - расход выходного потока; G_i- расход i-го компонента; m_i,j- мольная доля j-го компонента в i-м выходном потоке; m^k _j-мольная доля j-го компонента в входном потоке; T_i- температура i-го входного потока; T ^K -температура выходного потока; CPi-теплоемкость i-го входного потока; C_P^K -теплоемкость выходного потока; C_Pj-теплоемкость j-го компонента.

Последовательность расчета

1. По уравнению (2) рассчитываем общий расход G₄.

2. По уравнению (4) рассчитать доли компонентов G₄.

3. По уравнению (1) находим С_Р 1-го компонента в 1-м, 2-м, 3-м потоке и СР 2-го компонента в 1-м, 2-м, 3-м потоке. Найти С_Р среднее 1-го и 2-го компонента.

4. По уравнению (7) найти С_Р потоков (1-го, 2-го, 3-го).

5. По уравнению (8) рассчитать С_Р выходного потока.

6. По уравнению (6) рассчитать температуру выходного потока G₄.

• Теплообменник

Теплообменник - устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя теплоносителями, имеющими различные температуры [2].

Постановку задачи можно сформулировать следующим образом. Для данного вектора параметров входного потока( расход, состав, температура) определить векторы выходных потоков.

Допущения при расчете

1. Рассматриваем кожухотрубный теплообменник в стационарном режиме.

2. Теплопередача не сопровождается изменением агрегатного состояния теплоносителя.

3. Потери теплоты не учитываются.

4. Схемы движения теплоносителей противоточная.

5. Коэффициенты теплопередачи в трубном и межтрубном пространствах рассчитывается при начальных температурах теплоносителей.

6. Теплоноситель отдающий теплоту( горячий поток) направляется в трубы, а теплоноситель принимающий теплоту( холодный поток) в межтрубное пространство.

Основные расчетные формулы [2,3]:

𝐺гк = 𝐺гн,

𝐺гк = 𝐺гн (9)

G- расход теплоносителя, кг/ч; г;

Количество теплоты, переданное через стенку [2]:

(10)

К_Т- коэффициент теплопередачи, Вт/м² ;F-площадь поверхности теплообмена.

∆𝑡₂ = 𝑡_гн − 𝑡_хк

∆𝑡₁ = 𝑡_гк − 𝑡_хн

Количество теплоты, отданное горячим теплоносителем:

𝑄 = 𝑊_г * (𝑡_гн − 𝑡_гк)

Количество теплоты, принятое холодным теплоносителем:

𝑄 = 𝑊_х * (𝑡_хк − 𝑡_хн)

Водяные эквиваленты [2]:

𝑊_г = 𝐺_г /𝐶_𝑝г (11)

𝑊_х = 𝐺_х /𝐶_𝑝х (12)

Уравнение теплового баланса теплообменника:

𝑊_г * (𝑡_гн − 𝑡_гк) = 𝑊* (𝑡_хк − 𝑡_хн) (13)

𝑡_гк = 𝑡_гн – (𝑡_хк−𝑡_хн)/ 𝑁

𝑁 = 𝑊_г/ 𝑊_х (14)

Приравняем уравнения (10) и (13):

(15)

Приравняем уравнения (14) и (15):

(16)

𝑀 = 𝐾_𝑇*𝐹/ 𝑊_г

Коэффициент теплопередачи [2,3]:

(17)

α₁, α₂ - коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве, Вт/м2;

∑ 𝑟_ст - сумма термических сопротивлений стенки;

(18)

d_вн- внутренний диаметр труб;

N_m-число труб в теплообменнике;

S - площадь сечения теплообменника.

Последовательность расчета

1. По уравнению (11), (12) рассчитать водяные эквиваленты холодного и горячего теплоносителя (G₄, G₅).

2. По уравнению (14) найти коэффициент N.

3. По уравнению (18) найти α₁, α₂.

4. По уравнению (17) найти K_T.

5. По уравнению (16) найти коэффициент M и температуру выходного потока.

• Делитель потоков

Распределитель потока предназначен для распределения входного потока по нескольким выходным потокам.

В этом случае постановку задачи можно сформулировать следующим образом. Для данного вектора параметров входного потока( расход, состав, температура) определить векторы выходных потоков.

Основные расчетные формулы:

Расход потоков [2]:

𝐺_𝑖^𝐾 = 𝑏_𝑖* 𝐺 (19)

b_i- коэффициент определяющий соотношение между i-м выходным и входным потоками.

∑𝑏_𝑖 = 1

𝑚_𝑖,𝑗 ^𝐾 =𝑚_𝑗 (20)

𝑇_𝑖^𝐾 = 𝑇_вх (21)

Последовательность расчета

1. По уравнению (19) рассчитываем расходы выходных потоков G₆ и G₇.

2. Температуры потоков 6 и 7, равны температуре и составу потока 5.

Расчет ХТС переменной структуры

В химической промышленности аппараты в схеме могут располагаться в разнообразном порядке. В зависимости от того в каком порядке потоки поступают в аппараты мы обращаемся к модулям аппаратов в программе расчета. В этом состоит сущность расчета ХТС переменной структуры.