57

4.РАСЧЕТЫ НА ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРАХ

Спомощью программы STR, использующей встроенные программы и банк данных, а также стандартных пакетов Excel и Mathcad рассчитывают:

•константу равновесия по термодинамическим данным;

•равновесную степень превращения ХА*;

•теплофизические параметры смеси при заданных условиях ХТП;

•тепловые эффекты реакций;

•материальные и тепловые балансы процессов;

•основные параметры реакторов при различных условиях теплообмена.

Порядок работы

* На диске Е выбрать директорию STR. Запустить программу файлом <1.bat>;

* после запуска программы на экране появится меню системы, каждый пункт которого содержит ряд подпрограмм, соответствующий тому или иному виду расчетных заданий.

4.1.Расчет Кр

Впункте меню <Расчет констант химического равновесия> ввести условия за-

дачи, а именно:

*в режиме <Реакция> записать соответствующее стехиометрическое уравнение

ипосле нажатия клавиши <Enter> ввести данные о потоке и среде в соответствии с условием задачи (рис.4.1, 4.2 Приложения 4);

*получить результат расчета в виде таблицы данных (рис.4.3 Приложения 4);

Задача 1

Получить зависимости Кр=f(T,Р) для процесса окисления сернистого ангидрида

2SO2+О2 2SO3+Q и записать аппроксимацию функцию Кр=f(T) при условиях:

*температурный интервал - 400-600оС с шагом 100 градусов;

*диапазон давлений - 1-9 атм с шагом 2 атм;

*cостав реакционной смеси (мол. доли): SO2-0,5536; О2 - 0,2679, SО3-0,1785.

Решение

УГХТУ, кафедра общей химической технологии

58

Выполнить действия по п.4.1. Получить данные в табл.4.1.

				Таблица 4.1.
		Расчет константы равновесия
Т=400 0С		Идеальная Kp=0,27096 106, ат-0,5
Состав	мол.%		Р, ат	Неид. Кр 10-6, ат-0,5
SO2	55,36		1	0,27131
O2	26,79		3	0,27203
SO3	17,86		5	0,27275
			7	0,27348
			9	0,27420
Т=500 0С		Идеальная Kp=3097,1, ат-0,5
Состав	мол.%		Р, ат	Неид. Кр, ат-0,5
SO2	55,36		1	3099,8
O2	26,79		3	3105,0
SO3	17,86		5	3110,3
			7	3115,5
			9	3120,8
Т=600 0С		Идеальная Kp=101,4, ат-0,5
Состав	мол.%		Р, ат	Неид. Кр, ат-0,5
SO2	55,36	1		101,48
O2	26,79	3		101,55
SO3	17,86	5		101,71
		7		101,82
		9		101,93

Пример оформления результатов в программе Excel приведен ниже.

4.2. Расчет равновесной степени превращения ХА*

Расчет ХА* провести по уравнению (1.21). Для этого необходимо:

•вызвать программу Excel;

•ввести состав, стехиометрические коэффициенты и Кр, рассчитанную для данных Т и Р;

•ввести в свободную ячейку В24 формулу (1.29) в виде, пригодном для решения;

•выбрать в меню <Сервис> команду <Поиск решения > и указать в качестве целе-

УГХТУ, кафедра общей химической технологии

59

вой функции "Y"(B24) ячейку с формулой для расчета ХА*;

•в режиме <Поиск решения> установить минимальное значение "0". В окно <Изменяя ячейки> ввести номер ячейки с начальным приближением (для ХА* рекомендуется значение 0,5). В окно <Ограничения> ввести пределы изменения

0,01≤ХА*≤ 0,99.

•получить значение ХА*. Выражение для расчета по уравнению (1.21) ввести в

ячейку С10 (см. таблицу).

Реакция: 2SO2 + O2 = 2SO3

А

B

C

D

E

3

Р,

n SO2=

0,45

ν SΟ2=

2

атм

4

nO2=

0,55

νO2=

1

1

Т,0С=

500

5

n SO3=

0

ν SO3=

2

Кр=

55,652

6

7

∆ν =2−(1+2)

-1

8

9

X

Y=0

10

0,8804

-6,4E-07

(nSO3

νSO3

*

ν

+

nSO2XSO2 )

SO3

K p

= (

P

)

ν

νSO2

ν

*

*

ν

νO2

*

ν

1

+

nSO2XSO2

nSO2 (1

− XSO2 )

SO2 (nO2 −

nSO2XSO2 )

O2

νSO2

νSO2

1

−1

(0,0 +

2

0,45 XSO* 2 )2

55,652=(

)

2

1+

−1

0,45 XSO2*

0,45(1

−XSO2*

)2(0,55−

1

0,45 XSO2*

)1

2

2

Задача 2

Получить зависимость констант скорости k, константы равновесия Кр и равновесной степени превращения ХА* от Т и для процесса окисления сернистого ангидрида 2SO2+О2 2SO3+Q в температурном диапазоне 400-520оС при давлении 1 ат; со-

став реакционной смеси: nSO2-0,45; nO2 - 0,55, nSO3-0,0. Средствами Excel выполнить

УГХТУ, кафедра общей химической технологии

60

графическую обработку данных в координатах Кр ,k, ХА*=f(T) и аппроксимировать зависимости соответствующими уравнениями. При построении графиков выбрать режим <Точечная диаграмма> и флажок <Вывести уравнение>.

Решение

Рассчитать значения Кр и ХА* как показано выше. Из справочника [12] взять значения константы скорости k1. Пример оформления температурной зависимости константы скорости при помощи программы Excel приведен ниже.

T	k
410	0,12
420	0,26
430	0,47
440	0,89
450	1,02
460	1,18
470	1,53
480	1,54
490	1,74
500	1,97
510	2,23
520	2,5
530	2,81

T	Kp	XA*
400	520,74	0,957
420	315,71	0,945
440	179,05	0,929
460	126,27	0,917
480	82,89	0,899
500	55,65	0,88
520	38,14	0,859

4.3. Расчет реактора с испол й

При расчете реакторов основную сложность представляет установление вида кинетического уравнения. На практике, особенно для распространенных каталитических процессов, широко используют эмпирические уравнения.

УГХТУ, кафедра общей химической технологии

61

Так, например, при окислении сернистого ангидрида на ванадиевом катализаторе в интервале температур 300-7000С для определения Кр можно пользоваться двучленным уравнением:

lgKp =	495	− 4,6455 ,	(4.5)
	T

где 495 и 4,6455 – численные константы.

Равновесную степень превращения ХА* рассчитывают по формуле [12]:

X*A =			Kp			(4.6)
	Kp +		100 −0,5nSO2X*A
			P(nO2 −0,5nSO2X*A

Кинетика процесса окисления SO2 на ванадиевых катализаторах наиболее точно описывается уравнением Борескова-Иванова [12]:

r = k	P		PSO2	[1−(	PSO3			)2 ]	(4.7)
			+ 0,8PSO3		KpPSO2
	1 O2 PSO2					PO2

где k1- константа скорости реакции.

Расчеты с использованием эмпирических уравнений достаточно трудоемки и выполняют с использованием компьютеров.

Задача 3

Рассчитать РИС-Н и скорость реакции SO2+0,5O2 SO3+Q при следующих условиях: Р - 1 ат; kto= 10 ккал/м2 град ч; температура теплоносителя Tс =150С; расход потока50000 м3/ч; начальная температура Т1=4600С; состав реакционной смеси: nSO2- 0,09; nO2-0,11; nN2-0,8.

1.Политермический режим:

•рассчитать объем реактора Vr и подобрать поверхность трубчатого теплооб-

менника Fto при конечной температуре Т2=7000С;

3.Изотермический режим:

•подобрать поверхность трубчатого теплообменника Fto;

4.Адиабатический режим:

• рассчитать объем реактора Vr и температуру на выходе из реактора Тad;

Решение

УГХТУ, кафедра общей химической технологии