Краткое описание свойств уксусной кислоты и ее констант.

Уксусная кислота СН3СООН – является типичным представителем органических кислород содержащих кислот. Она является бесцветной прозрачной жидкостью, более вязкой, чем вода (1,22 мПа*С) с характерным резким запахом. Данная кислота имеет плотность 1,05 г/см3 при 20 0С, поверхностное натяжение 27,8*103 Н/м, теплоемкость 0,49 ккал/кг*0С. СН3СООН смешивается в любых соотношениях с водой, эфиром благодаря своей природе и способности диссоциировать на ионы. Она хорошо растворяет серу, фосфор, галлоидоводороды. Безводная уксусная кислота (ледяная) является хорошим растворителем для многих органических соединений, но может вступать с ними в химическое взаимодействие и соответственно изменять их свойства.

СН3СООН является устойчивым к действию температур соединением: в газообразном состоянии она не разлагается при температуре около 400 0С. Имеет теплоту сгорания 3490 ккал/кг.

Уксусная кислота с химической точки зрения является типичной органической кислотой с соответствующими свойствами. Она реагирует с основаниями, спиртами, аминами. Вступает в реакции замещения атома водорода в СН3-группе на галоген, может образовывать ангидриды как внутри, так и межмолекулярные.

При попадании на кожу, как и все кислоты, вызывает ожоги. Ее пары оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки дыхательных путей, глаз и могут повредить их.

СН3СООН широко используется при производстве ацетатов, полимерных материалов и композиций, эфиров и т.д. Данная кислота нашла свое применение и в пищевой, текстильной промышленности. Большое значение имеют производные данного соединения.

Алгоритм расчета

 

1. Конечная концентрация реагирующего компонента А.

 

Са к = Са 0 (1 – Ха к)

 

2. Численное дифференцирование интегральной и кинетической кривой.

 

Vr = ΔCa / Δτ

 

3. Среднее время пребывания в реакторе идеального смешения.

 

τсм = (Са 0 - Са к) / Vrк

 

4. Объем реакционной массы.

 

Vp = qvτсм / 3600

 

6. Тепловая мощность реактора.

7.

Q = qv [qt Са 0 Ха к – Cp ρ (tk – tн)] / 3600

6. Расход хладагента

 

Gw = 3600 * Q / [Gw (twk – tw)]

 

7. Диаметр реактора

 

Da = 3√Vр

 

8. Высота стенки

 

На ≈ Da

 

9. Площадь смоченной стенки.

 

Fc = π На Da

 

10. Площадь элиптического днища.

 

FD = 1.35 Da2

 

11. Общая смоченная поверхность.

 

Fa = Fc + FD

 

12. Средняя движущая сила.

 

Δtc = (twk – twн) / ln [(tk - twн) / (tk - twk)]

 

13. Средняя температура хладагента в режиме вытеснения.

txc = tk - Δtc

 

14. Вязкость реакционной массы при средней температуре.

 

μ = μ0 e-βtk

 

15. Вязкость хладагента.

 

μw = μw0 e-βx t kc

 

16. Коэффициент Ренольдса в аппарате с мешалкой.

 

Re = ρwDм , где Dм = d0t * Dа

 

17. Коэффициент Прандтля в аппарате с мешалкой.

 

Pr = 1000 Ср μ / λ

 

18. Объемный расход воды.

 

Qw = Gw / 3600 ρw

 

19. Средняя скорость воды.

 

Vx = Qw / Sp

 

20. Коэффициент Ренольдса для хладагента в рубашке.

 

Reх = Vxdэρw / μw

 

21. Коэффициент Прандтля для хладагента в рубашке.

 

Prх = 1000Cw μw / λw

 

22. Коэффициент Нуссельта для аппарата с мешалкой.

 

Nu = 0.36 Re0.67 Pr0.33 (Pr/ Pr ст)0,14(Dм/ Da)

 

23. Коэффициент теплоотдачи

 

α = Nuλ / Dм

 

24. Удельная тепловая мощность реакционной массы.

 

qг = α(tx – x)

 

25. Температура ржавчины со стороны воды.

 

tw = х - qг(rc + δc/λc)

 

26. Коэффициент Нуссельта для хладагента в рубашке.

 

Nuх = 0,037 Reх0,8 Prх0,4 (Pr/ Pr ст)0,25, если Re > 5*105

 

27. Коэффициент теплоотдачи воды.

 

αх = Nuхλх / Dэ, где Dэ = 2δр

 

28. Удельная тепловая мощность от стенки к воде.

qx = αx(tw – txc)

 

29. Средняя удельная тепловая мощность.

 

qc = (qx + qг)/2

 

30. Необходимая поверхность теплопередачи.

 

F = 1000 Q/qc

 

31. Необходимая высота рубашки, если F < Fc, то

 

Hp = f/ πDa

 

32. Коэффициент теплопередачи.

 

Кt = qc / Δtc.

 

Рис. 9. Схема экзотермического реактора идеального смешения.

 

3                 4                 q_k, C_{a 0}, t_н

1 – корпус реактора,

2 – рубашка,

3 – крышка реактора,

4 – мешалка.

G_x, t_wн 1

2

 

 

q_v, C_{a k}, t_k

 

Таблица 2. 3.2 Таблица идентификаторов программы «Ирис»

Наименование параметров	Размер -ность	Обозначение		Величина
		В лекции	В программе
Исходные данные:
Производительность	м3/час	qv	qV	0.5
Начальная конц-я реагирующего компонента А	моль А/м3	Са,0	Са0	11
Степень конверсии	-	Х	Хак	0,83
Массив конц-й комп. А заданной интегральной кинетической кривой	моль А/м3	Са	Са i	Табл. 9
Массив времени реакции	с	τ	ti	Табл. 9
Число точек выше названого массива	-	n	n	15
Начальная температура реакционной массы	ºС	tH	tH	20
Температура реакционной массы в реакторе	ºС	tK	tK	30
Справочные данные:
Тепловой эффект реакции по компоненту А.	кДж/моль А	qt	qt	493.11
Плотность реакционной массы при рабочей температуре.	кг/м3	ρ	ρ	781
Вязкость реакционной массы при t=0 ºC	Па*с	μ0	Vi0	0.00056
Температурный коэффициент вязкости реакционной массы.	К-1	β	be	0.0062
Теплоемкость реакционной массы	кДж/кг*К	Ср	СР	5,15
Теплопроводность реакционной массы	Вт/м*К	λ	la	0,63
Начальная температура хладагента на входе в рубашку.	ºС	twн	twн	10
Конечная температура хладагента на выходе из рубашки.	ºС	twk	twk	25
Теплоемкость хладагента	кДж/кг*К	Cw	CW	4,19
Вязкость хладагента при t=0 ºC	Па*с	μw	Viw0	0.001
Коэффициент вязкости	К-1	βw	bew	0,0057
Плотность хладагента при средней температуре рубашки.	кг/м3	ρw	row	972
Теплопроводность хладагента при средней температуре рубашки.	Вт/м*К	λw	law	0,68
Ширина кольцевого сечения рубашки в котором движется хладагент.	м	δр	dр	0,006
Толщина стальной стенки реактора	м	δст.	dc	0,006
Теплопроводность стенки реактора	Вт/м*К	λст	lас	17.2
Термическое сопротивление стенки рубашки.	Вт/м*К	rc	rc	0.0002
Относительный диаметр мешалки	-	Dm/Da	dот	0,3
Обороты мешалки	об/сек	ω	nm	25
Расчетные параметры:
Конечная конц-я основного реагирующего компонента А.	моль А/м3	Са,к	Сак	1,87
Массив средней конц. реагирующего компонента А в дифференциальной кинетической зависимости	моль А/м3	Са,ср	Сас i	Табл. 10
Массив времени на дифференциальной кинетической кривой.	моль А/м3*с	Vr	Vri	Табл. 10
Скорость хим. реакции соответствующая конечной концентрации компонента А		Vrк	VrК	0,3Е-4
Среднее время пребывания в РИС	с	τсм	tсм	304330
Среднее время пребывания в РИВ	с	tв	tв	134330
Отношение объемов РИС и РИВ	-	Vот	Vot	2.27
Объем реакционной массы в РИС	м3	Vp	VP	42.269
Тепловая мощность	кВт	Q	q	6,2116
Массовый расход хладагента в рубашке.	кг/час	Gw	gw	355.8
Расчетный диаметр реактора	м	Da	da	3.4791
Высота цилиндрической части	м	Ha	HA	3.4791
Эквивалентный диаметр	м	dэ	de	0.2E-2
Диаметр мешалки	м	Dм	dm	1,0437
Площадь сечения кольцевого зазора в рубашке.	м2	Sм	Sm	0.065884
Вязкость реакционной массы при температуре реакции.	Па*с	μ	Vi	0,465Е-3
Вязкость реагента при средней температуре в рубашке.	Па*с	μw	Viw	0.8965E-3
Re для реакционной массы.	-	Re	Re	0.4575E+8
Pr для реакционной массы.	-	Pr	Pr	3.8008
Объемный расход хладагента	м3/с	Qw	qw	0.1017E-3
Скорость хладагента в рубашке.	м/с	Vx	Vx	0.1543E-2
Re для хладагента в рубашке.	-	Reх	Reх	10.04
Pr для хладагента в рубашке.	-	Prх	Prх	5,5236
Средняя движущая сила.	К	Δtс	dtc	10.82
Средняя температура хладагента.	ºС	txcp	txc	19.18
Отношение чисел Pr	-	Pr/Prст	PrO	0.99836
Nu для реакционной массы	-	Nu	Nu	22757
Коэффициент теплоотдачи реакционной массы.	Вт/м2*К	α	al	13736
Отношение Pr для хладагента.	-	Pr/Prх	PrOx	1.05
Nu для хладагента.	-	Nuх	Nuх	3,721
Коэффициент теплоотдачи хладагента.	Вт/м2*К	αх	alx	421.71
Удельная тепловая мощность реакционной массы.	Вт/м2*К	qг	qg	3628.7
Удельная тепловая мощность хладагента.	Вт/м2*К	qх	qх	3611,7
Средняя удельная тепловая мощность хладагента.	Вт/м2*К	qс	qс	3620,2
Температура накипи со стороны реакционной массы.	ºС	Х	Х	29,74
Температура ржавчины в рубашке.	ºС	tw	tw	27.74
Поверхность боковой цилиндрической стенки реактора.	м2	Fст	fc	38,006
Поверхность эллиптического днища.	м2	Fд	fd	16,340
Общая поверхность стенки днища реактора.	м2	Fa	fa	54,347
Необходимая расчетная поверхность теплопередачи.	м2	F	f	1,7158
Высота аппарата и рубашки.	м	Нр	НР	0,15706
Коэффициент теплопередачи.	Вт/м2*К	Кt	Кt	334.58

 

Таблица 3. - Зависимость концентрации компонента А от времени. (Рис. 10.)

СА	11	9,2	8,5	7,7	7	6,3	5,6	5	4,5	3,7	3,2	2,6	2,3	2	1,7
τ·103	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140

 

Таблица 4 - Зависимость средней концентрации компонента А от средней скорости реакции в дифференциальной кинетической кривой

Са с	10.1	8.85	8.1	7.35	6.65	5.95	5.3	4.75	4.1	3.45	2.9	2.45	2.15	1.85
Vr· 10-4	1.8	0.7	0.8	0.7	0.7	0.7	0.6	0.5	0.8	0.5	0.6	0.3	0.3	0.3

В данной работе был произведен расчет реактора идеального смешения с рубашечным теплообменником. Мы получили основные технологические параметры и геометрические размеры, такие как высота цилиндрической части аппарата равная 3,48 м, диаметр аппарата 3,48 м, диаметр мешалки 1,04 м и высота рубашки равная 3,48 м. Также была изображена схема реактора, построены: график дифференциальной кинетической кривой, график изменения температуры реакционной массы и хладагента вдоль поверхности рубашки и график изменения температуры реакционной массы и хладагента поперек стенки рубашки.

И все же основной целью являлся расчет реактора идеального смешения со змеевиковым погружным теплообменником. Из-за примерной схожести расчетных параметров рубашечного и змеевикового теплообменников, придется досчитать некоторые параметры, такие как длинна, внутренний диаметр и высота змеевика.

Длинна змеевика

L = F/πdср = 1,72/(3,14*0,0275) = 19,9 м.

dср = dв + δ = 0.025 + 0.025 = 0.0275 м.

Внутренний диаметр змеевика в аппарате

Dв = 0.7*Da = 0.7 * 3.48 = 2.436 м.

Высота змеевика

hв = L/πDв = 19.9/(3.14*2.436) = 2.6 м.

Таким образом, основные параметры реактора идеального смешения с погружным змеевиковым теплообменником можно представить так

· высота цилиндрической части аппарата 3,48 м,

· диаметр аппарата 3,48 м,

· диаметр мешалки 1,04 м,

· длинна змеевика 19,9 м,

· внутренний диаметр змеевика в аппарате 2,44 м,

· высота змеевика 2,6 м.