Реактор аппарат, в котором осуществляют химические реакции - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Химическое равновесие 1 34.01kb.
Проверка знаний по теме «Химические реакции» 1 44.28kb.
69. Ядерный реактор на быстрых нейтронах (рбн), особенности его устройства... 1 26.98kb.
Задания а 21 (егэ 2012 г) Обратимые и необратимые химические реакции. 1 75.52kb.
Аппарат для выработки энергии на новых физических принципах конвертер... 2 419.07kb.
Предлагаем Вам алгоритм составления уравнения химической реакции. 1 26.69kb.
Основы электрохимии Электрохимия – это раздел химии, изучающий химические... 1 51.3kb.
Лекция 4 Производственная функция 1 77.94kb.
Буровникова Ольга, 10б класс 1 62.94kb.
Методическая разработка урока «Типы химических реакций» Белорусова... 1 68.46kb.
Тема Химические реакции Тест №6 1 95.59kb.
Курс лекций Минск Редакционно-издательский центр Академии управления... 18 1332.68kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Реактор аппарат, в котором осуществляют химические реакции - страница №1/1



IV. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ.

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕАКТОРАХ. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ.

Def. Реактор - аппарат, в котором осуществляют химические реакции.

Химические реакторы – самый важный вид химической аппаратуры; главное, центральное звено ХТС. В них не только совершаются химические превращения, но и протекают сопутствующие процессы массо- и теплообмена и интенсивное движение среды.

От правильности выбора типа и конструкции реактора и режима его работы в наибольшей степени зависит эффективность и безопасность процесса в целом. Требования к реакторам и показатели эффективно-

сти работы - те же, что и к остальному оборудованию (§ 2.4.2.); отличаются наибольщей жёсткостью.

4.2. Основные конструктивные типы промышленных реакторов.

Многолетний опыт и научные изыскания позволили к настоящему времени разработать несколько основных конструктивных типов химических реакторов. Эти базовые конструкции также лежат в основе устройства более сложных реакторов.

Принципиальная общность конструктивных решений в реакторах каждого класса определяется их назначением, т.е. в первую очередь фазовым состоянием реакционной системы и температурным режимом ХП. В каждом классе существует много конкретных вариантов конструктивного исполнения аппарата.


Таблица 2- Основные конструктивные типы реакторов, применяемых в производствах ТОС


Конструктивный

тип реактора


Область и условия применения

Фазовое

состояние

систем


Температура

и давление

(конструктивные)


Тип процесса

1. Реактгоры-котлы. (Ёмкостные с перемешивающими устройствами).

В отраслях ТОС

≈ 95% всего парка реакторов


Ж

Ж-Ж


Г-Ж

Ж-Т


Г-Ж-Т

T =[ (-80)…400]OC

P=[(-0,001)…40] МПа



Разнообразные каталитические и нека-талитические процессы в конденсированных средах с интенсивным перемешиванием и теплообменом при различных температурах и режимах движения реакционной среды в периодических и непрерывных процессах.

2. Ёмкостные барботажные А. без с перемешивающх устройств

Г:Ж

T =[ (-20)…300]OC

P=[(-0,01)…1] МПа



Ряд процессов сульфирования, галогенирования, дедиазонирования с азеотропной отгонкой воды из продуктов

3. Трубчатые.

«труба-в-трубе»

В т.ч. пульсационные


Г, Ж

Ж-Ж


Г-Ж

Ж-Т


Г-Ж-Т

T =[(-100)…1000] OC

P=[(-0,001)…50] Мпа



Разнообразные каталитические и нека-талитические непрерывные процессы с интенсивным перемешиванием и теплообменом при различных температурах.

4. Кожухотрубчатые

Г, Ж

Ж-Ж


Г-Ж

Ж-Т


Г-Ж-Т

T =[(-100)…1000] OC

P=[(-0,001)…10] Мпа



Разнообразные каталитические и некаталити-ческие непрерывные процессы с интенсивным перемешиванием и теплообменом при различных температурах.

5. Колонны (насадочные и тарельчатые)

Г-Ж


T =[(-20)…500] OC

P=[(-0,001)…50] МПа



Процессы в условиях кипения реакционной среды или с интенсивным барботажем газа

6. Полочные

Г

Г-Т


Г-Ж

T =[(-50)…200] OC

P=[(-0,001)…1] Мпа



Обжиг твёрдых продуктов. Каталитические процессы в условиях неподвижного, движущегося и псевдоожиженного слоя катализатора. Абсорбционно-химические процессы

7. Многозонные контактные аппараты со встроенными теплообменными

устройствами



Г-Т

Г-Ж-Т


T =[(-100)…1300] OC

P=[(-0,001)…10] Мпа



Каталитические процессы в услових не-подвижного, движущегося и псевдоожи-женного слоя катализатора с организацией интенсивного теплообмена

8. Ванные

Ж

T =[(-10)…100] OC

P:= атмосферное



Процессы электрохимического синтеза

9. Камерные

Г, Г-Т

Г-Ж


T =[500…2500] OC

P=[0,1…1] Мпа



Печи обжига. Коксовые печи. Камеры сгорания тепловых двигателей и энергоустановок

Выбор типа реактора производится с учётом всей полноты действующих факторов.


3.3. Макрокинетика ХП и динамика химических реакторов.

3.3.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ ДЛЯ РЕАКТОРОВ.

Главная задача, решаемая технологом при использовании реакторов: определение типа, конструктивных и технических параметров аппарата; оптимизация условий ведения процесса и работы (эксплуатации) аппарата; принятие необходимых мер по обеспечению безопасности и устойчивости работы реактора. Успешное решение её невозможно без правильного по существу и полного по содержанию понимания сути и механизма протекающих в реакторе процессов и явлений.

Здесь необходимо сделать ряд ссылок на ранее изучавшиеся курсы. Классическая теория ПАХТ изучает все процессы, кроме химических. С другой стороны химия – неорганическая, органическая, в меньшей степени физическая – изучают именно химические процессы, мало занимаясь явлениями переноса. В реальных же процессах (осуществляемых в реакторах) одновременно протекают и химические реакции и явления переноса. Химические превращения изменяют состав среды, что изменяет все её физические свойства – плотность, теплоёмкость, вязкость, теплопроводность, диффузию, упругость; с другой стороны (что яснее видно из курса ПАХТ) теплопередача и диффузия в огромной степени влияют на температуру и концентрации всех реагентов в реакторе – т.е., на протекание химических реакций.

Поэтому строгие расчёты, выполняемые технологами – как при проектировании (проверке правильности выбора реактора), так и при оптимизации технологических режимов работы уже функционирующих в реальных процессах реакторов, - должны учитывать все характерные для реакторов явления. Задача эта решается путем исследования макрокинетики ХП и динамики реакторов.

Def. Макрокинетика: кинетика реальных сложных химических процессов с учётом явлений переноса массы, количества вещества, теплоты, импульса, поглощения и испускания излучений.

Def. Динамика: реальные изменения состояния реактора и хода ХП, обусловленные внутренним механизмом процесса, условиями его проведения и влиянием различных возмущений, возникающих в ходе работы.

В основе описания макрокинетики и динамики ХП лежат дифференциальные уравнения движения вещества, импульса, энергии (и иных свойств материи) в физико-химическом процессе с учётом конвективного и турбулентного переноса вещества – уравнения Умова (Умова-Пойнтинга). Это уравнение, в отличие от уравнений Навье-Стокса, Рейнольдса, Фурье-Кирхгофа и Фика, учитывает то, что химические превращения, а также межфазный перенос, загрузки в реактор реагентов и отвод продуктов из реактора приводят к образованию и исчезновению веществ внутри реактора – такие эффекты в теоретической физике называют источниками и стоками субстанций. Под «субстанцией» понимают как вещество, так и присущие ему свойства (наиболее общее свойство – химический потенциал).

Общая форма этого уравнения

= Σ IOS - Σ ICS - div (J + S w) (1)

S – субстанция (свойство);

IOS – мощность источников субстанции;

ICS – мощность стоков субстанции;

J - конвективный поток;

w – линейная скорость.

Для прояснения физико-химической сущности явлений достаточно рассмотреть задачу в одномерном представлении. Рассмотрим элемент объёма реактора dV. Движение среды будем считать одномерным. Изменением удельного объёма среды пренебрежём.
_________

| Wr | Wr - векторная сумма скоростей химических реакций, кмоль/с;



| IO IC |wl wl - линейная скорость потока, м/с;

|_________ | (ρλην) С - концентрация в сечении l, кмоль/м3

| | C+dC - концентрация в сечении l+dl, кмоль/м3

l l+dl ρ – плотность среды, кг/м3

C C+dC λ – теплопроводность среды, Вт/м К

ή - обобщённый динамический коэффициент вязкости среды, Па.с

ΰ- обобщённый кинематический коэффициент вязкости среды, м2

СР – теплоёмкость среды, Дж/кг.К;

ά= λ/ ρСР - – температуропроводность среды, м2

IO – мощность физических источников вещества, кмоль/с;

IC – мощность физических стоков вещества, кмоль/с;

Рисунок 2. Схема элемента реакционного объёма.

В отсутствие внешних полей динамика процесса в элементе объёма реактора dV выражается системой уравнений Умова – Пойнтинга для переноса массы, количества вещества, тепла и импульса – т.н., характеристической системой уравнений


Перенос массы (материальный баланс) – выражается уравнением сплошности

(2)
Перенос количества вещества - макрокинетика

= Σ IOS - Σ ICS Wr (1 - С ) - wl + D (3)

I II III IV V

где D - коэффициент перемешивания, м2/с.

Перенос тепла

ρСР= Σ IOSН0S - Σ ICSНСS - Σ WR ΔНR + Wr ρСР Т - wl ρСР + λ (4)

VI VII VIII IX X XI XII

Перенос импульса (течение среды)

ρ = ρ wl (WR ΔV - ) - + ή (5)

XIII XIV XV XVI XVII

Где Σ IOS – интенсивность физических источников вещества, кмоль/м3с;

Σ ICS– интенсивность физических стоков вещества, кмоль/м3с;

Н0S, НСS – энтальпии вносимых и уносимых веществ, Дж/кмоль;

ΔНR – тепловой эффект реакции, Дж/кмоль;

ΔV – изменение молярного объёма в результате реакции, м3/кмоль;

D - коэффициент перемешивания (турбулентно-молекулярной диффузии), м2/с;.

ή – динамический коэффициент турбулентно-молекулярной вязкости, Па.с.

Знак «» зависит от того, рассматривается ли концентрация реагента или продукта реакции.

Для полной характеристики задачи требуется также формулирование начальных и граничных условий. В целом это требует проведения большого объёма экспериментальных работ и вычислений. Сложность уравнений Умова приводит к тому, что в подавляющем большинстве случаев для практических целей прибегают к их упрощению на основе теории подобия. Т.е., упрощают задачу путём осреднения ряда параметров. Это позволяет перейти от уравнений математической физики к обыкновенным дифференциальным уравнениям, и в ряде случаев получить аналитические выражения, хорошо приближающиеся к эксперименту.

В качестве примера рассмотрим уравнение переноса количества вещества (5).

Преобразование формулы (5) в соответствии с теорией подобия даёт выражение (членом III обычно пренебрегают)

С/τ = Σ IOS - Σ ICS Wr - wl С/L + D С/ L2, (8)

Iа IIа IIIа IVа

где L - определяющий линейный размер, м.

Из этого выражения получают основные критерии подобия.

Делением членов (III) : (IV) - критерий Боденштайна (иногда называют критерием Пекле для реакторов) - выражающий соотношение конвективного и турбулентного переноса вещества.

Во = , (9)

Делением членов (II): (III) - первый критерий Дамкелера - выражающий соотношение скорости реакции и конвективного переноса вещества.

DaI =, (10)

где = L/ wl - среднее время пребывания потока в реакторе, с.

Делением членов (II): (IV) - второй критерий Дамкелера

DaII = , (11)

DaII выражает соотношение скорости реакции и интенсивности турбулентного переноса вещества.

Аналогично из уравнения (6) выводят третий и четвёртый критерии Дамкелера.

Делением членов (II): (III) - третий критерий Дамкелера, выражающий соотношение тепловой мощности реакции и конвективного переноса тепла.

DaIII = , (12)

где = L/ wl - среднее время пребывания потока в реакторе, с.

Делением членов (II): (IV) - четвёртый критерий Дамкелера, выражающий соотношение тепловой мощности реакции и турбулентного переноса тепла.

DaIV = , (13)

На основании вышеприведённых соотношений выводят т.н. характеристическое уравнение реактора, а точнее –характеристическую систему уравнений, выражающих связь между степенью превращения, скоростью и временем протекания ХП. Характеристическое уравнение - основа технологического расчёта реакторного процесса.

Def. Характеристическое уравнение - уравнение, связывающее скорость процесса, концентрации (и степени превращения) реагентов и необходимое время.

Применение преобразований подобия (9)-(13) обычно позволяет заменить систему уравнений математической физики (5)-(8) системой обыкновенных дифференциальных, критериальных и алгебраических уравнений вида.



С/= FC(WR; DaI; DaII; DaIII ; DaIV; Re; Bo; IC; IS ) (14)

ρСР= FT(WR; DaI; DaII; DaIII ; DaIV; Re; Bo; IC; IS Gr; Ki; Bi… ) (15)

Eu = FP (WR; DaI; DaII; DaIII ; DaIV; Re; Bo; IC; IS ; Fr; Gr; Ki; Bi…) (16)

Где Eu, Re, Fr, Gr; Ki; Bi, – соответственно критерии (числа) Эйлера, Рейнольдса, Фруда,

Грасгофа, Кирпичёва, Био и т.д.
Как правило, на практике идут по пути дальнейших упрощений уравнений (14) -(16), основанных на следствиях, вытекающих из существования определённых областей качественно своеобразных условий протекания, выражаемых «граничными» значений критериев Во, DaII; DaIV. Эти упрощения позволили вывести основные группы моделей движения среды, определяющих тип макрокинетики процессов в реакторах.

К таковым базовым моделям относятся следующие: идеального/полного смешения (РИС); идеального/полного вытеснения (РИВ);. диффузионная (ДРВ) и ячеечная (КРИС-Н).

Сложные модели реальных аппаратов строят на основе комбинации вышеприведённых базовых моделей. Характеристика этих моделей и область их применения к реальным аппаратам приведены в таблице
МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ В РЕАКТОРАХ ОСНОВНЫХ ТИПОВ

1. РЕАКТОРЫ С МЕШАЛКАМИ (АППАРАТЫ-КОТЛЫ)

Основная модель для описания процессов в аппаратах этого типа – модель идеального/полного смешения (РИС). В основе её лежит допущение, что интенсивное перемешивание практически обеспечивает выравнивание концентраций и температуры по всему объёму реактора. Математически это отражается следующим образом.
(17а)

(17б)

(17в)

(17г)

Bo<<1 (17д)

DaII<<1 (17е)

DaIV<<1 (17ж)

В большинстве случаев в средах невысокой вязкости относительная неоднородность концентраций действительно не превышает (1…2) %, а перепады температуры не превышают (1…2) градуса (и приходятся на пограничный слой). Для этих условий модель РИС вполне корректна. Модель применяют и к периодическим и к непрерывным процессам.
1.1 Реакторы периодического действия – РИС-П.

Эта модель применяется к периодическим процессам, при осуществлении которых все реагенты загружают за время, пренебрежимо малое по сравнению с общей продолжительностью реакционного цикла, т.е., практически единовременно. До окончания процесса продукты реакции из реактора не отводят. Поэтому все изменения концентраций и температуры обусловлены только происходящими в реакторе процессами.


Рисунок . Схема РИС-П
Математическое описание процесса.

Реакция aIAI = bIBI



Масса веществ неизменна

М = М0 = Const (18а)



Скорость реакции (макрокинетика процесса)

=  WR + WR -  C (18б)

Температура (дифференциальный тепловой баланс определяется тепловыми эффектами химических и массообменных процессов; организованным теплообменом; мощностью, диссипируемой мешалкой и теплообменом с окружающей средой).

MCр*+ MACA = - ΔНR | WR | - ΔНm | Wm | - КF Δ - КПFП(Т-) + NЖ (18в)

Где С – концентрации веществ, моль/м3;

=изменение плотности, вызываемое изменением состава среды, кг/кмоль;

M = V – масса реакционной среды, кг;

MA – масса корпуса реактора, кг;

 - плотность среды, кг/м3;

Т- температура в среде, К;

ΔНm – тепловой эффект химических процессов, Дж/моль;

Wm - скорость химических процессов, моль/с;

ΔНm – тепловой эффект массообменных процессов, Дж/моль;

Wm - скорость массообменных процессов, моль/с;

ТА – средняя температура корпуса реактора, К;

 - коэффициент объёмного расширения, К-1;

Cр*- удельная теплоёмкость среды, Дж/(кг.К);

CA - удельная теплоёмкость материала корпуса реактора, Дж/(кг.К);

К– коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К );

F - поверхность теплопередачи, м2;

Δ = средняя разность температур, отсчитываемая от температуры среды, К; (18г)

КП – коэффициент тепловых потерь, Вт/(м2К );

FП – поверхность тепловых потерь, м2;

T1, t2, tCP – начальная, конечная и средняя температура теплоносителя, К;

 - температура окружающей среды.



Гидродинамика (течение среды определяется перемешиванием)

NЖ = КN  n3 d - мощность, диссипируемая (рассеиваемая мешалкой) в среде, Вт; (19а)

КN = F(Re; Fr; Г) – критерий мощности (критерий Эйлера для мешалок). (19б)
Интегрированием системы уравнений (18а)- (18г) получают зависимость концентраций и температур от времени; результаты представляют графически или в виде таблиц.
Рисунок Графическая зависимость

концентраций и температуры

Особую роль играют изотермические РИС-П, для которых

=0 (20а)

Постоянство температуры обеспечивается за счёт её регулирования

КF Δ = - ΔНR | WR | - КПFП(Т-) + NЖ (20б)
Постоянство температуры исключает влияние объёмного расширения на концентрации веществ. Вследствие этого для И-РИС-П характеристическая система упрощается.

=  WR (1+) (20а)

Довольно часто влиянием состава среды на плотность – особенно в случае реакций в разбавленных растворах – можно пренебречь, т.е



<<1 (20б)

Тогда характеристическое уравнение упрощается



  WR (20в)

Уравнение (20в) имеет общее интегральное решение


 =  С0 (21)

где Х –степень превращения.


Возможность практически обеспечить выполнение условий (19)-(21) [например, в разбавленных растворах] делает И-РИС-П чрезвычайно важными для кинетических исследований. По существу, это основной тип т.н. кинетических ячеек. Уравнения (20в) и (21) используют для вычисления кинетических параметров реакций.

Достоинство РИС-П в том, что этот тип режима характеризуется максимальной средней концентрацией реактантов в среде, т.е., максимальной движущей силой процесса. Поэтому время, необходимое для достижения заданной степени превращения при прочих равных условиях для РИС-П минимально из всех типов реакторов периодического действия.

Нужно отметить однако, что обеспечить возможность вести процессы в режиме РИС-П достаточно сложно. Как правило, тепловые эффекты химических и массообменных процессов приводят к тому, что при высоких концентрациях реактантов – и высоких скоростях процессов – очень трудно удержать температуру в реакторе в безопасных пределах; также трудно бывает предотвратить массовую лавинную кристаллизацию, выбросы реакционной массы и другие негативные явления. Кроме того, для сложных процессов с последовательно-параллельными реакциями максимальная концентрация не всегда позволяет достичь высокой селективности процесса и максимального выхода целевого продукта – что гораздо важнее высокой скорости процесса. Поэтому процессы РИС-П сравнительно редки в практике химической технологии БАВ.

Для поддержания безопасных и рациональных режимов ведения процессов, как правило, приходится ограничивать концентрации реактантов. Для этого необходимо загружать реагенты постепенно - в течение времени, сопоставимого с временем протекания процесса.

Кроме того, довольно часто из реактора необходимо отводить продукты, могущие вызвать побочные реакции, или сдвинуть равновесие в нежелательную сторону, или снизить температуру и тем самым замедлить процесс. Как правило, это делают отгонкой, экстракцией или кристаллизацией.

Реализация этих технологических приёмов формирует два основных режима ведения периодических процессов: - - реакторы полупериодического действия – РИС-ПП;

- реакторы полупериодически-непрерывного действия – РИС-ППН.
1.2 Реакторы полупериодического действия – РИС-ПП.

Эта модель применяется к периодическим процессам, при осуществлении которых часть реагентов изначально находится в реакторе, а другие загружают в течение времени, сопоставимого с временем протекания процесса. По окончании загрузки проводят выдержку, необходимую для достижения требуемого выхода целевого продукта. До окончания процесса продукты реакции из реактора не отводят. Поэтому все изменения концентраций и температуры обусловлены только происходящими в реакторе процессами.

Технологический цикл т.о. распадается на две фазы: дозирование и выдержка.

Рисунок . Схема РИС-ПП

Рассмотрим осуществляемую в РИС-ПП необратимую реакцию

A + В  D + E (III)

Будем считать, что раствор реагента В находится в реакторе, а раствор реагента А из мерника равномерно – т.е. с постоянным расходом - дозируют (сливают ) в реактор. Будем также считать, что изначально продукты реакции D и Е в среде отсутствуют
Математическое описание процесса в фазе дозирования.

Масса веществ

Унос отсутствует:= Gs =0



= GA=АVA (22а)

Объёмный и массовый расходы постоянны

GA=Const (22б)

VA =Const (22в)

Отсюда


М = МО + GA= МО + VA (22г)

Скорость реакции (макрокинетика процесса)

Концентрация А возрастает за счёт дозирования и убывает вследствие протекания реакции и увеличения объёма

реакционной среды

= - WR (1- ) -  CА (23а)

Концентрация В только убывает вследствие протекания реакции и увеличения объёма реакционной среды


= - - WR (1- ) -  CВ (23б)

где  - т.н. коэффициент контракции, отражающий отклонение объёма раствора от аддитивности.



Температура (дифференциальный тепловой баланс определяется тепловыми эффектами химических и массо-обменных процессов; энтальпией загружаемых продуктов; организованным теплообменом; мощностью диссипируе-

мой мешалкой и теплообменом с окружающей средой).

MCр*+ MACA = GA H - (V0+VA ) {ΔНR | WR | - ΔНm | Wm | }-КF Δ - КПFП(Т-) + NЖ (23в)

Где H=  mXIHIN - удельная энтальпия раствора реагента А, Дж/кг;

HIN- удельная энтальпия компонента I в растворе реагента А, Дж/кг;

mXI – массовая доля компонента I в растворе реагента А;



Гидродинамика (течение среды определяется перемешиванием)

NЖ = КN  n3 d - мощность, диссипируемая (рассеиваемая мешалкой) в среде, Вт; (23г)


В фазе выдержки РИС-ПП идентичен РИС-П; процесс также описывется системой уравнений (18а)- (18г). Очевидно, что характеристическая система уравнений (23а)- (23г) весьма сложна; аналитические решения возможны только для реакций первого порядка и изотермических режимов.

Численное интегрирование системы уравнений (23а)- (23г) для фазы дозирования и системы уравнений (18а)- (18г) для фазы выдержки при задании различных условий ведения процесса (начальной температуры – Т0; расхода реагента А - GA; температуры теплоносителя - t0; температуры окружающей среды - ) получают зависимость концентраций и температур от времени; результаты представляют графически или в виде таблиц.

Рисунок Графическая зависимость концентраций и температуры для РИС-ПП
1.3 Реакторы полупериодически-непрерывного действия – РИС-ППН.

Эта модель применяется к любым периодическим процессам, при осуществлении которых часть реагентов изначально находится в реакторе, а другие загружают в течение времени, сопоставимого с временем протекания процесса. По окончании загрузки проводят выдержку, необходимую для достижения требуемого выхода целевого продукта. При этом как в фазе дозирования, так и в фазе выдержки часть продуктов реакции или избыток растворителя отводят из реактора.

Это наиболее сложный из всех режимов периодических процессов. Изменения концентраций и температуры обусловлены всей совокупностью происходящих в реакторе процессов. Для РИС-ППН не всегда даже возможно однозначно разделить цикл на фазы дозирования и выдержки.
Рисунок . Схема РИС-ППН

Рассмотрим осуществляемую в РИС-ППН необратимую реакцию

A + В  D + E (III)

Будем считать, что раствор реагента В находится в реакторе, а раствор реагента А из мерника равномерно – т.е. с постоянным расходом - дозируют (сливают ) в реактор. Будем также считать, что изначально продукты реакции D и Е в среде отсутствуют


Математическое описание процесса

Масса веществ

Gs =0



= GI - Gs = IVI - SVS (24а)

где М – масса веществ в аппарате, кг;

GI – суммарный массовый расход загружаемых веществ, кг/с;

Gs– суммарный массовый расход отводимых веществ, кг/с;


Объёмные и массовые расходы постоянны

{GI; Gs }=Const (24б)

{VI; Vs }=Const (24в)

Отсюда


М = МО + (GI - Gs )= МО + ( IVI - SVS) (24г)

Объём среды в аппарате

V= M/ (24д)

Скорость реакции (макрокинетика процесса)

Концентрация А возрастает за счёт дозирования и убывает вследствие протекания реакции, возможного уноса с отводимыми компонентами и увеличения объёма реакционной среды



= - WR (1- ) -  CА (24е)

Концентрация В только убывает вследствие протекания реакции, возможного уноса с отводимыми компонентами и увеличения объёма реакционной среды


= - - WR (1- ) -  CВ (24ж)

где  - т.н. коэффициент контракции, отражающий отклонение объёма раствора от аддитивности.



Температура (дифференциальный тепловой баланс определяется тепловыми эффектами химических и массо-обменных процессов; энтальпией загружаемых и отводимых продуктов; организованным теплообменом; мощностью диссипируемой мешалкой и теплообменом с окружающей средой).

MCр*+ MACA = GAH- GSH*S - V{ΔНR | WR | - ΔНm | Wm | }- КF Δ- КПFП(Т-) +NЖ (24з)

Где HS *=  mXIHIN - удельная энтальпия отводимого продукта S, Дж/кг;

Гидродинамика (течение среды определяется перемешиванием)

NЖ = КN  n3 d - мощность, диссипируемая (рассеиваемая мешалкой) в среде, Вт; (24и)


Численным интегрированием системы уравнений (24а)- (24и) при задании различных условий ведения процесса (начальной температуры – Т0; расхода реагента А - GA; температуры теплоносителя - t0; температуры окружающей среды - ) получают зависимость концентраций и температур от времени; результаты представляют графически или в виде таблиц.

На основании полученных результатов делают вывод о соответствии типов и технических характеристик реакторов задачам проекта и производят выбор рациональных условий ведения процесса.

Критерии выбора.

1. Параметры процесса: температура, давление, расходы сред – должны находиться в пределах норм безопасности.

2. Достигаемый выход целевого продукта должен высоким, а количество побочных продуктов, отходов и потерь – минимальным.

3. Расход энергоносителей и их параметры должны быть минимально достаточными для гарантии управления процессом.

4. Скорости изменения температуры и давления не должны превышать пределов быстродействия современных средств КИПСА (dT/d < 2 K/c; dP/d<1 Бар/с).

5. Трудоёмкость процесса должна быть минимальной.


2. НЕПРЕРЫВНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Непрерывные процессы, несмотря на их относительную малораспространённость, важны для технологии БАВ. Для оценки их особенностей мы рассмотрим два вида аппаратов: аппараты с мешалками и трубчатые реакторы.

2.1. АППАРАТЫ С МЕШАЛКАМИ.

К непрерывным процессам в аппаратах с мешалками (как и к периодическим) – в случае маловязких и умеренновязких сред применима модель идеального смешения, формулируемая соотношениями (17а)-(17з). В данном случае её называют РИС-Н. РИС-Н имеют ряд существенных особенностей сравнительно с периодическими процессами.



  1. Внутренний рабочий объём такого аппарата жёстко задан установкой переливного штуцера (температурные изменения не превосходят 1 %). Поэтому объём реакционной массы также практически постоянен.

  2. Вследствие «идеальности» смешения концентрации всех веществ и температура практически постоянны и соответствуют конечным, достигаемым на выходе из реактора.

Рисунок . Схема РИС-Н Рисунок . Схема изменений концентрации

и температуры в РИС-Н
Макрокинетика (скорость процесса)

= = (25а)

== (25б)

где ТО = v/V – среднее время пребывания реакционной массы в реакторе, с; - основной

характеристический параметр продолжительности непрерывных процессов.

MCр*+ MACA = GA H- GSH*S - V {ΔНR | WR | - ΔНm | Wm | } - КF Δ- КПFП(Т-) + NЖ (25в)

Где HS *=  mXIHIN - удельная энтальпия отводимого продукта S, Дж/кг;

Т.о. выражения дифференциального теплового баланса непрерывного и периодического процессов идентичны.

В РИС-Н после пуска существует довольно непродолжительный период стабилизации режима

ТСТАБ  7ТО (26)

По истечении этого периода устанавливается стационарный режим

===0 (27)

Для стационарного режима справедливы основные соотношения

Концентрации

СA = СA0 – WR ТО (28а)

СВ = СВ0 – WR ТО (28б)

Температура может быть найдена из условия

GSH*S = GA H- V {ΔНR | WR | - ΔНm | Wm | } - КF Δ- КПFП(Т-) + NЖ (28в)

РИС-Н являются аппаратами с т.н. ступенчатым или дискретным контактом.

Выражения (28а)- (28в) иллюстрируют сказанное выше о скачкообразном характере изменения параметров в РИС-Н. Т.о., РИС-Н характеризуются наименьшими из всех типов реакторов концентрациями реагентов - соответственно – наименьшей движущей силой процесса.

С одной стороны, это недостаток – поскольку для достижения одинаковой степени превращения требуется максимальное время пребывания ТО - и соответственно – наиболее громоздкий аппарат (при прочих равных условиях).

С другой стороны, это достоинство. В случае реакций с большим тепловым эффектом снижение скорости процесса уменьшает тепловые нагрузки и облегчает стабилизацию безопасных и оптимальных температурных режимов. Кроме того, если порядок целевой реакции ниже порядка побочных реакций – снижение концентраций приводит к росту выхода целевого продукта.

2.2 ТРУБЧАТЫЕ РЕАКТОРЫ

Трубчатые реакторы, в отличие от РИС-Н, являются аппаратами с т.н. непрерывным контактом. В них имеет место радиальный и осевой (обратный) конвективный и турбулентный перенос массы и импульса – т.н. обратная диффузия. При этом, конечно, основное направление переноса – соответствует координате процесса. В соответствии с этой особенностью физико-химии и гидродинамики процесса к трубчатым реакторам применяется в основном т.н. модель диффузионного реактора вытеснения – ДРВ-Н.

Обычно решения модели приводят (так же, как для РИС-Н) для стационарного режима. Путём критериальных преобразований (осреднения параметров процесса) получают следующие выражения.

Макрокинетика

- + WR ТО =0 (29а)

Температура

- + DaIII + =0 (29б)

Рисунок . Схема ДРВ-Н Рисунок . Схема изменений концентрации

и температуры в ДРВ-Н
МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСЫ ХТП

Представленные выше модели процессов позволяют расчётным путём находить очень многие важные закономерности протекания ХТП: определять допустимые температурные режимы; рассчитывать реальную продолжительность процедур загрузки реагентов и выдержек; находить параметры и расход энергоносителей; вычислять выходы целевых и побочных продуктов; находить оптимальные режимы.

Однако очевидно, что такие расчёты весьма сложны. Кроме того – что гораздо важнее – их корректная реализация требует выполнения большого объёма экспериментальных исследований; поскольку без соответствующих данных о свойствах веществ; о механизмах, кинетике и термодинамике процессов (и многих других) любые расчёты будут недостоверны. Наконец, очень многие задачи проектирования можно решить более простыми методами. Главнейший из таких методов – метод материального и теплового балансов.

Материальный баланс выражает закон сохранения массы и закон сохранения количества вещества применительно к ХТП. Тепловой баланс соответственно – закон сохранения энергии. Оба баланса теснейшим образом связаны с динамикой процесса, поскольку, выражаясь языком теоретической физики – являются интегралами ХТП.

Для объективности и полноты анализа рассмотрим наиболее сложный процесс: РИС-ППН.

Произведём некоторые преобразования уравнений (24а)-(24з).

1. Перейдём от концентраций к количеству вещества:

VdC = dN. (30а)

2. Для продуктов реакции справедливо:

WRI d = dI (30б)

где I – выход продукта I.

3. Наконец, для исходных реагентов справедливо:

I-1 WRI d = I-1 dI = dXА (30в)

где I – стехиометрический коэффициент для реакции образования продукта I из главного субстрата А;

XА – степень превращения А.

Подстановкой условий (25а)- (25в) модифицируем уравнения (24а), (24е), (24ж), (24з).



dMI = dM + dMs (31а)

dNA= dNB = N0(1-dX) =- I-1 dI (31б)

рdT + MAСАdTА =

= HdMI - H*S dMS -  ΔНRI-1 dI - ΔНm | Wm | - КF Δd - КПFП(Т-)d + NЖd (31в)

Систему уравнений (26а)- (26в) можно проинтегрировать с получением следующих соотношений баланса.

1. МАССА ВЕЩЕСТВ

 MI =  M +  Ms (32а)



2. КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА

2.1 ИСХОДНЫЕ РЕАГЕНТЫ

ГЛАВНЫЙ СУБСТРАТ - А

NA = NA0(1-X) (32б)

Где NA0 – исходное (загруженное) количество субстрата А, кмоль.

ВТОРОЙ СУБСТРАТ - В

NВ = NВ0 - NA0 X (32в)

Где NВ0 – исходное (загруженное) количество субстрата В, кмоль.

2.2 ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ

Количество любого полученного продукта I, кмоль, даётся выражением

NI = NI0 + NA0I-1 (32г)

IХ – химический выход продукта I.

Где NI0 – исходное (загруженное) количество продукта I, кмоль;

Соответственно, масса любого полученного продукта, кг, I даётся выражением

MI = MmI NI (32д)

Где MmI – молярная масса продукта I, кг/кмоль.



3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ХТП

Тепловой баланс удобно привести к виду

Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q9 = Q5 + Q6+ Q7+ Q8 (33)

При этом


Q1 =  MIЗ HIЗ* =  NIЗ HЗ – теплота, внесённая с исходными реагентами, Дж; (28б)

Где HIЗ, HIЗ* - соответственно, молярная и удельная энтальпия загруженных веществ.

Q2 = -КF Δd  - КF Δ  - теплота, подведённая в теплообменном устройстве, Дж (28в)

Q3 = (-NA0) I-1IХ ΔНRI - суммарная теплота химических реакций, Дж; (28г)

где ΔНRI - тепловой эффект реакции I, Дж/кмоль
Q4 = (-NA0) I-1Im ΔНRm - суммарная теплота массообменных процессов, Дж; (28д)

где ΔНRmIm - тепловой эффект массообменного процесса I, Дж/кмоль;

Im- выход массообменного процесса I на главный исходный субстрат А.
Q5 = MAСА (tАК - tА0) – теплота, накопленная в нагретом/охлаждённом корпусе реактора, Дж (28е)

где MA – масса корпуса аппарата, кг;

tАК , tА0 – конечная и начальная средняя температура корпуса, ОС;

Q6 =  MI HI* =  NI HI – теплота, накопленная продуктами в реакторе, Дж; (28ж)

Где HI, HI* - соответственно, молярная и удельная энтальпия накопленных веществ, Дж/кмоль.

Q7 =  MS HS* =  NS HS – теплота продуктов, отведённых из реактора, Дж; (28з)

Где HIЗ, HIЗ* - соответственно, молярная и удельная энтальпия отведённых веществ, Дж/кмоль.

Q8 = КПFП(Т-)d  КПFПСР -)  - теплота, потерянная в окружающую среду, Дж (28и)

где ТСР – средняя температура в аппарате

Q9 =  NЖСР  теплота, выделенная в среду работающей мешалкой (28к)

где NЖСР – средняя мощность, диссипируемая мешалкой в среде, Вт.
Энтальпии веществ (молярные или удельные) выражают по термохимической шкале относительно стандартной (опорной) температуры Т=298,15 К (25,00 ОС).

Таблица - Выражение энтальпии веществ

Состояние

при t=25 ОС



Состояние при температуре t

Твёрдое

Жидкое

Газообразное

Твёрдое

Ср ТВ (t-25)

Ср ТВ (tПЛ -25)+ ΔНПЛ +

Ср Ж (t- tПЛ)



Ср ТВ (tПЛ -25)+ ΔНПЛ +

Ср Ж (tКИП - tПЛ) +ΔН ИСП +

Ср Г (t - tКИП)


Жидкое

Ср Ж (tПЛ -25)- ΔНПЛ +

Ср Ж (t- tПЛ)



Ср Ж (t -25)

Ср Ж (tКИП - 25) +ΔНИСП +

Ср Г (t - tКИП)



Газообразное

Ср Г (tКИП -25)- ΔНИСП -

Ср Ж (tКИП - tПЛ) - ΔНПЛ +

Ср ТВ (t - tПЛ)


Ср Г (tКИП -25)- ΔНИСП -

Ср Ж (tКИП - t)



Ср Г (t -25)

В случаях, когда процесс протекает в разбавленных средах, а фазовое состояние реагентов и продуктов не меняется – все выражения упрощаются до: Н = СPt







Букмекер — карманный вор, который действует твоими собственными руками. Генри Морган
ещё >>