Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
У промисловості хімічні процеси проводять у спеціальних пристроях, що називаються хімічними реакторами. Хімічні реактори, що використовуються у промисловості, відрізняються певним різноманіттям, але
у всіх реакторах мають місце певні фізичні процеси:
за допомогою яких створюються оптимальні умови для проведення хімічного перетворення речовини (хімічної реакції). Для здійснення цих фізичних процесів реактор має у своєму пристрої конструктивні елементи, широко застосовувані в апаратах для проведення властиво фізичних процесів:
Тому всі хімічні реактори можна розглядати як комплексні апарати, що складаються з відомих конструктивних елементів, більшість із яких окремо використається для проведення технологічних операцій, що не супроводжуються хімічним перетворенням речовин, які переробляють.
Критеріями, по яких класифікують реакційну апаратуру є:
За принципами організації процесу хімічна реакційна апаратура може бути розділена на три групи:
В реакторах неперервної дії увід у зону процесу вхідних речовин й відвід продуктів відбувається одночасно.
В реакторах періодичної дії увід вхідних речовин й вивід продуктів розділені у часі. Як правило, періодичні процеси містять такі фази:
а) загрузка реагентів,
б) нагрів до температури реакції,
в) витримка при температурі реакції,
г) охолодження,
д) вивантаження продуктів.
В реакторах напівперіодичної дії можливо два типі організації:
а) одну з вхідних речовин завантажують відразу, другу додають протягом часу неперервне. Як правило, таку організацію процесу використовують в разі швидких й сильно екзотермічних реакцій, щоб не допустити виходу процесу з під контролю й виникнення вибуху;
б) протягом процесу один з продуктів неперервне видаляють з зони реакції. Таку організацію використовують, наприклад, для рівноважних процесів, що супроводжуються створенням легко летючих речовин: води, спирту, аміаку та ін., щоб зсунути рівновагу у бік кінцевих продуктів.
За гідродинамічним режимом розрізняють наступні типи реакторів:
а) ідеального (повного) витиснення;
б) ідеального (повного) змішання;
в) проміжного типу (із проміжним гідродинамічним режимом).
За тепловим режимом роботи реактори ділять на наступні типи:
а) ізотермічний реактор. В ньому протягом його роботи після виходу на режим підтримується постійна температура;
б) адіабатичний реактор. В ньому хімічна реакція перебігає за рахунок тепла хімічної реакції, без підводу тепла ззовні;
в) реактор із програмованим тепловим режимом.
За конструктивними особливостями - класифікація реакторів поєднує всі реакційні апаратури в наступні групи:
Реактори ємнісного типу являють собою сосуди з мішалками. В залежності від того, як розташовано мішалку, апарати назівають вертикального або горизонтального типу. Ємнісні апарати горизонтального типу зображено на рис. 20.1, 20.2. Товстостінні ємнісні апарати, що призначені для роботи під високим тиском, називаються автоклавами.
Апарати колонного типу (рис. 20.3) широко використовуються у багатотонажному синтезі, зокрема у нафтохімії, у виробництві аміаку. сульфатної кислоти і т.д. У багатьох випадках всередині колони містять каталізатори. Апарати колонного типу мають співвідношення внутрішнього діаметру до висоти більше за 1:20. Апарати теплообмінного типу дуже часто представляють собою трубчатку – секціонований теплообмінник «труба в трубі» (рис. 20.4). По типу гідродинаміки цей апарат відноситься до реакторів ідеального перемішування.
За фазовим стані станом реактори характеризуються класифікуються наступним чином:
До найважливіших з факторів, що визначають конструкцію реактора, можна віднести наступні:
З усіх перерахованих факторів робить найбільший вплив на принцип дії реактора і його конструктивного оформлення вносить агрегатний стан речовини. Залежно від цього фактору визначається вибір деяких основних і допоміжних вузлів апарата, таких, як, наприклад, живильник, пристрій для перемішування, поверхня теплообміну й т.д.
Розглянемо деякі принципи укладання моделей реакторів неперервної дій. До основи моделі слід покласти:
а) рівняння моделі потоку,
б) рівняння моделі кінетики реакції.
При укладанні рівняння моделі потоку, наприклад потоку ідеального перемішування (див. розділ 17.1.1), розраховували прихід й витрату речовини-трасеру з потоком за малий проміжок часу. Різниця між приходом й витратою складала накопичення речовини у об’ємі потоку, що дозволяє перейти до приросту концентрації трасеру й скласти диференціальне рівняння потоку.
При наявності в системі хімічної реакції слід врахувати додатковий канал приходу або витрати речовини за рахунок хімічних перетворень. При цьому кількість речовини в об’ємі потоку змінюється за проміжок часу dt на величину:
, (20.1)
де - приріст кількості речовини в об’ємі V реактору за рахунок хімічної реакції,
- швидкість реакції в залежності від концентрації/
Якщо повторяти далі усі викладки, що наведені в лекції 17, те неважко отримати загальне рівняння для зміни концентрації речовини у потоці, в якому перебігає хімічна реакція:
, (20.2)
Де fпот(С) – права частина диференціального рівняння потоку,
wi(C) – рівняння швидкості для зміни концентрації і-го компоненту рекційної суміші.
При цьому, у відповідності до матеріалів лекції 14,
Рівняння (20.2) описує перехідний режим в хімічних реакторах неперервної дії. На практиці більшу частину часу ці реактори діють в стаціонарному режимі, коли концентрації речовин на виході становляться постійними. Для стаціонарного режиму роботи рівняння (20.2) приймає вид:
. (20.3)
Виходячи з рівняння, можна одержати алгебраїчні рівняння для усіх учасників хімічної реакції.
Приклад 20.1. Одержати рівняння для стаціонарного режиму ізотермічного реактору ідеального перемішування для системи послідовних реакцій першого порядку:
Розрахувати ступень перетворення (конверсії) й вихід продуктів на в процесі у стаціонарному режимі. Виявити, як на неї впливає початкова концентрація вхідного реагенту й час перебування. Константи швидкості: k1 = 1 год-1, k2 = 1,5 год-1.
Розв’язання:
а) рівняння швидкості витрати вхідної речовини А:
. (20.4)
Рівняння потоку ідеального перемішування :
(20.5)
Звідси рівняння для концентрації речовини А на виході з реактору ідеального перемішування у стаціонарному режимі має вид:
(20.6)
З рівняння (20.5):
. (20.7)
б) кінетичне рівняння речовини В:
. (20.8)
Початкова концентрація В на вході в реактор дорівнює нулю: =0. Рівняння для концентрації речовини В на виході з реактору ідеального перемішування у стаціонарному режимі має вид:
. (20.9)
З (20.9) одержуємо:
, (20.10)
в) кінетичне рівняння речовини C:
. (20.11)
Початкова концентрація C на вході в реактор дорівнює нулю: =0. Рівняння для концентрації речовини C на виході з реактору ідеального перемішування у стаціонарному режимі має вид:
. (20.12)
З (20.12) одержуємо:
; (20.13)
г) для розрахунків степені конверсії на виході по речовини А розрахуємо концентрацію речовини С, що увійшла в реакцію, й поділимо на початкову концентрацію А:
. (20.14)
д) згідно схеми реакції, з 1 моля А створюється 1 моль В й 1 моль С. Вихід по речовинам В й С, відповідно, буде дорівнювати відношенню концентрацій цих речовин, що утворилися в процесі реакції, на початкову концентрацію А:
; (20.15)
.. (20.16)
З рівнянь (20.14) – (20.16) випливає, що ступінь перетворення й вихід для послідовних реакцій першого порядку не залежить від початкової концентрації. Відмітимо, що це є властивістю тільки процесів першого порядку. У разі процесів 2 або інших порядків, що відмінні від 1, ступінь перетворення залежить від початкової концентрації;
е) на скріншоті (рис. 20.5) показані результати розрахунків А, В, С й графіки залежності степеню перетворення від часу перебування. Характерним є те, що:
Визначимо, який з реакторів: ідеального перемішування або ідеального витіснення, є більш ефективним у стаціонарному режимі. За критерій ефективності можна обрати концентрацію вхідної речовини на виході з реактору: чим вона менше, тім більш ефективним є реактор. Для спрощення приймемо що хімічний процес, який перебігає в хімічному реакторі, є реакцією першого порядку з константою швидкості, що складає k с-1.
Будемо вважати, що - концентрація на вході в реактор початкової речовини А й - час перебування реакційної маси в обох реакторах є однаковими.
Для реактору ідеального перемішування, у відповідності до прикладу 20.1, в реакції першого порядку, концентрація на виході складає:
; (20.23)
В реакторі ідеального витіснення для реакції першого порядку, у відповідності до (20.2.2), у стаціонарному режимі буде виконуватися рівняння:
. (20.24)
Після розв’язання (20.24):
. (20.25)
Розрахуємо відношення концентрацій вхідної речовини на виході з обох реакторів:
(20.26)
Розкладемо експоненту у (20.26) у ряд Тейлора й згрупуємо члени:
(20.26)
Оскільки β > 1, то концентрація початкової речовини А на виході з реактору ідеального перемішування буде більше , ніж для реактору ідеального витіснення. Тобто в реакторі ідеального витіснення хімічний процес перебігає більш повно, і реактор ідеального витіснення є більш ефективним, ніж реактор ідеального перемішування. Це висловлювання є вірним не тільки для реакцій першого порядку, але й для будь яких хімічних реакцій тощо.
Відмітимо, що крім ефективності, як такої, в технології існує ще ряд факторів, які визначають вибір апаратів для проведення процесів. Це й легкість в обслуговування, й компактність, й інші фактори. Більшість з них діє на користь реакторів типу ідеального перемішування, тому в комплексі в багатьох випадках у промисловості використовують реактори перемішування.
Для підвищення ефективності реакторів ідеального перемішування неперервної дії їх часто сполучають послідовно у каскад, так, щоб вихідний склад для попереднього апарату був початковим для поточного (рис. 20.7)
Як правило, в каскаді використовують реактори однакового об’єму, тому час перебування в каскаді з n реакторів в n разів більше, ніж у одиничному апараті.
Оскільки у кожному з реакторів каскаду буде реалізовуватись потік ідеального суміщення, то в цілому у каскаді реалізується комірчастий потік, який, є проміжним між потоком ідеального перемішування й ідеального витіснення. Тому модель ізотермічного каскаду реакторів - це система диференціальних рівнянь потоку ідеального перемішування для кожного з реакторів.
. (20.27)
В стаціонарному стані, основному для роботи каскаду, похідні дорівнюють нулю, й система диференціальних рівнянь переходить до системи алгебраїчних рівнянь виду:
(i = 1,2,…,n). (20.28)
Розв’язуючи систему виду (20.28), можна знайти відповідь на такі питання:
Жоров Ю.М. Моделирование физико-химических процессов нефтепереработки и нефтехимии. – М.: Химия, 1978. – 376 с.
Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов
Кафaров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологию – М.: Химия, 1985. – 448 с.
Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств: Учебн. пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1991. – 400 с.
Крамерс Х., Вестертреп К. Химические реакторы. Расчет и управления ими – М.: Химия, 1967. – 264 с.