Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение icon

Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение


Скачать 335.42 Kb.
НазваниеУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение
страница5/7
Размер335.42 Kb.
ТипУчебное пособие
1   2   3   4   5   6   7

^ 7.4.2 Уравнение материального баланса реактора

Основанием для получения уравнения реактора любого типа является материальный баланс, составленный по одному из компонентов реакционной смеси. Составим такой баланс по исходному реагенту A при проведении простой необратимой реакции A → R.

В общем виде уравнение материального баланса

(7.2)

где ВА(пр) – количество реагента А, поступающего в единицу времени в тот реакционный объем, для которого составляется баланс; ВА(расх) – количество реагента А, расходуемого в единицу времени в реакционном объеме.

Учитывая, что поступивший в реактор реагент А расходуется в трех направлениях, можно записать:

(7.3)

где В А(х.р ) – количество реагента А, вступающее в реакционном объеме в химическую реакцию в единицу времени; В А(ст ) – сток реагента А, т.е. количество реагента А, выходящее из реакционного объема в единицу времени; В А(нак) – накопление реагента А, т.е. количество реагента А, остающееся в реакционном объеме в неизмененном виде в единицу времени.

С учетом уравнения (7.3) уравнение (7.2) записывается в виде В А(пр ) = В А(х.р ) + В А(ст ) + В А(нак ) . (7.4)

Разность между В А(пр ) и В А(ст ) представляет собой количество реагента А, переносимое конвективным потоком В А(конв) :

В А(конв ) = В А(пр ) − В А(ст ). (7.5)

Принимая это во внимание, уравнение (7.4) можно записать

В А(нак ) = В А(конв ) − В А(х.р ) (7.6)

В каждом конкретном случае уравнение материального баланса принимает различную форму. Баланс может быть составлен для единицы объема реакционной массы, для бесконечно малого (элементарного) объема, а также реактора в целом. При этом можно рассчитывать материальные потоки, проходящие через объем за единицу времени, либо относить эти потоки к 1 моль исходного реагента или продукта.

В общем случае, когда концентрация реагента непостоянна в различных точках реактора или непостоянна во времени, материальный баланс составляют в дифференциальной форме для элементарного объема реактора:

(7.7)

где CA – концентрация реагента А в реакционной смеси; x, y, z – пространственные координаты; ωx , ωy , ωz – составляющие скорости потока; D – коэффициент молекулярной и конвективной диффузии; rA – скорость хи-

мической реакции.

Левая часть уравнения (7.7) характеризует общее изменение концентрации исходного вещества во времени в элементарном объеме, для которого составляется материальный баланс. Это – накопление вещества А, которому соответствует величина В А(нак ) в уравнении (7.6).

Первая группа членов правой части уравнения (7.7) отражает изменение концентрации реагента А вследствие переноса его реакционной массой в направлении, совпадающем с направлением потока.

Вторая группа членов правой части уравнения (7.7) отражает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме в результате переноса его путем диффузии.

Указанные две группы правой части уравнения характеризуют суммарный перенос вещества в движущейся среде путем конвекции и диффузии, в уравнении (7.6) им соответствует величина В А(конв ) (такой суммарный перенос вещества называют конвективным массообменом, или конвективной диффузией).

И, наконец, член rA показывает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме за счет химической реакции. Ему в уравнении (7.6) соответствует величина В А(х.р ) .

Применительно к типу реактора и режиму его работы дифференциальное уравнение материального баланса (7.7) может быть преобразовано, что облегчает его решение.

В том случае, когда параметры процесса постоянны во всем объеме реактора и во времени, нет необходимости составлять баланс в дифференциальной форме. Баланс составляют в конечных величинах, взяв разность значений параметров на входе в реактор и на выходе из него.

Все процессы, протекающие в химических реакторах, подразделяют на стационарные (установившиеся) и на нестационарные (неустановившиеся). К первым относят процессы, при которых в системе или в рассматриваемом элементарном объеме реакционной смеси параметры процесса (например, концентрация реагента А, температура и т.д.) не изменяются во времени, поэтому в реакторах отсутствует накопление вещества (или тепла) и производная от параметра по времени равна нулю.

При нестационарных режимах параметры непостоянны во времени и всегда происходит накопление вещества (тепла).

^ 7.4.3 Классификация химических реакторов

При классификации реакторов принимают во внимание следующие основные признаки

1) характер операции, протекающей в реакторе;

2) режим движения реакционной среды;

3) тепловой режим;

4) фазовое состояние реагентов.

По первому признаку реакторы делят на периодические, непрерывные и полунепрерывные. Реакторы непрерывные, т.е. с непрерывной подачей реагентов и отводом продуктов, в свою очередь, подразделяются по характеру движения реакционной среды (т.е. по гидродинамической обстановке в реакторе) на реакторы идеального вытеснения и реакторы идеального смешения.

Обычно изучение реакторов слагается из двух этапов: вначале – в изотермических условиях, когда температура реакционной смеси постоянна, а затем – с учетом изменения температуры реакционной смеси.

Реакторы периодического действия. Для реакторов периодического действия характерно падение движущей силы процесса во времени вследствие уменьшения концентрации реагентов в ходе процесса. Это приводит к тому, что режим реакторов периодического действия нестационарен во времени и требует изменения параметров процесса (температура, давление и др.) для компенсации этого падения и поддержания скорости процесса на заданном уровне. Для реакторов непрерывного действия характерно постоянство движущей силы процесса во времени вследствие постоянства концентрации реагентов в ходе процесса. Поэтому режим работы реакторов непрерывного действия стационарен во времени и не требует корректировки параметров процесса.

Производительностъ реакторов рассчитывается но уравнению:

(7.8)

где m — масса продукта, полученная за время цикла работы реактора,

τр, τз, τв — время химического процесса, загрузки компо­нентов в реактор и выгрузки продуктов из ре­актора, соответственно.

^ Реактор идеального смешения периодический, называемый сокращенно РИС-П, представляет собой аппарат с мешалкой, в который периодически загружают исходные реагенты (рис. 15). В таком реакторе создается весьма интенсивное перемешивание, поэтому в любой момент времени концентрация реагентов одинакова во всем объеме реактора и изменяется лишь во времени, по мере протекания химической реакции. Такое перемешивание можно считать идеальным.



Рис. 15. Реактор идеального смешения периодический. NA,0, NA – количество исходного реагента A в реакционной смеси в начале и конце процесса; CA,0, СA – начальная и конечная концентрации реагента A в реакционной смеси; XA,0, XA – начальная и конечная степень превращения реагента A; τ – время; y – пространственная координата (координата места).



Изменение концентрации исходного реагента А во времени и в объеме реактора показано на рис. 16.




Рис. 16. Распределение концентрации реагента в периодическом реакторе идеального смешения: а – по времени; б – по месту (по объему)

Периодические химические процессы по своей природе всегда являются нестационарными (неустановившимися), так как в ходе химической реакции параметры процесса изменяются во времени (например, концентрация веществ, участвующих в реакции, т.е. происходит накопление продуктов реакции).

Для расчета периодического реактора надо знать его уравнение, позволяющее определить рабочее время τ, необходимое для достижения заданной степени превращения хA при известной начальной концентрации вещества СА,0 и известной кинетике процесса, т.е. при известной скорости химической реакции rА.

Основой для получения уравнения реактора является дифференциальное уравнение (7.7), которое может быть преобразовано, исходя из того, что в РИС-П вследствие интенсивного перемешивания все параметры одинаковы во всем объеме реактора в любой момент времени (рис. 16). В этом случае производная любого порядка от концентрации по осям х, у, z равна нулю, следовательно

(7.9, 7.10)

С учётом полученных значений (7.12)

Если рассмотренная выше реакция протекает без изменения объема реакционной смеси, то уравнение (7.12) можно записать в виде

или (7.13)

Знак минус перед величиной rA указывает на то, что в процессе происходит убыль количества исходного реагента.

Интегрируя уравнение (7.13) в пределах изменения времени от 0 до τ и степени превращения от 0 до хА, получим уравнение РИС-П

(7.14)

Уравнение (7.14) является математическим описанием модели РИС-П. Исходя из этого уравнения представляется возможность определить размеры реактора, а также исследовать эту модель с точки зрения нахождения оптимальных значений всех входящих в него параметров.

Реакторы периодического действия просты по конструкции, требуют небольшого числа вспомогательного оборудования, поэтому они особенно удобны для проведения опытных работ по изучению химической кинетики. В промышленности они обычно используются в малотоннажных производствах и для переработки относительно дорогостоящих химических продуктов. Большинство же промышленных процессов оформляется с использованием реакторов непрерывного действия.

Реакторы непрерывного действия. В реакторах непрерывного действия (или проточных реакторах) питание реагентами и отвод продуктов реакции осуществляется непрерывно.

Поскольку в непрерывном процессе τз = τв = 0, то производительность реакторов непрерывного действия выше, чем у реакторов периодического действия при прочих равных условиях.

Если в периодическом реакторе можно непосредственно, по часам, измерить продолжительность реакции, то в реакторе непрерывного действия этого сделать нельзя, так как при установившемся режиме в этих реакторах параметры не меняются со временем. В связи с этим для непрерывных реакторов применяют понятие условного времени пребывания реагентов в системе (времени контакта)

τ = Vr V0 , (7.15)

где Vr – объем реактора; V0 – объем реакционной смеси, поступающей в реактор в единицу времени (объемный расход реагентов).

Химические реакторы непрерывного действия по режиму движения компонентов делятся на реакторы идеального вытес­нения (РИВ-Н), реакторы идеального смешения (РИС-Н) и ре­акторы промежуточного типа (РПТ-Н).

^ Реакторами идеального вытеснения называются реакторы непрерывного действия, в которых осуществляются ламинар­ный гидродинамический режим. В них поток реагентов движет­ся в одном направлении по длине реактора без перемешивания, обратного или поперечного перемещения. Как правило, реактор идеального вытеснения представляет собой трубчатый аппарат, в котором отношение длины трубы L к ее диаметру d достаточно велико. В реактор непрерывно подаются исходные реагенты, которые превращаются в продукты реакции по мере перемещения их по длине реактора (рис. 17).В РИВ-Н параметры, движущая сила процесса и скорость процесса изменяются по длине реактора (во времени), причем отклонение средней дви­жущей силы от постоянного значения является максимальным.

Предполагается, что распределение вещества по этому сечению равномерное, т.е. значения параметров реакционной смеси одинаковые.

Каждый элемент объема реакционной массы dVr движется по длине реактора, не смешиваясь с предыдущими и последующими элементами объема, и ведет себя как поршень в цилиндре, вытесняя все, что находится

перед ним. Поэтому такой режим движения реагентов называется иногда поршневым или режимом полного вытеснения.

Состав каждого элемента объема последовательно изменяется по длине реактора вследствие протекания химической реакции. Концентрация исходного реагента А постепенно меняется по длине реактора от начального значения CА,0 до конечного СА (рис. 17). Следствием такого режима движения реакционной смеси является то, что время пребывания каждой частицы в реакторе одно и то же.




Рис. 17. Реактор идеального вытеснения и зависимости концентрации реагента СА и степени превращения хA от длины реактора



При составлении математического описания РИВ исходят из дифференциального уравнения материального баланса, преобразуя его с учетом указанных выше особенностей этого реактора.

Поскольку в РИВ реакционная смесь движется только в одном направлении (по длине l), то




где w – линейная скорость движения реакционной смеси в реакторе; l – длина (длина пути, пройденного элементом объема реакционной смеси в реакторе).

Так как в идеальном реакторе каждый элемент объема реакционной смеси не смешивается ни с предыдущими, ни с последующими объемами, а также отсутствует радиальное перемешивание (нет ни продольной, ни радиальной диффузии, а молекулярная диффузия мала), то



С учетом вышесказанного, уравнение (7.7) для реактора идеального вытеснения принимает вид

(7.16)

Это уравнение материального баланса является математическим описанием потока реагента в реакторе идеального вытеснения при нестационарном режиме (когда параметры процесса не только меняются по длине реактора, но и непостоянны во времени). Подобный режим характерен для периодов пуска и остановки реактора. Член характеризует изменение концентрации ^ А во времени для данной точки реактора, т.е. накопление вещества А в этой точке.

Стационарный режим характеризуется тем, что параметры в каждой точке реакционного объема не меняются во времени (). В этом случае уравнение (7.16) принимает вид

(7.17)

Если объем реакционной смеси не меняется в процессе, то

Но в любой момент времени х имеем dl/ dτ = w или dl = wdτ .

Подставив полученное значение для dCA и dl в уравнение (2.15), находим

(7.18)

После интегрирования уравнения (7.18) в пределах изменения степени превращения от 0 до хА получаем

(7.19)

В уравнениях для РИС-П величина τ – время проведения реакции от загрузки исходного реагента до выгрузки продуктов реакции, а в уравнениях для РИВ τ – время, в течение которого реакционная смесь проходит через РИВ от входа в реактор до выхода из него.

^ Реакторами идеального (полного) смешения называются ре­акторы непрерывного действия, в которых осуществляется тур­булентный гидродинамический режим. В них потоки реагентов смешиваются друг с другом и с продуктами химического пре­вращения.

Как правило, реактор идеального смешения непрерывный (РИС-Н) представляет собой аппарат с мешалкой, в который непрерывно подаются реагенты, и также непрерывно выводятся из него продукты реакции (рис. 18). В РИС-Н наблюдается резкое изменение концентрации исходного реагента при входе в реактор в результате мгновенного смешения поступающей смеси с реакционной массой, уже находящейся в реакторе, где концентрация исходного реагента значительно ниже, чем концентрация исходного реагента в поступающей смеси (рис. 19).

В РИС-Н параметры, движущая сила процесса и ско­рость процесса постоянны по объему реактора (то есть во време­ни), причем отклонение средней движущей силы от постоянно­го значения равно нулю.





Рис. 18. Реактор идеального смешения непрерывный






Рис. 19. Изменение параметров процесса в РИС-Н: а – концентрация реагента СА; б – степень превращения ХА; в – скорость реакции rА


Точка, соответствующая входу реагентов в реактор, нанесена на ось абсцисс правее начала координат, что дает более наглядное представление об изменении концентрации исходного вещества при входе реакционной смеси в реактор. Благодаря тому, что в РИС-Н реакционная смесь мгновенно перемешивается, во всем объеме реактора одинакова концентрация исходного реагента, и она тем ниже, чем больше время пребывания реагентов в реакторе. По этой же причине по всему объему реактора одинакова и степень превращения и скорость реакции. Таким образом, для РИС-Н характерным является отсутствие градиента параметров как во времени, так и в объеме реактора, поэтому уравнение материального баланса составляют сразу для реактора в целом. При этом градиенты параметров в дифференциальной форме заменяются разностью значений параметров на входе в реактор и на выходе из него:

ВА (х.р) =ВА (конв) . (7.20)

Реакторы промежуточного типа занимают по характеру из­менения параметров и движущей силы процесса промежуточ­ное место между этими крайними случаями.

Эффективность работы химического реактора во многом зависит от его теплового режима, влияющего на кинетику, состояние равновесия и селективность процесса, протекающего в реакторе. По тепловому режиму химические реакторы подразде­ляются на:

реакторы с адиабатическим режимом, в которых отсут­ствует теплообмен с окружающей средой и тепловой эффект химической реакции полностью затрачивается на изменение температуры в реакторе;

реакторы с изотермическим режимом, для которых харак­терно постоянство температуры в реакторе, что обеспечивается подводом или отводом тепла из реактора;

реакторы с политропическим режимом, характеризую­щиеся подводом или отводом тепла из реактора при изменяю­щейся температуре в нем. За счет этого в реакторе устанавлива­ется заданный тепловой режим и достигается автотермичность процесса. Реакторы этого типа наиболее распространены в хи­мическом производстве.

1   2   3   4   5   6   7

Похожие:

Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Физико-химические закономерности в химической технологии: Учебное пособие для студентов химического...
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2013. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Важнейшие производства: Учебное пособие для студентов химического факультета. – Уфа: риц башГУ, 2013....
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов химического факультета уфа риц башгу 2008 2 Учебное пособие предназначено для студентов химического 3-го курса химического факультета Башгосуниверситета. Оно включает 3 раздела, посвящённых
Связь химической технологии с теоретической химией, физикой, техникой, экономикой
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2013 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов 3 курса химического факультета уфа риц башгу 2009 удк 66. 021 Ббк 35
Учебное пособие предназначено для студентов 3 курса химического факультета БашГУ
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconДля студентов 3 химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №6 от 30. 01. 2007 г.)
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconМетодическое указание по курсу «Общая химическая технология» для студентов 3 и 4 курсов химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Печатается в соответствии с решением кафедры вмс и охт (протокол №11 от 13. 04. 2005 г.)
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов высших и средних специальных учебных заведений. М., 2001. Введение
Канке В. А. Философия: учебное пособие для студентов высших и средних специальных
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconЛекция для студентов лечебного факультета Обсуждено на умк кафедры бжимк 2013 г
Безопасность жизнедеятельности. Учебное пособие для студентов / Под ред чл корр. Рамн, проф. И. М. Чижа. – М: Первый мгму им. И....
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие для студентов очной и заочной формы обучения факультета психологии Подходы к исследованию внимания в отечественной и зарубежной психологии
Учебное пособие разработано кандидатом психологических наук, доцентом кафедры психологии личности Л. И. Габдулиной
Учебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение iconУчебное пособие по курсу «Общая химическая технология» для студентов специальностей 240701, 240702, 240706, 240901
Данное учебное пособие предназначено для того, чтобы обеспечить методическое руководство самостоятельной работой студентов, изучающих...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы