Характеристическое уравнение реактора периодического действия с переменным объемом реакционной среды (2 видео)

Содержание

Характеристическое уравнение реактора периодического действия с переменным объемом реакционной среды
Экспериментальные установки для кинетических исследований и характеристические уравнения идеальных реакторов
Идеальный периодический реактор и его характеристическое уравнение
ОХТ(шпоры). УКлассификация технологических процессов механические и химические технологии промышленность неорганических веществ промышадность органических веществ (включая производство и переработку пищевых продуктов)
2 Реакторы идеального смешения непрерывного действия
Экспериментальные установки, использующиеся для проведения кинетических исследований. Идеальные реактора
🔍 Видео

Видео:Реактор ROMM-EH с электрообогревомСкачать

Характеристическое уравнение реактора периодического действия с переменным объемом реакционной среды

В реактор периодического действия единовременно загружают определенное количество реагентов, которое находится в нем до тех пор, пока не будет достигнута желаемая степень превращения. После этого реактор разгружают. В таком реакторе распределение концентрации при любой степени смешения во времени аналогично реактору идеального вытеснения.

Количество исходного вещества, вступающего в реакцию в единицу времени определяется по формуле:

и время пребывания частиц в этом реакторе:

— представляет собой характеристическое уравнение для реактора периодического действия.Уравнения, описывающие изменение степени превращения или концентрации исходного вещества во времени аналогичны соответствующим уравнениям в реакторе идеального вытеснения.

Видео:РеакторСкачать

Экспериментальные установки для кинетических исследований и характеристические уравнения идеальных реакторов

и характеристические уравнения идеальных реакторов

Для кинетического исследования разрабатываются экспериментальные установки и методики исследований, обеспечивающие достаточную точность и воспроизводимость экспериментальных концентраций веществ Сі или их выходов Xi, оценивают, проводя параллельные опыты по так называемой дисперсии воспроизводимости:

где Сі,ср и хі,ср — среднеарифметическое найденных текущих значений Сі и хі; m — число параллельных опытов.

Для нахождения кинетического уравнения варьируют все параметры, которые могут влиять на скорость: начальную концентрацию или парциальное давление всех реагентов; концентрацию катализатора; температуру; или условное время контакта.

Обычно наиболее сложной задачей является нахождение концентрационной формы уравнения скорости (3-13).

Для упрощения кинетических исследований в первую очередь проводят серию опытов при одной предварительно подобранной температуре, но с варьировавшем всех остальных параметров. Далее проводят меньшее число опытов при двух — четырех других температурах. Определяя зависимость параметров реакции функции от температуры по уравнению типа Аррениуса.

Применяется однофакторный эксперимент, когда в сериях опытов изменяют попеременно только один параметр при постоянстве остальных. Для сокращения числа опытов можно использовать многофакторный эксперимент, когда сразу варьируют 2 или более параметра. Кинетические исследования проводят в реакционных аппаратах с идеальным режимом:

— реакторы идеального или полного смешения (периодические и непрерывные);
— реакторы идеального вытеснения (непрерывные).

В дальнейшем эти реакторы будем называть:

— Реактор полного смешения, периодический РПС;
— Реактор идеального вытеснения РИВ;
— Реактор идеального смешения, непрерывный РИС.

Видео:Химические реакторыСкачать

Идеальный периодический реактор и его характеристическое уравнение

Условием идеальности периодического реактора (рисунок 3.1) является отсутствие градиента концентрации и температур по объему. Это возможно лишь при достаточном перемешивании. Для обеспечения идеальности реакторов, а предполагается мгновенная загрузка компонентов смеси, или во всяком случае последнего из них, при добавлении которого сразу начинается реакция. С этого момента начинается отсчет времени.

Рисунок 3.1 — Схема идеального периодического реактора

В данном реакторе концентрация веществ изменяется только во времени (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 — Концентрационные кривые идеального периодического реактора: А — исходное вещество; В и D — получаемые продукты

Из уравнения (2-7) можно записать уравнение материального баланса по любому веществу за бесконечно малый промежуток времени:

После интегрирования уравнения материального баланса (6-1) получим следующее общее характеристическое уравнение периодического реактора:

Если реакционный объем остается постоянным, то V можно подвести под знак дифференциала, что дает концентрационную форму уравнения при постоянном объеме:

В случае гетерогенно-каталитических реакций из дифференциального уравнения баланса (2-3) получим уравнение:

Это характеристическое уравнение для гетерогенно-каталитических реакций.

При постоянстве реакционного объема имеем следующую концентрационную форму характеристического уравнения РПС для гетерогенно

где тк/V — масса катализатора в единице объема реакционной смеси за вычетом объема занимаемого катализатора. Её часто называют концентрацией катализатора.

Вывод уравнения показывает, что в периодических условиях экспериментально определяемым результатом процесса являются текущие концентрации веществ Сі. Варьировать приходится кроме начальных концентраций всех веществ и температуры временем реакции, а для гетерогенно-каталитических реакции и величиной тк/V.

Периодические условия используют преимущественно для кинетического исследования жидкофазных реакций. Реактором служит колба или автоклав с мешалкой, помещенные в термостат, с помощью которого поддерживается заданная температура (обычно с точностью ±0,l-j-0,2°C). Реактор снабжен устройством для загрузки компонентов смеси, термометром и если нужно обратным холодильником и пробоотборником.

Периодические условия изучения кинетики наименее трудоемки. За один опыт получают ряд экспериментальных точек при разном времени реакции. Результаты сводят в таблицу экспериментов или изображают графически в виде кинетических кривых в координатах Ci -1.

Видео:Реактивная мощность за 5 минут простыми словами. Четкий #энерголикбезСкачать

ОХТ(шпоры). УКлассификация технологических процессов механические и химические технологии промышленность неорганических веществ промышадность органических веществ (включая производство и переработку пищевых продуктов)

Название	УКлассификация технологических процессов механические и химические технологии промышленность неорганических веществ промышадность органических веществ (включая производство и переработку пищевых продуктов)
Анкор	ОХТ(шпоры).docx
Дата	24.04.2017
Размер	3.28 Mb.
Формат файла
Имя файла	ОХТ(шпоры).docx
Тип	Документы #2923
страница	7 из 13

Подборка по базе: Исследование процессов памяти Курсовая работа.doc, Выполнение технологических планировок.pdf, ДИНАМИКА ВНУТРИКОМАНДНЫХ ПРОЦЕССОВ.docx, Лекция 2_Основные термины и понятия_Оптимизация буровых процессо, Для технологических карт.docx, Практическая работа по дисциплине «Автоматизация учетных процесс, Примеры автоматизации технологических процессов.pptx, теория информационных процессов.docx, Чем занимается машинист технологических насосов.docx, Отчёт №2 по лабораторной работе на тему Механические колебания.d

2 Реакторы идеального смешения непрерывного действия

Непрерывный реактор идеального смешения (РИС-Н) – это реактор с мешалкой, в который непрерывно подают реагенты и выводят из него продукты реакции (рис. 2.7). Благодаря интенсивному перемешиванию потоков мгновенно устанавливается одинаковая по всему объему реактора концентрация реагента C_A, равная его концентрации на выходе из реактора (рис. 2.7).

Резкое изменение концентрации при выходе реагентов в реактор происходит за счет мгновенного смешения поступающих реагентов с реакционной массой, уже имеющейся в реакторе, где концентрация компонента А значительно ниже, чем в подаваемой реакционной смеси.

Характеристическое уравнение реактора периодического действия с переменным объемом реакционной среды

Рис. 2.7 – Реактор идеального смешения непрерывного действия (РИС-Н)

Величина перепада между начальной C_Ao и конечной концентрацией C_A исходного реагента зависит при прочих условиях от величины скорости химической реакции. Чем она выше, тем меньше концентрация реагента А в реакторе и больше перепад C_Ao – C_A. С другой стороны, при одной и той же скорости реакции величина перепада зависит от времени пребывания реагентов в реакторе, . Чем больше , тем полнее проходит реакция, и тем ниже концентрация реагента, C_A, в реакционной смеси (рис. 2.8). Точка, соответствующая входу реагентов в реактор, нанесена на оси абсцисс правее начала координат, что дает более наглядное представление об изменении концентрации при входе реакционной смеси в реактор.

y – координата места;

y₀ – координата места, характеризующая вход реагентов в реактор.

Рис. 2.8 – Концентрация реагента А в РИС-Н при различном времени пребывания реагентов в реакторе (τ ₁ τ ₂ τ ₃ )

Так как концентрация реагентов в проточном реакторе идеального смешения одинакова во всех точках реакционного объема, то постоянны по объему и другие параметры – степень превращения и скорость реакции (рис 2.9).

Поэтому материальный баланс по какому-либо компоненту, необходимый для получения характеристического уравнения, составляют в конечных величинах (по разности концентраций реагента на входе в реактор и выходе из него), то есть используют уравнение (1.7):

Из уравнения (2.46) видно, что условием стационарности процесса является равенство скорости конвективного переноса вещества А и скорости его химического превращения.

а – степени превращения х_А;

б – скорости процесса r_А

Рис. 2.9 – Изменение параметров в РИС-Н

При стационарном режиме В_Анак.= 0, и

(2.46)

Найдем значения величин, входящих в уравнение (2.46). Так по уравнению (1.6)

,
;	(2.47)
,	(2.49)
где V_r – объём реактора.

Подставляя (2.47-2.49) в (2.46), получаем:

;

(2.50)

или, учитывая, что В_A_o = C_A_o_V, где V – объемный расход реагентов, имеем:

(2.51)

Отношение V_r/V – это условное время пребывания,  (см. уравнение (2.17)).

Тогда

(2.52)

Это характеристическое уравнение реактора идеального смешения. Для более общего случая, когда начальная степень превращения x_Ao не равна нулю, оно записывается

(2.53)

Для простой необратимой реакции n-го порядка с учетом уравнения (2.7) уравнение (2.52) принимает вид:

(2.54)

Реактор идеального смешения непрерывного действия (РИС-Н).

Для реакции нулевого порядка: C_A0x_A=C_A0—C_A

(2.55)

Для реакции первого порядка

(2.56)

Каскад реакторов. Селективность процесса.

Единичный реактор идеального смешения не дает высокой степени превращения, так как концентрация исходных реагентов в нем мгновенно падает до конечного значения. Поэтому применяют ряд последовательно расположенных непрерывных реакторов смешения – каскад реакторов – К-РИС (рис. 2.15). Концентрация C_А в такой системе падает до конечного значения не сразу, а постепенно, от реактора к реактору (рис. 2.16). В каждом реакторе концентрация компонента в объеме постоянна и равна концентрации на выходе из реактора. Изменение концентрации в реакторах происходит мгновенно скачком при входе реакционной смеси в реактор.

Рабочая концентрация C_A в каскаде реакторов в общем выше, чем в единичном реакторе смешения и приближается с увеличением числа реакторов к значению ее в реакторе вытеснения.

Чем больше степеней изменения концентрации в каскаде m (чем больше реакторов), тем больше каскад реакторов приближается к реактору идеального вытеснения (рис.2.16). Выдача расчета каскада реакторов заключается в определении числа ступеней (числа реакторов) – m, необходимых для достижения заданной степени превращения x_A.

Рис. 2.15 – Каскад реакторов идеального смешения

Существуют аналитический и графический методы расчета каскада реакторов. Аналитический метод выгодно применять при протекании реакции первого порядка, а для реакций более высоких порядков удобнее второй – графический метод.

Рис. 2.16 – Изменение концентрации реагента А в каскаде реакторов идеального смешения

Для расчета каскада реакторов необходимо:

2) знать концентрацию исходного реагента А на входе в первый реактор, C_A_o, и на выходе из последнего реактора, C_Am_, то есть общую степень превращения x_A,

3) задаться объемом единичного реактора (то есть временем пребывания в единичном реакторе смешения, _см), при этом предполагают, что объемы единичных реакторов в каскаде равны.

Для единичного m-го реактора идеального смешения, исходя из уравнения (2.52), имеем:

	(2.70)
где C_Am-₁, C_Am – концентрации компонента A на входе в m-й реактор и на выходе из него.

Из уравнения (2.70) можно найти скорость процесса в реакторе. Для этого представим его в таком виде:

(2.71)

Концентрация реагента на входе в реактор, C_Am-₁, и время пребывания, _см, – величины известные и постоянные, так как даются по условию. Таким образом, из уравнения (2.71) следует, что скорость реакции (- r_A) линейно зависит только от концентрации на выходе, C_Am. Если эту зависимость выразить графически, то прямая, описываемая уравнением (2.71), пересекает ось абсцисс в точке С_Am-₁ и имеет тангенс угла наклона , равный (рис.2.17). Для нахождения концентрации в m-ом реакторе необходимо уравнение (2.71) решить совместно с кинетическим уравнением (2.11), то есть:

	(2.72)

Рис. 2.17 – Графический способ расчета каскада реакторов

Поэтому, для нахождения концентрации реагента на выходе из первого реактора, C_A₁, необходимо из точки C_A_o, лежащей на оси абсцисс, провести прямую с тангенсом наклона до пересечения с кривой —r_A=f(C_A) в точке М.

Если опустить перпендикуляр из точки пересечения прямой и кривой (точка М, см. рис. 2.17), то на оси абсцисс можно получить значение концентрации C_A₁ в первом реакторе. Эта же концентрация является входной для второго реактора. Для нахождения концентрации во втором реакторе C_A₂ операция повторяется из точки C_A₁. Такие операции продолжают повторять до тех пор, пока в последнем реакторе не будет достигнута заданная конечная концентрация C_Aк. Так как время пребывания во всех реакторах одинаково, то постоянен угол наклона прямых и, следовательно, они параллельны.

Число ступеней изменения концентрации и будет числом реакторов в каскаде, необходимым для достижения заданной степени превращения x_Aк_.

Как было показано ранее, с увеличением числа реакторов в каскаде характер изменения параметров в нем приближается к реактору идеального вытеснения. Поэтому при увеличении числа реакторов в системе будут сильнее проявляться все свойства, присущие реактору идеального вытеснения, и наоборот.

В качестве примера на рисунке 2.18 приведена зависимость степени превращения от величины k (где k – константа скорости реакции) для реакции первого порядка в каскаде с различным числом реакторов m; произведение k характеризует общий объем системы.

1 – одиночный РИС-Н (m=1);

2 – каскад РИС-Н (m=2);

3 – каскад РИС-Н (m=3);

4 – каскад РИС-Н (m→∞) и РИВ.

Рис. 2.18 – Зависимость х_А от k для каскада реакторов с различным m

Из рисунка 2.18 видно, что при одинаковом объеме каскада (k) степень превращения x_A повышается с увеличением числа реакторов в каскаде, приближаясь к степени превращения, получаемой в реакторе идеального вытеснения ( при m  ). Если же сравнить каскады, где получена одна и та же степень превращения x_A, то общий объем системы будет меньше там, где взято большее число реакторов [(k)₂ размер реактора ( то есть его интенсивность), избирательность процесса , то есть селективность и выход продукта . Для простых реакций имеет значение только первый фактор, то есть размер реактора, необходимый для достижения заданной степени превращения x_A, поэтому рассмотрим вначале этот более простой случай.

В реакторе вытеснения наблюдается постепенное изменение концентрации по длине реактора, а в реакторе смешения – резкое падение концентрации до конечного значения C_A (рис. 2.10). Такой же характер (рис. 2.11) имеет для этих реакторов изменение скоростей реакции (при постоянной температуре).

а – РИВ;

б – РИС-Н

Рис. 2.10 – Концентрация реагента А в непрерывных реакторах

Из рисунка 2.11. видно, что средняя скорость реакции в реакторе идеального смешения всегда ниже, чем в реакторе вытеснения.

а – РИВ;

б – РИС-Н

Рис. 2.11 – Скорость превращения реагента А в реакторе

Для необратимых реакций, порядок которых n=0, это не оказывает влияния на интенсивность процесса (для таких реакций скорость не зависит от концентрации реагента) и на выбор типа реактора, что и следует из уравнений (2.14) и (2.55).

Таким образом

,	(2.57)
где _выт, _см – время, необходимое для достижения степени превращения x_A в реакторах РИВ и РИС-Н.

Для реакций, порядок которых n>0, тип реактора имеет важное значение, так как для достижения одинаковой степени превращения в реакторе смешения нужно большее время, чем в реакторе вытеснения (_см >_выт) и, следовательно, его интенсивность ниже. Для необратимых реакций первого порядка это можно показать, исходя из уравнений (2.17) и (2.56):

из которых следует, что _см>_выт, поскольку при изменении x_A от 0 до1:

(2.58)

Неравенство (2.58) тем значительнее, чем больше x_A (рис. 2.12).

Рис. 2.12 – Зависимость степени превращения х_А от времени пребывания в реакторе (для реакции первого порядка)

Сопоставление характеристик реакторов для реакции любого и особенно высокого порядка часто отражают графически. Для реактора вытеснения время _выт, необходимое для достижения заданной степени превращения x_A, выражается уравнением (2.36)

,
где S_выт – площадь, ограниченная кривой и ординатами, соответствующими x_A_o и x_A (рис.2.13).

Для реактора смешения _см выражается уравнением:

,	(2.59)
где S_см – площадь прямоугольника (рис. 2.13) со сторонами, равными и .

Рис. 2.13 – Графическое сопоставление характеристик РИС-Н и РИВ

Из уравнений (2.36) и (2.59) следует, что отношение площадей S_см и S_выт равно отношению условных времен пребывания реагентов в реакторах смешения и вытеснения (то есть объемов реакторов):

(2.60)

Для сложных реакций судить об эффективности реактора по его размерам (по степени превращения) недостаточно. Для сложных реакций реактор должен еще обеспечивать и необходимую селективность процесса. Для реакций, селективность которых зависит от концентрации реагента (когда порядки основной и побочной реакций различны), на селективность можно повлиять, выбирая определенный тип реактора. Например, для параллельных необратимых реакций:

(основная реакция порядка n₁),	(2.61)
(побочная реакция порядка n₂)	(2.62)

Селективность зависит от отношения скоростей образования целевого продукта r_R и побочного r_S , то есть .

Значения r_Rи r_S определяются по уравнениям:

,	(2.63)
.	(2.64)

Следовательно:

(2.65)

Из уравнения (2.65) видно, что для каждого конкретного случая, когда известен порядок основной и побочной реакции, селективность зависит только от концентрации C_A, так как отношение констант скорости реакций k₁/k₂ при постоянной температуре величина постоянная.

Если порядок основной реакции выше порядка побочной реакции (n₁ – n₂>0), то для получения высокой селективности (большого отношения ) необходимо поддерживать концентрацию реагента А на максимальном уровне. Следовательно, для этого следует применять реактор вытеснения, так как средняя текущая концентрация C_A в нем выше, чем в реакторе смешения.

Когда же порядок основной реакции ниже порядка побочной реакции (n₁—n₂

(2.66)

Следовательно, в этом случае тип реактора не влияет на селективность, и ее можно изменять, меняя соотношение констант скоростей, а для этого нужно применять катализатор селективного действия, либо изменять температуру, так как по Аррениусу:

Поскольку два основных требования – наименьший размер реактора и селективность – являются часто взаимоисключающими факторами, расчет должен быть направлен на удовлетворение одного из требований. На вопрос, какое из требований целесообразнее удовлетворить, можно ответить после проведения технико-экономического анализа.

В том случае, когда n₁ – n₂

,(2.67)где Ф_R – выход продукта;

N_R – количество продукта R в реакционной смеси в рассматриваемый момент времени;

N_Rmax – максимально возможное количество R, полученной по данной реакции.

Выбор реактора производится комплексно с учетом связи между x_A_, G_R _и Ф_R.

Для реактора идеального смешения связь между приведенными параметрами для необратимой реакции:

описывается соотношением:

(2.68)

Для РИВ степень превращения x_A и селективность G_R меняются по длине реактора, поэтому для реактора вытеснения:

(2.69)

Графическое представление зависимости селективности G_R от степени превращения x_A позволяет непосредственно выбрать оптимальную модель реактора для достижения максимального выхода Ф_R. Согласно соотношениям (2.68) и (2.69) выход Ф_R, достигаемый в реакторе идеального вытеснения, представляется на графике площадью под кривой между значениями x_Ao _и x_A (рис. 2.14), выход же в реакторе смешения – площадью прямоугольника со сторонами, равными x_A – x_Aoи G_R.

а – селективность уменьшается с повышением степени превращения;

б – селективность увеличивается с повышением степени превращения.

Ф_см, Ф_выт – выход продукта в РИС-Н и РИВ

Рис. 2.14 – Зависимость селективности от степени превращения

Если селективность уменьшается с ростом степени превращения (когда n₁ – n₂ >0), то есть при снижении C_A (рис. 2.14a), для получения большого выхода Ф_R необходим реактор вытеснения, так как площадь под кривой для этого реактора будет больше S_выт>S_см. Если селективность увеличивается с ростом x_A (когда n₁ – n₂ S_выт (рис. 2.14б).

Условное и истинное время пребывания в ректоре. Отклонение реальных реакторов от идеализированных.

Классификация реакторов по тепловому режиму.

В зависимости от теплового режима реакторы разделяются на три группы: адиабатические , изотермические и политропические .

В адиабатическом реакторе отсутствует теплообмен с окружающей средой, и тепло химической реакции полностью расходуется на изменение температуры реакционной смеси.

В изотермическом реакторе путем подвода или отвода тепла поддерживают постоянную температуру в течение всего процесса.

В политропическом реакторе температура не постоянна, при этом часть тепла отводится или подводится.

Адиабатический и изотермический реакторы представляют предельные случаи, которых на практике не бывает, но режим многих реакторов приближается к этим крайним моделям, поэтому с достаточной для практических целей точностью реакторы могут рассчитываться по уравнениям, полученным для адиабатических и изотермических режимов.

Исходным уравнением для расчета реакторов с учетом переноса тепла уравнение теплового баланса, которое обычно составляют по одному из компонентов реакционной смеси.

Уравнение теплового баланса реактора.

Тепловой баланс в общем виде можно представить уравнением:

(3.1)

где Q_прих – количество тепла, поступающего в реактор в единицу времени;

Q_расх – количество тепла, расходуемое в единицу времени.

Рассмотрим случай, когда простая необратимая реакция (1.2) протекает с выделением тепла, т.е.:

А  R + Q_хр

(3.2)

Тогда приход тепла можно записать в виде:

(3.3)

где Q_хр – количество тепла, выделяющееся в результате химического превращения вещества А, в единицу времени;

Q_реаг– количество тепла, вносимое исходными реагентами, поступающими в реактор, в единицу времени.

Расход тепла может быть представлен уравнением:

(3.4)

где: Q_прод – количество тепла, уносимое из реактора продуктами реакции, в единицу времени;

Q_нак – количество тепла, накапливающееся в реакторе в единицу времени;

Q_Т – количество тепла, расходуемое в единицу времени в результате теплообмена с окружающей средой.

Подставив значения Q_прих и Q_расх (3.3 и 3.4) в уравнение, получаем:

(3.5)

После перестановки членов уравнения (3.5) может быть записано в таком виде:

(3.6)

Разность между теплом, уносимым из реактора нагретыми продуктами реакции и теплом, вносимым в реактор исходными реагентами, представляет конвективный поток тепла:

(3.7)

С учетом выражения (3.7) уравнение (3.6) примет вид:

(3.8)

Уравнение теплового баланса (3.8) может принимать различную форму в зависимости от типа реактора и теплового режима процесса.

В общем случае имеет место изменение параметров процесса (температура, концентрация и др.) по объему реактора или по времени, в связи с чем тепловой баланс (так же, как и материальный) составляют в дифференциальной форме.

Для этой цели используют дифференциальное уравнение конвективного теплообмена (А.Г. Касаткин, Основные процессы и аппараты в химической технологии, 1971, стр. 294), в которое вводят дополнительные члены, учитывающие отвод тепла в результате теплообмена) и тепло реакции; с такими дополнениями уравнение имеет вид:

(3.9)

где  – плотность реакционной смеси;

С_р – удельная теплоемкость реакционной смеси;

x ,y, z – пространственные координаты;

 – коэффициент молекулярной и турбулентной теплопроводности реакционной смеси;

K – коэффициент теплопередачи;

T – температура реакционной смеси;

T_Т – температура в теплообменнике;

r – скорость химической реакции;

H – тепловой эффект реакции.

Группа членов левой части уравнения (3.9) выражает скорость накопления тепла в элементарном объеме, для которого составляется тепловой баланс. Этому члену соответствует величина Q_нак, уравнение (3.8), т.е.:

(3.10)

Первая группа членов первой части уравнения (3.9) отражает конвективный перенос тепла по соответствующим координатам (x, y, z) в элементарном объеме.

Вторая группа членов правой части уравнения (3.9) отражает изменение тепла, связанное с теплопроводностью реакционной среды ().

Суммарному переносу тепла конвективным потоком, отражаюшим влияние теплопроводности (обратная диффузия), соответствует в уравнении (3.8) член Q_конв, в результате чего можно записать:

(3.11)

Из сравнения уравнений (3.8) и (3.9) далее следует:

	(3.12)
	(3.13)

Решение уравнения (3.9) часто связано с большими трудностями. Однако, как будет показано ниже, в зависимости от характера протекающей реакции, гидродинамического и теплового режимов в реакторе, значение отдельных членов уравнения становится пренебрежительно мало, что приводит к более простым уравнениям, обеспечивающим достаточно точные решения самых разнообразных практических задач.

Уравнения (3.8) и (3.9) представляют математическое описание потоков тепла в нестационарном режиме, когда имеет место накопление тепла и температура процесса меняется во времени.

Для реакторов непрерывного действия характерен стационарный режим. Неустановившееся состояние наблюдается только в пусковой период и в период остановки реактора.

В дальнейшем все реакторы непрерывного действия будут рассматриваться только в стационарном режиме, когда отсутствует накопление тепла, т.е. Q_нак = 0.

В реакторах периодического действия режим всегда нестационарный: происходит накопление тепла в результате химического превращения, и температура в любой точке реактора меняется во времени, т.е. Q_нак  0.

С другой стороны, в реакторах периодического действия отсутствует конвективный перенос тепла и член Q_конв= 0.

Из приведенных примеров следует, что для описания конкретных типов реакторов уравнения (3.8) и (3.9) приобретут более простой вид. Форма уравнения теплового баланса определяется также тепловым режимом в реакторе, что будет показано в дальнейшем.

Ниже даются выводы уравнений тепловых балансов и способы их решения для различных типов реакторов, работающих в различных тепловых режимах.

Адиабатический режим реакторов различного типа.

Изотермический режим реакторов различного типа.

Политропический режим реакторов с различным гидродинамическим режимом. Примеры.

Условия поддержания устойчивого режима работы реактора. Параметрическая чувствительность.

Выбор типа реактора с учетом теплового режима. Создание оптимального теплового реакторах в реакторах. Примеры.

Устройство реакторов для гомогенных процессов.

Периодические процессы в гомогенной системе проводят в резервуарах, кубах или автоклавах, в которых реакционную смесь перемешивают каким-либо способом (рис. 4.1,в). Гораздо более разнообразны непрерывные реакторы для гомогенных систем. Это может быть и трубчатый реактор (рис. 4.1,е) и кубовый реактор с мешалкой (рис. 4.1,а), а также различные системы из этих реакторов. На рисунке 4.1 показаны основные типы реакторов для проведения гомогенных процессов.

а – кубовый реактор непрерывного действия с перемешиванием;

б – реактор полупериодического действия с перемешиванием;

г – каскад кубовых реакторов непрерывного действия;

д – то же, с распределением сырья;

е – трубчатый реактор непрерывного действия;

ж – то же, с предварительным смешением сырьевых потоков;

з – трубчатый реактор непрерывного действия с поперечным распределением сырья;

и – охлаждаемый однотрубный реактор;

к – многотрубный реактор с теплообменом.

Рис. 4.1 – Основные типы реакторов и некоторые формы реакторных систем для проведения гомогенных реакций

Устройство реакторов для гетерогенных некаталитических процессов в системах Г-Т, Ж-Т, Ж-Ж, Примеры.

При создании реакторов для гетерогенных процессов, необходимо принимать во внимание несколько усложняющих факторов, помимо тех, что рассматривались для гомогенных процессов. Эти факторы в значительной степени определяют конструкцию реактора.

Во-первых, в гетерогенных системах компоненты находятся в различных фазах и процессы связаны с переносом вещества через поверхность соприкосновения фаз. Значительное влияние оказывают на процесс физические факторы: величина и состояние поверхности раздела фаз, диффузия вещества из одной фазы к поверхности и в объем второй фазы, а также обратная диффузия образовавшихся продуктов внутри этой фазы к ее поверхности и затем в объем первой фазы. Поэтому конструкция реакторов для гетерогенных процессов должна обеспечивать наилучшие условия для массопередачи, создавать большую поверхность соприкосновения фаз. В ряде случаев конструкция аппарата должна также создавать условия для обновления поверхности контакта фаз. При разработке гетерогенного процесса необходимо учитывать, что правильно подбирая конструкцию аппарата, можно в значительной степени интенсифицировать процесс, переводя его из одной области протекания в другую, например, снимая при интенсивном перемешивании диффузионное сопротивление, можно перевести процесс из диффузионной области в кинетическую и в дальнейшем повышать уже скорость химической реакции.

Во-вторых, в гомогенных процессах мы имеем какой-либо один из известных нами режимов движения реагентов (либо смешение, либо вытеснение, либо промежуточный режим). В гетерогенных же системах каждая фаза может иметь свой режим. поэтому, возможны различны комбинации режимов контактирующих потоков.

И, наконец, конструкция реактора будет зависеть от конкретного вида фаз, участвующих в реакции. Так, аппараты для осуществления реакции в системе газ–твердое (Г-Т) отличаются по конструкции от аппаратов для системы газ–жидкость (Г-Ж). Поэтому, ниже будут рассматриваться конструкции аппаратов отдельно для каждой из наиболее распространенных гетерогенных систем.

Видео:Ядерные реакторы. Татьяна БушеневаСкачать

Экспериментальные установки, использующиеся для проведения кинетических исследований. Идеальные реактора

После первого этапа кинетического исследования, литературного поиска данных о механизме и кинетике изучаемой реакции переходят к этапу выбора вариантов проведения процесса. На этом этапе необходимо выбрать установку для экспериментального исследования. Так как нам нужна зависимость скорости реакции от параметров

выбирают идеальные установки, для которых уравнения являются простыми, так называемые модельные реактора.

1. ИПР (РПД) – идеальный периодический реактор (реактор периодического действия);

2. РИВ – реактор идеального вытеснения;

3. РПС – реактор полного смешения или РИС.

РПД – это реактор, действие которого заключается в загрузке всех реагентов, проведении реакции в режиме интенсивного перемешивания, то есть в отсутствии диффузионного торможения.

В реакторе поддерживается изотермический режим:

Концентрация изменяется во времени.

В гетерогенной среде:

Характеристическое уравнение – уравнение зависимости времени реакции от C, n, F, X_A, X_i A .

;

Характеристическое уравнение для РПД:

Поскольку V = const:

РИВ – реакционная масса движется вдоль оси, вытесняя предыдущие слои с одинаковой линейной скоростью, при этом отсутствует диффузионное торможение смеси стенками реактора. Концентрация вещества изменяется по длине реактора. Состав реакционной смеси постоянен во времени.

Здесь оперируют мольными потоками.

изотермический реактор

стационарный режим

Для расчета характеристического уравнения используем следующие формулы:

;

В РИВ изменяется n_i и V, тогда уравнение для скорости:

· для гомогенных систем:

· для гетерогенных систем:

Преобразуем уравнение .

Истинное время пребывания:

Характеристическое уравнение РИВ при условии W₀ = const:

Характеристические уравнения для РПД и РИВ одинаковы!

;

; .

Уравнения применяются для:

· однослойных, многослойных и трубчатых реакторов с фильтрующими слоями катализатора;

· реакторов с движущимся катализатором и с потоком взвеси катализатора;

· реакторов с заторможенным кипящим слоем катализатора.

Для жидкофазных реакций применяются насади. В этом случае уравнение имеет вид:

Чтобы установить в реакторе стационарный режим, необходимо пропустить через реактор 3-5 объемов смеси заданного состава.

РПС – реактор представляет собой модель, объединяющая РИВ и РПД. Это проточный реактор непрерывного действия, диффузионное торможение отсутствует за счет интенсивного перемешивания.

C_i₀ моментально изменяется до C_i и одинаково во всем объеме.

Так как здесь идет и условие стационарности V = const, τ = const, то:

Это уравнение неинтегральное и безградиентное.

;

Для этого реактора характерно турбинное течение потока реагента. Оно наблюдается, когда скорость циркуляционных движений газа или жидкости по высоте и сечению намного больше скорости линейного движения по оси.

В реакторе поддерживается изотермический режим. Кипящий слой катализатора не должен быть заторможен какими-либо насадками катализатора, а высота слоя должна быть небольшой. Скорость потока газа в 2…4 раза должна превышать критическую скорость начала взвешивания.