Алгебраический и графический метод определения число ступеней каскада

Алгебраический метод. Основа расчета - материальный баланс для каждой ступени каскада. В результате последовательного составления материального баланса для реакции первого порядка можно получить:

где - концентрация основного реагента после m-ой ступени; - начальная концентрация основного реагента.Если заданы концентрации или степени превращения во всем объеме каскада, то число ступеней можно определить:

Определение через для реакции высоких порядков весьма сложно, поэтому в ряде практических случаев используется графический метод.

Графический метод Используя уравнение , получим

Последнее уравнение представляет собой уравнение прямой зависимости скорости реакции от концентрации основного реагента в m -ой ступени. Это справедливо для случаев, когда объем реакторов каскада одинаков. Вид прямой: .Данная прямая пересекает ось абсцисс в точке и имеет тангенс угла наклона равный , однако не все значения и пригодны для дальнейшего выбора, а только те, которые удовлетворяют уравнению: .В результате пересечения прямой линии, имеющей тангенс угла наклона равный , с кривой зависимости скорости от концентрации, дает значение концентрации m-ой ступени (см. рис 5).

Рис. 5. Иллюстрация графического метода расчета степеней каскада реакторов полного смешения.

 

13. Реактор периодического действия

Реакторы периодического действия работают при нестационарных условиях, при этом не зависимо от степени перемешивания реагирующих веществ изменяются во времени не только концентрации, но и температура, давление, а следовательно и константа скорости процесса. Если периодический реактор работает в режиме полного смешения, то время необходимое для достижения заданной степени превращения рассчитывается по формулам, аналогичным модели идеального вытеснения. При одних условиях объемы реакторов одинаковы. Однако условия протекания процесса в промышленных проточных реакторах, как правило, лучше, чем в периодических. Производительность периодически работающего реактора ниже, так как затрачивается некоторое время на загрузку реагентов, выгрузку продуктов, и в ряде случаев на промывку реактора. Она будет зависеть от продолжительности операций:

,где: G- масса продукта, - полное время цикла, которое включает в себя - время химического превращения и - время вспомогательных процессов (загрузка, выгрузка, промывка).Эффективность работы реактора периодического действия часто характеризуется коэффициентом использования времени работы: .Критерием целесообразности проведения процесса периодически или непрерывно является сравнение экономических показателей работы реакторов, и в частности, себестоимости получаемой продукции в зависимости от производительности аппарата (см. рис. 6).Себестоимость зависит от постоянных, переменных расходов и стоимости сырья.

Вывод Использование периодического реактора целесообразно для малотоннажных, многоассортиментных производств (реактивов, лакокрасочных материалов, различных полимерных добавок и др.)

 

 

14.Сравнения характеристике реакторов идеального вытеснения и полного смешения

Реакторы идеального вытеснения. Реактор идеального вытеснения характеризуется переменной концентрацией реагирующих веществ по длине аппарата, наибольшей разницей концентраций на входе и выходе из реактора и, следовательно, наибольшей средней движущей силой процесса.

Изменение концентрации в реакционном объеме носит плавный характер, так как последующие реакционные объемы реагирующих веществ не смешиваются с предыдущим, а полностью вытесняются. Практически к режиму идеального вытеснения можно приблизиться в реакторе с малым диаметром и большой длиною при относительно высоких скоростях движения реагирующих веществ. Реакторы идеального вытеснения находят широкое применение для проведения как гомогенных, так и гетерогенных каталитических процессов (например, окисления NO в NO2, SO2 в SO3, синтеза аммиака и метилового спирта, хлорирование этилена, сульфирования пропилена и бутилена и т.д.).

Реактор полного смещения обычно снабжен перемешивающим устройством и характеризуется постоянством концентрации реагирующих веществ во всем объеме реактора в данный момент времени, вследствие практически мгновенного смещения реагирующих веществ в реакционном объеме. Поэтому изменение концентрации реагирующих веществ на входе в реактор носит скачкообразный характер. Средняя движущая сила процесса в таком аппарате будет меньше, чем в аппарате полного вытеснения. Реакторы этого типа наиболее широко применяются для проведения таких процессов, как нитрование, сульфирование, полимеризация и т.д.

 

 

15.Выбор реактора и селективность

При проведении сложных реакций перед технологом ставится задача выбора модели реактора, при использовании которой получалась бы реакционная смесь, содержащая максимально возможное количество целевого продукта и минимальное количество побочных продуктов или отходов. Рассмотрим реакцию вида

Селективность зависит от соотношения скоростей основной и побочной реакций или относительной скорости образования веществ R и S. Пусть основным является продукт R, побочным- S. Скорость их получения выражается формулами: , n1, n2- порядки основной и побочной реакций.

Гидродинамическая обстановка (модель реактора) влияет на скорость процесса главным образом через концентрацию вещества, которая понижается по логарифмической кривой для реактора идеального вытеснения и равна конечной для реактора полного смешения. Если то для увеличения селективности по продукту R необходимо иметь наибольшее значение концентрации вещества А. Это достигается применением реактора идеального вытеснения или реактора периодического действия. Если использовать реактор смешения, то селективность можно увеличить за счет установки каскада. Если, , то для достижения высокой селективности по продукту R концентрация должна быть возможно меньшей. Это можно поддерживать в реакторе полного смешения (проточном). Величина снижается так же разбавлением реагентов, поступивших в реактор (например, введением инертных веществ или использованием рецикла). Для газо-фазных реакций используется снижение общего давления в системе.

При проведении последовательных реакций для увеличения селективности также важен оптимальный выбор модели реактора: Селективность будет тем больше, чем больше концентрация вещества А - и больше отношение . Отсюда следует, что для такого вида реакции для обеспечения высокой селективности по промежуточному продукту предпочтительнее реакторы идеального вытеснения и реакторы смешения периодического действия.

 

16.Температурный режим реакторов: адиабатический, изотермический и политермический

Температура существенно влияет на результат химико-технологического процесса в целом и особенно на химическую реакцию. В зависимости от температурного режима различают следующие основные типы реакторов: адиабатический, изотермический и политермический.

Адиабатическими называются реакторы идеального вытеснения, работающие без подвода и отвода теплоты в окружающую среду через стенки реактора или при помощи теплообменных элементов. Вся теплота в этом случае, выделяемая (поглощаемая) в реакторе, аккумулируется реакционной смесью.

Изотермическими называются реакторы, в которых процесс протекает при постоянной температуре во всем объеме реактора. Изотермичность достигается интенсивным перемешиванием реагентов. Необходимая температура устанавливается или благодаря подводу или отводу теплоты реакции, или за счет регулирования температуры поступающей реакционной смеси. Данный режим может быть достигнут и в реакторе идеального вытеснения при проведении процессов с малыми тепловыми эффектами.

Политермическими называются реакторы, которые характеризуются частичным подводом теплоты или отводом теплоты из зоны реакции в соответствии с заданной программой изменения температуры по длине (высоте) реактора идеального вытеснения или неполного смешения. Политермическими реакторами во времени являются реакторы полного смешения периодического действия. При изучении и количественной оценке процессов, происходящих в реакторе, для вывода уравнений температурного режима используют тепловые балансы

 

17.Устойчивость работы реактора

Согласно теории А.М.Ляпунова “система называется устойчивой, если после наложения какого-либо возмущения она возвращается в прежнее состояние при снятии этого возмущения”. При стационарном режиме работы реактора все параметры, характеризующие его работу не изменяются во времени, то есть отсутствуют возмущения. Однако часто могут присутствовать изменение состава и температуры, поступающей реакционной смеси, давления, степени перемешивания и активность катализатора. При заданных начальных условиях возможно существование нескольких стационарных режимов химических реакторов, соответствующих разным значениям основных технологических параметров.

Понятие устойчивости формулируется следующим образом: система

считается устойчивой, если после на­ложения какого-либо возмущения она самопроизвольно возвращается в прежнее состояние при снятии этого возмущения.

При неустойчивом состоянии незначительное отклонение какого-либо параметра технологического про­цесса от его первоначального значения (температуры, концентрации, давления и др.), что в производственных условиях всегда может иметь место, приводит к отклонению от стационарного состояния в реакторе; это отклонение увеличивается во времени, а режим реактора не возвращается в исходное состояние и после снятия воз­мущения.

18.Отклонения реальных реакторов от идеализированных моделей

Для получения информации о течениях потока в реакторе необходимо проследить путь каждого элементарного объема при его движении через аппарат. Для этого следует установить распределение частиц по времени их пребывания в аппарате. Это осуществляется экспериментально, например введением в поток реагентов трассера (краски, радиоактивного изотопа и др.) и снятием так называемых кривых отклика, показывающих зависимость изменения концентрации трассера на выходе из реактора от времени

Рис. 8. Кривые отклика на импульсное возмущение в реакторах:

а) идеального вытеснения; б) полного смешения; произвольного режима.

Для реактора идеального вытеснения после мгновенного введения трассера во входной поток через время r0 будет обнаружен мгновенный выход всего трассера. Это объясняется тем, что частицы в аппарате движутся параллельно. При введении индикатора-краски в аппарат полного смешения она сразу окрасит всю жидкость в реакторе, концентрация во всем объеме будет одинакова. Далее концентрация будет убывать, поскольку выносится выходящим потоком. В случае произвольного режима структура потоков занимает промежуточное положение между первыми двумя. Для описания структуры потоков используют диффузионную или ячеечную модель. Ячеечная модель представляет реактор в виде последовательно соединенных по ходу потока одинаковых по объему ячеек, в каждой из которых поток идеально перемешан. Примером такой модели может служить каскад реакторов с мешалками. В крупногабаритных реакторах гидродинамическая структура потоков может иметь рециркулирующие и байпасирующие потоки.

 

19.Характеристика гомогенных химических процессов

В гомогенном химическом процессе все реагирующие вещества и продукты реакции находятся в одной фазе, где протекает реакция. Для рассмотрения выберем объем, в котором реагенты хорошо перемешаны, так, что их концентрации и температура по всему объему одинаковы. Соответственно условия протекания реакции одинаковы по всему объему. Поэтому скорость превращения и закономерности гомогенного химического процесса определяются в этом случае скоростью и закономерностями химической реакции. Для достижения максимальной интенсивности гомогенного процесса с необратимой реакцией необходимо поддерживать максимально допустимую температуру. Она определяется особенностями конкретного процесса:

• термостойкостью материала аппарата, в котором осуществляется процесс;

• термостойкостью реагентов;

• условиями взрывобезопасности;

• затратами на обеспечение высокой температуры и др.

Для достижения максимальной интенсивности гомогенного процесса с обратимой экзотермической реакцией оптимальным температурным режимом является такой, когда процесс начинается при высокой температуре, а затем в ходе процесса (по мере увеличения степени превращения) снижают по линии оптимальных температур.

Оптимальную температуру при построении ЛОТ определяют как максимум функции , для которой , или используя соотношение (5)

Для каждого значения существует температура , при которой степень превращения станет равновесной. Поэтому для расчета используется соотношение

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: