Краткие теоретические сведения

Химические реакции, как правило, сопровождаются выделением или поглощением тепла, что приводит к изменению температуры реак­ционной массы. От температуры зависят состояние химического равно­весия и предельно достижимая степень превращения реагентов, ско­рость реакции, селективность и ряд других факторов. Для регулирования процесса в нужном направлении необходимо обеспечить тот или иной температурный режим.

Химические реакторы по способу организации температурного режима делятся на следующие типы:

• изотермические (температура реакции постоянна);

• адиабатические (отсутствие теплообмена с окружающей средой);

• политропические (частичный подвод или отвод тепла).

Для контроля над ходом реакции нужно регулировать температуру в пределах заданного диапазона. Этого можно достичь осуществлением соответствующего теплообмена. В промышленных аппаратах не всегда целесообразно поддерживать действительно изотермические условия. Процесс можно вести в промежуточном режиме (политропический процесс), организуя теплообмен с внешним источником тепла через по­верхность теплообмена. Одним из способов управления температурой является изменение скорости теплопередачи путем регулирования рас­хода теплоносителя или изменения температуры конденсации его па­ров.

Учет тепловых явлений осуществляется при составлении теплово­го баланса химического реактора. При расчете неизотермического ре­актора необходимо совместно решать систему уравнений материально­го и теплового балансов, из которых первое учитывает изменение ко­личества вещества, а второе – изменение количества теплоты при про­текании химического процесса.

Рассмотрим необратимую реакцию первого порядка А S, про­водимую в реакторе идеального вытеснения с тепловым эффектом Н. В реакционной смеси содержится инертное вещество с концентрацией C_R. Чтобы избежать образования побочных продуктов, для регулирова­ния температуры в рубашку кожухотрубного реактора подают противо­током воду. Составим уравнения математического описания этого про­цесса.

Уравнения материального баланса для РИВ в стационарных усло­виях имеют вид:

(5.1)

Уравнения теплового баланса для реакционного потока и теплоносителя:

(5.2)

Зависимость константы скорости реакции от температуры описы­вается уравнением

(5.3)

 

Теплоемкость смеси можно определить по правилу аддитивности:

С_Р = С_РАС_А +C_PSC_S +C_PRC_R. (5.4)

В уравнения (5.1)–(5.4) входят величины:

С_А, C_s –концентрации исходного вещества и продукта соответственно, моль/м³;

C_R – концентрация инертного компонента, моль/м³;

С_РА , С_РS , C_PR – теплоемкости компонентов, Дж/(кг·К);

С_Р – теплоемкость реакционной смеси, Дж/(кг·К);

Т, Т_T –температуры соответственно реакционного потока и теплоносителя, К;

k –константа скорости реакции, м³/(моль·с);

k₀ –предэкспоненциальный множитель;

Е –энергия активации, Дж/моль;

R – газовая постоянная, Дж/(кмоль ·К);

F_T –поверхность теплообмена, м²;

К_T –коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

V_R –объем реактора, м³;

–среднее время пребывания в реакторе, с;

v _T –массовый расход теплоносителя, кг/с;

С_RT – теплоемкость теплоно­сителя, Дж/кг·К.

Система уравнений (5.1)–(5.4) полностью описывает процесс химического превращения в реакторе идеального вытеснения и может быть решена любым численным методом относительно требуемых ве­личин.

 

Задание

Реализуя численный эксперимент с помощью математической мо­дели, определить концентрационный и температурный профиль по длине аппарата. Определить расход теплоносителя, обеспечивающий заданные начальные и конечные температуры теплоносителя. Опреде­лить степень превращения реагента А. Исследовать влияние начальной температуры реакционного потока и расхода теплоносителя на степень превращения исходного реагента. Сделать необходимые выводы.

Исходные данные:

C_R = 10,8 кмоль/м³; C_pa = C_ps = 62 кДж/(кмольК);

C_PR = 53 кДж/(кмоль К); Н = - 448^.10⁴ кДж/(кмоль);

k₀ =1,84 ^. 10⁵; Е = - 44900 Дж/моль; Т_т^к = 293 К;

К_т = 0,320 кВт/(м²·К); F_t = 14,16 м²; С_РТ = 4,190 кДж/(кг·К);

V_R = 0,283 м³; =- 3600 с; L = 5,9 м; =10³ кг/кмоль.

Начальную концентрацию реагента А выбрать из таблицы 5.1 согласно номеру варианта.

 

Таблица 5.1 – Варианты заданий

Номерварианта
	1,5	1,6	1,7	1,8	2,0	2,2	2,4	2,6	2,8

 

Поиск расхода теплоносителя в интервале 0,1< v_T <3,0 осуществ­ляется с помощью итерационной процедуры в моделирующем алгорит­ме.

Исследования по влиянию начальной температуры реакционного потока на степень превращения выполнить при 296 К< Т <306 К. По полученным данным построить графики в координатах С_А, Т = f() при одном значении Т⁰ и X_A=f (v_T,T⁰).

 

5.4 Контрольные вопросы

1. Принцип составления уравнения теплового баланса адиаба­тического реактора.

2. В каких случаях применяются адиабатические реакторы для проведения химических процессов, в каких политропические?

3. Каким образом конструктивно оформляется политропиче­ский процесс?

4. Какой температурный режим называется оптимальным?

5. Способы осуществления оптимального температурного ре­жима в промышленных реакторах.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: