Материал: II. хим реакторы
Режим (модель) идеального смешения непрерывный - ИС-н.(рактор2,3,8)
Процесс стационарный (dNi/dt = 0 и dq/dt = 0) Благодаря ИС изменение х, с, Т, r, SR в реакторе
происходит мгновенно (скачкообразно)
Влюбой т. реакц. объема устанавл. абсолютно одинаковые значения х, с, Т, r, SR
Св-ва элементарного объема идентичны свойствам всего объема. Объем реакционной смеси не меняется
Вединицу времени в реактор входит поток реагентов объемом V0, содержащий компоненты в количестве V0Сi0. Температура во входном потоке - Т0. Из реактора выходит поток V0 с температурой Т с содержанием каждого компонента - V0Сi..
Источник веществ - химическое превращение: Ni,ист = Wi(С, Т)vp. 0=V0Сi0 - V0Сi+ Wi(С, Т)vp.
vp/V0 = - как условное время реакции (среднее время пребывания реакционной массы в реакционной зоне, определяемое как отношение объема реакц. зоны к объемному расходу реакционной массы при раб. условиях). Уравнение (4.1) примет вид:
(Сi - Сi0)/ = Wi(С, Т). |
(4.5) |
Источник теплоты – хим. превращение QPr(С, Т)vp |
и теплообмен КTFT(ТX - Т). |
0= V0сpТ0 - V0сpТ + QPr(С, Т)vp + КTFT(ТX - Т); |
|
Используя приведенные ранее выражения |
для источника теплоты, |
теплообмена, условного времени реакции и удельной поверхности теплообмена:
сp.(Т - Т0)/ = QPr(С, Т) – КTFуд(Т - ТX). |
(4.6) |
(Сi - Сi0)/ = Wi(С, Т).
Математическая модель РИС-н: сp.(Т - Т0)/ = QPr(С, Т) – КTFуд(Т - ТX). Начальные условия входят в ур-я
Изотермический режим РИС-н
Простая необратимая реакция А = R. Изотермический процесс в проточном реакторе идеального смешения описывается уравнением (4.9, б):
(СA - С0)/ = WA(С)
Найдем концентрацию и степень превращения в реакторе при протекании
реакции первого порядка W(C) = - kC |
|
|
СA = С0/(1 + k), |
хA = k/(1 + k) |
(4.26) |
Поскольку = vр/V0 - фиксированная |
|
|||
величина |
для |
каждого |
конкретного |
|
проточного реактора идеального смешения |
|
|||
зависимость С( ) должна быть представлена |
|
|||
точкой (рис. 4.12). Показанная зависимость |
|
|||
С( ) есть зависимость для ряда реакторов |
|
|||
Рис. 4.12. График C( ) для процесса в |
||||
разного объема vp, или для одного реактора |
проточных реакторах идеального |
|||
при разной нагрузке на него V0. |
|
смешения. |
||
|
|
|||
Характер влияния Т, С0, n на С( ) будет такой же, как и в рассмотренном выше процессе в режиме идеального вытеснения (рис 4.4-4.6).
Простая обратимая реакция А = R.
Выразим модель процесса (С - С0)/ = W(С) через степень превращения хA:
xА |
|
|
k1 |
|
(4.27) |
|
k1 k2 |
|
|||
|
1 |
|
|||
Вид зависимость х( ) и влияние на нее температуры будет такое же, как в режиме ИВ. (рис4.7 – 4.8)
Сложные реакции.
Приведены зависимости для частных реакций первого порядка.
П а р а л л е л ь н а я с х е м а п р е в р а щ е н и я : k1 R
А |
|
k2 |
S |
(С0 - СA)/ = -(k1+k2)СA; |
СA = С0/[1 + (k1+k2) ]; |
СR/ = k1СA; |
СR = k1 С0/[1 + (k1 + k2) ]; |
СS/ = k2СA; |
СS = k2 С0/[1 + (k1 + k2) ]. |
П о с л е д о в а т е л ь н а я с х е м а п р е в р а щ е н и я :
kk
А1 R 2 S
(С0 - СA)/ = -k1СA; |
СA = С0/(1 + k1 ); |
СR/ = k1СA - k2СR; |
СR = k1 С0/[(1 + k1 )(1 + k2 ]; |
СS/ = k2СR; |
СR = k1k2 2С0/[(1 + k1 )(1 + k2 ]. |
Зависимость С( ), влияние на нее температуры, а так же изменение избирательности с будет такой же, как и в режиме идеального вытеснения (см.
рис. 4.9 - 4.11).
Адиабатический режим РИС-н
Для в-ва А
Анализ процесса. Математически процесс в проточном реакторе идеального смешения описывается уравнениями (4.5 и 4.6). Используя введенные параметрыTад и В, а также выражение r(х,Т), преобразуем систему (4.5-4.6), как было сделано для модели идеального вытеснения:
|
x r x,T |
|
|
|
T T |
T |
r x,T |
B T T |
|
|
||||
н |
ад |
|
x |
|
В адиабатическом режиме (параметр теплоотвода В = 0):
x xн r x,T |
|
||
T T |
T |
|
|
r x,T |
|||
н |
ад |
|
|
(4.126)
(4.127)
Разделив второе уравнение на первое, получим линейную связь х и Т: Т - Тн =Tад(х - хн), - аналогичное режиму идеального вытеснения (4.31). Конечный результат - разогрев реакционной смеси (Т - Тн) – не зависит от пути превращения – в режиме смешения или вытеснения.
Температура и степень превращения в реакторе будут иметь ступенчатое распределение (рис. 4.12). Кривые Т( ) и х( ) есть графическое отображение функции (4.31), и эти зависимости надо представлять как набор режимов различных реакторов. В координатах "Т-х" режим процесса в реакторе будет представлен двумя точками - начальной при (хн, Тн) и в реакторе с заданным при полученных в нем х и Т (рис. 4.60в), т.е. последовательность точек при разных будет лежать на прямой адиабаты Т = Тн + Tад(х - хн), показанной штриховой линией.
Сравнение и выбор эффективного реактора
Важнейшими показателями работы реактора, определяющими экономичность химического процесса, являются:
1)размер реактора, от которого зависит его интенсивность;
2)избирательность протекающего в нем процесса, т.е. селективность;
3)выход продукта.
Для изотермического режима
При протекании простых необратимых реакций типа A → R превращение идет в одном направлении, и чем выше степень превращения, тем больше выход продукта. Выберем из двух проточных реакторов идеального вытеснения и идеального смешения, реактор меньшего объема vp, требуемого для достижения заданной степени превращения.
(Уравнения РИС-П и РИВ идентичны, поэтому время протекания химической реакции, необходимое для достижения заданной степени превращения, в этих реакторах одно и то же. Но в РИСП полное время процесса складывается из вспомогательного и рабочего времени а в РИВ вспомогательные операции отсутствуют; процесс протекает непрерывно, поэтому интенсивность РИВ выше, чем РИС-П.)