- •Введение
- •Основные закономерности химико-технологического процесса.
- •Основные технологические понятия.
- •Технологическая схема.
- •Равновесие в химико-технологическом процессе.
- •Скорость химико-технологических процессов.
- •Кинетика гетерогенных химических реакций.
- •1. Теоретические основы составления балансов хтп.
- •1.1. Классификация хтс:
- •О тсюда
- •1.5. Общие принципы составления материальтного и теплового баланса.
- •1.6. Классификация систем по виду уравнения Данкелера.
- •1 .7. Использование уравнения Дамкелера для составления математической модели хтп.
- •1.8. Совместимость понятий при рассмотрении хтп.
- •2. Катализ в химической технологии.
- •2.2. Гомогеный катализ и его скорость.
- •Способы осуществления экзотермической каталитической реакции по линии оптимальных температур.
- •Химические реакторы.
- •Основные требования к промышленным реакторам.
- •Технологическая классификация.
- •Математические модели основных типов химических реакторов.
- •Реактор периодического действия (рпд).
- •Реакторы непрерывного действия.
- •С с равнение трёх типов реакторов.
- •Каскад реакторов идеального смешения.
- •4. Реальные химические реакторы.
- •4.1.Масштабирование реальных химических реакторов.
- •4.2.Типовые конструкции химических реакторов.
- •4.3.Реакторы для проведения гомогенных реакций в жидкой фазе.
- •4.4.Реакторы для проведения реакций в системе газ/жидкость.
- •4.5.Реакторы для проведения реакций в системе газ/твёрдая фаза.
- •4.6.Реакторы для проведения газовых реакций.
- •4.7.Промышленные печи.
- •5.Сырьё, вода и энергия в химической промышленности.
- •5.1.Сырьё.
- •5.2.Вода.
- •6.Технология серной кислоты.
- •6.1.Нитрозный способ образования серной кислоты.
- •6.2.Контактный метод получения серной кислоты.
- •6.3.Метод двойного контактирования.
Основные требования к промышленным реакторам.
-
Максимальная производительность реактора.
-
Максимальная интенсивность осуществления процесса – производительность, отнесённая к объёму реактора или площади поперечного сечения.
-
Высокий выход целевого продукта и максимально возможная xA.
-
Минимальные энергетические и тепловые затраты на осуществление химического превращения и транспортировку реагентов и продуктов через реактор.
при UR=const
B –объёмный расход
Производится технико-экономический расчёт.
-
Реактор должен быть легкоуправляем, обеспечивать устойчивость технологического режима и безопасность работы. Это обеспечивается рациональной конструкцией.
-
Низкая стоимость изготовления, лёгкость его обслуживания и ремонта.
Технологическая классификация.
Конструкции реакторов могут быть сгруппированы по следующим признакам:
-
По способу подвода реагентов и отвода продуктов (способ организации процесса):
а) периодического действия;
б) непрерывного действия;
в) полунепрерывного действия.
-
По виду перемешивания в пространстве (по режиму движения реакционной смеси):
а) ёмкостные (перемешивание механическими, циркуляционными, пневматическими методами);
б) трубчатые (длина >>диаметра).
-
По тепловому режиму в реакторе:
а) изотермические реакторы (в ходе реакции поддерживается постоянная температура реакционной смеси);
б) адиабатические (изолирован от внешней среды по тепловому потоку).
4) По фазовому состоянию реакционной смеси:
а) для гомогенных химических реакций
б) для гетерогенных химических реакций.
Математические модели основных типов химических реакторов.
-
Характеристическое уравнение идеальных типов изотермических реакторов для осуществления гомогенных процессов.
Составление математической модели реактора основывается на законах сохранения. Полное математическое описание реактора возможно при совместном решении следующих дифференциальных уравнений: Навье-Стокса, конвективного массообмена, Дамкелера, теплопередачи. В данных условиях решение такой системы уравнений невозможно, поэтому делают допущения. Составление химических уравнений для математических потоков.
Запишем уравнение Дамкелера для потока компонента:
-
Для идеальных типов реакторов пренебрегают дифференциальным потоком: .
Реакция гомогенная:
математическая
модель химического реактора для
гомогенного изотермического процесса
Реактор периодического действия (рпд).
реактор ёмкостного типа с перемешивающим устройством; характеризуется разовой загрузкой компонента, последующей обработкой до заданной ХА, единовременной выгрузкой продукта.
В уравнении слагаемое , так как система закрытая.
Следовательно, .
Предположим, что в этом реакторе идёт реакция первого порядка.
;
Реакторы непрерывного действия.
Характеризуются непрерывным вводом исходных реагентов при непрерывном выводе получаемых продуктов. В соответствие с классификацией зависимости от режима движения реакционной среды, РПД подразделяются на:
-
реакторы вытеснения;
-
реакторы смешения.
В таких реакторах осуществляется стационарный режим осуществления процесса.
Реактор идеального вытеснения (РИВ).
Допущения для модели идеального вытеснения:
-
в РИВ каждый элемент объёма реакционной массы движется вдоль оси реактора, не смешиваясь с предыдущими и последующими объёмами, т.е. осуществляется поршневой режим движения элемента объёма.
В реальности этот режим не соблюдается.
-
состав элемента объёма последовательно не изменяется при движении вдоль оси реактора, вследствие прохождения химической реакции
-
время пребывания каждого элемента объёма в реакторе одинаковое
-
гидродинамический режим в реакторе вытеснения характеризуется тем, что каждый элемент объёма движется только в одном направлении, т.е. полностью отсутствует обратное перемешивание. Это значит, что по сечению реактора предполагается постоянство всех технологических параметров: С, R, …
-
реактор не имеет конструктивных приспособлений для перемешивания и характеризуется большим отношением длины к диаметру.
В целом, все эти допущения приводят к идеальности структуры движения потока в реакторе.
Так как технологическая переменная изменяется в пространстве, записываем уравнение материального баланса для элемента объёма dUR с последующим интегрированием по всему объёма реактора.
С учётом и при условии, что степень превращения увеличивается в каждом элементе объёма, уравнение закона сохранения для объёма dUR:
;
- среднее время пребывания реагента в реакторе.
Вследствие принятых допущений, каждый элемент объёма может быть рассмотрен как реактор периодического действия, время пребывания реагентов в котором равно среднему времени пребывания элемента объёма в реакторе .
Если в РИВ осуществляется реакция первого порядка.
;
Если реакция параллельная.
Так как
Реактор идеального смешения (РИС).
Допущения: 1) Считается, что в РИС исходная реакционная смесь мгновенно перемешивается с реакционной массой внутри реактора, приобретая такую же концентрацию, как и на выходе из реактора.
Следовательно, во всех точках аппарата концентрации одинаковы.
-
Так как концентрации одинаковы, то равны и скорости реакции во всех точках аппарата.
-
Реактор ёмкостного типа с перемешивающим устройством.
Таким образом, в реакторе такого типа отсутствует изменение технологической переменной, как в пространстве, так и во времени. Поэтому от дифференциального метода можно отказаться.
Составим уравнение материального баланса на весь аппарат в целом.
Если осуществляется реакция первого порядка.
;
;