4.5 Контрольные вопросы

1. От каких факторов зависит скорость реакции окисления ок­сида азота? При каких условиях скорость реакции увеличивается?

2. Назовите основные стадии производства азотной кислоты.

3. Какие методы очистки хвостовых газов от оксидов азота применяются в промышленном производстве азотной кислоты?

Лабораторная работа № 5. Расчет неизотермических реакторов

5.1 Цель работы

5.1.1 Изучение тепловых режимов химических реакторов.

5.1.2 Моделирование политропического реактора идеального вы­теснения.

5.1.3 Исследование влияния тепловой нагрузки на степень пре­вращения при обеспечении температуры реакции в заданном диапазо­не.

5.2 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.