Головна

Періодичні реактори. Реактор ідеального змішування періодичний.

Реактори періодичні характеризуються одночасною і одноразової завантаженням реагентів. При цьому процес складається з трьох стадій:

- Завантаження сировини;

- Його обробки (хімічного перетворення);

- Вивантаження продукту.

Після проведення цих операцій вони повторюються знову, тобто робота реактора здійснюється циклічно.

 Час одного циклу, проведеного в періодичному реакторі, визначається за рівнянням

,  (2.2)
 де ?n - Повне час циклу;? - Робочий час (що витрачається на проведення хімічної реакції); - Допоміжний час (що витрачається на завантаження реагентів і вивантаження продукту).

Реактор ідеального змішування періодичний - РІС-П - це реактор періодичної дії з мішалкою (рис.2.1). Перемішування в такому реакторі настільки інтенсивне, що в кожен даний момент часу концентрація реагентів однакова по всьому об'єму реактора і змінюється лише в часі, у міру протікання хімічної реакції.

Періодичні процеси за своєю природою завжди є нестаціонарними, тому що в них за рахунок хімічної реакції відбувається зміна в часі параметрів процесу, наприклад, концентрації речовин, що беруть участь в реакції, тобто має місце накопичення речовини.

Для розрахунку періодичного реактора треба знати його характеристичне рівняння, що дозволяє визначити робочий час ?, Необхідне для досягнення заданої концентрації речовини CAo і відомої кінетики процесу (тобто відомої залежності швидкості хімічної реакції - rA від концентрації реагентів і температури).

  NAo - Початкова кількість вихідної речовини А в реакційній суміші (при завантаженні в реактор); CAo - Початкова концентрація речовини А в реакційній суміші;xAo - Початкова ступінь перетворення речовини А;NA, CA, xA - То ж, в кінці процесу;? - Час;y - Просторова координата (координата місця).
 Мал. 2.1 - Реактор ідеального змішування періодичної дії (РІС-П)
 

Вихідним співвідношенням для отримання характеристичного рівняння реактора, як уже говорилося, є рівняння (1.8) матеріального балансу в диференціальної формі (диференціальне рівняння конвективного масообміну).

В РІС-П всі параметри (в тому числі і концентрація реагенту А - СА) Однакові по всьому об'єму реактора в будь-який момент часу (так як реакційна суміш інтенсивно перемішується).

Похідна будь-якого порядку від концентрації по x, y, z дорівнює нулю, і тому можна записати:

,  (2.3)
 (2.4)

З урахуванням отриманих значень рівняння (1.8) спрощується і може бути записано не в приватних похідних, а у вигляді звичайного диференціального рівняння:

 (2.5)

При вираженні швидкості реакції по вихідній речовині А: .

Тому, перед и rA ставлять знак мінус, щоб швидкість була позитивною величиною.

Зміна концентрації вихідної речовини А в часі і за обсягом для реакції, що протікає в періодичному реакторі ідеального змішування, показано на малюнку 2.2.

а - по часу;б - за місцем
 Мал. 2.2 - Розподіл концентрації реагенту А в РІС-П

Поточну концентрацію реагенту А розраховують за рівнянням

 (2.6)

Всі реакції протікають або без зміни, або зі зміною обсягу реакційної суміші. Для реакцій першого типу (V= Const) поточна концентрація реагенту А дорівнює

 (2.7)

Підставивши отримане значення для CA в рівняння (2.5), знаходимо:

 (2.8)

або

 (2.9)

Інтегруючи рівняння (2.9) в межах зміни часу від 0 до ? і ступеня перетворення від 0 до хА, Отримуємо характеристичне рівняння РІС періодичної дії для умов, коли обсяг реакційної суміші не змінюється протягом процесу:

 (2.10)

Розглянемо деякі окремі випадки цього рівняння.

Для незворотною реакції n-го порядку швидкість реакції виражається рівнянням:

 (2.11)

Підставивши отримане значення для (-rA) В рівняння (2.10) і враховуючи, що константа швидкості, k, - Величина постійна в ізотермічних умовах, отримаємо

 (2.12)

Для незворотною реакції нульового порядку

 (2.13)

Тому, з рівняння (2.10) слід

 (2.14)

Для незворотною реакції першого порядку

 (2.15)

Тому підстановкою цього значення в рівняння (2.10) отримуємо:

 (2.16)

або

 (2.17)

У тих випадках, коли інтегрування рівняння (2.10) пов'язано з труднощами, визначення часу ? виробляють методом графічного інтегрування. Для цього будують графічну залежність  від  і обчислюють площу під кривою між початковим xAo і кінцевим xA значеннями ступеня перетворення. для xAo= 0 шукана площа виражається рівнянням (рис. 2.3):

 (2.18)

Підставивши отримане значення для S в рівняння (2.10), знаходимо:

 (2.19)

Наведена на малюнку 2.1. схема РІС-П є одночасно схемою фізичної моделі цього реактора. Якщо виготовити такий реактор в малому масштабі (модель промислового реактора), а потім включити його в роботу з підтриманням відповідного технологічного режиму, то, дослідивши таку модель, можна отримати основні дані, необхідні для проектування промислових реакторів.

 Мал. 2.3 - Графічний розрахунок РІС - П
 

Дослідження полягає в тому, що досвідчені дані представляють у формі залежностей безрозмірних комплексів, складених комбінацією різних фізичних величин і лінійних розмірів. Така форма подання досвідчених даних дозволяє поширити знайдені залежності на групу подібних між собою явищ, що характеризують постійністю визначають безрозмірних комплексів або критеріїв подібності (Рейнольдса, Фруда, Архімеда, Пекла, Прандтля, Куссельта і ін.). Тому, фізичне моделювання зводиться до відтворення сталості визначальних критеріїв подібності в моделі і в об'єкті.

Математичною моделлю РІС-П є його характеристичне рівняння (2.10). Виходячи з цього рівняння, представляється можливим визначити розміри реактора, а також дослідити цю модель з точки зору визначення оптимальних значень всіх параметрів, що входять в характеристичне рівняння.

Дослідження математичної моделі зазвичай проводять на електронно-обчислювальній машині (ЕОМ), що володіє великими можливостями щодо проведення обчислювальних операцій. У багатьох випадках на основі результатів таких досліджень представляється можливим вести проектування промислового реактора без проведення досліджень на дослідній установці, за умови досить повного вивчення кінетики процесу в лабораторних умовах.

Класифікація реакторів по гідродинамічного режиму. Рівняння матеріального балансу реакторів. | Реактори безперервні. Реактор ідеального витіснення. Реактор ідеального змішування безперервний.


Типи технологічних процесів. | Гомогенні процеси. Швидкість гомогенних процесів. | Гетерогенні процеси. Швидкість гетерогенних процесів. Коефіцієнт швидкості процесу. | Рушійна сила процесу. | Каталітичні процеси. Класифікація. | Загальні закономірності каталітичних процесів. | Гетерогенний каталіз. | Кінетика гетерогенно - каталітичної реакції. | Властивості і приготування твердих каталізаторів. | Вихідні положення для розрахунку реакторів |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати