42)Моделирование химических реакций
Химические реакции – источник вещества, в котором вещество либо появляется либо исчезает. Для построения модели необходимо моделировать химическую кинетику.
Скорость реакции – изменение количества вещества в единицу времени в единице объёма
Масса вещества нередко заменяется количеством вещества.
Часто в реальных процессах используют систему стабилизации уровня или объёма реакционной смеси, в этом случае удобно рассматривать скорость как изменение концентрации.
Различаются гомогенные (по всему объёму) и гетерогенные (на разделе фаз) реакции.
В соответствии с законом действующих масс скорость реакции пропорциональна концентрации веществ, участвующих в реакции.
Существуют реакции различных порядков.
Порядок реакции определяется суммой
концентраций. Только реакции 1 порядка
описываются линейными ДУ, поэтому
моделировать химические реакции
достаточно трудно. Скорость реакции
зависят от условий протекания реакции.
В соответствии с законом Аррениуса
константа реакции определяется так:
Существуют реакции эндотермические и экзотермические. Тепловой эффект реакции определяется так: +-WΔH.
43)Моделирование химических реакторов. Изотермический реактор с мешалкой.
Реакторы бывают:
- дискретного и непрерывного действия
- изотермические и неизотермические
- с рециклом и без рецикла
- идеального вытеснения
- идеального перемешивания
Обычно реакторы состоят из 2 блоков:
-сам реактор
-блок очистки
Очистка продуктов производится посредством процессов адсорбции, абсорбции, десорбции и др.
В общем случае модель реактора включает в себя:
*материальные балансы (общий и покомпонентный)
*описание кинетики реакций
*описание динамики потока
*описание теплового баланса
Изотермический реактор идеального перемешивания
Покомпонентный баланс для любого компонента:
Для построения конкретной модели необходимо знать химическую реакцию или её схему.
Решение модели даёт результаты:
Появляется задача определения оптимального времени протекания реакции. Кроме того из данного графика видно, что в любой момент времени при прерывании процесса на выходе будем иметь помимо полезного продукта ещё и остатки исходного и побочный. Для этого и используется блок очистки.
Запишем уравнение статики, приравняв производные к 0.
Вводим понятие среднего времени пребывания вещества в аппарате τ=V/Q – время реакции.
В момент выхода веществ из аппарата время пребывания продукта А равно времени пребывания продукта B. Для нахождения оптимального времени реакции необходимо найти максимум СВ в зависимости от концентрации компонента А.
Для приведенной схемы оптимальное время когда выходная величина имеет максимальную концентрацию. t=√(K1K2)
Для заданного объёма аппарата это время определяется расходом, следовательно изменять производительность реактора за счёт изменения расхода вещества крайне невыгодно. Кроме того возмущение по расходу вносит возмущение в концентрацию выходного продукта, что необходимо учитывать при построении систем регулирования.
44)МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ.
Реакторы бывают:
- дискретного и непрерывного действия
- изотермические и неизотермические
- с рециклом и без рецикла
- идеального вытеснения
- идеального перемешивания
Обычно реакторы состоят из 2 блоков:
-сам реактор
-блок очистки
Очистка продуктов производится посредством процессов адсорбции, абсорбции, десорбции и др.
В общем случае модель реактора включает в себя:
*материальные балансы (общий и покомпонентный)
*описание кинетики реакций
*описание динамики потока
*описание теплового баланса
Неизотермические реакторы
В подобных реакторах происходит выделение или поглощение тепла, поэтому реакции проводятся в аппаратах с охлаждением или с подогревом.
Примем допущения:
1) Теплообмен осуществляется конденсацией, т.е. используем насыщенный пар
2) Во всем объёме аппарата одинаковая температура пара
3) Температура стенки равна температуре пара
4) Из-за тонкости стенок перепадом температуры на них пренебрегаем
5) Регулирующее воздействие вносится расходом пара
6) Инерционностью трубного пространства пренебрегаем
Модель будет включать уравнения теплового и материального баланса:
Реактор будет работать в статическом режиме если отвод тепла равен количеству выделившегося тепла. Отвод тепла линейно зависит от температуры, а выделение зависит нелинейно. Возможны варианты
а) тепловое равновесие при малых температурах. Реакция идёт с низкой скоростью. Если по каким-либо причинам температура реакции увеличится, то отвод тепла будет превышать выделение и процесс вернется в точку теплового равновесия.
б) тепловое равновесие при высоких температурах, нередко близко к температуре разложения. Процесс также неэффективно. Точка неустойчивого теплового равновесия.
в) в точках 1 и 3 скорость реакции неэффективна. Точка 2 является неустойчивой точкой равновесия. Для обеспечения устойчивой работы реактора необходимо применять сложные системы регулирования. При синтезе необходимо формировать
45)МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРУБЧАТЫХ ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ ПОЛНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ.
Модель идеального вытеснения предполагает что концентрация по сечению потока одинакова.
Это модель. Для её решения требуется знать начальные условия. Если рассмотреть взаимосвязь концентрации на выходе и на входе, то получим модель идеального запаздывания:
Особенностей в управлении нет.