Контрольные вопросы

1. Объясните, в чем заключается принцип моделирования физико-технологических процессов.

2. Назовите основные условия однозначности.

3. Что представляет собой метод обобщенных переменных? Дайте определения геометрическому, временному подобиям, а также подобиям физических величин и начальных и граничных условий.

4. Дайте определение понятию «критерий подобия». Какова размерность критериев подобия?

5. Приведите основное равенство для гидродинамического подобия. Дайте определения для каждого члена этого равенства.

6. Выведите из гидродинамического подобия выражения для критериев Эйлера, Фруда и Рейнольдса.

7. Что такое тепловое подобие? Дайте выражение уравнения Фурье–Кирхгофа. Выведите из него критерии Пекле, Прандтля, Нуссельта и Шервуда.

8. Приведите уравнения Бернулли в дифференциальной и интегральной формах. Объясните физический смысл уравнения Бернулли.

9. Приведите энергетическую интерпретацию уравнения Бернулли и объясните ее физический смысл.

10. Объясните смысл математического моделирования. Изложите основные его этапы и их содержание.

Тема 8 химические реакторы

Принципы проектирования химических реакторов. Химический реактор – это основной аппарат, в котором реализуется химический процесс. В технологической схеме он связан с рядом других аппаратов, включающими блоки подготовки сырья и вспомогательных веществ и аппаратами разделения продуктов реакции и выделения целевого продукта. Конструкция и технологический режим работы реактора определяет экономическую эффективность технологического процесса в целом.

Выбор конструкции и размеров химического реактора определяется природой сырья и продуктов процесса, скоростями протекающих химических реакций, интенсивности процессов массо- и теплообмена. В качестве исходных данных задаются производительность реактора и степень превращения сырья, а также параметры технологического процесса.

Основным показателем эффективности работы реактора является интенсивность

И = (8.1)

или

И = , (8.2)

Где И – интенсивность,

П – производительность,

V - реакционный объем,

S - поверхность контакта.

От интенсивности зависит время, затрачиваемое на производство единицы продукции, и главной задачей при расчете химического реактора является установление зависимости:

= F (X, C, U), (8.3)

где - время пребывания реагентов в реакторе;

Х - степень превращения реагентов в целевой продукт;

С - начальная концентрация реагентов;

U - cкорость химического процесса.

При проектировании химического реактора необходимо учитывать основные требования к нему, которые включают следующие положения:

1 ) обеспечивать большую производительность при возможно более высокой степени превращения;

2) наиболее полное использование энергии экзотермических реакций и теплоту, подводимую извне для проведения эндотермических реакций;

3) рациональное расходование энергии на транспортировку и смешение реагентов;

4) простота в устройстве и дешевизна при изготовлении;

5) максимально поддаваться механизации и автоматизации.

Указанные выше требования часто имеют противоречивый характер (рис. 8.1). Как видно из представленного графика, с увеличением скорости газа в реакторе интенсивность его работы возрастает по затухающей кривой, но при этом снижается степень превращения сырья в конечный продукт и стремительно растет перепад давления в аппарате за счет возрастания гидравлического сопротивления потоку. При этом также возрастают затраты энергии на транспорт газа. Поэтому приходится оптимизировать интенсивность работы реактора и снижать его производительность.

Существуют и другие противоречия между требованиями к реакторам. Например, более полная утилизация тепла процесса требует усложнения теплообменных устройств, что приводит к возрастанию стоимости реактора. Поэтому при окончательном выборе типа реактора требуется проведения комплексных экономических расчетов.