Лекция 3

Операторы химических превращений (реактор)

Схема 1

Оператор массообмена (ректификация, абсорбция, адсорбция, экстракция, ионный обмен, десорбция)

Схема 2

Оператор смешения

Схема 3

Оператор разделения (сепаратор, фильтр циклоны)

Схема 4

Вспомогательные операторы – отвечают за изменение электрического, или фазового изменения системы

Схема 5

Оператор фазового перехода

С хема 6

Оператор теплообмена (нагрев, охлаждение)

Схема 7

Операторная схема используется для построения химико-технологических систем.

И содержит информацию не только о такая но и о способе управления процесса в целом.

Виды топологических связей:

Решая задачу синтеза химико-технологического процесса необходимо выбрать структуру будущего производства (набор аппаратов) но и топологию то есть последовательность связей между аппаратами зная особенности каждого варианта связей можно прогнозировать поведение системы в целом Типы связей:

А) последовательная топологическая связь характеризуется тем, что весь поток из предыдущего технологического элемента поступает последующий элемент, поток проходит через элемент только один раз

Схема 8

Такая связь позволяет увеличить степень превращения вещества в реакторах смешения (РИС-К) на реакторах вытеснения последовательное соединение аппаратов не сказывается

Б) параллельная топологическая связь – поток разбивается на несколько потоков, каждый из которых проходит через свой аппарат, далее потоки объединяются, поток через каждый аппарат проходит только единожды.

Схема 9

Такая схема позволяет нарастить общую производительность системы если производительности одного аппарата не достаточно, не влияет на индивидуальные свойства реакторов смешения и вытеснения.

В) байпасная ( обводная) топологическая связь в такой схеме основной поток разделяется, одна часть потока направляется в аппарат, другая часть потока минует его. Потоки объединяются на выходе из аппарата, схема применяется для регулирования температуры в каскаде последовательно соединенных аппаратов: горячий поток из реактора смешивается с холодным байпасным потоком и остывает до нужной температуры перед входом в следующий реактор

Схема 10

Циркуляционная топологическая связь

Схема 11

Поток поступает в реактор, на выходе из реактора поток делится на две части. Часть потока возвращается на вход в реактор, каким образом часть потока проходит аппарат один раз, другая многократно

G –прямой поток

L-главный поток (смесь потоков)

R- обратный поток

L=G+R

Доля рециркулятора в загрузке реактора формула a=R/L

Доля сырья в загрузке реактора

A=R/L

B=1-a

K=1/b

Коэфициэнтрециркуляции отношение главного потока к прямому

K=L/G=L/L-R=1/1-a=1/b

Рециркуляционную схему применяют если степень превращения вещества за один проход через реактор низка, тогда часть продуктовой смеси с высоким содержанием сырьевых компонентов возвращается на вход в реактор, более эффективной является циркуляционная связь с последующим разделением продуктов и возвратом на вход только не прореагирывавших сырьевых компонентов

Схема 12

Г) перекрестная топологическая связь последовательно поступает в другой и вновь возвращается в первый, по этой схеме работают автотермические реакционные блоки: тепло продуктов реакции используется для нагрева сырья перед подачей в реакционную зону

Схемы 13

Математические модели ХТ содержат информацию о величине потоков идущих через элементы систем то есть содержат количественную информацию. Математические модели могут быть символическими и иконно-графическими. Символические модели(аналитические) представляют собой набор математических функций описывающих поведение отдельных элементов процесса.

Y=f(X,V,D,K) включает уравнения отдельных элементов

E уравнений Хi+1=Yi вектор передачи параметра

H( X,V,D,K)≥0 граничные условия существования систем

Иконографические математические модели связаны с изображением определенной последовательности выполнения операции при анализе ХТС. К иконографическим моделям относятся

1. Графы – указывают последовательность операций в которых происходит изменение исследуемого свойства процесса (граф - топологическая модель системы, может быть составлен для любого свойства системы на пример потоковый граф общего материального баланса по индивидуальному веществу, тепловой потоковый граф и так далее) Графы состовляют на основе операторной технологической схемы. Граф представляет собой конфигурацию отдельных точек или кружочков каждый из которых отвечает аппарату или технологической операции в которой происходит изменение свойства. Точки или кружки называются вершинами или узлами. Узлы соединяются отрезками прямых, ломанных, или кривых линий со стрелками, указывающих направление потока. Над дугами приводят числа количественно изменяющие направление потоков. Потоковый граф дополняют узлами из которых поступает сырьё или энергия

2. Схема 14

i-исток

s-сток

потоковый граф включает только те технологические операции и аппараты интересующего нас потока

Схема 15

«F=»U-T»S

Зависимость константы равновесия от температуры описывается уравнение изобары Квант-Гофа

dlnKp/dT=^H/RT(кВ)

LgK=a+dT+c + 2

Принцип Леша-Телье позволяет управлять химическим равновесием: в системе выведенной внешним воздействием из состояния равновесия самопроизвольно происходят изменения стремящиеся уменьшить это воздействие и привести систему к новому состоянию равновесия. Рассмотрим влияние давления на положение равновесия:

aA+bB rR+ S

n 0 P

идет

X

Уменьшает порциальное давление компонентов таким образом добавка инертного газа эквивалентна общему равновесию в системе

Влияние Концентрации

-концентрация действует аналогично давлению, введение избытков исходных веществ смещает равновесие вправо, можно увеличивать концентрацию только одного наиболее дешевого компонента, для смещения равновесия вправо можно выводить один из продуктов реакции либо связывая его с каким-то веществом, либо конденсируя.

На пример синтез полиорилата проводят межфазной поликонденсацией контактируя вводный раствор фенолята Натрия

Влияние температуры зависит от знака теплового эффекта реакции:

Эндотермические реакции

протекающие с поглощение тепла смещаются вправо повышением температуры. Графически процесс представляется следующим образом

х

x=1

Т

Для обратимых реакций нужно проводить в течение короткого времени при повышенных температурах, это обеспечит малый обмен реактора и повышенную степень превращения вещества в продукты.

Экзотермические реакции

Экзотермическая реакция протекает с образованием тепла поэтому согласно ПШТЛ (Принцип Лешателье) повышение температуры смещает равновесие в сторону изходных веществ при проведении реакции степень превращения вещества сначала увеличивается, достигает максимума, а затем начинает снижаться приближаясь к равновесию, проведение процесса при разных температурах дает набор аналогичных кривых при чем каждой температуре соответствует своя точка максимума выхода. Высокой температуре в реакторе соответствует малое время контакта и низкий выход продуктов. Низкой температуре процесса соответствует большое время пребывания в реакторе и высокий выход продукта. Если соединить точки максимума выхода, то мы получим линию оптимальных температур (линию оптимальных температурных последовательностей, на практике вместо проведения реакции длительное время в одном аппарате при низкой температура (очень большой размер аппарата) реакцию проводят в каскаде реакторов, сначала при высокой температуре и малом времени контакта, затем массы охлаждают и передают в другой аппарат ,и так далее. Общая степень превращения в каскаде аппаратов высокая, а время пребывания и размер аппаратуры каскада, оказывается в несколько раз меньше чем при проведении процесса в одном аппарате при низкой температуре. Таким образом для обратимых экзотермических реакций необходимо использовать каскад аппаратов с промежуточным охлаждением.

Гетерогенные процессы

Гетерогенные процессы характеризуются наличием границы раздела фаз и стадией переноса вещества из одной фазы в другую. В гетерогенных процессах химические реакции осложнены массообменном, при этом сама химическая реакция может протекать как на границе раздела фаз так и внутри одной из фаз. На границах раздела фаз протекают реакции твердых веществ жидкостями или газами. Одной из стадий процесса является равновесный массаперенос. Равновесие обозначает, что отношение между концентрацией вещества в контактирующих фазах величина постоянна при данном явлении.

-Число молей в газовой и жидкой фазах

X, –концентрация моль

- газовый

X – жидкий

Формально кинетика гетерогенных процессов описываетсяреакцией

П

B

ри рассмотрении кинетики таких процессов используют фронтальную модель твердой частицы, считается, что реакция идет только на поверхности частицы, при чем концентрация твердого вещества постепенно уменьшается от максимума до нуля.

B

ядро

S

B

R-начальный размер

r-текущий размер

размер

Твердая частица окружена неподвижным слоем жидкости или газа обедненного этот слой называют пограничным: на первой стадии происходит диффузия реагента А через пограничный слой.

Диффузия компонента А через слой реагента В

По мере толщина слоя продукта S растет целом скорость 2-й стадии уменьшается.

4-я стадия, обратная внутренняя диффузия продукта R к пограничному слою. Скорость 4-й стадии исчисляется точно так же как предыдущая.

Обратная внешняя диффузия продукта R через пограничный слой в турбулентный поток для обратимых реакций необходимо учитывать скорости 4-й и 5-й стадии, так как они влияют на положение равновесия. Для необратимых реакций эти стадии можно отбросить. В условиях стационарного режима скорости всех стадий равны, тогда общая скорость процесса описывается уравнением, где константа расчитывается

В зависимости от того какая из перечисленных стадий наиболее меднанная процесс может протекать в разных областях, для управления процессом нудно выделить медленную стадию, и принимают меры для её ускорения, для этого строят зависимости скорости от температуры

U

T

Ч то бы определить какая область внешне или внутренне диффузионная строят зависимость скорости процесса от скорости оптекания частицы реагента

U Внешняя диффузионная область

T

U Внутренняя диффузионная область

Дробление реагента не оправданно