Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Коллоквиум №2. Иванова Е А.docx
Скачиваний:
180
Добавлен:
27.11.2020
Размер:
679.36 Кб
Скачать

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«МИРЭА Российский технологический университет»

РТУ МИРЭА

Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

(наименование Института)

Кафедра общей химической технологии

(наименование кафедры)

Коллоквиум №2

Вариант 1

Работу выполнила

Студентка группы ХБМО-02-20

Иванова Елена Анатольевна

Руководитель работы

Кацман Евгений Александрович

Москва, 2020

Реакция

k1, 1 порядок

k2, 2 порядок

  1. Математическое описание реакции с учетом тепловых факторов для реактора идеального смешения и идеального вытеснения

    1. Реактор идеального вытеснения

Уравнение теплового баланса

где i – номер стадии реакции; m – число стадий; QPi – удельный тепловой эффект i-й стадии; Kт – коэффициент теплопередачи; fт – удельная поверхность теплопередачи (отношение поверхности к объему аппарата); Ттн – температура теплоносителя, с которым осуществляется теплообмен.

Qj стадии - удельный тепловой эффект j-ой реакции;

KT - коэффициент теплопередачи;

fT - удельная поверхность теплопередачи (отношение поверхности к объёму аппарата);

Tтн - температура теплоносителя, с которым осуществляется теплообмен;

ρ – плотность;

сT – теплоёмкость.

Удельный тепловой эффект обратимой реакции равен разности энергий активации обратной и прямой стадий.

Зависимость температуры в реакторе от его длины определяется соотношением скоростей двух процессов, связанных с обменом тепла в реакторе: образования тепла за счет реакции и отвода тепла за счет теплопередачи. Скорость образования тепла за счет реакции зависит от скорости реакции и от ее теплового эффекта, скорость отвода тепла от реактора связана с температурой внутри реактора и с температурой охлаждающей среды. Соотношение этих скоростей может быть различным, но можно представить себе типичный случай зависимости температуры от длины реактора. В начале реактора реакция идет с большой скоростью, скорость выделения тепла большая и можно представить себе, что она больше скорости отвода тепла. Если тепла выделяется больше, чем отводится, температура в реакторе будет возрастать. Далее, по мере расходования реагента, реакция идет со все меньшей скоростью и скорости выделения и отвода тепла сначала сравняются, а затем уже скорость отвода тепла будет больше, чем скорость выделения и температура в реакторе начнет уменьшаться.

В уравнении теплового баланса комплекс описывает скорость выделения тепла, а член - скорость отвода тепла. В зависимости от соотношения этих величин производная может быть положительной или отрицательной, т.е. температура будет возрастать или убывать в зависимости от времени реакции, что для аппарата идеального вытеснения соответствует изменению по длине.

    1. Реактор идеального смешения

Уравнение теплового баланса:

Здесь первый член – вход тепла с потоком (T0 – начальная температура) за вычетом ухода тепла с уходящим потоком; второй – источник (выделение тепла реакции) или сток в случае эндотермии; третий – уход тепла через поверхность теплообмена fт (или вход, если Т < Ттн).

В реакторе идеального смешения температура меняется скачком на входе в реактор. Режим работы в реакторе идеального смешения – изотермический, температура постоянна.

При этом математическое описание соответствует графику: график – линейный, а в модели идеального смешения из уравнения исчезают сильно нелинейные уравнения Аррениуса.

Перепишем тепловой баланс для РИС в следующем виде:

Левая часть отвечает за выделение тепла в ходе химической реакции (Q1). Правая часть уравнения отвечает за отвод тепла, т. е. количество тепла, выводимого в единицу времени с потоком и через стенку (Q2).

В стационарном режиме Q1 = Q2

Q2 линейно зависит от Т.

Зависимости выделения и отвода тепла от температуры в реакторе

Вид зависимости Q1 от Т качественно одинаков с зависимостью скорости химической реакции от температуры

На рисунке зависимости Q1 и Q2 от Т представлены графически. Линия I выделения тепла и линия II отвода тепла пересекаются в трех точках при температурах Т1, Т2 и T3. При этих температурах процесс стационарен. Таким образом, возможны три различных стационарных режима.

В точке 1 прямая идет круче кривой, поэтому при температуре T1 + dT скорость отвода тепла окажется выше, чем скорость его выделения. Поэтому после снятия возмущения реактор начнет охлаждаться. Охлаждение будет продолжаться до тех пор, пока реактор не вернется к температуре Т1. При этой температуре скорости выделения и отвода тепла опять уравняются и режим снова станет стационарным. Наоборот, если в результате возмущения реактор слегка охладится, то скорость выделения тепла станет больше, чем скорость его отвода и реактор начнет нагреваться, пока снова не достигнет Т1. Таким образом, при температуре Т1 режим устойчив.

При температуре Т3 с точки зрения устойчивости картина полностью аналогична предыдущему режиму. Прямая теплоотвода также идет круче, чем кривая выделения тепла. Точно такие же рассуждения приводят к такому же выводу: режим устойчив.

В точке 2 наклон прямой теплоотвода меньше, чем наклон кривой выделения тепла. При повышении температуры до T2 + dT скорость выделения тепла станет большей, чем скорость теплоотвода. После снятия возмущения реактор будет не охлаждаться, а нагреваться, удаляясь от начального состояния. Нагревание будет продолжаться до тех пор, пока при температуре T3 реактор не придет в устойчивое стационарное состояние. Точно так же при случайном охлаждении реактор будет самопроизвольно охлаждаться до тех пор, пока не дойдет до устойчивого состояния при Т1.

Соседние файлы в предмете Моделирование химико-технологических процессов