II. хим реакторы

П р а к т и ч е с к и е в ы в о д ы . При n1 = n2 достигаемая в реакторе степень превращения не будет влиять на селективность процесса. Если n1 > n2, то достижение высоких степеней превращения может быть нецелесообразным из-за уменьшения избирательности по продукту R. Если n1 < n2, то увеличение степени превращения благоприятно для селективности по продукту R. Повышение температуры благоприятно и для интенсивности, и для селективности процесса, если Е1 > Е2. В противоположном случае (Е1 < Е2) снижение температуры благоприятно для селективности процесса в ущерб его интенсивности.

Сложная реакция с последовательной схемой превращения

СA = С0, СR = СS =0 при = 0.

Решим систему уравнений (4.22) относительно концентраций реагентов А, R и S:

Система (4.28) приобретает вид:

Система уравнений (4.29) в общем виде не имеет аналитического решения

Анализ процесса.

В а д и а б а т и ч е с к о м р е ж и м е теплообмена с окружающей средой (теплоносителем) нет, т.е. В = 0 и система (4.29) примет вид:

Решением системы уравнений (4.30) является линейная зависимость

Т - Тн = Tад(х - хн), (4.31)

где (Т - Тн) - разогрев реакционной смеси до достижения степени превращения х. Разогрев реакционной смеси не зависит пути превращения. Т.е. результат процесса (конечная Т) не зависит от изменения состояния химически реагирующей сис-мы (степени превращения) и не зависит от пути превращения, от кинетики

Зависимость х(Т) (рис. 4.15) адиабатического процесса представляет прямую линию с тангенсом угла наклона : tg = 1/ Tад, причем для экзотермической реакции наклон положительный (QP > 0 и Tад > 0), для эндотермической - отрицательный (QP 0 и Tад 0). Чем больше абсолютное значение Tад, тем

реакционная смесь будет сильнее разогреваться или охлаждаться (штриховая линия на рис. 4.15 для экзотермической реакции).

Рис. 4.15. Зависимость x(Т) для адиабатического процесса в режиме ИВ: 1 - эндотермическая реакция; 2, 3- экзотермическая реакция (сплошная линия соответствует Тад, штриховая -

Т’ад > Тад)

Изменение Т и х с в ходе экзотермического и эндотермического процесса показано на рис. 4.16 и 4.17.

Протекание реакции сопровождается ростом степени превращения х и уеличением (экзорис.4.16) или уменьшением (эндорис.4.17) температуры Т. Максимальный разогрев достигается при х→1 и равен Т’ад. На зависимость влияет исходная концентрация, увеличение которой ведет к повышению адиабатического разогрева ( Т’ад) и ускорению превращения (кривые 2 на рис. 4.16).

Со п о с т а в л е н и е а д и а б а т и ч е с к о г о п р о ц е с с а с и з о т е р м и ч е с к и м д л я РИ В и л и РИ С - п .

Если изотермический процесс осуществляется при температуре Т1 равной Тн (рис. 4.16 и 4.17 штиховые линии), то изотермический процесс в сравнении с адиабатическим экзотермическим будет менее интенсивным, а в сравнении с эндотермическим более интенсивным. Если температура изотермического процесса Т2 > Тн, то изотермический процесс будет интенсивнее адиабатического экзотермического, до тех пор, пока температура экзотермического процесса не станет равной Т2. В эндотермическом процессе при Т2 < Тн картина будет обратной. Если реакция обратимая, то общий характер зависимостей "х - " и "Т - " для экзо- и эндотермических реакций сохраняется, но процесс будет протекать только до равновесной степени превращения (рис. 4.18 зависимость хP(Т) и х(Т)). Пересечение этих линий соответствует максимальному разогреву в слое - Tmax.

Рис. 4.18. К определению максимального адиабатического разогрева Тmax при протекании обратимых экзотермической (а) и эндотермической (б) реакций; xр - равновесные степени превращения; прямые - адиабаты в режиме ИВ

Режим (модель) идеального смешения непрерывный - ИС-н.(рактор2,3,8)

Процесс стационарный (dNi/dt = 0 и dq/dt = 0) Благодаря ИС изменение х, с, Т, r, SR в реакторе

происходит мгновенно (скачкообразно)

Влюбой т. реакц. объема устанавл. абсолютно одинаковые значения х, с, Т, r, SR

Св-ва элементарного объема идентичны свойствам всего объема. Объем реакционной смеси не меняется

Вединицу времени в реактор входит поток реагентов объемом V0, содержащий компоненты в количестве V0Сi0. Температура во входном потоке - Т0. Из реактора выходит поток V0 с температурой Т с содержанием каждого компонента - V0Сi..

Источник веществ - химическое превращение: Ni,ист = Wi(С, Т)vp. 0=V0Сi0 - V0Сi+ Wi(С, Т)vp.

vp/V0 = - как условное время реакции (среднее время пребывания реакционной массы в реакционной зоне, определяемое как отношение объема реакц. зоны к объемному расходу реакционной массы при раб. условиях). Уравнение (4.1) примет вид:

теплообмена, условного времени реакции и удельной поверхности теплообмена:

(Сi - Сi0)/ = Wi(С, Т).

Математическая модель РИС-н: сp.(Т - Т0)/ = QPr(С, Т) – КTFуд(Т - ТX). Начальные условия входят в ур-я

Изотермический режим РИС-н

Простая необратимая реакция А = R. Изотермический процесс в проточном реакторе идеального смешения описывается уравнением (4.9, б):

(СA - С0)/ = WA(С)

Найдем концентрацию и степень превращения в реакторе при протекании

Характер влияния Т, С0, n на С( ) будет такой же, как и в рассмотренном выше процессе в режиме идеального вытеснения (рис 4.4-4.6).

Простая обратимая реакция А = R.

Выразим модель процесса (С - С0)/ = W(С) через степень превращения хA:

Вид зависимость х( ) и влияние на нее температуры будет такое же, как в режиме ИВ. (рис4.7 – 4.8)

Сложные реакции.

Приведены зависимости для частных реакций первого порядка.

П а р а л л е л ь н а я с х е м а п р е в р а щ е н и я : k1 R

П о с л е д о в а т е л ь н а я с х е м а п р е в р а щ е н и я :

kk

А1 R 2 S

Зависимость С( ), влияние на нее температуры, а так же изменение избирательности с будет такой же, как и в режиме идеального вытеснения (см.

рис. 4.9 - 4.11).

Сравнение и выбор эффективного реактора

Важнейшими показателями работы реактора, определяющими экономичность химического процесса, являются:

1)размер реактора, от которого зависит его интенсивность;

2)избирательность протекающего в нем процесса, т.е. селективность;

3)выход продукта.

Для изотермического режима

При протекании простых необратимых реакций типа A → R превращение идет в одном направлении, и чем выше степень превращения, тем больше выход продукта. Выберем из двух проточных реакторов идеального вытеснения и идеального смешения, реактор меньшего объема vp, требуемого для достижения заданной степени превращения.

(Уравнения РИС-П и РИВ идентичны, поэтому время протекания химической реакции, необходимое для достижения заданной степени превращения, в этих реакторах одно и то же. Но в РИСП полное время процесса складывается из вспомогательного и рабочего времени а в РИВ вспомогательные операции отсутствуют; процесс протекает непрерывно, поэтому интенсивность РИВ выше, чем РИС-П.)