лекции / все лекции по охт

УСТОЙЧИВОСТЬ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ

Пусть процесс находится в стационарном режиме 1 (рис. б).

Температура в реакторе Т1. Пусть по каким-либо причинам температура увеличилась до Т1'. При этом qт возрастет больше, чем qp. Если источник возмущения устранен, то преобладающий теплоотвод (qт) приведет к снижению температуры. Режим самопроизвольно вернется в первоначальное состояние с

температурой Т1. Если температура в реакторе уменьшится до Т1", то тепловыделение qp станет больше теплоотвода qт. Реактор будет разогреваться до температуры стационарного

режима Т1. Аналогичная ситуация будет и в высокотемпературном стационарном состоянии 3 (рис. г).

Такие стационарные состояния называются устойчивыми, и для них выполняется условие

В среднетемпературном режиме 2 (рис. в) повышение температурыотТ2 до Т2' из-за возможного возмущения режима приведет к более сильному возрастанию тепловыделения qp, чем теплоотвода qт.

Температура в реакторе будет продолжать увеличиваться вплоть до высокотемпературного стационарного состояния. Самопроизвольно прежний среднетемпературный режим не восстановится. Понижение температуры доТ2"приведет к дальнейшему остыванию реактора, вплоть до достижения низкотемпературного состояния. И такое будет происходить при любых малых изменениях T - первоначальный стационарный режим не будет восстанавливаться самопроизвольно.

Такой режим называется неустойчивым. Для него

Вывод: Если в стационарное состояние внесено кратковременное возмущение, и после его снятия первоначальное состояние самопроизвольно восстановится - оно считается устойчивым.

Неустойчивое стационарное состояние самопроизвольно не восстанавливается после внесения в него кратковременных возмущений.

СПОСОБЫ ПОДДЕРЖАНИЯ УСТОЙЧИВОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

Чтобы перевести процесс в реакторе в .благоприятный режим работы, нужно изменить взаимное расположение qp и qт, например, путем увеличения входной температуры Т0 (а), изменения теплоемкости реакционной смеси (б), влияя на концентрацию реагентов, также изменив время пребывания реагентов в реакторе (в).

КАСКАД РЕКТОРОВ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ К-РИС

В единичном РИС-Н не достигается высокая степень

превращения, т.к. концентрация исходного вещества с0 в нем мгновенно снижается от исходной до конечного значения сК и весь процесс протекает при низкой концентрации и значит при низкой скорости. Поэтому для увеличения скорости реакции и степени превращения можно использовать ряд последовательно расположенных РИС – каскад реакторов К-

РИС. Концентрация исходного реагента с0 в таком каскаде снижается до конечной не сразу (степень превращения соответственно повышается), а ступенчато от реактора к реактору рис. 1 и 2.

В каждом реакторе концентрация исходного вещества в объеме постоянная и равна концентрации его на выходе из реактора. В целом рабочая концентрация с в каскаде на всем протяжении процесса устанавливается выше, чем в единичном РИС-Н, и при увеличении числа реакторов ее изменение приближается к модели РИВ.

РАСЧЕТ К-РИС

Расчет К-РИС заключается в определении числа реакторов N, необходимых для достижения заданной степени превращения сК. Существуют аналитический и графический методы расчета.

Аналитический метод расчета удобно использовать при протекании реакции первого порядка.

Дано: исходные условия (с0, объемы реакторов в К-ИС, объемный расход смеси V0 на входе в К-ИС, будем его считать постоянным); Конечные условия (концентрация сК или степень превращения хК.

Требуется определить необходимое число реакторов в каскаде N. Для каждого реактора в К-РИС запишем:

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КАК ОБОБЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Структура и описание химико-технологической системы

По определению (см. лекцию 1) Химическое производство (ХП)-

совокупность операций, осуществляемых в машинах и аппаратах связанных между собой технологическими, энергетическими, информационными потоками и предназначенных для переработки сырья в продукты.

Все части ХП взаимосвязаны, функционируют вместе, обеспечивая получение продукции и выполняя другие функции производства (такие, как управление, снабжение водой, теплом, энергией).

Такой объект называется также системой.

Система - совокупность элементов и связей между ними, функционирующая как единое целое.

Элемент изменяет входящие в него потоки – их свойства и состояние. Выходящие потоки передаются по связям в другие элементы, в которых происходят последующие изменения потоков. Такая система функционирует как единое целое, перерабатывая входящие в нее потоки в выходящие из нее. Для исследования таких объектов, их свойств, особенностей функционирования используется теория систем.

Применительно к химическому производству элементы – это машины, аппараты и другие устройства; связи - трубо-, газо-, паропроводы, которые соединяют машины, аппараты, устройства. В элементах происходит превращение потоков (изменение их состояния - разделение, смешение, сжатие, нагрев, химические превращения и прочее). По связям потоки (материальные, тепловые, энергетические) передаются из одного элемента в другой. Это позволяет представить химическое производство как химикотехнологическую систему (в дальнейшем будем также использовать сокращение ХТС).

Химико-технологическая система (ХТС) - совокупность аппаратов,

машин и других устройств (элементов) и материальных, тепловых, энергетических и других потоков (связей) между ними, функционирующая как единое целое и предназначенная для переработки исходных веществ (сырья) в продукты.

Элемент изменяет состояние потока. Например, реактор производит изменение химического состава потока, теплообменник меняет его теплосодержание.

В зависимости от цели исследований не все аппараты будут влиять на интересующие свойства ХТС. Если цель исследований - определение производительности, выхода продукта и другие материальные показатели, то теплообменники, насосы и другое оборудование, не изменяющие напрямую состав потоков, можно не включать в ХТС. В этом случае говорят, что рассматривается технологическая подсистема производства. Если цель исследований - обеспечение производства энергией, то в ХТС включают энергетическое оборудование как ее элементы, и рассматривают энергетическую подсистему.

Характерные признаки ХТС

1)определенная целенаправленность, т.е. наличие общей цели функционирования всех элементов: системы работает на выпуск определенной продукции;

2)большое количество и ассортимент элементов (аппаратов), связанных материальными, энергетическими, информационными потоками, отсюда и большое число параметров, характеризующих работу ХТС;

3)сложность поведения системы, выражающаяся в том, что изменение режима одного из них отражается на работе других элементов или ХТС в целом, при этом оптимальный режим работы какого-либо элемента не гарантирует наилучшие условия функционирования ХТС;

4)высокая степень автоматизации и компьютеризации процессов Представив химическое производство как химико-технологическую

систему, можно использовать системный анализ для его исследованию, т.е. иметь научный метод его изучения.

Системный анализ ХТС - совокупность научных методов и средств изучения сложных химико-технологических систем, основанных на химических, физических и математических науках, моделировании, вычислительной технике, автоматическом управлении и т.д., и дополненных практическим опытом разработки и эксплуатации химических производств.

Последовательность этапов при исследовании ХТС:

1.Выделение элементов, которые определяют свойства ХТС.

2.Установление зависимости выходных потоков от входных для каждого элемента, т.е. получение его математического описания (см., например, матмодели реакторов РИВ или РИС, или теплообменной аппаратуры из курса ПАХТ). Поскольку в элементах ХТС происходят превращения потоков, то их описание основывается, главным образом, на физико-химических закономерностях протекающих в них процессов.