- •2. Химическая технология и защита окружающей среды
- •3. Основные направления в развитии химической промышленности.
- •4. Хтп и их классификация
- •5. Уровни анализа, описания и расчета хтп.
- •6. Основные показатели хтп: степень превращения, выход продукта
- •7. Расходные коэф-ты. Избирательность хтп (φ)
- •Скорость хтп. Способы увеличения скорости
- •9. Материальный баланс процесса.
- •10. Тепловой баланс процесса.
- •11. Задачи термодинамического анализа
- •12. Равновесие Принцип Ле-Шателье и его применение в хт. Равновесная степень превращения
- •13.Константа равновесия и способы ее выражения
- •14. Влияние температуры на константу равновесия, ее расчет
- •15.Общая характеристика гомогенных хтп
- •16. Влияние концентраций реагентов на скорость гомогенных процессов и степень превращения
- •Основное кинетическое уравнение:
- •17. Влияние концентрации реагентов на избирательность гомогенных хтп.
- •18. Температура как фактор повышения скорости процесса и управления выходом продукта реакции (необратимые, обратимые, экзо- и эндотермические реакции)
- •19. Влияние температуры на скорость, избирательность процесса и выход продукта при протекании сложных реакций
- •20. Влияние давления на скорость газофазных реакций
- •1 Влияние давления на скорость необратимых процессов
- •2 Влияние давления на скорость обратимых процессов
- •21. Характер изменения основных параметров хтп во времени
- •22. Принципы расчета оптимальных параметров проведения процессов
- •23. Применение катализаторов в гомогенных системах (гомогенный катализ)
- •24. Общая характеристика гетерогенных хтп.
- •25. Процессы протекающие во внешнедиффузионной области.
- •26. Внутредиффузионная область протекания процессов.
- •27. Кинетическая область протекания процессов.
- •28. Основные методы изготовления и требования к катализаторам.
- •29. Особенности протекания каталитических процессов. Гетерогенные каталитические процессы.
- •Области протекания гетерогенных каталитических процессов.
- •Влияние этих торможений на избирательность Кт.
- •Влияние внутридиффузионных торможений на кинетику процесса.
- •30. Переходные области протекания гетерогенного хтп.
- •31. Моделирование хтп. Общие понятия.
- •37. Основные характеристики потоков и их влияние на хтп
- •38. Протекание хтп в потоке идеального вытеснения (ив)
- •39. Температурные режимы протекания хтп.
- •40. Протекание хтп в потоке полного (идеального) смешения.
- •4 0.1. Технологические расчеты.
- •40.2. Закономерность хтп без теплообмена.
- •41. Теплообмен с окружающей средой как фактор интенсификации хтп в потоке.
- •42. Секционирование реакционной зоны потока смешения.
- •42.1. Методы расчета каскада реакционных зон.
- •43. Сопоставление протекания хтп в различных идеальных потоках.
- •43.1. Процессы без тепловых эффектов ( при изотермическом температурном режиме).
- •43.2. Процессы с большими тепловыми эффектами.
- •43.3. Сравнение по избирательности.
- •44. Протекание хтп в неидеальных потоках.
- •45. Химические реакторы
- •45.1. Классификация
- •46. Основные требования к промышленным реакторам:
- •47. Отклонения реальных реакторов от идеализированных моделей
- •48. Реакторы для гомогенных процессов
- •49. Реакторы для проведения гетерогенных процессов в системе г — ж
- •50. Химико-технологические системы (хтс). Основные определение.
- •51. Моделирование химика-технологической системы
- •52. Организация химико-технологического процесса. Выбор схемы процесса
- •53. Основные условные обозначения технолог.Операторов. Основные способы отражения структуры хтс.
- •54. Технологическая схема хтс. Схемы с открытой цепью и циклические
- •55. Элементы анализа и синтеза хтс.
- •56. Основные типы связей.
- •59. Задачи, решаемые при исследовании хтс.
- •60. Сырьё в химической технологии. Комплексное использование сырья.
- •61. Методы очистки воды для производственных процессов. Очистка сточных вод. Замкнутые водооборотные циклы.
- •62. Очистка газообразных промышленных выбросов.
- •63. Обработка твердых отходов
- •64. Виды энергии, применяемые в химической промышленности. Использование тепла отходящих газов: регенераторы, рекуператоры, котлы-утилизаторы.
- •65. Методы обогащения твёрдых, жидких материалов и газов.
47. Отклонения реальных реакторов от идеализированных моделей
При расчете реальных аппаратов по приведенным уравнениям необходимо введение соответствующих поправок на степень неидеальности потока. Для получения информации о характере течения потока в реакторе необходимо проследить путь каждой частицы при движении ее через аппарат, для чего следует изучить их распределение во время пребывания в аппарате. Это осуществляется экспериментально искусственным нанесением возмущений, например введением в поток реагентов трассера (краска, радиоактивный изотоп, флуоресцирующее вещество и т. п.) и снятием так называемых кривых отклика, показывающих зависимость концентрации трассера на выходе из реактора от времени. Например, если было нанесено так называемое «импульсное» возмущение — мгновенное введение трассера в поступающий поток, то на выходе из реактора идеального вытеснения через некоторое время τ0 будет обнаружен мгновенный выход всего трассера и затем сразу же снижение его концентрации до нуля (рис. 44, а). Это объясняется тем, что в реакторе идеального вытеснения все частицы движутся параллельно друг другу с одинаковой скоростью, т. е. время пребывания их одинаково. Таким образом, индикатор движется по длине реактора неразмываемым тончайшим слоем и сигнал, получаемый на выходе в момент т0, в точности совпадает с сигналом, введенным на входе в реактор при τ = 0. Если порцию индикатора, например краски, ввести в реактор идеального смешения (рис. 44, б), то она сразу же равномерно окрасит всю жидкость, находящуюся в реакторе, концентрация ее будет одинакова во всем объеме и соответствовать концентрации на выходе из реактора. Далее концентрация краски в реакторе и на выходе из него будет постепенно убывать, поскольку она выносится выходящим потоком.
Рис.44. Кривые отклика на импульсное возмущение в реакторах:
а — идеального вытеснения; 6 — полного смешения; в — произвольного режима.
Если характер потока в реакторе не отвечает ни идеальному вытеснению, ни полному смешению, примерный вид кривой отклика при импульсном возмущении представлен на рис. 44, в. На рис. 44, в видно, что трассер на выходе появляется позднее, чем при идеальном смешении. При этом концентрация трассера сначала растет во времени, а затем после прохождения максимума падает. Структура потока в таком реакторе занимает некоторое промежуточное положение между структурами потоков в реакторах идеального вытеснения и полного смешения. Для описания процессов, протекающих в такого типа аппаратах, необходимо знать степень отклонения от идеальности. Для определения этой степени используют некоторую упрощенную модель, более или менее точно отражающую .действительную физическую картину движения потоков. В настоящее время для описания структуры потоков в аппаратах промежуточного типа используют диффузионную и ячеечную модели.
Д иффузионная модель предусматривает допущение о том, что для математического описания процесса принимается аналогия между перемешиванием и диффузией. В соответствии с этим отклонение распределения времени пребывания частиц потока в диффузионной модели от распределения их при идеальном вытеснении считают следствием продольного (осевого) и радиального перемешивания. Осевая диффузия может совпадать по направлению с движением основной массы потока или быть направленной в противоположную сторону (продольное перемешивание, обратное перемешивание), в результате чего возникают различия во времени пребывания частиц в реакторе (рис. 45).
Рис.45. Диф-ая модель с продольным перемешиванием.
Процесс диффузии в направлении оси потока Н в большинстве случаев подчиняется закону Фика и потому модель описывается уравнением:
(1)
Параметр DH — коэффициент продольного перемешивания, характеризует степень перемешивания потока по оси (высоте). Перемешивание под влиянием продольной диффузии
снижает среднюю концентрацию реагентов в реакторе и, следовательно, движущую силу процесса. Однако перемешивание снижает диффузионные торможения и, таким образом, увеличивает константу скорости процесса или коэффициент массопередачи в гетерогенных процессах. Усиление перемешивания вызывает также переход от идеального адиабатического процесса к изотермическому, что увеличивает константы скорости экзотермических процессов. Чтобы определить влияние перемешивания на общую скорость химического процесса, следует учитывать, во-первых, возрастание константы скорости и, во-вторых, уменьшение движущей силы процесса. Уравнение (1) представляет собой однопараметрическую диффузионную модель.
Двухпараметрическая модель учитывает перемешивание потока не только в продольном, но и в радиальном направлении. Радиальная диффузия выравнивает профили скоростей концентрации реагентов, температур и сближает время пребывания отдельных частиц в реакторе. Радиальное перемешивание всегда полезно, но оно неразделимо связано с осевым. В дальнейшем будет рассматриваться только однопараметрическая диффузионная модель, т. е. радиальная диффузия не будет приниматься во внимание. Объем реактора при диффузионной модели υд можно определить по объему реактора для потока идеального вытеснения vB с введением корректирующего
фактора φк, т. е.
υд = υВ φк (2)
Корректирующий фактор должен учитывать интенсивность смешения реагентов, геометрию реактора и кинетику реакции (константу скорости). Параметром, характеризующим осевое смешение, является безразмерный комплекс DH /wH, представляющий собой величину Ре', обратную диффузионному критерию Пекле. Комплекс DH /wH может изменяться от нуля для реактора идеального вытеснения до бесконечности для реактора полного смешения. Это подтверждают кривые отклика на импульсное возмущение, приведенные на рис. 46.
Рис. 46. Кривые отклика на импульсное возмущение при различной интенсивности перемешивания в проточном реакторе смешения:
1 – режим практически идеального вытеснения; 2 – режим незначительного продольного перемешивания; 3 – режим полного смешения; 4 – режим промежуточного продольного перемешивания; 5 – режим интенсивного продольного перемешивания.
Рис. 47. Кривые отклика на импульсное возмущение в ячеечной модели.
Ячеечная модель характеризует батарею реакторов с неидеальным потоком реагентов, состоящую из ряда последовательно соединенных по ходу потока, одинаковых по объему ячеек, в каждой из которых поток идеально перемешан. При этом отсутствует перемешивание между ячейками. Наиболее близко этому отвечает каскад реакторов с мешалками. Кривые отклика на импульсное возмущение при различном числе ячеек в модели показаны на рис. 47. С увеличением числа ячеек п структура потока в реакторе все более отклоняется от идеального смешения. При п = ∞ достигается идеальное вытеснение. Таким образом, реактор, работающий в режиме вытеснения, может быть рассмотрен как бесконечная последовательность ячеек идеального смешения. Ячеечная модель используется для расчета реакционных и нереакционных аппаратов ступенчатого типа, например тарельчатых абсорберов, многополочных реакторов и других аппаратов, секционированных по ходу потока. Если в реакторе число ячеек п≥5, то такой реактор с достаточной для промышленной практики точностью может быть рассчитан как реактор вытеснения.