5.2.4. Задание к лабораторной работе

1. Изучить влияние на технологические показатели процесса окисления диоксида серы следующих параметров: расхода газовой смеси; концентрации SO₂; температуры окисления.

2. Рассчитать равновесную степень превращения SO₂ для заданных параметров с помощью программы, приведенной в Приложении 1. Распечатать диаграмму Х – Т.

3. На полученную диаграмму нанести экспериментальные значения степени превращения для температуры на выходе из слоя катализатора. Проанализировать результаты и сделать вывод о характере влияния варьируемых входных технологических параметров на степень окисления.

4. Вычислить удельную производительность катализатора в контактном аппарате, а также условное время контактирования.

6. Химические реакторы

Цель работы - изучение зависимости степени и скорости превращения реагентов от условий проведения процесса в реакторе смешения периодического действия.

6.1. Общие положения

Химическим реактором называется аппарат, в котором осуществляются химические процессы, сочетающие химические реакции с массо- и теплопереносом. Химический реактор является одним из основных элементов любой химико-технологической схемы (ХТС). От правильности выбора реактора и его совершенства зависит эффективность всего технологического процесса.

Многообразие химических процессов обуславливает разнообразие химических реакторов. В соответствии с этим и классификация реакторов может быть осуществлена по разным признакам, наиболее существенными из которых являются:

1. характер протекания процесса во времени;

2. гидродинамический режим;

3. тепловой режим;

4. фазовое состояние реагентов.

По первому признаку реакторы делят на периодические, непрерывные и полунепрерывные (полупериодические); по гидродинамическому режиму (т.е. по характеру движения реакционной среды) их подразделяют на реакторы вытеснения и реакторы смешения. По тепловому режиму различают реакторы, работающие в адиабатическом, изотермическом и политропическом (политермическом) режиме. По агрегатному состоянию исходных реагентов и продуктов выделяют реакторы для проведения гомогенных, гетерогенных и гетерогенно-каталитических процессов.

В связи со сложностью моделирования работы реальных реакторов, обусловленной влиянием большого числа внешних факторов, для расчета реакторов используют их идеализированные модели. Обычно выделяют следующие типы реакторов:

а) идеального смешения периодический (РИС-П);

б) идеального смешения непрерывный (РИС-Н);

в) идеального вытеснения (РИВ);

г) каскад реакторов идеального смешения (К-РИС).

Одним из важнейших показателей, отражающих совершенство химического реактора, является его интенсивность, которая характеризуется количеством целевого продукта, получаемого в единицу времени при заданных условиях с единицы объема (площади) аппарата. Эта величина не зависит от геометрических размеров и характеристик аппарата, поэтому ее широко используют для сравнения работы однотипных аппаратов, имеющих различные размеры и производительность. Интенсивность тем выше, чем меньше времени затрачивается на получение заданного количества продукта.

Поэтому главной задачей при изучении процессов, протекающих в реакторах любого типа, является установление функциональной зависимости времени пребывания реагентов в реакторе от различных факторов:

 = f [х, с, v], (66)

где х - заданная степень превращения реагента; с - начальная концентрация реагента; v - скорость химической реакции.

Уравнение, связывающее четыре названные величины, называется характеристическим уравнением реактора.

Исходным уравнением для получения характеристического уравнения реактора любого типа является материальный баланс, составленный по одному из компонентов реакционной смеси.

При проведении простой необратимой реакции

А  R

уравнение материального баланса в общем виде записывается так:

G_{A прихода}=G_{A расхода}; (67)

G_{A приход}=G_{А х.р}+ G_{А ст}+ G_{А нак.} (68)

Разность между количеством вещества А, поступающем в единицу времени в реактор (G_{А приход}) и выходящем из него (G_{А ст}) - это количество вещества А, переносимое конвективным потоком (G_{А конв})

G_{А конв} = G_{А приход} – G_{А ст}, (69)

тогда

G_{А нак} = G_{А конв} – G_Ах.р. (70)

В каждом конкретном случае уравнение материального баланса принимает различную форму. Оно может составляться для единицы объема реакционной массы, либо для бесконечного малого (элементарного) объема, либо для реактора в целом. При этом можно рассчитать материальные потоки, проходящие через объем за единицу времени, а можно относить эти потоки к определенной массе одного из исходных расчетов.

В общем случае, когда состав, температура и другие параметры непостоянны во времени (нестационарный режим), материальный баланс составляют в дифференциальной форме для элементарного объема реактора. В результате получают уравнение конвективного массообмена, дополненное членом v_А, учитывающим протекание химической реакции. Составленное по исходному реагенту А оно имеет вид

, (71)

где С_А – концентрация вещества А в реакционной смеси; х, у, z – пространственные координаты; W_х, W_у, W_z – составляющие скорости потока; D – коэффициент молекулярной и конвективной диффузии; v_А – скорость химической реакции.

Член в левой части уравнения (71) отражает накопление вещества А. Этому члену соответствует величина G_Анак в уравнении баланса (70)

Первая группа членов правой части уравнения (71) произведения составляющих скорости потока вдоль осей координат на градиенты концентраций – отражает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме вследствие переноса его вместе с самой средой в направлении, совпадающем с направлением общего потока.

Вторая группа членов правой части уравнения (71) отражает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме в результате переноса его путем диффузии.

Указанные выше две группы правой части уравнения (71) характеризуют суммарный перенос вещества в движущейся среде путем конвенции и диффузии (конвективная диффузия); в уравнении (70) им соответствует величина G_А конв.

Член v_А показывает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме за счет химической реакции. Ему в уравнении (70) соответствует величина G_{А х.р}.

В зависимости от типа реактора и режима его работы дифференциальное уравнение материального баланса упрощается и решение его значительно облегчается.

В том случае, когда параметры процесса постоянны по всему объему реактора и во времени (стационарный режим), нет необходимости составлять баланс в дифференциальной форме. Баланс составляют в конечных величинах, учитывая разность значений материальных потоков на входе в реактор и выходе из него.