2.5 Контрольные вопросы

1. Зачем проводится газификация топлива?

2. Какие реакции называются гетерогенными?

3. Какие области протекания гетерогенного процесса вы знаете?

4. Что такое лимитирующая стадия?

5. Как определяется лимитирующая стадия гетерогенного процесса?

6. Роль температуры и давления в проведении процесса восстановления двуокиси углерода.

7. Какие способы повышения степени превращения реагента применяются в промышленных условиях?

Лабораторная работа № 3. Сравнение эффективности работы изотермических реакторов

3.1 Цель работы

3.1.1 Использование кинетических закономерностей химической реакции для сравнения эффективности работы реакторов.

3.1.2 Изучение влияния гидродинамического режима в реакторе на показатели процесса.

3.2 Краткие теоретические сведения

Основными факторами сравнения химических реакторов, опреде­ляющими выбор типа аппарата, является кинетика химической реак­ции, отношение порядков основной и побочных реакций, а также рас­пределение времени пребывания реагентов, концентраций и температур в реакционном объеме. Эти факторы в различных типах реакторов мо­гут по-разному влиять на степень превращения реагентов, выход, се­лективность и, следовательно, на себестоимость получаемого продукта. Величина удельной производительности реактора, являющаяся одной из важнейших его характеристик, непосредственно связана также с ки­нетикой химического процесса и типом аппарата. Общее правило, ус­танавливающее связь между селективностью процесса и его аппара­турным оформлением: если зависимость между степенью превращения и селективностью падает, то следует выбирать реактор смешения пе­риодического действия или реактор вытеснения, а для реакций с воз­растающей зависимостью – реактор смешения непрерывного дейст­вия [3].

Оценку эффективности реактора по тому или иному технологиче­скому критерию обычно проводят по двум крайним моделям: идеаль­ного смешения (РИС) и идеального вытеснения (РИВ), отражающим гидродинами­ческие характеристики потоков [7]. В реальных аппаратах структура потока отвечает промежуточному варианту модели. Предпочтение от­дается такой конструкции аппарата, которая приближена к идеальному аппарату с наилучшими показателями технологических критериев.

3.3 Математическое описание изотермических реакторов

В данной работе рассмотрены три варианта конструктивного оформления процесса химического превращения: РИС, РИВ и каскад РИС на примере двух химических реакций:

(3.1)

(3.2)

Реакция (3.1) является простой необратимой, реакция (3.2) – параллельной. В обоих случаях целевым продуктом является компонент R. Для определения технологических критериев необходимо соста­вить уравнения математического описания всех указанных типов реак­торов с учетом кинетики реакции. Рассмотрим модели непрерывных реакторов для проведения реакции (3.1).

3.3.1 Реактор идеального вытеснения (РИВ)

Для изотермического реактора математическое описание пред­ставляет собой систему уравнений материального баланса по компо­нентам:

(3.3)

3.3.2 Реактор идеального смешения (РИС)

Уравнения материального баланса в стационарных условиях представляют собой систему вида:

(3.4)

3.3.3 Каскад реакторов идеального смешения (РИС- m)

Параметром этой модели является число ячеек m. Система уравнений материального баланса по компонентам для j-ячейки имеет вид:

(3.5)

В системы уравнений (3.3), (3.4), (3.5) входят: – время пребыва­ния в реакторе, c; – время пребывания в j-й ячейке, с; начальные концентрации компонентов, моль/м³; С_а, С_в, C_R, C_S – текущие значения концентраций, моль/м³; k – константа скорости реакции, м³ /(моль с).

В результате решения систем уравнений (3.3)-(3.5) можно рассчитать концентрации всех компонентов, а затем и технологические критерии (программа № 4, Приложение А).

Ниже приведены системы уравнений материального баланса по компонентам для РИВ и РИС соответственно применительно для ре­акции (3.2).

(3.6)

(3.7)

В результате численного решения систем уравнений (3.6), (3.7) (программа № 5, Приложение А) получают значения концентраций компонентов на выхо­де из реактора и значения технологических критериев.