Автоматизація реакторних процесів (ч.1)

16.1. Спрощена структурна схема хімічного реактора.

16.2. Показники ефективності реакторного процесу.

16.3. Схема реактора безперервної дії з мішалкою з екзотермічною реакцією 1-го порядку А  В.

16.4. Математичний опис реактора на основі фізико-хімічних особливостей процесу.

16.4.1. Стехіометричне рівняння хімічної реакції.

16.4.2. Рівняння гідродинаміки процесу.

16.4.3. Матеріальний баланс реакторного процесу по всій речовині.

16.4.4. Матеріальний баланс реакторного процесу по речовині А,що

витрачається.

16.4.5. Тепловий баланс реакторного процесу.

16.5. Інформаційна схема реактора на основі балансової моделі.

16.1. Спрощена структурна схема хімічного реактора.

• Хімічний процес (3) визначається:

• рівняннями кінетики

• взаємодією гідродинамічних, масообмінних і теплових процесів в апарату,

• від яких залежать концентрації реагентів, температура ( і тиск Р реакторного процесу.

Хімічні перетворення (3) приводять до зміни теплових (2) і гідродинамічних процесів (1) у реакторі

• Визначення характеру процесів, що протікають у реакторі, на основі аналізу співвідношення між швидкістю хімічної реакції r і швидкістю матеріального обміну r_обм.

1. При :

• процес іде в кінетичній області;

• швидкість процесу визначає хімічна взаємодія;

• масообмін не впливає на швидкість хімічної реакції.

2. При :

• процес іде в дифузійній області;

• процес характеризується масообміном;

• визначальною стадією є транспорт реагуючих речовин.

3. При :

• процес іде в перехідній області;

• швидкість процесу є складною функцією реакційно-кінетичних і дифузійних залежностей.

16.2. Показники ефективності реакторного процесу.

1. Ступінь перетворення.

• Ступінь перетворення U_n , представлена через мольні частки:

(1а)

де n₀ - число молів компонента у вихідному потоці;

n - число молів компонента в реакційній суміші.

• Ступінь перетворення U_m , представлена через масові частки:

(1б)

де m₀ - маса компонента у вихідному потоці;

m - маса компонента в реакційній суміші.

• Фактори, що впливають на ступінь перетворення:

•  і Р - температура й тиск, впливають на зсув хімічної рівноваги в реакції;

• t_р - тривалість хімічної реакції;

• З₀ - концентрації вихідних речовин;

• підбор каталізатора;

• величина потоку рециркуляції.

2. Вихід продукту.

Визначення виходу продукту Х:

(2)

m_ф - маса фактично отриманого продукту;

m_т - маса теоретично можливої кількості продукту з даної вихідної речовини.

• Фактори, що впливають на вихід продукту Х:

θ - температура;

Р - тиск;

С_i - сполука реакційної суміші;

t_пр - час перебування реакційної суміші в апарату.

• Вихід продукту характеризує:

• ступінь досконалості технологічного процесу: чим ближче Х  1, тим ближче видаткові коефіцієнти до стехіометричним;

• економічні показники технологічного процесу: чим ближче Х  1, тим краще економічні показники реакторного процесу

3. Вибірковість хімічного процесу.

• Вибірковість хімічного процесу характеризує частку вихідних речовин, перетворених у цільовий продукт, стосовно загальної кількості хімічно перетворених вихідних речовин:

(3)

- кількість молів вихідного продукту, перетворених у цільовий продукт;

- кількість молів хімічно перетворених вихідних речовин.

• Вибірковість впливає на економічні показники процесу.

4. Швидкість хімічного процесу.

• Швидкість хімічного процесу - це кількість речовини, що реагує або утвориться в одиницю часу в одиниці об'єму (або на одиниці поверхні):

(4)

- рушійна сила процесу,

обумовлена для хімічних реакцій як добуток концентрацій компонентів у ступенях, рівних їх стехіометричним коефіцієнтам;

К - константа швидкості реакції,

обумовлена на підставі рівняння Аррениуса.

• Швидкість процесу характеризує продуктивність хімічного реактора.

• Основні фактори, що впливають на швидкість реакції:

• С₀ - сполуку вихідних реагентів;

• θ - температура;

• Р - тиск.

16.3. Схема реактора безперервної дії з мішалкою

з екзотермічною реакцією 1-го порядку А  В.

• Показник ефективності реакторного процесу в загальному випадку - концентрація цільового продукту в реакційній суміші С^В .

• Ціль управління в загальному випадку:

• забезпечення в реакційній суміші .

• Ціль управління для даного процесу:

забезпечення в реакційній суміші . Позначення на мал.

• G₀ , G , G_хл - масові витрати вихідного реагенту, реакційної суміші й хладоагента, кг/с;

• c_p0 , c_p , c_pхл - питомі теплоємності відповідних потоків, дж/(кг*град);

•  - щільність реакційної суміші, кг/м³ ;

• ₀ , , _хл - температури вихідного реагенту, реакційної суміші й хладоагента;

• - концентрації компонента А в вихідному реагенті й реакційній суміші, кг/кг;

• V - об'єм реакційної суміші, м³ ;

• h - рівень реакційної суміші, м;

• T_ср - середній час перебування реакційної маси в реакторі;

• -(H - тепловий ефект екзотермічної реакції, дж/кг;

• r - швидкість хімічної реакції, кг/(м³*с).

16.4. Математичний опис реактора

на основі фізико-хімічних особливостей процесу.

16.4.1. Стехіометричне рівняння хімічної реакції.

• Стехіометричне рівняння хімічної реакції, що характеризує її матеріальний баланс:

(1а)

• Стехіометричне рівняння для даного реактора:

(1б)

де _i , _i ,  ,  - стехіометричне коефіцієнти, числа реагуючих молів компонентів процесу.

Рівняння кінетики хімічної реакції.

• Результуюча швидкість оборотної реакції:

(2)

- загальний порядок реакції;

- швидкість прямої реакції;

- швидкість зворотної реакції;

; - константи швидкості,

Z_А й Z_В - емпіричні коефіцієнти;

Е_А й Е_В - енергії активації.

• Кінетика для реактора типу мал.4.1:

• швидкість прямого процесу:

(3а)

• швидкість зворотного процесу:

(3б)

16.4.2. Рівняння гідродинаміки процесу.

• Рівняння гідродинаміки процесу характеризує тиск у потоці як складну функцію:

(4)

x, z - координати потоку;

 - ламінарна в'язкість, що характеризує сили внутрішнього тертя;

k - турбулентна в'язкість;

 - щільність реакційної маси;

V - об'єм реакційної маси;

t - поточний час.

16.4.3. Матеріальний баланс реакторного процесу

по всій речовині.

Рівняння динаміки:

(1)

Рівняння статики при : (2)

• На основі(1) і (2):

(3)