Билет №3. Химический реактор

2) Каскад реакторов идеального смешения. Основные допущения, аналитический и графический методы определения числа секций при проведении реакций n-го порядка.

Химический реактор – основной аппарат любого химического процесса:

1) он определяет экономическую эффективность всего технологического процесса

2) определяет конструктивные особенности процесса

3) определяет технические показатели

4) определяет эксплуатационные характеристики.

Реакторы смешения – это емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом.

Для идеального смешения характерно абсолютно полное выравнивание всех характеризующих реакцию параметров по объему реактора.

Какие задачи решает теория химических реакторов?

1) разработка методов расчета реакторов

2) разработка принципов математического моделирования

3) оптимизация различных типов реакторов.

На конструкцию реактора влияет:

- фазовое состояние системы

- тепловые условия

- кинетические особенности

- уровень давления

- характер воздействия реакционной среды на материал аппарата (коррозионные особенности).

Требования к реакторам:

1) обеспечение оптимального времени пребывания

2) создание наилучшего контакта реагирующих веществ

3) обеспечение оптимальной температуры

4) механическая и коррозионная стойкость

5) удобство обслуживания, монтажа и ремонта, малый вес, малая стоимость.

Вводится понятие идеальных потоков.

1) они характеризуются ясностью физической картины

2) простота математического описания

3) удобство анализа протекания процесса

Идеальные потоки:

1) поток идеального вытеснения

2) поток идеального смешения

- равномерность перемешивания

- постоянство полей Ci, Т, Р

С=const

T=const

Особенности идеальных потоков.

1) они не содержат параметров, отражающих структуру потока

2) единственный параметр потока – время пребывания

Таким образом все потоки идеального смешения подобны и все потоки идеального вытеснения подобны.

КРИС - это последовательно соединенные проточные реакторы идеального смешения. Реакционная смесь проходит через все секции.

В качестве примера КРИС можно рассматривать и проточный реактор, разделенный внутри на секции, в каждой из которых осуществляется перемешивание реакционной смеси.

Допущения:

- каждая секция каскада представляет отдельный реактор идеального смешения (мгновенное изменение параметров процесса, равенство параметров во всех точках секции и в потоке, выходящем из нее);

- концентрация реагентов на выходе из предыдущего реактора равна концентрации на входе в следующий реактор;

- каждый последующий реактор не влияет на предыдущий.

Математическая модель – система уравнений.

1) уравнение кинетики W_rAi=f(C_Ai)

i-1,2,3,…, n

2) уравнение материального баланса

Рис. Изменение концентрации реагента при прохождении реакционной смеси через последовательные секции каскада реакторов идеального смешения (1) и реактора идеального вытеснения (2), единичного РИС (3).

Достоинства:

- малый объем как у РИВ

- простота конструкции, удобство эксплуатации и монтажа

Уравнения материального баланса для любой секции каскада однотипны. Материальный баланс по компоненту J для i-й секции в стационарном режиме работы каскада:

υ*C_{j, i-1} – υ*C_{j, I} – w_rj(C_{j, i})V_i=0 или

τ_i_ср=V_i/υ=(C_{j, i-1} – C_{j, i})/ w_rj(C_{j, i})

Решение математической модели:

1) аналитический способ. Данный метод может быть применен, если уравнения материального баланса могут быть аналитически решены относительно концентрации C_j.

Рассмотрим определение концентрации реагента А на выходе из каскада реакторов, включающего в себя n секций равного объема при проведении реакции:

A→(k) R

τ_1ср=τ_2ср=…=τ_n_ср

То есть объемы реакторов равны V_i=const

τ_∑ср= τ_1ср+ τ_2ср+…+ τ_n_ср=∑ τ_i

i=1

Кинетическое уравнение:

W_rA₁= k*C_A₁

УМБ РИС для первой секции:

τ_{1 ср}=V₁/υ=(C_А,0– C_А,1)/ w_r_А,1

W_rA1=(C_A0-C_A1)/τ_ср=k*C_A(1)

Выражаем из равенства (1) C_A₁:

C_A₁=C_A₀/(1+k*τ_ср)

УМБ РИС для второй секции:

τ_{2 ср}=V₂/υ=(C_А,1– C_А,2)/ w_r_А,2

Кинетическое уравнение:

W_rA₂= k*C_A₂

Выражаем из равенства (1) C_A₂:

C_A2=C_A1/(1+k*τ_ср)=C_A0/(1+k*τ_ср)²

Продолжая аналогичные расчеты, для n-й (последней) секции каскада получим:

C_An=C_A₀/(1+k*τ_ср)ⁿ

Тогда число секций:

n=[ln C_A0/C_An] / ln(1+k*τ_ср)

или если учесть, что С_А/С_А,0=1-х_А, то 1-х_А=1/(1+ k*τ_ср)ⁿ

n=lg (1/1-x_A)/lg(1+ k*τ_ср)

2) Графический метод.

tgφ= -1/τ_ср

1) кинетическое уравнение

W_rA=f(C_A)=y₁

2) уравнение материального баланса

W_rA=f(C_A)=y₂

W=1/τ_ср*(C_A₀-C_A₁)

Сначала, графически решая уравнение для первой секции:

находим концентрацию С_А,₁, построив кинетическую кривую w_rA(C_A) и прямую с тангенсом угла наклона (-1/ τ_ср_i), пересекающую ось абсцисс в точке С_А,0. Далее решаем уравнение для второй секции:

Для расчета концентрации на выходе из n-го реактора графическое решение повторяют n раз.

Если требуется рассчитать число секций n, необходимое для достижения заданной степени превращения х_А, графическое построение продолжают до тех пор, пока абсцисса точки пересечения прямой