Процессы газ-жидкость, жидкость-жидкость

Гетерогенные процессы

Гетерогенные процессы характеризуются наличием границы раздела фаз и стадией переноса вещества из одной фазы в другую. В гетерогенных процессах химические реакции осложнены массообменном, при этом сама химическая реакция может протекать как на границе раздела фаз так и внутри одной из фаз. На границах раздела фаз протекают реакции твердых веществ жидкостями или газами. Одной из стадий процесса является равновесный массаперенос. Равновесие обозначает, что отношение между концентрацией вещества в контактирующих фазах величина постоянна при данном явлении.

-Число молей в газовой и жидкой фазах

X, –концентрация моль

- газовый

X – жидкий

Формально кинетика гетерогенных процессов описываетсяреакцией

B

При рассмотрении кинетики таких процессов используют фронтальную модель твердой частицы, считается, что реакция идет только на поверхности частицы, при чем концентрация твердого вещества постепенно уменьшается от максимума до нуля.

B

ядро

B

S

R-начальный размер

r-текущий размер

размер

Твердая частица окружена неподвижным слоем жидкости или газа обедненного этот слой называют пограничным: на первой стадии происходит диффузия реагента А через пограничный слой.

Диффузия компонента А через слой реагента В

По мере толщина слоя продукта S растет целом скорость 2-й стадии уменьшается.

4-я стадия, обратная внутренняя диффузия продукта R к пограничному слою. Скорость 4-й стадии исчисляется точно так же как предыдущая.

Обратная внешняя диффузия продукта R через пограничный слой в турбулентный поток для обратимых реакций необходимо учитывать скорости 4-й и 5-й стадии, так как они влияют на положение равновесия. Для необратимых реакций эти стадии можно отбросить. В условиях стационарного режима скорости всех стадий равны, тогда общая скорость процесса описывается уравнением, где константа расчитывается

В зависимости от того какая из перечисленных стадий наиболее меднанная процесс может протекать в разных областях, для управления процессом нудно выделить медленную стадию, и принимают меры для её ускорения, для этого строят зависимости скорости от температуры

U

T

Что бы определить какая область внешне или внутренне диффузионная строят зависимость скорости процесса от скорости оптекания частицы реагента

U Внешняя диффузионная область

T

U Внутренняя диффузионная область

Дробление реагента не оправданно

Аналогичны, для описания процессов используют двухпленочную модель раздела фаз, с каждой стороны границы раздела фаз находится свой пограничный слой. Далее следуют турбулентные потоки каждой из фаз. Перенос вещества непосредственно через границу подчиняется законам равновесия

Процесс протекает через станции:

1) Диффузия молекул газа А через пограничный слой

2)

3)

4)

5)

Для большинства газов растворимость падает с температурой, в связи с этим имеется оптиум по температуре, аппарат должен иметь рубашку для поддержания оптимальной температуры. Что бы уменьшить толщину пограничного слоя и поднять коэфициент нужно применять интенсивное перемешивание, попутно увеличивается площадь раздела фаз, а значит и интенсивность процессазначит реактор должен быть снабжен мешалкой.

Кинетические модели реакций в системе газ-жидкость: в зависимости от скоростипротекания химической реакции возможны 2-а случая

1) Скорость реакции меньше скорости массапереноса, тогда реакция идет гомофазно,внутри жидко фазы. Этот гомогенный процесс осложненный масапереносом, скорость можно увеличить подняв концентрацию вещества В и в набольших пределах, изменив температуру

2) Химическая реакция идет быстро, внутри пограничного слоя

Основные стадии масса переноса те же отличие заключается в том, что вещество преодолевщее границу раздела фаз участвует в химической реакции то если концентрация вещества в жидкой фазе равна нулю, если реакция протекает медленно то вещество А успевает преодолеть пограничный слой жидкости и скорость диффузии в пограничном слое не меняется, если реакция протекает быстро, то она захватывает пограничный слой.

Лекция 4

Сигнальный граб учитывает последовательность расчета систем уравнений составляющих математическую модель системы

Структурная блок схема: иконографическая модель соответствующая символической (аналитической модели) на структурной блок-схеме каждый квадратик соответствует аналитической модели элемента АТС в каждом квадратике указывается набор коэффициента передач и уравнение связывающее входные и выходные параметры

Вектор входных Вектор выходных параметров

Параметров

Все виды символических и иконографических схем связаны между собой и отражают различные стороны одного и того же объекта.

Синтез ХТС (химико-технологических процессов)

Задача создания нового производства складывается из ряда стадий – синтез, схемы, анализ, структуры и функционирования этой схемы, расчета схемы и оптимизации выходных параметров. Задача решается перебором вариантов схем последующим расчетом, но начинается с синтеза. Задача синтеза нового производства и синтеза варианта реконструкции действующего производства несколько отличаются, в частности при создании новой ХТС имеется широкий выбор элементов схемы и вариантов их соединения, а при реконструкции требуется максимально сохранять существующие элементы и частично сохранять топологию соединения элементов. Задача синтеза может быть сформулирована следующим образом: известно химическое описание процессов протекающих в ХТС; состав и параметры сырьевых потоков; состав и параметры продуктовых потоков (требования к качеству продукции) известен критерий к оптимальности функционирования – максимум выхода, надежности, управляемости, устойчивости к функционированию. Минимум затрат на производства, воздействия на окружающую среду. Ограничение на параметры функционирования элемента. Необходимо определить -- состав ХТС т.е. входящие в производство аппараты, структуру и топологию последовательность соединения аппаратов в единую схему. Конструктивные параметры аппаратов. Технологические режимы работы аппаратов. Параметры управления системы в целом обеспечивающие оптимальные условия функционирования производства. Задача синтеза ХТС является много вариантной то есть один и тот же результат может быть получен с разным составом и топологией ХТС. Существует несколько методов синтеза ХТС

1) Перебор вариантов топологии состава и параметров функционирования системы не имея дополнительной информации то может быть синтезировано большое количество вариантов, сократить количество вариантов можно используя хорошо известные зависимости на пример: известно что тепло от холодных тел горячим не переходит, известно, что вещество распространяется из зоны высокой концентрации в зону низкой и так далее пользуясь этими правилами можно исключить из рассмотрения значительную часть вариантов синтеза ХТС.

2)

Подсистема разделения продуктов

Подсистема теплообмена

Подсистема химических процессов

Метод декомпозиции в соответствии с этим методом общую задачу синтеза разбивают на несколько уровней, на пример: при двухуровневой декомпозиции на верхнем уровне рассматривается синтез взаимодействия отдельных подсистем.

Подсистема управления

На нижнем уровне синтезируют структуру каждой подсистемы в отдельности из отдельных элементов, структура каждой подсистемы может быть разнообразной и иметь ряд вариантов, если при анализе выяснится, что какой-то из вариантов неосуществим, то его отбрасывают и общее количество вариантов требующих расчета сокращается, чем достигается экономия средств и времени.

3) Эвристический принцип синтеза многоуровневая декомпозиция синтеза ХТС заключается в способности высококвалифицированных специалистов интуитивно выбирать наиболее удачные варианты решения проблемы без полного перебора всех существующих вариантов, принятие решения происходит без его познавания с помощью доказательств, только на основе обобщенного опыта и знаний специалиста.

1. Набор маршрутов и условия протекания реакций

2. Определение оптимальных систем химических реакторов

3. Определение оптимальных систем разделений смесей

4. Выбор вспомогательных подсистем

6. Определение оптимальных систем теплообмена

7. Качественный анализ надежности ХТС

5. Анализ динамических свойств

4)

Оптимальный результат

Сравнение с оптимальным значением критерия оптимальности

Анализ на наличие узких мест

Синтез ХТС

Модификация структуры ХТС

Расчет по критериям оптимальностей

Эволюционный принцип основе с использованием метода эвристики и перебором вариантов, на основе анализа выбирается узкое место ХТС выбирается критерий оптимальности и проводится расчет, далее проводится модификация подсистемы являющаяся узким местом и вновь повторяется расчет, на основе расчета проводится поиск нового узкого места, модернизация схемы и так далее. То есть эволюционный принцип подразумевает последовательное повторение этапов синтеза, анализа, модификации структуры до получения оптимального результата (метод последовательных приближений) (итераций)

Модификация структуры ХТС

да нет

При практической реализации эволюционного принципа ХТС используются следущие типы эвривтики:

1) Эристики обобщающие практический опыт позволяют выделить узкие элементы ХТС,

2) возможные варианты усовершенствования узких мест

3) Эвристики базирующиеся на знаниях высококвалифицированных специалистов обеспечивающие варианты стыковки модифицированного элемента ХТС с не модифицированной, в целом метод эволюционного синтеза ХТС позволяет с наибольшей эффективностью получать локальные оптимальные результаты, что связано с решениями принятыми на первоначальном этапе синтеза топологии ХТС

Примеры эвристики при разработке схем ректификации многокомпонентных систем их множества альтернативных вариантов рекомендуется использовать следующие эвристики:

А) выбирается вариант с последовательным, выделение целевых продуктов в виде легких продуктов

Б) выбирается вариант, в котором отношение колличества верхнего и нижнего продуктов в каждом элементе подсистемы наиболее близко к 1-це

В) выбирается вариант, в котором разделение компонентов разделяется в порядке уменьшения различий в значениях относительной летучести разделяемых ключевых компонентов

Г) в ректификационной колонне требующей наибольшее количество затрат (большое число тарелок) на разделение вследствие близких относительных летучестей компонентов (близость температур кипения или высоких требований к чистоте продуктов должны быть расположены в конце схем разделения

Д) выбирается вариант характеризуется минимальной величиной затрат на реализацию данного процесса ХТС

Лекция 4

если реакция протекает быстро, то коэффициент массоотдачи становится больше

Скорость адсорбции определяется - для таких процессов подойдут аппараты снабженные устройствами для интенсивного перемешивания или специальными насадками гарантирующими образование значительной поверхности раздела фаз. Подходит так же и пенный режим работы аппаратов.