Моделирование химических реакций

Лекция

Итерационный метод расчета замкнутых ХТС

Б

А

Большинство ХТС имеют рециркуляционное соединение образующие замкнутую систему непосредственность такой системы декомпазиционным принципом невозможно поэтому систему приводят к разомкнутому виду, проводят расчет каждого элемента методом последовательных приближений или итерационным методом.

1 2 3

Б

ИБ

А

Б

А

Известен входной параметр 1 но провести расчет невозможно. Так как не известен параметр 4, для проведения декомпозичионного метода необходимо систему сделать разомкнутой,для этого нужно разорвать поток 2 и поток 4, поскольку разрыв потоков является условным, то вместо разрыва вставляют дополнительный модуль – итерационный блок

1 2 3

А

Б)

А)

1 2 2’’ 3

Для первого расчета схемы А пользуюсь либо практическим опытом, либо известными зависимостями задают параметр потока 2’’, а для схемы Б с параметрами потока 4’’ и проводят первый расчет так как все исходные данные системы будут известны, полученные в результате расчетов значения потока 2, 4’ не будут совпадать с предварительно заданными значениями 2’’,4’’, рассчитывают погрешность, задают новое значение параметра 2’’,4’’ приближенное к расчетным,и проводят 2-й расчет, операция приближений повторяется до тех пор, пока значение суммарной погрешности не станет ниже требуемой точности расчета.

Скорость внутренней диффузии можно увеличить размер поры и сокращая длину, одноко при этом уменьшается общая поверхность катализатора, а следовательно число активных центров, а следовательно и его активность, поэтому для каждого процесса существует катализатор с оптимальным размером пор, с другой стороны внутредиффузионный контроль можно преодолеть уменьшая размер частиц катализатора, в этом случае усложняется процесс так как мелкодисперсный катализатор легко уносит потоком сырья в смежную аппаратуру, стадия абсорбции субстрата на активных центрах катализатора, абсорбция носит активированный характер, активный центр должен быть настроен на субстрат: слабая абсорбция не вызывает активации молекулы субстрата, а излишне сильная затрудняет десорбцию продуктов активного центра. Перестройка электронной плотности в абсорбированных молекулах субстрата с образованием продукта связанного с активным центром. Десорбция продукта с активным центром скорость 3-4-5 стадии увеличивают подъемом температуры. Диффузия продукта через пограничный слой в объем потока, для ускорения применяют перемешивания.

Любой катализатор характеризуется следующими параметрами:

1) Активность, то есть способность ускорять реакцию по сравнению с отсутствием катализатора – чем выше, тем лучше, активность зависит от 2-х факторов: А) от способности активных центров уменьшать энергию активации процессов. Б) от количества активных центров.

2) Объемная скорость отдачи сырья показывает какое количество сырья можно пропустить через единицу объема катализатора при заданной единице превращения

3)

4) Способность катализатора работать длительное время без потери активности А) каталитическая реакция Б) реакции катализатора приводящие к потере каталитической активности в результате этих реакций катализатор дезактивируется, дезактивация может быть обратимой то есть активность восстанавливается после регенерации, обратимую дезактивацию вызывает кокс и тяжелые углеводороды блокирующие активные центры, а так же вещества электронодоноры такие как CO2, H2O, NH3, эти полярные вещества абсорбируются на активных центрах, блокируя доступ субстрата, после удаления этих веществ из сырья вещества дисорбируются с активных центров и свойства катализаторов восстанавливаются. Кокс выжигают с поверхности катализатора, для нормальной работы катализаторов приходится удалять яды из сырья. Необратимая дезактивация происходит если вещество взаимодействует с разрушением активного центра катализатор регенерировать невозможно, необходимо заменить широко распространенные платиновые катализаторы боятся кислород- азот- и серосодержащие соединения. Что бы катализатор работал длительное время, нужно проводить гидроотчистку, после отчистки содержание S,N

5) Температура зажигания – минимальная температура при которой каталитический процесс протекает с приемлемой для промышленного применения скоростью. На практике обычно процесс начинают при температуре чуть выше температуры зажигания и по мере потери активности температуру постепенно поднимают до предельно-возможной, после достижения этой температуры катализатор ставят на регенерацию.

6) Стоимость катализатора

7) Механическая прочность гранул

8) Для катализаторов работающих в подвижном слое важной характеристикой является износостойкость.

9) Межрегенерационный пробег время в течение которого катализатор не требует регенерации

10) Селективность катализатора – способность избирательно ускорять одну из нескольких возможных в данных условиях реакции

11) Общий срок службы

Химическим реактором называется аппарат в котором протекают химические превращения сопровождаемым тепло и массопереносом.

Классификации реакторов: реакторы классифицируют по гидродинамической обстановке: А) реакторы полного смешения (РИС) Б) реакторы идеального вытеснения (РИВ)

По организации процесса во времени: А) реакторы непрерывного действия с постоянным подводом сырья Б) периодическое воздействия работающее циклически В) полунепрерывные (полу-периодические) реактор работает непрерывно, а загрузка сырья или вывод продукта осуществляются периодически

По тепловому режиму: А) адиобатический реактор это без теплообмена с окружающей средой Б) изотермический режим В) политермический ржим Г) автотермический политропический режим.

По характеру изменения параметров во времени А) стационарный режим – параметры постоянного време в каждой точке аппарата Б) настационарный режим

По конструктивным признакам: А) ямкостные реакторы – реакторы с мешалками и без Б) колонные реакторы – колонны с тарелками, насадкой подвижным или неподвижным слоем твердого вещества В) реакторы типа «Теплообменник» Г) реакторы типа реакционная печь – шахтные, барабанные, полочные печи, печи кипящего слоя, и так далее. Для описания процессов протекающих в реакторах применяют математические модели модель строят по иерархическому принципу, по этому модель имеет многоуровневую структуру. С начала, строят модель на более низком уровне, затем строят модель более высокого уровня. Уровни модели:

1) Уровень молекулярный уровень учитывает взаимодействие на расстояниях порядка молекул выраженный законами химической кинетики и химического равновесия

2) Уровень малого объема рассматривает элемент реакционного объема на пример зерно катализатора, пузырек газа, элемент насадки, элементарный объем реактора, закономерности первого уровня дополняются тепло и газо-переноса

3) Уровень рабочей зоны аппаратов – статистическая савакупность элементов малого объема аппарата: полный объем аппарата, слой катализатора, слой насадки, объем пены, уровень учитывает дефекты связанные с движением потока, перенос импульса.

4) Уровень аппарата учитывает взаимное расположение рабочих зон (несколько слоев катализатора, несколько тарелок и так далее), модель должна учитывать протекающий химический процесс явление тепло- и массопереноса поэтому модель 2-го уровня включает в себя уравнение материального баланса и уравнение теплового баланса.