معادله تعادل مواد RIV در نتیجه گیری راکتور.

دایرکتوری 

RIS-P دستگاهی با همزن است که به طور مداوم معرف ها در آن عرضه شده و محصولات نیز به طور مداوم از آن خارج می شوند.

در چنین راکتوری، اختلاط شدید ایجاد می شود، به طوری که در سرتاسر راکتور همان غلظت معرف بلافاصله برابر با غلظت در خروجی ایجاد می شود. یک تغییر شدید ( ناگهانی) در غلظت به دلیل اختلاط آنی معرف های ورودی با جرم واکنش موجود در راکتور رخ می دهد. مقدار اختلاف بین غلظت اولیه و نهایی، با مساوی بودن سایر موارد، به سرعت بستگی داردواکنش شیمیایی

و در زمان ماندن مخلوط واکنش در راکتور. هرچه سرعت بیشتر و زمان بیشتر باشد، جهش در تمرکز بیشتر می شود. RIS-N با عدم وجود گرادیان پارامتر هم در زمان و هم در حجم راکتور مشخص می شود، بنابراین، برای استخراج معادله مشخصه، از معادله استفاده می شود.تعادل مواد

به شکل کلی

N A انباشته شده است = N A همرفت. - N A chem.r.

در حالت ثابت N A انباشته شده است. = 0.

N یک همرفت = N A ورودی – N A خروجی

N A ورود = N A0 = C A0 v vol. ، جایی که v vol. - سرعت جریان حجمی معرف.

N A تخلیه = N A0 (1-α A) = C A0 v vol. (1-α A)

N یک همرفت = C A0 v جلد. - C A0 v جلد. (1-α A) = C A0 v جلد. α A.

N A شیمی. =(-r A) V p، که در آن V p حجم راکتور است.

C A0 v جلد. α A = =(-r A) V p، V p = v در مورد τ

C A0 v جلد. α A =(-r A) v در مورد τ

C A0 α A = (-r A) τ

معادله مشخصه برای RIS-N.

برای یک واکنش برگشت ناپذیر ساده از ترتیب "n". .

در n = 0، در n = 1

مقایسه RIS و RIV معادلات مشخصه برای RIS-P و RIV-N یکسان است و زمان رسیدن به درجه معینی از تبدیل معرف در این راکتورها یکسان است. اما در RIS-Pتمام وقت

فرآیند شامل زمان کار، محاسبه شده توسط معادله مشخصه، و زمان کمکی برای بارگیری و تخلیه است. هیچ عملیات کمکی در RIV-N وجود ندارد، بنابراین شدت RIV-N بیشتر از RIS-P است.

بیایید رژیم های غلظت را در RIS-N و RIV-N مقایسه کنیم. در RIV-N کاهش تدریجی غلظت معرف در طول راکتور و در RIS-N کاهش شدید غلظت تا مقدار نهایی وجود دارد.

تغییر در سرعت واکنش برای این راکتورها ویژگی یکسانی دارد. از این رو، سرعت متوسطواکنش ها در RIS-N همیشه کمتر از RIV است.

اجازه دهید معادلات مشخصه راکتورها را در مورد واکنش های مرتبه های مختلف با هم مقایسه کنیم.

در n = 0، معادله مشخصه RIS-N و RIV-N شکل دارد. بنابراین، زمان لازم برای رسیدن به یک تبدیل معرف معین یکسان است. نوع راکتور در این مورد بر شدت فرآیند تأثیر نمی گذارد. این به دلیل این واقعیت است که در n = 0 سرعت واکنش به غلظت معرف بستگی ندارد.

برای n> 0، نوع راکتور تأثیر زیادی بر شدت فرآیند خواهد داشت.

>، یعنی .

هر چه تبدیل معرف بیشتر باشد، نابرابری بیشتر است.

برای فرآیندهای پیچیده، کارایی نه تنها بر اساس اندازه راکتور، بلکه بر اساس مقدار گزینش پذیری نیز ارزیابی می شود. برای فرآیندهایی که گزینش پذیری به غلظت واکنش دهنده بستگی دارد (ترتیب واکنش هدف ≠ ترتیب واکنش جانبی)، انتخاب پذیری را می توان تحت تأثیر انتخاب مناسب نوع راکتور قرار داد. به عنوان مثال، برای یک فرآیند موازی پیچیده که در آن ترتیب واکنش هدف بالاتر از ترتیب واکنش جانبی است، برای اطمینان از گزینش پذیری بالا، باید غلظت بالایی از معرف حفظ شود. در این صورت بهتر است RIV-N را انتخاب کنید. اگر ترتیب واکنش هدف کمتر از ترتیب واکنش جانبی باشد، لازم است غلظت معرف پایین باشد، بنابراین RIS-N ارجح تر است.

بازده محصول هدف نیز به نوع راکتور بستگی دارد. برای پیچیده-موازی روند برگشت ناپذیربازده را می توان با انتخابی بودن با روابط زیر مرتبط کرد:

RIS-Nβ = S α A ; RIV-N .

با افزایش α A

اگر n عدد صحیح باشد S کاهش می یابد. > n عوارض جانبی ; اگر n عدد صحیح باشد S افزایش می یابد.< n побоч.р. .

β RIV -N > β RIS -N β RIS -N > β RIV -N

سخنرانی شماره 13

آبشار راکتورهای اختلاط ایده آل پیوسته

در یک RIS-N منفرد، دستیابی به درجه بالایی از تبدیل غیرممکن است، زیرا غلظت معرف اولیه فوراً کاهش می یابد و کل فرآیند با سرعت کم پیش می رود. با این حال، هنگام انجام واکنش هایی که در آن دو یا چند معرف درگیر هستند، اختلاط شرکت کنندگان واکنش شرط لازم برای اجرای آن است. در این مورد، می توانید از راکتورهایی استفاده کنید که توصیف می کنند سلولیمدل یا مدل K-RIS-N. آبشار متشکل از چندین راکتور جریان متصل به سری با اختلاط ایده آل است.

غلظت معرف اولیه در چنین سیستمی بلافاصله به مقدار نهایی کاهش نمی یابد، بلکه به تدریج از راکتوری به راکتور دیگر کاهش می یابد. در هر راکتور، غلظت معرف در حجم ثابت و برابر با غلظت آن در خروجی راکتور است. غلظت به طور ناگهانی تغییر می کند. با این حال، غلظت عملیاتی در آبشار بیشتر از یک RIS-N منفرد حفظ می شود و با افزایش تعداد راکتورها، به مقدار غلظت در RIS-N نزدیک می شود. برای n= 8 – 10، K-RIS-N ≡ RIV-N.

محاسبه K-RIS-N به محاسبه تعداد مراحل "n" مورد نیاز برای دستیابی به درجه معینی از تبدیل معرف خلاصه می شود. روش های گرافیکی و تحلیلی برای محاسبه آبشار راکتورها وجود دارد.

روش گرافیکی برای محاسبه K-RIS-N

اجازه دهید یک واکنش برگشت ناپذیر ساده از n مرتبه A در یک آبشار از راکتورها انجام شود. سرعت این واکنش را می توان با معادله توصیف کرد. وابستگی –r A = f (C A) یک منحنی است.

اجازه دهید وابستگی -r A = f (C A) را برای یک راکتور آبشاری منفرد استخراج کنیم.

RIS-N یک معادله مشخصه از فرم دارد.

C A = C A0 (1-α A) C A = C A0 - C A0 α A C A0 α A = C A0 - C A

.

بنابراین، وابستگی سرعت به غلظت برای هر راکتور در آبشار، یک خط مستقیم با شیبی است که مماس آن برابر با -1/τ است.

نقطه تقاطع یک منحنی و یک خط مستقیم مشخص کردن غلظت معرف در راکتور.

برای محاسبه گرافیکی K-RIS-N شما نیاز دارید:

o ساختن یک منحنی؛

o از نقطه C A0 یک خط مستقیم با شیب -1/τ 1 رسم کنید که τ 1 زمانی است که معرف در اولین راکتور (مجموعه) است.

o از نقطه تلاقی منحنی و خط مستقیم، عمود بر محور "x" را پایین بیاورید. مقدار حاصل C A1 غلظت معرف در خروجی راکتور اول و در ورودی راکتور دوم است.

o برای یافتن غلظت معرف در خروجی راکتور دوم، عملیات را تکرار کنید.

o عملیات را تکرار کنید تا به غلظت نهایی معرف C A نهایی برسد. ، مربوط به تبدیل معرف معین است.

تعداد عملیات های مکرر برای ساخت یک خط مستقیم برابر با تعداد راکتورهای آبشار است.

اغلب اوقات، زمان اقامت معرف در راکتورهای جداگانه آبشار یکسان فرض می شود، یعنی خطوط مستقیم موازی با مماس یکسان زاویه شیب ساخته می شود. اما از روش گرافیکی هم می توان استفاده کرد که معانی مختلفτ، یعنی برای حجم های مختلف راکتورهای جداگانه آبشار.

روش تحلیلی برای محاسبه K-RIS-N

امکانات روش تحلیلیمحدود به پیچیدگی معادلات به دست آمده است، بنابراین در ساده ترین موارد استفاده می شود.

اجازه دهید یک واکنش مرتبه اول برگشت ناپذیر ساده در یک آبشار از راکتورها انجام شود.

این یک دستگاه لوله ای است که در آن نسبت طول لوله L به قطر آن d بسیار زیاد است. راکتور به طور مداوم با معرف‌هایی تغذیه می‌شود که با حرکت در طول رآکتور به محصولات تبدیل می‌شوند.

رژیم هیدرودینامیکی در RIV با این واقعیت مشخص می شود که هر ذره ای از جریان فقط در یک جهت در طول راکتور حرکت می کند، اختلاط طولی وجود ندارد و همچنین هیچ اختلاط در طول مقطع راکتور وجود ندارد. فرض بر این است که توزیع مواد در این مقطع یکنواخت است، یعنی مقادیر پارامترهای مخلوط واکنش در سطح مقطع یکسان است. هر عنصر از حجم جرم واکنش dV با حجم های قبلی یا بعدی مخلوط نمی شود و مانند یک پیستون در یک سیلندر رفتار می کند. به این حالت پیستونی یا جابجایی کامل می گویند. ترکیب هر عنصر حجمی به دلیل وقوع یک واکنش شیمیایی متوالی تغییر می کند.

تغییرات در غلظت معرف CA و درجه تبدیل XA در طول راکتور.

برای گردآوری یک توصیف ریاضی از RIV، آنها از معادله دیفرانسیلتعادل مواد

از آنجایی که در RIM مخلوط واکنش تنها در یک جهت (در طول L) حرکت می کند، پس و ,

الف ,

انتخاب جهت جریان در راکتور به عنوان جهت محور X،

جایی که W - سرعت خطیحرکت مخلوط

از آنجایی که هر عنصر حجمی با عنصر قبلی یا بعدی مخلوط نمی شود، نه انتشار طولی و نه شعاعی وجود دارد و انتشار مولکولی کوچک است، پس

سپس

این معادله تعادل مواد توصیفی ریاضی از جریان معرف ها در راکتور در حالت ناپایدار است (زمانی که پارامترها نه تنها در طول راکتور تغییر می کنند، بلکه در زمان نیز ثابت نیستند - دوره راه اندازی یا خاموش شدن. ).

این اصطلاح با تغییر غلظت A در طول زمان برای یک نقطه معین در راکتور مشخص می شود.

حالت ثابت با این واقعیت مشخص می شود که پارامترها در هر نقطه از حجم واکنش با زمان تغییر نمی کنند و . سپس .

اما سرعت

الف

ادغام این معادله در محدوده تغییر درجه تبدیل

از 0 تا X A دریافت می کنیم

از داده های به دست آمده مشخص می شود که معادله RIV مانند RIS – P است.

راکتور اختلاط ایده آل پیوسته RIS – N

این دستگاهی است که معرف ها به طور مداوم در آن عرضه می شوند و محصولات واکنش به طور مداوم حذف می شوند، در حالی که معرف ها به طور مداوم با استفاده از یک همزن مخلوط می شوند. مخلوط اولیه وارد شده به چنین راکتوری فوراً با جرم واکنش موجود در راکتور مخلوط می شود، جایی که غلظت معرف اولیه کمتر از مخلوط ورودی است. برای استخراج معادله مشخصه، اجازه دهید یک معادله تعادل مواد ایجاد کنیم. تعداد مولهای ماده اولیه A که همراه با جریان تامین می شود، که در آن V 0 نرخ خوراک حجمی است، C A,0 غلظت A در جریان است.

تعداد مول های حذف شده از راکتور برابر است با V سرعت حجمی و CA غلظت در جریان است.

تعداد مول های ماده A مصرف شده در نتیجه یک تبدیل شیمیایی است

جایی که V p حجم پر شده در راکتور است.

تجمع معرف A برابر است با تغییر کمیت آن در فضای واکنش در طول دوره زمانی dτ.

بیایید تمام قسمت های ترازنامه را با هم ترکیب کنیم

معادله طراحی کلی برای یک راکتور کاملا هم زده

به جز دوره‌های خاموشی و راه‌اندازی، یک راکتور پیوسته در حالت ثابت کار می‌کند. معادله طراحی در این مورد به فرم کاهش می یابد

اگر واکنش در فاز مایع انجام شود، تغییر حجم کم است و V 0 = V k = V. سپس ,

C A,0 – C A = τ ω A,

زمان اقامت مشروط کجاست

معرف ها در ابتدای عملیات بارگیری می شوند. در این حالت، فرآیند شامل سه مرحله است: بارگیری مواد اولیه، فرآوری آن (تبدیل شیمیایی) و تخلیه محصول نهایی. پس از اتمام تمام این عملیات، آنها دوباره تکرار می شوند. مدت زمان یک سیکل انجام شده در یک راکتور دسته ای با این معادله تعیین می شود

τ p = τ + τ vsp،

که در آن τ p کل زمان چرخه است.

τ – ساعت کار، صرف انجام یک واکنش شیمیایی می شود.

τ vsp – زمان کمکی

یک راکتور اختلاط ایده آل دوره ای که به اختصار RIS-P نامیده می شود، دستگاهی با همزن است که معرف ها به صورت دوره ای در آن بارگذاری می شوند. در چنین راکتوری، اختلاط بسیار شدید ایجاد می شود، بنابراین، در هر زمان، غلظت معرف ها در کل حجم دستگاه یکسان است و تنها در طول زمان، با ادامه واکنش شیمیایی، تغییر می کند. چنین اختلاط را می توان ایده آل در نظر گرفت، از این رو نام راکتور را می توان نام برد.

راکتور دسته ای اختلاط ایده آل

تغییر در غلظت معرف اولیه A در طول زمان و حجم در RIS – P

در اینجا N A,0 مقدار اولیه معرف اولیه A است.

X A,0 - درجه اولیه تبدیل معرف A.

C A,0 – غلظت اولیه معرف A در مخلوط اولیه.

N A، C A، X A - در پایان فرآیند یکسان است.

τ – زمان؛

y – مختصات فضایی (مختصات مکان).

فرآیندهای شیمیایی دوره ای به دلیل ماهیت خود همیشه غیر ثابت هستند (یعنی ناپایدار)، زیرا در طول یک واکنش شیمیایی، پارامترهای فرآیند در طول زمان تغییر می کنند (به عنوان مثال، غلظت مواد)، زیرا محصولات واکنش انباشته می شوند.

برای محاسبه راکتور، باید معادله آن را بدانید، که به شما امکان می دهد زمان کاری τ مورد نیاز برای دستیابی به درجه معینی از تبدیل XA را با غلظت اولیه شناخته شده ماده CA، 0 و سینتیک شناخته شده فرآیند، تعیین کنید. سرعت شناخته شدهواکنش شیمیایی ω A.

مبنای به دست آوردن معادله برای یک راکتور از هر نوع، تراز مواد تشکیل شده برای یکی از اجزای مخلوط واکنش است.

در حالت کلی، زمانی که غلظت یک جزء در نقاط مختلف راکتور ثابت نیست یا در طول زمان ثابت نیست، تعادل مواد به شکل دیفرانسیل برای حجم اولیه راکتور جمع‌آوری می‌شود. در این مورد، آنها از معادله انتقال جرم همرفتی استفاده می کنند، که در آن یک عبارت اضافی ω A وارد می شود که وقوع واکنش شیمیایی را در نظر می گیرد.

که در آن CA غلظت معرف در مخلوط واکنش است.

x، y، z - مختصات فضایی.

د - ضریب انتشار مولکولی و همرفتی.

ω A – سرعت واکنش شیمیایی.

بر اساس این واقعیت که در RIS-P، به دلیل اختلاط شدید، همه پارامترها در کل حجم راکتور در هر زمان یکسان هستند. در این حالت، مشتق هر مرتبه غلظت در امتداد محورهای x، y، z برابر با 0 است، سپس

بنابراین معادله را می توان نوشت

اگر واکنش بدون تغییر در حجم ادامه یابد، غلظت فعلی ماده شروع به صورت بیان می شود

С А = С А,0 (1 – Х А)

یا

,

که در آن علامت "-" کاهش ماده A را نشان می دهد.

با ادغام این عبارت در محدوده تغییر زمانی از 0 به τ و درجه تبدیل از 0 به X، معادله RIS – P را بدست می آوریم.

راکتور شیمیایی

راکتور شیمیایی دستگاهی است که در آن فرآیندهای تکنولوژیکی شیمیایی انجام می شود و واکنش های شیمیایی را با انتقال جرم ترکیب می کند.

الزامات راکتور:

1. بالاترین بهره وری و شدت فرآیند را فراهم کنید

2. حداکثر درجه تبدیل را با حداکثر گزینش پذیری فرآیند ارائه دهید

3. هزینه های انرژی پایین برای حمل و نقل و اختلاط معرف های راه اندازی

4. تنظیم نسبتاً ساده و ارزان باشد

5. از گرما نهایت استفاده را ببرید واکنش های گرمازاو گرما از خارج تامین می شود

6. قابل اعتماد در عملیات، کاملا مکانیزه و ارائه کنترل خودکار فرآیند

برخی از الزامات فوق اغلب با یکدیگر تناقض دارند (با افزایش درجه تبدیل، سرعت کاهش می یابد فرآیند تکنولوژیکیو عملکرد)

عملکرد دستگاه با استفاده از معادله محاسبه می شود:

که در آن v حجم واکنش دستگاه است

Vk و Vn - سرعت حجمی به ترتیب برای حجم نهایی یا اولیه محاسبه می شود
مخلوط واکنش

C n و C u - غلظت حجمی محصول یا ماده اولیه

r n - چگالی محصول

G – جرم محصول

t - زمان عملیات

a ضریب تبدیل برای حجم ماده اولیه است

سپس بازده عملیاتی راکتور برابر است با:

طبقه بندی راکتور:

1. با توجه به شرایط هیدرودینامیکی

الف) راکتور اختلاط (دستگاه های خازنی با اختلاط با همزن مکانیکی یا پمپ گردش)

ب) راکتور جابجایی (دستگاه های لوله ای به شکل یک کانال کشیده)

2. با توجه به شرایط تبادل حرارت

الف) راکتور آدیاباتیک (بدون تبادل حرارت با محیط زیست)

ب) راکتور همدما

ج) با رژیم حرارتی متوسط. اثر حرارتی یک واکنش شیمیایی تا حدی با تبادل حرارت با محیط جبران می شود و تا حدی باعث تغییر دمای مخلوط واکنش می شود.

د) راکتورهای اتوترمال - راکتورهایی که دمای مورد نیاز در آنها فقط با گرما حفظ می شود فرآیند شیمیاییبدون استفاده منابع خارجیانرژی

3. با توجه به ترکیب فازی مخلوط واکنش

3.1. برای فرآیندهای همگن

الف) راکتور برای واکنش های فاز گاز

ب) راکتور برای واکنش های فاز مایع

3.2. برای انجام فرآیندهای ناهمگن

الف) محلول های گاز مایع

ب) راکتورهای فرآیندهای گازی - جامد

ج) راکتورهای فرآیندهای مایع-جامد

3.3. برای فرآیندهای کاتالیزوری ناهمگن

4. در مورد سازماندهی فرآیندهای کاتالیزوری

الف) دوره ای

ب) به طور مداوم - در حال فعالیت

ج) نیمه دسته ای (1 جزء به طور مداوم معرفی می شود و دیگری به صورت دوره ای یا ورودی معرف های اولیه ثابت است و ارسال محصول یک فرآیند دوره ای است.

5. با توجه به ماهیت تغییرات در پارامترهای فرآیند در طول زمان

الف) ثابت

ب) غیر ثابت

6. با توجه به ویژگی های طراحی

الف) خازنی

ب) ستونی

ج) نوع مبدل حرارتی

د) نوع کوره واکنش

مدل های راکتورهای ایده آل

راکتور جریان برقی

همه ذرات در یک جهت حرکت می کنند، بدون اینکه با ذرات جلو و پشت حجم اولیه مخلوط شوند

زمان ماند هر عنصر حجمی برابر است با ریشه میانگین زمان مربع

جایی که H – ارتفاع

w - ساختگی برای کامل محاسبه شده است
سرعت جریان مقطع عرضی

استخراج معادله مشخصه

بیایید تعادل مواد را برای این واکنش بنویسیم

G ورودی = G در حال کاهش + G xp (1)

G in = V c × C A 0 × (1-x A);

G در حال کاهش = V c × C A 0 × ;

G xp = w A × dV

V c × C A 0 × (1-x A) = V c × C A 0 × + w A × dV

w A × dV = V c × C A 0 × dx A

(2)

معادله 2 یک معادله مشخصه برای یک راکتور جریان پلاگین است و به شما امکان می دهد میانگین زمان ماند t را در صورتی که سینتیک فرآیند (سرعت واکنش شیمیایی) و ابعاد دستگاه (راکتور) در مصرف معرف و درجه مشخص باشد تعیین کنید. از تبدیل

من برای واکنش مرتبه 1

n = 1 از شرط

n=0

راکتور مخلوط کامل

راکتور اختلاط ایده آل پیوسته I (RIS ND)

تعادل مواد

G pr = G dec + G xp

G pr = C A0 × V c ;

Gub = C A0 × V c × (1-x A)

G xp = w A × V c v

C A0 × V c = C A0 × V c × (1-x A) + w A × V c

V c × C A0 × w A × v