Enačba materialne bilance RIV v zaključku reaktorja.

Imenik 

RIS-P je naprava z mešalom, v katero se sproti dovajajo reagenti in iz nje sproti odvajajo produkti.

V takem reaktorju nastane intenzivno mešanje, tako da se v celotnem reaktorju takoj vzpostavi enaka koncentracija reagenta, enaka koncentraciji na izhodu. Ostra (nenadna) sprememba koncentracije se pojavi zaradi takojšnjega mešanja vhodnih reagentov z reakcijsko maso, ki je že v reaktorju. Velikost razlike med začetno in končno koncentracijo je ob drugih enakih pogojih odvisna od hitrosti kemična reakcija

in na čas zadrževanja reakcijske mešanice v reaktorju. Višja kot je hitrost in daljši kot je čas, večji je skok koncentracije. Za RIS-N je značilna odsotnost gradientov parametrov tako v času kot v prostornini reaktorja, zato se za izpeljavo značilne enačbe uporablja enačba materialna bilanca

v splošni obliki.

N A nakopičeno = N A konv. - N A kem.r.

V stacionarnem načinu se je nabralo N A. = 0.

N A konvekcija = N A dotok – N A odtok

N A prihod = N A0 = C A0 v zv. , kjer je v vol. – volumetrični pretok reagenta.

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

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

N A kem. =(-r A) V p, kjer je V p prostornina reaktorja.

C A0 v zv. α A = =(-r A) V p , V p = v okoli τ

C A0 v zv. α A =(-r A) v okoli τ

C A0 α A = (-r A) τ

Karakteristična enačba za RIS-N.

Za preprosto ireverzibilno reakcijo reda "n". .

Pri n = 0, pri n = 1

Primerjava RIS in RIV Značilni enačbi za RIS-P in RIV-N sta enaki, čas za dosego določene stopnje pretvorbe reagenta v teh reaktorjih pa je enak. Toda v RIS-P polni delovni čas

proces je sestavljen iz delovnega časa, izračunanega po karakteristični enačbi, in pomožnega časa za nakladanje in razkladanje. V RIV-N ni pomožnih operacij, zato je intenzivnost RIV-N večja kot v RIS-P.

Primerjajmo režime koncentracije v RIS-N in RIV-N. Pri RIV-N pride do postopnega zmanjševanja koncentracije reagenta po dolžini reaktorja, pri RIS-N pa do močnega padca koncentracije do končne vrednosti.

Sprememba hitrosti reakcije ima pri teh reaktorjih enak značaj. torej povprečna hitrost reakcije pri RIS-N so vedno manjše kot pri RIV.

Primerjajmo karakteristične enačbe reaktorjev pri reakcijah različnih vrst.

Pri n = 0 ima značilna enačba RIS-N in RIV-N obliko . Zato je čas, potreben za doseganje dane pretvorbe reagenta, enak; Vrsta reaktorja v tem primeru ne vpliva na intenzivnost procesa. To je posledica dejstva, da pri n = 0 hitrost reakcije ni odvisna od koncentracije reagenta.

Pri n > 0 bo vrsta reaktorja močno vplivala na intenzivnost procesa.

>, tj. .

Večja kot je pretvorba reagenta, večja je neenakost.

Pri zapletenih procesih se učinkovitost ne ocenjuje le po velikosti reaktorja, temveč tudi po vrednosti selektivnosti. Pri procesih, kjer je selektivnost odvisna od koncentracije reaktanta (tarčni vrstni red reakcije ≠ vrstni red stranske reakcije), lahko na selektivnost vplivamo s pravilno izbiro tipa reaktorja. Na primer, za kompleksno vzporeden proces, v katerem je vrstni red ciljne reakcije višji od vrstnega reda stranske reakcije, je za zagotovitev visoke selektivnosti potrebno vzdrževati visoko koncentracijo reagenta. V tem primeru je bolje izbrati RIV-N. Če je vrstni red ciljne reakcije manjši od vrstnega reda stranske reakcije, je treba vzdrževati nizko koncentracijo reagenta, zato je RIS-N bolj zaželen.

Izkoristek ciljnega produkta je odvisen tudi od tipa reaktorja. Za kompleksno-vzporedno nepovraten proces donos je mogoče povezati s selektivnostjo z naslednjimi razmerji:

RIS-Nβ = S α A ; RIV-N .

Z naraščanjem α A

S se zmanjša, če je n celo število. > n neželeni učinki ; S se poveča, če je n celo število.< n побоч.р. .

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

Predavanje št. 13

Kaskada zveznih idealnih mešalnih reaktorjev

V enem samem RIS-N je nemogoče doseči visoko stopnjo pretvorbe, saj koncentracija začetnega reagenta takoj pade, celoten proces pa poteka z nizko hitrostjo. Vendar pa je pri izvajanju reakcij, v katerih sodelujeta dva ali več reagentov, mešanje udeležencev reakcije nujen pogoj za njeno izvedbo. V tem primeru lahko uporabite reaktorje, ki opisujejo celični model ali model K-RIS-N. Kaskado sestavlja več zaporedno povezanih pretočnih reaktorjev z idealnim mešanjem.

Koncentracija začetnega reagenta se v takem sistemu ne zmanjša do končne vrednosti takoj, ampak postopoma od reaktorja do reaktorja. V vsakem reaktorju je koncentracija reagenta v prostornini konstantna in enaka njegovi koncentraciji na izhodu iz reaktorja; koncentracija se nenadoma spremeni. Delovna koncentracija v kaskadi pa se ohranja višja kot v posameznem RIS-N in se s povečevanjem števila reaktorjev približuje vrednosti koncentracije v RIS-N. Za n = 8 – 10 je K-RIS-N ≡ RIV-N.

Izračun K-RIS-N se zmanjša na izračun števila stopenj "n", potrebnih za dosego določene stopnje pretvorbe reagenta. Obstajajo grafične in analitične metode za izračun kaskade reaktorjev.

Grafična metoda za izračun K-RIS-N

Naj poteka preprosta ireverzibilna reakcija n A -tega reda v kaskadi reaktorjev. Hitrost te reakcije je mogoče opisati z enačbo; odvisnost –r A = f (C A) je krivulja.

Izpeljimo odvisnost –r A = f (C A) za enojni kaskadni reaktor.

RIS-N ima značilno enačbo oblike .

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

.

Tako je odvisnost hitrosti od koncentracije za vsak reaktor v kaskadi ravna črta z naklonom, katerega tangens je enak –1/τ.

Presečišče krivulje in premice označite koncentracijo reagenta v reaktorju.

Za grafični izračun K-RIS-N potrebujete:

o zgraditi krivuljo;

o iz točke C A0 potegnite ravno črto z naklonom –1/τ 1, kjer je τ 1 čas, ko je reagent v prvem reaktorju (setu);

o od presečišča krivulje in premice spustite navpičnico na os "x". Dobljena vrednost C A1 je koncentracija reagenta na izhodu iz prvega reaktorja in na vhodu v drugi reaktor;

o da ugotovimo koncentracijo reagenta na izhodu iz drugega reaktorja, ponovimo operacijo;

o ponovite postopke, dokler ne dosežete končne koncentracije reagenta C A final. , ki ustreza dani pretvorbi reagenta.

Število ponovljenih operacij za izgradnjo ravne črte je enako številu reaktorjev v kaskadi.

Najpogosteje se domneva, da je čas zadrževanja reagenta v posameznih reaktorjih kaskade enak, to pomeni, da so zgrajene vzporedne ravne črte z enakim tangensom kota naklona. Toda grafično metodo lahko uporabimo tudi, ko različne pomeneτ, torej za različne prostornine posameznih reaktorjev kaskade.

Analitična metoda za izračun K-RIS-N

Možnosti analitična metoda omejena s kompleksnostjo nastalih enačb, zato se uporablja v najpreprostejših primerih.

Naj poteka preprosta ireverzibilna reakcija prvega reda v kaskadi reaktorjev.

Gre za cevni aparat, pri katerem je razmerje med dolžino cevi L in njenim premerom d precej veliko. Reaktor se nenehno napaja z reagenti, ki se med premikanjem po dolžini reaktorja pretvorijo v produkte.

Za hidrodinamični režim v RIV je značilno, da se vsak delec toka giblje le v eno smer po dolžini reaktorja, vzdolžnega mešanja ni, prav tako ni mešanja vzdolž prečnega prereza reaktorja. Predpostavlja se, da je porazdelitev snovi po tem preseku enakomerna, to je, da so vrednosti parametrov reakcijske mešanice po preseku enake. Vsak element prostornine reakcijske mase dV se ne meša s prejšnjimi ali naslednjimi volumni in se obnaša kot bat v valju. Ta način se imenuje batni ali polni premik. Sestava vsakega prostorninskega elementa se zaporedno spreminja zaradi pojava kemične reakcije.

Spremembe koncentracije reagenta CA in stopnje pretvorbe XA po dolžini reaktorja.

Za sestavo matematičnega opisa RIV izhajajo iz diferencialna enačba materialna bilanca.

Ker se v RIM reakcijska mešanica giblje le v eno smer (po dolžini L), potem in ,

A ,

izbiro smeri toka v reaktorju kot smer osi X,

kjer je W – linearna hitrost gibanje zmesi.

Ker se vsak volumski element ne meša niti s prejšnjim niti z naslednjim, ni niti vzdolžne niti radialne difuzije, molekularna difuzija pa je majhna, potem

Potem

Ta enačba materialne bilance je matematični opis pretoka reagentov v reaktorju v nestalnem načinu (ko se parametri spreminjajo ne samo po dolžini reaktorja, ampak tudi niso konstantni v času - obdobje zagona ali zaustavitve ).

Izraz je označen s spremembo koncentracije A skozi čas za dano točko v reaktorju.

Za stacionarni način je značilno, da se parametri na vsaki točki reakcijskega volumna ne spreminjajo s časom in . Potem.

Toda hitrost

A

Integracija te enačbe v mejah spremembe stopnje pretvorbe

od 0 do X A dobimo

Iz pridobljenih podatkov je jasno, da je enačba za RIV enaka kot za RIS – P.

Kontinuirani idealni mešalni reaktor RIS – N

Gre za aparat, v katerega se neprekinjeno dovajajo reagenti in sproti odvajajo produkti reakcije, medtem ko se reagenti neprekinjeno mešajo z mešalom. Začetna mešanica, ki vstopi v takšen reaktor, se takoj pomeša z reakcijsko maso že v reaktorju, kjer je koncentracija začetnega reagenta nižja kot v vstopni mešanici. Za izpeljavo karakteristične enačbe ustvarimo enačbo materialne bilance. Število molov začetne snovi A, dovedene s tokom, kjer je V 0 volumetrična dovodna hitrost, C A,0 koncentracija A v toku.

Število molov, odstranjenih iz reaktorja, je , kjer je V volumetrična hitrost, CA koncentracija v toku.

Število molov snovi A, porabljenih kot posledica kemijske transformacije, je

Kjer je V p napolnjena prostornina v reaktorju.

Akumulacija reagenta A je enaka spremembi njegove količine v reakcijskem prostoru v časovnem obdobju dτ.

Združimo vse dele bilance stanja

Splošna konstrukcijska enačba za reaktor s polnim mešanjem.

Z izjemo obdobij zaustavitve in zagona neprekinjeni reaktor deluje v ustaljenem stanju. Konstrukcijska enačba je v tem primeru reducirana na obliko

Če se reakcija izvaja v tekoči fazi, je sprememba prostornine majhna in V 0 = V k = V. Potem ,

C A,0 – C A = τ ω A,

kje je pogojni čas bivanja.

Reagenti se naložijo na začetku operacije. V tem primeru je postopek sestavljen iz treh stopenj: nakladanje surovin, njihova predelava (kemična transformacija) in razkladanje končnega izdelka. Ko so vse te operacije končane, se znova ponovijo. Trajanje enega cikla, ki se izvaja v šaržnem reaktorju, je določeno z enačbo

τ p = τ + τ vsp,

kjer je τ p skupni čas cikla;

τ – delovni čas, porabljen za izvedbo kemične reakcije;

τ vsp – pomožni čas

Periodični idealni mešalni reaktor, skrajšano RIS-P, je aparat z mešalom, v katerega periodično nalagamo reagente. V takem reaktorju se ustvari zelo intenzivno mešanje, zato je koncentracija reagentov kadar koli enaka po celotnem volumnu aparata in se spreminja le s časom, ko poteka kemična reakcija. Takšno mešanje lahko štejemo za idealno, od tod tudi ime reaktorja.

Idealen šaržni reaktor za mešanje

Sprememba koncentracije začetnega reagenta A skozi čas in prostornino v RIS – P

Tukaj je N A,0 začetna količina začetnega reagenta A;

X A,0 – začetna stopnja pretvorbe reagenta A;

C A,0 – začetna koncentracija reagenta A v začetni mešanici.

N A, C A, X A – enako na koncu procesa;

τ – čas;

y – prostorska koordinata (koordinata lokacije).

Periodični kemijski procesi so po svoji naravi vedno nestacionarni (t.j. nestabilni), saj se med kemijsko reakcijo parametri procesa spreminjajo skozi čas (na primer koncentracija snovi), saj se produkti reakcije kopičijo.

Za izračun reaktorja morate poznati njegovo enačbo, ki vam omogoča, da določite delovni čas τ, potreben za dosego dane stopnje pretvorbe X A, z znano začetno koncentracijo snovi CA,0 in znano kinetiko procesa, tj. znana hitrost kemična reakcija ω A.

Osnova za pridobitev enačbe za reaktor katere koli vrste je materialna bilanca, sestavljena za eno od komponent reakcijske mešanice.

V splošnem primeru, ko koncentracija komponente ni konstantna na različnih točkah reaktorja ali ni konstantna skozi čas, se materialna bilanca sestavi v diferencialni obliki za elementarni volumen reaktorja. V tem primeru izhajajo iz enačbe konvektivnega prenosa mase, v katero je uveden dodaten člen ω A, ki upošteva potek kemijske reakcije.

kjer je CA koncentracija reagenta v reakcijski mešanici;

x, y, z – prostorske koordinate;

D – koeficient molekularne in konvektivne difuzije;

ω A – hitrost kemijske reakcije.

Na podlagi dejstva, da so v RIS-P zaradi intenzivnega mešanja vsi parametri v vsakem trenutku enaki v celotnem volumnu reaktorja. V tem primeru je odvod poljubnega reda koncentracije vzdolž osi x, y, z enak 0, potem

Zato lahko enačbo zapišemo

Če reakcija poteka brez spremembe prostornine, bo trenutna koncentracija izhodne snovi izražena kot

С А = С А,0 (1 – Х А)

oz

,

kjer znak "-" označuje zmanjšanje snovi A.

Z integracijo tega izraza v mejah časovne spremembe od 0 do τ in stopnje transformacije od 0 do X dobimo enačbo RIS – P

Kemični reaktor

Kemijski reaktor je naprava, v kateri se izvajajo kemični tehnološki procesi, ki združujejo kemične reakcije s prenosom mase.

Zahteve za reaktor:

1. Zagotovite najvišjo produktivnost in intenzivnost procesa

2. Podajte največjo stopnjo pretvorbe z največjo selektivnostjo postopka

3. Imajo nizke stroške energije za transport in mešanje začetnih reagentov

4. Naj bo dokaj enostaven za postavitev in poceni

5. Kar najbolje izkoristite toploto eksotermne reakcije in toplota dovajana od zunaj

6. Bodite zanesljivi pri delovanju, najbolj popolnoma mehanizirani in zagotavljajte avtomatsko kontrolo procesa

Nekatere od zgornjih zahtev si pogosto nasprotujejo (ko se stopnja pretvorbe poveča, se hitrost zmanjša tehnološki proces in zmogljivost)

Zmogljivost naprave se izračuna po enačbi:

kjer je v reakcijski volumen aparata

Vк in Vн – volumetrična hitrost, izračunana za končno ali začetno prostornino
reakcijska mešanica

C n in C u – prostorninska koncentracija produkta ali izhodne snovi

r n – gostota izdelka

G – masa izdelka

t - čas delovanja

a je pretvorbeni faktor za prostornino izhodne snovi

Potem je učinkovitost delovanja reaktorja:

Klasifikacija reaktorja:

1. Glede na hidrodinamične pogoje

a) mešalni reaktor (kapacitivne naprave z mešanjem z mehanskim mešalom ali obtočno črpalko)

b) izpodrivni reaktor (cevne naprave v obliki podolgovatega kanala)

2. Glede na pogoje izmenjave toplote

a) adiabatni reaktor (brez izmenjave toplote z okolju)

b) izotermični reaktor

c) z vmesnim toplotnim režimom. Toplotni učinek kemijske reakcije se delno kompenzira z izmenjavo toplote z okoljem, delno pa povzroči spremembo temperature reakcijske mešanice.

d) avtotermični reaktorji - reaktorji, v katerih se zahtevana temperatura vzdržuje samo s toploto kemični proces brez uporabe zunanji viri energije

3. Glede na fazno sestavo reakcijske zmesi

3.1. Za homogene procese

a) reaktor za plinskofazne reakcije

b) reaktor za reakcije v tekoči fazi

3.2. Za izvajanje heterogenih procesov

a) raztopine plin-tekočina

b) reaktorji za plinske procese - trdna

c) reaktorji za procese tekoče-trdno

3.3. Za heterogene katalitične procese

4. O organizaciji katalitskih procesov

a) periodično

b) stalno - delujoče

c) polserijski (1 komponenta se vnaša stalno, druga pa periodično ali pa je vnos začetnih reagentov konstanten in je odprema izdelka periodičen proces)

5. Po naravi sprememb procesnih parametrov skozi čas

a) stacionarni

b) nestacionarni

6. Glede na oblikovne značilnosti

a) kapacitivni

b) stebrasti

c) tip toplotnega izmenjevalnika

d) vrsta reakcijske peči

Modeli idealnih reaktorjev

Plug flow reaktor

Vsi delci se gibljejo v isto smer, ne da bi se mešali z delci pred in za osnovnim volumnom

Zadrževalni čas katerega koli prostorninskega elementa je enak korenu srednjega kvadratnega časa

kjer je H – višina

w - fiktivno izračunano za polno
hitrost toka v preseku

Izpeljava karakteristične enačbe

Zapišimo materialno bilanco za to reakcijo

G dohodni = G padajoči + G xp (1)

G in = V c × C A 0 × (1-x A);

G padajoče = V c × C A 0 × ;

G x p = 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)

Enačba 2 je značilna enačba za reaktor s čepnim tokom in omogoča določitev povprečnega zadrževalnega časa t, če sta znani kinetika procesa (hitrost kemične reakcije) in dimenzije aparature (reaktorja) pri dani porabi reagenta in stopnji pretvorbe

Jaz za reakcijo 1. reda

n = 1 iz pogoja

n=0

Perfect Mix Reactor

I Kontinuirani idealni mešalni reaktor (RIS ND)

Materialna bilanca

G pr = G dec + G xp

G pr = C A0 × V c ;

Gub = C A0 × V c × (1-x A)

G x p = 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