Анализ процесса в химическом реакторе

Анализ процесса в химическом реакторе исследования влияния условий процесса и характеристик(свойств) его составляющих на показатели работы реактора, а также выявление особенностей процесса и режима.

Условия процесса – состав исходной реакционной смеси (исходные концентрации реагентов ), объем поступающего потока (нагрузка на реактор ), температуры входного потока , хладагента (для процессов с теплоотводом) или в реакторе (для процессов с теплоотводом) или в реакторе (для изотермического процесса – ).

Режимы процесса – характеристики химического процесса, схема превращения и тип реакций(вид кинетических уравнений), энергия активации, тепловой эффект; для неизотермических процессов – параметры теплоотвода (коэффициенты теплопередачи , величина поверхности теплообмена , теплофизические свойства потока ).

Показатели процесса – степень превращения x, селективность – S, выход продукта E, а также профили концентраций, степени превращения и температуры в реакторе, их изменение во времени. Зная эти показатели, можно далее определять и другие: конструктивные параметры реактора, энергетические затраты, экономические показатели и др.

Особенности процесса и режима – влияние условий и свойств процесса на его показатели, управление процессом (изменение условий и свойств для достижения желательных показателей); критические режимы (например, их существование, неустойчивость).

Анализ процесса в химическом реакторе осуществляют с использованием методов математического моделирования.

Один из вариантов последовательности проводимого анализа рассмотрим ниже.

1. Обоснование и построение математической модели процесса.

2. Преобразование уравнений математической модели к виду, удобному для дальнейшего исследования.

3. Решение уравнений математической модели для получения зависимостей, подлежащих анализу.

4. Представление результатов решения уравнений в графическом виде, как наиболее удобном для анализа.

5. Интерпретация результатов решения уравнений на процесс в исследуемом реакторе, то есть перенос полученных зависимостей между переменными уравнений на состояние процесса в реакторе.

6. Собственно анализ модели и процесса: выявление свойств математической модели на основе поведение (изменения) решения при изменении параметров уравнений и перенос свойств модели на процесс в реакторе.

7. Сопоставление процессов в реакторах различного типа.

8. Выявление особенностей математической модели и, следовательно, особенностей режима.

61. ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС В ХИМИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ. РЕЖИМ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ И ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ. ПРОСТАЯ НЕОБРАТИМАЯ РЕАКЦИЯ А=R.

Математическая модель процессов

=w (c); c = c_{0 при} (1)

Где в зависимости от процесса

Математическая модель для реакции первого порядка: (т.к. w(c) = -RC): (2)

(3)

Интегрируя (3) получил:

и С (4)

Выражая концентрацию через степень превращения [ , получим из (3): (5)

И его решением будет

и (6)

Графики С ( на рисунке

Из графиков видно, что при или x соответственно, следовательно, в необратимой реакции исходное вещество постепенно расходуется до его полного превращения.

Интерпретация решения (4) уравнений математической модели (1) на процессы в режимах ИС - п и ИВ следующая.

В режиме ИС – п процесс не стационарен ≡ t и со временем t концентрация исходного вещества C уменьшается в соответствии с (4).

Но в каждый момент времени – концентрация C во всех точках реактора одинакова.

В режиме ИВ процесс протекает стационарно. Концентрация C меняется по длине реактора .

То анализ зависимостей С (4) или (6) показывает влияние условий процесса на изменение концентрации С, или степени превращения x во времени в режиме ИС – п и распределение C и x по длине реактора в режиме ИВ.

62.Изотермический процесс в химическом реакторе. Режим идеального смешения периодического и идеального вытеснения. Простая обратимая реакция А↔ R

Математическая модель процессов:

dc/d ῖ =W (с);с=с₀,при ῖ =0 (1)

Где ῖ= ῖ; t в зависимости от процесса.

Скорость реакции r(c)=k₁c_A-k₂c_B зависит от концентраций с_А и с_В, следовательно для описания процесса используют два уравнения вида (1).

Перейдем к одной переменной – степени превращения х реагента А: с_А=с₀(1-х) и c_R=c₀x,где с₀-исходная концентрация реагента А.

Модель процесс примет вид:

dx/dῖ=k₁(1-x)-k₂x; х=0,при ῖ =0 (2)

Преобразуем (2) к виду dx/dῖ=k₁ -(k₁+k₂)x и проинтегрируем его:

ln k₁-(k₁+k₂)x-ln k₁/k₁+k₂=ῖ, или х =k₁/k₁+k₂ [1-e^{-(k1+k2) ῖ} ] (3)

Из (3) видно,что с увеличением ῖ х(ῖ) увеличивается вплоть до х=k₁/k₁+k₂ при ῖ→∞.

Т.к.константа равновесия обратимой реакции K_р=k₁/k₂ и равновесная степень превращения x_р =K_р/1+K_р, то предельное превращение достигаемое в реакторе равно:

(4)

Это естественно,т.к реакция протекает до равновесия.Зависимость х(ῖ) для простой обратимой реакции (сплошная линия) и обратимой реакции (штриховая линия) представлена на рисунке.

Рассматриваемая реакция имеет первый порядок в прямом и обратном направлении,поэтому начальная концентрация с₀ не влияет на степень превращения.