Упрощенные модели химических реакторов

Стехиометрический реактор. Эта модель применяется когда кинетика реакции неизвестна, но известны стехиометрические уравнения стадий процесса и известна степень превращения для каждой стадии. Общий вид уравнения реакции:

где A - стехиометрические коэффициенты (для исходных веществ <0, для продуктов >0);

- абсолютные значения стехиометрических коэффициентов

Обозначим количество исходных веществ (в мольных долях) m_j,0,а количество исходных ве­ществ в данный момент реакции — через m_j.

Расчет нужно вести по степени пре­вращения одного, произвольно выбранного исходного вещества, на­пример К.

В соответствии со стехиометрическим уравнением получим зависимость мольной доли веществ от мольных долей компонентов исходной смеси:

Если известен состав смеси вводимых в реакцию исходных веществ и определена мольная доля одного из компонентов в некоторый момент времени, можно рассчитать для этого момента значение степени превращения, отнесённой к данному компоненту:

Когда реагирующая смесь содержит компонент, не участвую­щий в химическом превращении (например, катализаторы, раство­рители, инерты и т. д.), стехиометрический коэффициент для этого ком­понента равен нулю.

По этой методике можно рассчитать и более сложные реакции, состоящие из нескольких стадий. Применение уравнений для стехиометрических расчетов ил­люстрируется примером.

Пример. В установке для производства серной кислоты контактным способом проходит реакция окисления 2 SO₂ + O₂ = 2SO₃. Газ, подводимый к контактному реактору окисления двуокиси серы, состоит из 10% SO₂, 11 % O₂ и 79 % N2 (проценты — объемные). Газ, покидающий реактор, со­держит 6,8% (объемн.) O₂. Рассчитать степень превращения двуокиси серы и концентрации SO₃, SO₂ и N2 в газах после реакции.

Решение. Вычислим значение степени превращения двуокиси серы. Исходным веществом К будем считать SO₂, за исходное вещество j примем O₂. Имеем:

Модель разделения. Реактор, когда стехиометрия и кинетика неизвестны или эти сведения незначительны, но известно или можно задать распределение концентраций для всех компонентов на выходе реактора.

Равновесный реактор. Химический реактор с двумя равновесными фазами пар и жидкость и с известными уравнениями стехиометрических стадий химических реакций

Реактор Гиббса. Основан на термодинамическом расчёте изменения энергии Гиббса и определения на этой основе константы равновесия. Используется в тех случаях, когда кинетика реакции неизвестна или известны стехиометрические уравнения стадий процесса.

Термодинамические расчеты дают возможность решать задачи, существенные для оценки химической концепции и проектирования технологического процесса:

1) расчет энергетических эффектов (теплота реакции, теплота изменения агрегатного состояния, работа сжатия и т. д.), необхо­димых для составления теплового баланса и определения коэффи­циентов расхода энергии;

2) расчет максимальных, теоретически возможных температур процесса;

3) расчет максимальных, теоретически достижимых степени превращения исходного вещества и выхода продукта химической реакции;

4) проведение предварительного выбора оптимальных условий осуществления процесса (определение температуры, давления, сте­пени превращения) как в случае одиночной реакции, так и при не­скольких одновременных реакциях.

Следует отметить, что выбор оптимальных условий проведения процесса, основанный на термодинамических расчетах, не оконча­тельный.