Това е тръбен апарат, в който съотношението на дължината на тръбата L към нейния диаметър d е доста голямо. Реакторът непрекъснато се захранва с реагенти, които се превръщат в продукти, докато се движат по дължината на реактора.

Хидродинамичният режим в RIV се характеризира с това, че всяка частица от потока се движи само в една посока по дължината на реактора, няма надлъжно смесване и няма смесване по напречното сечение на реактора. Приема се, че разпределението на веществата в това напречно сечение е равномерно, т.е. стойностите на параметрите на реакционната смес в напречното сечение са еднакви. Всеки елемент от обема на реакционната маса dV не се смесва с предишни или следващи обеми и се държи като бутало в цилиндър. Този режим се нарича бутален или пълен работен обем. Съставът на всеки обемен елемент се променя последователно поради протичането на химическа реакция.

Промени в концентрацията на реагента СА и степента на превръщане на ХА по дължината на реактора.

За да съставят математическо описание на RIV, те изхождат от диференциалното уравнение на материалния баланс.

Тъй като при RIM реакционната смес се движи само в една посока (по дължина L), то И ,

А ,

избиране на посоката на потока в реактора като посока на оста X,

където W е линейната скорост на сместа.

Тъй като всеки обемен елемент не се смесва нито с предишния, нито със следващия, няма нито надлъжна, нито радиална дифузия, а молекулярната дифузия е малка, тогава

Тогава

Това уравнение на материалния баланс е математическо описание на потока реагенти в реактора в нестационарен режим (когато параметрите се променят не само по дължината на реактора, но и не са постоянни във времето - периодът на пускане или спиране ).

Терминът се характеризира с промяната на концентрацията А във времето за дадена точка в реактора.

Стационарният режим се характеризира с това, че параметрите във всяка точка от реакционния обем не се променят с времето и . Тогава .

Но скоростта

А

Интегриране на това уравнение в границите на промяната в степента на преобразуване

от 0 до X A получаваме

От получените данни става ясно, че уравнението за RIV е същото като за RIS – P.

Непрекъснат идеален смесителен реактор RIS – N

Това е апарат, в който непрекъснато се подават реагенти и непрекъснато се отстраняват реакционните продукти, докато реагентите се смесват непрекъснато с помощта на бъркалка. Първоначалната смес, влизаща в такъв реактор, моментално се смесва с реакционната маса, която вече е в реактора, където концентрацията на първоначалния реагент е по-ниска, отколкото във входящата смес. За да изведем характеристичното уравнение, нека създадем уравнение на материалния баланс. Броят молове на изходното вещество А, доставяно с потока, където V 0 е обемната скорост на подаване, CA, 0 е концентрацията на А в потока.

Броят молове, отстранени от реактора, е , където V е обемната скорост, CA е концентрацията в потока.

Броят молове вещество А, изразходвани в резултат на химическа трансформация, е

Където V p е запълненият обем в реактора.

Натрупването на реагент А е равно на изменението на количеството му в реакционното пространство за период от време dτ.

Нека комбинираме всички части на баланса

Общо проектно уравнение за реактор с пълно разбъркване.

С изключение на периодите на спиране и пускане, непрекъснатият реактор работи в стабилно състояние. Проектното уравнение в този случай се свежда до формата

Ако реакцията се извършва в течна фаза, тогава промяната в обема е малка и V 0 = V k = V. Тогава ,

C A,0 – C A = τ ω A,

къде е условното време на престой.

Основи на съставянето на баланси. Закон за запазване в стационарна (затворена) система. Закон за запазване на масата. Закон за запазване на енергията. Уравнение на непрекъснатост. Материални и енергийни баланси.

Поток на маса, компоненти, топлина (енталпия) и импулс. Масов поток. Компонент нишка. Поток от топлина. Инерционен поток. Характеристики на потоците. Конвективен поток. Основна нишка. Турбулентен поток. Преминаващ поток. Източници. Общо уравнение на процесния елемент. Частни изрази на уравнението на Дамкьолер. Стационарни и нестационарни системи. Отворени и затворени системи. Хомогенни и разнородни процеси. Разнородни процеси. Каталитични процеси. Хомогенна катализа. Хетерогенна катализа. Зависимост на действителния добив на продукта от параметрите на процеса.

Свойства на твърдите катализатори и тяхното производство.

Извеждане на основното уравнение на химическия реактор. Периодични реактори. RPD уравнение, отчитащо промените в обема на реакционната среда. За необратима реакция от първи ред. Реактори с непрекъснато действие За необратими последователни реакции. За обратими реакции от първи ред. Реактори с променлив обем. За реакция от първи ред имаме. За реакция от тип n-ти порядък. Реактори с непрекъснато действие. Характеристично уравнение на проточен реактор. Характеристично уравнение на идеален смесителен реактор.

Нестабилен периодичен реактор. Стационарен тръбен реактор (запушален поток). Стационарен стъпков реактор (тип смесване). Смесителни реактори, свързани последователно (каскадно). Химически технологични реактори.

Класификация на реакторите по топлинен режим

Термичен баланс на реактора. Адиабатни реактори (Adr) с периодично действие (PD). Адиабатни реактори с непрекъснато действие (Adr). Изотермични реактори (ISR).

5.2 Раздели на дисциплината и видове класове

Списъкът на разделите на дисциплината, посочващ интензивността на труда на тяхното овладяване в академичните часове, видовете образователна работа, като се вземат предвид съществуващите форми на овладяване, е даден в таблица. 5.1.

Таблица 5.1 - Списък на разделите на дисциплината, посочващ трудоемкостта на тяхното усвояване за специализация 250901 - Химическа технология на материалите за съвременната енергетика, редовно

Раздели на дисциплината
Номер на раздела Име на раздел Семестър на обучение Лекции Практически уроци Лабораторни работи Курсов проект (CP) Курсова работа(KR) Изчислителна графика. работа (RGR) Изчислителна работа (RR) Тест (KR) Домашна работа(DR) Есе Колоквиум Подготовка за одита. класове
Въведение
Кинетика технологични процеси. Величини, описващи елементарен процес
Характеристично уравнение на идеални типове изотермични реактори

Таблица 5.2 - Списък на разделите на дисциплината, посочващ трудоемкостта на тяхното развитие за специализация 250903 - Технологии на подземно излугване и преработка, пълно работно време

Раздели на дисциплината Интензивност на труда за усвояване на раздел от дисциплината, час.
Номер на раздела Име на раздел Семестър на обучение Обща трудоемкост на участъка, час Уроци в класната стая за този раздел, час Лекции Практически уроци Лабораторни работи Самостоятелна работастуденти Курсов проект (CP) Курсова работа (CR) Изчислителна графика. Работа (RGR) Изчислителна работа (RR) Тест (KR) Домашна работа (HW) Есе Колоквиум Подготовка за одита. Класове
Въведение
Химикотехнологичен процес и неговото съдържание. Основни технологични понятия и определения
Пакетни и непрекъснати процеси.
Кинетика на технологичните процеси. Величини, описващи елементарен процес
Характеристично уравнение на идеални типове изотермични реактори
Сравнение на различни видове химически реактори
Общо по дисциплини

ПРАКТИЧЕСКИ ЗАНЯТИЯ И САМОСТОЯТЕЛНА РАБОТА

Лабораторен семинар

Имената на лабораторните работи, посочващи разделите на дисциплината, към които се отнасят, са дадени в таблица. 6.1.

Таблица 6.1 - Разпределение на лабораторните упражнения по раздели на дисциплината за спец. 250901 – Химична технология на материалите в съвременната енергетика, редовно обучение

Практически уроци

Списък на абстрактни теми

Не е включено в учебната програма.

Списък с теми за домашна работа

Не е включено в учебната програма.

Списък с теми тестове

Не е включено в учебната програма.

Списък с теми за изчислителна работа

Не е включено в учебната програма.

Списък с теми за изчислителна и графична работа

Не е включено в учебната програма.

Теми на колоквиуми

Не е включено в учебната програма.

Теми на курсовия дизайн

Не е включено в учебната програма.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКА ПОМОЩ

8.1.1 Основна литература

1. Бесков V.S. Обща химична технология. Учебник за ВУЗ. М.: Академкнига, 2006. 452 с.

2. Кузнецова И. М. Обща химическа технология: материален баланс на химико-технологичния процес. / И. М. Кузнецова, Х. Е. Харлампиди, Н. Н. Батиршин. - Москва: Логос, 2007. - 264 с.

3. Кутепов А.М. Обща химична технология: учебник. за студенти, обучаващи се в инженерни химични специалности. профил / А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен. - 3-то изд., преработено. - Москва: Академкнига, 2007. - 528 с.

4. Закгейм, Александър Юделевич. Обща химична технология. Въведение в моделирането на химични технологични процеси: учебник. ръководство по курсовете "Обща химическа технология" и "Моделиране на химични инженерни процеси" за студенти, обучаващи се в областите "Химическа технология и биотехнология" и "Материалознание" / А. Ю. Закгейм. - Ед. 3-то, преработено и допълнителни - Москва: Университетска книга: Логос, 2009. - 304 с.

5. Обща химична технология: учебник. за студенти по инженерна химия. специалности на университетите: в 2 ч. Част 1: Теоретични основи на химическата технология / И. П. Мухленов, А. Я. Авербух, Е. С. Тумаркина, И. Е. Фурмер; редактиран от И. П. Мухленова. - Ед.
5-то, изтрито - Москва: Алианс, 2009. - 256 с.

6. Обща химична технология: учебник. за студенти по инженерна химия. специалности на университетите: в 2 части: Най-важното химическо производство / И. П. Мухленов, А. Я. Авербух, Д. А. Кузнецов и др.; редактиран от И. П. Мухленова. - Ед. 5-то, изтрито - Москва: Алианс, 2009. - 263 с.

8.1.2 допълнителна литература

1. Обща химична технология: Учебник. за химическо инженерство специалист. университети Част 1: Теоретични основи на химичната технология / I.P. Мухленов, А.Я. Авербух., Е.С. Тумаркина и др. М.: висше училище, 1984. 256 с.

2. Обща химична технология: Учебник. за химическо инженерство специалист. университети Част 2: Най-важното химическо производство / I.P. Мухленов, А.Я. Авербух, Д.А. Кузнецов и др. М.: Висше училище, 1984. 263 с.

3. Обща химическа технология / A.M. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. 2-ро изд. М.: Висше училище, 1990. 519 с.

4. Основи на химичната технология: Учебник. за студенти / I.P. Мух-ленов, А.Е. Gorshtein, E.S. Тумаркина и др. М.: Висше училище, 1991. 462 с.

5. Химически реактори в примери и задачи: Учебник. ръководство за университети / N.N. Смирнов, А.И. Волжински, В.А. Плесовских. 3-то изд. SPb.: Химия, Санкт Петербург. отдел, 1994. 278 с.

Софтуер

Windows OS, MS Office (Ms Excel).

МАТЕРИАЛНО-ТЕХНИЧЕСКО ОСИГУРЯВАНЕ НА ДИСЦИПЛИНАТА

9.1 Общи изисквания

Мултимедийна лекционна зала FT-229.

Лабораторната работа се провежда в учебни лаборатории, оборудвани с подходящи лабораторно оборудванеи химически реагенти. Лаборатории ФТ - 239, 237, 235, 238, 236, 234, 233, 221.

Възможно е да се използват всякакви материали за химическите процеси и технологии, химическите реактори и суровинната база на химическата промишленост. Възможно е използването на видео материали, показващи работата на химическите реактори и протичането на химико-технологичните процеси.

При изучаване на дисциплината можете да използвате всякакви налични материали за химичните процеси и технологии, химическите реактори и суровинната база на химическата промишленост.

10.3 Списък тестови въпросида се подготви за финална атестация по дисциплината

1. Основни критерии за класифициране на реакторите според конструктивните характеристики.

2. Технологична класификация на реакторите.

3. Извеждане на характеристичното уравнение на проточен реактор.

4. Характеристично уравнение на изотермични реактори с променлив обем на реакционната среда.

5. Характеристично уравнение на идеален смесителен реактор. Причини за по-ниската ефективност на RIS в сравнение с RIV.

6. Концепцията за химически реактор. Изисквания към химическите реактори. Характеристично уравнение Фиг.

7. Характеристики на еднородните процеси. Начини за увеличаване на скоростта в хомогенна система.

8. Основни технологични понятия на химикотехнологичния процес.

9. Класификация на реакторите по топлинни характеристики. Адиабатен периодичен реактор.

10. Характеристики на източника или поглътителя.

11. Класификация на балансите. Методи за представяне на баланси.

12. Характеристики на главния поток.

13. Основно реакторно уравнение за протичане на хомогенни процеси. Перфектен смесителен реактор.

14. Идеален смесителен реактор. Първият критерий на Damköhler.

15. Характеристично уравнение на периодичен реактор с променлив обем на реакционната среда.

16. Закони за запазване в затворена система.

17. Характеристики на еднородните процеси.

18. Закон за запазване на масата в отворена система.

19. Характеристики на хомогенната катализа.

20. Уравнение за непрекъснатост на потока.

21. Технологични показатели на каталитични процеси. Зависимост на степента на преобразуване от температура и налягане.

22. Доказателство за равенство на ефективността на каскада от смесителни реактори с изместващ реактор.

23. Характеристично уравнение на идеален смесителен реактор. Причини за по-ниската ефективност на RIS в сравнение с RIV.

24. Закон за запазване на масата в отворена система.

10.4 Списък ключови думидисциплини

Таблица 10.4. Ключови думи

Номер на раздела Модул № Име на раздел Раздел Ключови думи
Въведение Предмет на химичната технология, микрокинетика, макрокинетика, процеси на химичната технология.
Химикотехнологичен процес и неговото съдържание. Основни технологични понятия и определения Химико-технологичен процес, химични превръщания, реактив.
Пакетни и непрекъснати процеси. Отворени системи, затворени системи, уравнение на прекъсване, хомогенни процеси, хетерогенни процеси.
Кинетика на технологичните процеси. Величини, описващи елементарен процес Производителност, интензивност, практически добив, коефициент на разход, степен на преобразуване, обратима и необратима реакция, селективност, ред на реакцията, уравнение на Арениус, каталитичен процес.
Характеристично уравнение на идеални типове изотермични реактори Основно уравнение на химически реактор, периодични реактори, непрекъснат реактор, идеално изместване, идеално смесване, характеристично уравнение, топлинен баланс.
Сравнение на различни видове химически реактори Суровини, подготовка, класификация, обогатяване, интегрирано използване, видове енергия, енергоемкост на производството, възобновяема, невъзобновяема,
Класификация на реакторите по топлинен режим. Неорганични продукти, торове, производствени структури, сярна киселина, амоняк, Азотна киселина, фосфорна киселина

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ НА УЧЕБНАТА ДИСЦИПЛИНА... 3

2. МЯСТО НА ДИСЦИПЛИНАТА В СТРУКТУРАТА НА ООП.. 3

2.2. Междупредметни връзки с предвидените (последващи) дисциплини. 3

3. ИЗИСКВАНИЯ КЪМ РЕЗУЛТАТИТЕ ОТ ОВЛАДЯВАНЕТО НА ДИСЦИПЛИНАТА... 3

4. ОБХВАТ НА ДИСЦИПЛИНАТА И ВИДОВЕ УЧЕБНИ РАБОТИ... 4

5.1.1 Въведение. 5

5.1.2 Химикотехнологичен процес и неговото съдържание. Основни технологични понятия и определения. 5

5.1.3 Партидни и непрекъснати процеси... 6

5.1.4 Кинетика на технологичните процеси. Величини, описващи елементарен процес 6

5.1.5 Характеристично уравнение на идеални типове изотермични реактори. 6

5.1.6 Сравнение на различни видове химически реактори. 6

5.1.7 Класификация на реакторите по топлинен режим. 6

5.2 Раздели на дисциплината и видове часове. 6

6. ПРАКТИЧЕСКИ ЗАНЯТИЯ И САМОСТОЯТЕЛНА РАБОТА.. 9

6.1. Лабораторен практикум.. 9

6.2. Практически уроци. 10

6.3. Списък на абстрактни теми. 10

6.4 Списък с теми за домашна работа. 10

6.5 Списък с тестови теми. 10

6.6 Списък с теми за изчислителна работа. 10

6.7 Списък с теми за изчислителна и графична работа. 10

6.8 Теми на колоквиумите. 10

7. Теми на курсовия дизайн.. 10

8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКА ПОМОЩ... 10

8.1.1 Основна литература. 10

8.1.2 Допълнителна литература. единадесет

8.2 Софтуер. единадесет

9. МАТЕРИАЛНО-ТЕХНИЧЕСКО ОСИГУРЯВАНЕ НА ДИСЦИПЛИНАТА... 11

9.1 Общи изисквания. единадесет

10.3 Контролен лист за подготовка за финална атестация по дисциплина 11

10.4 Списък с ключови думи за дисциплина.. 13

Реагентите се зареждат в началото на операцията. В този случай процесът се състои от три етапа: зареждане на суровини, тяхната обработка (химическа трансформация) и разтоварване на готовия продукт. След приключване на всички тези операции те се повтарят отново. Продължителността на един цикъл, извършван в периодичен реактор, се определя от уравнението

τ p = τ + τ vsp,

където τ p - пълен работен денцикъл;

τ – работно време, изразходвано за провеждане на химична реакция;

τ реф – спомагателно време

Периодичен идеален смесителен реактор, съкратено RIS-P, е апарат с бъркалка, в която периодично се зареждат реагенти. В такъв реактор се създава много интензивно смесване, поради което по всяко време концентрацията на реагентите е еднаква в целия обем на апарата и се променя само с течение на времето, докато протича химическата реакция. Такова смесване може да се счита за идеално, откъдето идва и името на реактора.

Идеален периодичен реактор за смесване

Промяна в концентрацията на първоначалния реагент А във времето и обема в RIS – P

Тук N A,0 е първоначалното количество на първоначалния реагент А;

X A,0 – начална степен на превръщане на реагент А;

C A,0 – начална концентрация на реагент А в изходната смес.

N A, C A, X A – същото в края на процеса;

τ – време;

y – пространствена координата (координата на местоположението).

Периодичните химични процеси по своята същност винаги са нестационарни (т.е. нестационарни), тъй като по време на химическа реакция параметрите на процеса се променят във времето (например концентрацията на вещества), тъй като продуктите на реакцията се натрупват.

За да изчислите реактора, трябва да знаете неговото уравнение, което ви позволява да определите работното време τ, необходимо за постигане на дадена степен на преобразуване X A, с известна начална концентрация на веществото CA,0 и известна кинетика на процеса, т.е. , с известна скорост на химичната реакция ω A.

Основата за получаване на уравнението за реактор от всякакъв тип е материалният баланс, съставен за един от компонентите на реакционната смес.

В общия случай, когато концентрацията на даден компонент не е постоянна в различни точки на реактора или не е постоянна във времето, материалният баланс се съставя в диференциална форма за елементарния обем на реактора. В този случай те изхождат от уравнението на конвективния масов пренос, в което се въвежда допълнителен термин ω A, който отчита протичането на химическата реакция.

където CA е концентрацията на реагента в реакционната смес;

x, y, z – пространствени координати;

D – коефициент на молекулярна и конвективна дифузия;

ω A – скорост на химичната реакция.

Въз основа на факта, че в RIS-P, поради интензивно смесване, всички параметри са еднакви в целия обем на реактора по всяко време. В този случай производната на всеки ред на концентрация по осите x, y, z е равна на 0, тогава

Следователно уравнението може да бъде написано

Ако реакцията протича без промяна в обема, тогава текущата концентрация на изходното вещество ще бъде изразена като

С А = С А,0 (1 – Х А)

или

,

където знакът "-" показва намаляване на вещество А.

Интегрирайки този израз в границите на промяната във времето от 0 до τ и степента на трансформация от 0 до X, получаваме уравнението RIS – P

RIS-P е устройство с бъркалка, в която непрекъснато се подават реагенти и непрекъснато се отстраняват продукти от нея.

В такъв реактор се създава интензивно смесване, така че в целия реактор моментално се установява същата концентрация на реагента, равна на концентрацията на изхода. Рязка (рязка) промяна в концентрацията възниква поради мигновеното смесване на входящите реагенти с реакционната маса, която вече е в реактора.

Големината на разликата между началната и крайната концентрация зависи при равни други условия от скоростта на химичната реакция и от времето на престой на реакционната смес в реактора. Колкото по-висока е скоростта и колкото по-дълго е времето, толкова по-голям е скокът в концентрацията.

RIS-N се характеризира с липсата на градиенти на параметрите както във времето, така и по обема на реактора, поради което за извеждане на характеристичното уравнение се използва уравнението на материалния баланс в обща форма.

N A натрупани = N A конв. - Н А хим.р.

В стационарен режим N A натрупани. = 0.

N A конвекция = N A входящ – N A изходящ

N A пристигане = N A0 = C A0 v об. , където v об. – обемен дебит на реагента.

N A дренаж = N A0 (1-α A) = C A0 v об. (1-α A)

N A конвекция = C A0 v об. - C A0 v том. (1-α A) = C A0 v об. α А.

N A chem. =(-r A) V p, където V p е обемът на реактора.

C A0 v том. α A = =(-r A) V p , V p = v около τ

C A0 v том. α A =(-r A) v около τ

C A0 α A = (-r A) τ

Характеристично уравнение за RIS-N.

За проста необратима реакция от "n" ред

При n = 0, при n = 1 .

Сравнение на RIS и RIV

Характеристичните уравнения за RIS-P и RIV-N са еднакви и времето за постигане на дадена степен на преобразуване на реагента в тези реактори е същото. Но в RIS-P общото време на процеса се състои от работно време, изчислено с помощта на характеристичното уравнение, и допълнително време за товарене и разтоварване. В RIV-N няма спомагателни операции, следователно интензивността на RIV-N е по-висока, отколкото в RIS-P.

В RIS-N също няма спомагателни операции, но хидродинамичната ситуация в него се различава от ситуацията в RIV-N, следователно, за да се постигне същата степен на преобразуване на реагента, при равни други условия, отнема повече време от по делото РИВ-Н.

Да сравним концентрационните режими в RIS-N и RIV-N. При РИВ-Н има плавно намаляване на концентрацията на реагента по дължината на реактора, а при РИС-Н има рязко спадане на концентрацията до крайната стойност.



Промяната в скоростта на реакцията има същия характер за тези реактори. следователно Средната скоростреакциите при RIS-N винаги са по-ниски, отколкото при RIV.

Нека сравним характеристичните уравнения на реакторите в случай на реакции от различен порядък.


При n = 0 характеристичното уравнение на RIS-N и RIV-N има формата . Следователно времето, необходимо за постигане на дадено преобразуване на реагента, е същото; Видът на реактора в този случай не влияе върху интензивността на процеса. Това се дължи на факта, че при n = 0 скоростта на реакцията не зависи от концентрацията на реагента.

За n > 0 типът на реактора ще има силно влияние върху интензивността на процеса.

> , т.е. .

Колкото по-голямо е превръщането на реагента, толкова по-голямо е неравенството.

За сложните процеси ефективността се оценява не само от размера на реактора, но и от стойността на селективността. За процеси, при които селективността зависи от концентрацията на реагента (ред на целевата реакция ≠ ред на странична реакция), селективността може да бъде повлияна от правилния избор на тип реактор. Например, за сложно паралелен процес, при който редът на целевата реакция е по-висок от реда на страничната реакция, за да се осигури висока селективност, е необходимо да се поддържа висока концентрация на реагента. В този случай е по-добре да изберете RIV-N. Ако редът на целевата реакция е по-малък от реда на страничната реакция, е необходимо да се поддържа ниска концентрация на реагента, следователно RIS-N е по-предпочитан.

Добивът на целевия продукт също зависи от вида на реактора. За сложен паралелен необратим процес, добивът може да бъде свързан със селективността чрез следните отношения:

РИС-Нβ = S α A ; РИВ-Н .

С увеличаване на α A

S намалява, ако n е цяло число. > n странични ефекти ; S нараства, ако n е цяло число.< n побоч.р. .

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

Лекция No13

Каскада от непрекъснати реактори за идеално смесване

В един RIS-N е невъзможно да се постигне висока степен на преобразуване, тъй като концентрацията на първоначалния реагент моментално пада и целият процес протича с ниска скорост. Въпреки това, когато се провеждат реакции, в които участват два или повече реагента, се извършва смесване на участниците в реакцията необходимо условиеизпълнението му. В този случай можете да използвате реактори, които описват клетъченмодел или модел K-RIS-N. Каскадата се състои от няколко последователно свързани проточни реактора с идеално смесване.

Концентрацията на първоначалния реагент в такава система не намалява веднага до крайната стойност, а постепенно от реактор към реактор. Във всеки реактор концентрацията на реагента в обема е постоянна и равна на концентрацията му на изхода на реактора; концентрацията се променя рязко. Работната концентрация в каскадата обаче се поддържа по-висока, отколкото в единична RIS-N и с увеличаване на броя на реакторите се доближава до стойността на концентрацията в RIS-N. За n= 8 – 10, K-RIS-N ≡ RIV-N.

Изчисляването на K-RIS-N се свежда до изчисляване на броя етапи „n“, необходими за постигане на дадена степен на преобразуване на реагента. Има графични и аналитични методи за изчисляване на каскада от реактори.

Графичен метод за изчисляване на K-RIS-N

Нека проста необратима реакция от n A -ти порядък протича в каскада от реактори. Скоростта на тази реакция може да се опише с уравнението; зависимостта –r A = f (C A) е крива.

Нека изведем зависимостта –r A = f (C A) за единичен каскаден реактор.

RIS-N има характеристично уравнение от формата .

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

.

Така зависимостта на скоростта от концентрацията за всеки реактор в каскадата е права линия с наклон, чийто тангенс е равен на –1/τ.

Пресечна точка на крива и права линия характеризират концентрацията на реагента в реактора.

За графично изчисление на K-RIS-N се нуждаете от:

o построяване на крива;

o от точка C A0 начертайте права линия с наклон –1/τ 1, където τ 1 е времето, през което реагентът е в първия реактор (набор);

o от точката на пресичане на кривата и правата линия, спуснете перпендикуляра към оста "x". Получената стойност C A1 е концентрацията на реагента на изхода от първия реактор и на входа на втория реактор;

o за да намерите концентрацията на реагента на изхода на втория реактор, повторете операцията;

o повторете операциите, докато се достигне крайната концентрация на реагента C A final. , съответстващ на дадено преобразуване на реагент.

Броят на повторните операции за изграждане на права линия е равен на броя на реакторите в каскадата.

Най-често времето на престой на реагента в отделните реактори на каскадата се приема за еднакво, т.е. се изграждат успоредни прави с еднакъв тангенс на ъгъла на наклона. Но графичен методможе да се използва и за различни значенияτ, т.е. за различни обеми на отделните реактори на каскадата.

Аналитичен метод за изчисляване на K-RIS-N

Възможностите на аналитичния метод са ограничени от сложността на получените уравнения, така че той се използва в най-простите случаи.

Нека проста необратима реакция от първи ред протича в каскада от реактори.

IV. ХИМИЧЕСКИ РЕАКТОРИ.

4.1. ОБЩА ИНФОРМАЦИЯ ЗА РЕАКТОРИТЕ. ИЗИСКВАНИЯ КЪМ ТЯХ.

Деф. Реактор - апарат, в който се извършват химични реакции.

Химическите реактори са най-важният тип химическо оборудване; основното нещо, централната връзка на HTS. В тях протичат не само химични трансформации, но и съпътстващи процеси на масо- и топлообмен и интензивно движение на средата.

Ефективността и безопасността на процеса като цяло до голяма степен зависи от правилния избор на типа и конструкцията на реактора и неговия режим на работа. Изисквания към реактора и показатели за ефективност

Работата е същата като за останалото оборудване (§ 2.4.2.); се характеризират с най-голяма твърдост.

4.2. Основни конструктивни типове промишлени реактори.

Много години опит и научни изследвания направиха възможно разработването на няколко основни структурни типа химически реактори. Тези основни конструкции също формират основата за по-сложни реактори.

Основната общност на конструктивните решения в реакторите от всеки клас се определя от тяхното предназначение, т.е. предимно от фазовото състояние на реакционната система и температурния режим на НР. Във всеки клас има много специфични дизайнерски опции за устройството.

Таблица 2 - Основни конструктивни типове реактори, използвани в производството на TOS

Конструктивен

тип реактор
Област и условия на приложение

Фаза

състояние

системи


температура

и натиск

(конструктивен)


Тип процес

1. Реагирайте планини-котли. (Капацитет със смесителни устройства).

В TOS индустрии

≈ 95% от целия реакторен парк


И

G-J-T


T =[(-80)...400] O C

P=[(-0,001)...40] MPa


Разнообразие от каталитични и некаталитични процеси в кондензирани среди с интензивно смесване и топлообмен при различни температури и режими на движение на реакционната среда в периодични и непрекъснати процеси.

2. Капацитивно барботиране А. без смесителни устройства

G:F

T =[(-20)...300] O C

P=[(-0,01)...1] MPa


Серия от процеси на сулфониране, халогениране, дедиазониране с азеотропна дестилация на вода от продукти

3. Тръбен.

"тръба в тръба"

вкл. пулсиращ


Г, Ф

G-J-T


T = [(-100)...1000] O C

P=[(-0,001)...50] MPa


Разнообразие от каталитични и некаталитични непрекъснати процеси с интензивно смесване и топлообмен при различни температури.

4. Обвивка и тръба

Г, Ф

G-J-T


T = [(-100)...1000] O C

P=[(-0,001)...10] MPa


Разнообразие от каталитични и некаталитични непрекъснати процеси с интензивно смесване и топлообмен при различни температури.

5. Колони (опаковани и пластини)

Г-ца.
T =[(-20)...500] O C

P=[(-0,001)...50] MPa


Процеси в условия на кипяща реакционна среда или с интензивно газиране

6. Рафт

Ж
T =[(-50)...200] O C

P=[(-0,001)...1] MPa


Печене на твърди продукти. Каталитични процеси в условия на неподвижен, движещ се и флуидизиран слой катализатор. Абсорбционно-химични процеси

7. Многозонови контактни устройства с вградени топлообменници

Устройства


Г-Т

G-J-T


T =[(-100)...1300] O C

P=[(-0,001)...10] MPa


Каталитични процеси в условия на стационарен, движещ се и флуидизиран катализаторен слой с организиране на интензивен топлообмен

8. Бани

И

T =[(-10)...100] O C

P:= атмосферно


Процеси на електрохимичен синтез

9. Камера

G, G-T
T=OC

P = MPa


Пещи. Коксови пещи. Горивни камери на топлинни двигатели и електроцентрали

Изборът на тип реактор се извършва, като се вземе предвид пълният набор от работни фактори.

3.3. Макрокинетика на HP и динамика на химически реактори.

3.3.1. ФОРМУЛИРАНЕ НА ПРОБЛЕМА. ЕЛЕМЕНТИ НА ТЕОРИЯ ЗА ПОДОБИЕТО ЗА РЕАКТОРИ.

Основната задача, която решава технологът при използване на реактори, е: определяне на типа, конструкцията и техническите параметри на устройството; оптимизиране на условията за провеждане на процеса и работа (експлоатация) на апарата; предприемане на необходимите мерки за осигуряване на безопасността и стабилността на реактора. Успешното решаване на този проблем е невъзможно без принципно правилно и пълно разбиране на същността и механизма на процесите и явленията, протичащи в реактора.

Тук е необходимо да се направят редица препратки към вече изучавани курсове. Класическата теория на PACT изучава всички процеси с изключение на химичните. От друга страна, химията - неорганична, органична и в по-малка степен физична - изучава точно химичните процеси, без особено внимание към явленията на пренос. В реални процеси (извършвани в реактори) както химичните реакции, така и явленията на пренос протичат едновременно. Химическите трансформации променят състава на околната среда, което променя всичко физични свойства– плътност, топлоемкост, вискозитет, топлопроводимост, дифузия, еластичност; от друга страна (както може да се види по-ясно от курса по PACT), преносът на топлина и дифузията влияят значително на температурата и концентрациите на всички реагенти в реактора - т.е. химична реакция.

Следователно строгите изчисления, извършвани от технолози - както по време на проектирането (проверка на правилността на избора на реактор), така и при оптимизиране на технологичните режими на работа на реакторите, които вече работят в реални процеси - трябва да вземат предвид всички явления, характерни за реакторите. Този проблем се решава чрез изследване макрокинетика на HP и динамика на реактора.

Деф . Макрокинетика: кинетика на реални сложни химични процеси, като се вземат предвид явленията на пренос на маса, количество материя, топлина, импулс, абсорбция и излъчване на радиация.

Деф . Динамика: реални промени в състоянието на реактора и хода на HP, причинени от вътрешния механизъм на процеса, условията на неговото протичане и влиянието на различни смущения, възникващи по време на работа.

Описанието на макрокинетиката и динамиката на HP се основава на диференциалните уравнения на движението на материята, импулса, енергията (и други свойства на материята) във физически и химичен процес, като се вземат предвид конвективното и турбулентно пренасяне на материя - Умов (Умов-Пойнтинг) уравнения. Това уравнение, за разлика от уравненията на Навие-Стокс, Рейнолдс, Фурие-Кирхоф и Фик, отчита факта, че химичните трансформации, както и междуфазовият пренос, зареждането на реагентите в реактора и отстраняването на продуктите от реактора водят до образуването и изчезването на вещества вътре в реактора - такива ефекти в теоретичната физика се наричат източници и поглътители на вещества.Под „вещество“ разбираме както веществото, така и присъщите му свойства (повечето обща собственост– химически потенциал).

Общата форма на това уравнение е

= Σ I OS - Σ I CS - div (J + S w) (1)

S – вещество (свойство);

I OS – мощност на източници на вещества;

I CS – мощност на изтичащите вещества;

J - конвективен поток;

W – линейна скорост.

За да се изясни физико-химическата същност на явленията, е достатъчно проблемът да се разгледа в едномерно представяне. Нека разгледаме обемния елемент на реактора dV. Движението на средата ще считаме за едномерно. Пренебрегваме промяната в специфичния обем на средата.

| W r | W r е векторната сума на скоростите на химичните реакции, kmol/s;

| I O I C |w l w l - линейна скорост на потока, m/s;

|_________ | (ρλην) C - концентрация в участък l, kmol/m 3

| | C+dC - концентрация в участък l+dl, kmol/m 3

L l+dl ρ – плътност на средата, kg/m3

C C+dC λ – топлопроводимост на средата, W/m K

ή - обобщен динамичен коефициент на вискозитет на средата, Pa.s

ΰ-обобщен кинематичен коефициент на вискозитет на средата, m 2 /s

СЪС Р – топлинен капацитет на средата, J/kg.K;

ά= λ/ ρ СЪС Р - – коефициент на топлопроводимост на средата, m 2 /s

I O – мощност на физически източници на вещество, kmol/s;

I C – мощност на физически отпадъци от вещество, kmol/s;

Фигура 2. Диаграма на реакционен обемен елемент.

При липса на външни полета динамиката на процеса в обемния елемент на реактора dV се изразява чрез системата от уравнения на Умов-Пойнтинг за пренос на маса, количество вещество, топлина и импулс - т.нар. характеристична система от уравнения

Пренос на маса (материален баланс) –изразено чрез уравнението за непрекъснатост

Пренос на количеството вещество - макрокинетика

= Σ I OS - Σ I CS W r (1 - C ) - w l + д
(3)

Където д- коефициент на смесване, m 2 /s.

Пренос на топлина

ρ СЪС Р = Σ I OS Н 0 S - Σ I CS Н С S - Σ W R ΔН R + W r ρ СЪС Р T
- w l ρ СЪС Р + λ
(4)

VI VII VIII IX X XI XII

Трансфер на инерция (среден поток)

ρ = ρ w l (W R ΔV - ) - + ή
(5)

XIII XIV XV XVI XVII

Където Σ I OS е интензитетът на физическите източници на веществото, kmol/m 3 s;

Σ I CS – интензивност на физическите изтичания на веществото, kmol/m 3 s;

Н 0 S, Н С S – енталпии на въведени и отнесени вещества, J/kmol;

ΔН R – топлинен ефект на реакцията, J/kmol;

ΔV – изменение на моларния обем в резултат на реакцията, m 3 /kmol;

д- коефициент на смесване (турбулентно-молекулярна дифузия), m 2 /s;.

ή – динамичен коефициент на турбулентен молекулен вискозитет, Pa.s.

Знакът "" зависи от това дали се разглежда концентрацията на реагента или продукта на реакцията.

За пълни характеристикипроблемът също така изисква формулиране на начални и гранични условия. Като цяло това изисква голям обем от експериментална работаи компютри. Сложността на уравненията на Умов води до факта, че в по-голямата част от случаите за практически цели те прибягват до тяхното опростяване въз основа на теорията на подобието. Тоест, те опростяват проблема чрез осредняване на редица параметри. Това ни позволява да преминем от уравненията на математическата физика към обикновените диференциални уравнения и в някои случаи да получим аналитични изрази, които много се доближават до експеримента.

Като пример, разгледайте уравнението за пренос на количеството материя (5).

Трансформацията на формула (5) в съответствие с теорията на подобието дава израза (термин III обикновено се пренебрегва)

С/τ = Σ I OS - Σ I CS W r - w l С/L + д C/ L 2, (8)

Ia IIa IIIa IVa

Където L е определящият линеен размер, m.

От този израз се получават основните критерии за сходство.

По разделяне на членове (III) : (IV) - критерий на Боденщайн (понякога наричан критерий на Пекле за реактори ) - изразяване на връзката между конвективния и турбулентния транспорт на материята.

В = , (9)

Първият критерий на Damköhler - изразяване на връзката между скоростта на реакцията и конвективния пренос на материя.

Да аз =
, (10)

Вторият критерий на Damköhler

Da II =
, (11)

Da II изразява връзката между скоростта на реакцията и интензивността на турбулентния пренос на материя.

По подобен начин третият и четвъртият критерий на Damköhler се извличат от уравнение (6).

По разделяне на членове (II): (III) - Третият критерий на Damköhler , изразяващ съотношението на топлинната мощност на реакцията и конвективния топлообмен.

Da III =
, (12)

Където = L/ w l е средното време на престой на потока в реактора, s.

По разделяне на членове (II): (IV) - Четвъртият критерий на Damköhler , изразяваща съотношението на топлинната мощност на реакцията и турбулентния топлообмен.

Da IV =
, (13)

Въз основа на посочените по-горе взаимоотношения, т.нар характеристично уравнение на реактора,или по-скоро - характеристична система от уравнения, изразяващи връзката между степента на трансформация, скоростта и времето на протичане на СР. Характеристичното уравнение е основа за технологичния разчет на реакторния процес.

Деф. Характеристично уравнение- уравнение, свързващо скоростта на процеса, концентрацията (и степента на превръщане) на реагентите и необходимото време.

Използването на трансформации на подобие (9)-(13) обикновено прави възможно заместването на системата от уравнения на математическата физика (5)-(8) със система от обикновен диференциал, критерий и алгебрични уравнениямил.

C/= F C (W R ; Da I ; Da II ; Da III ; Da IV ; Re; Bo; I C ; I S) (14)

ρ СЪС Р = F T (W R; Da I; Da II; Da III; Da IV; Re; Bo; I C; I S Gr; Ki; Bi…) (15)

Eu = F P (W R; Da I; Da II; Da III; Da IV; Re; Bo; I C; I S; Fr; Gr; Ki; Bi…) (16)

Където Eu, Re, Fr, Gr; Ki; Bi, – съответно критерии (числа) на Ойлер, Рейнолдс, Фруд,

Грашоф, Кирпичев, Био и др.

Като правило, на практика те следват пътя на по-нататъшни опростявания на уравнения (14) - (16), базирани на последствия, произтичащи от съществуването на определени области на качествено уникални условия на потока, изразени чрез "граничните" стойности на критерии Bo, Da II; Da IV. Тези опростявания позволиха да се изведат основните групи модели на средно движение, които определят вида на макрокинетиката на процесите в реакторите.

Тези основни модели включват следното: идеално/пълно смесване (RIS); идеална/пълна денивелация (RIW); дифузия (DRV) и клетъчна (KRIS-N).

Комплексните модели на реални устройства се изграждат на базата на комбинация от горните основни модели. Характеристиките на тези модели и обхватът на тяхното приложение към реални устройства са дадени в таблицата

МОДЕЛИ НА ПРОЦЕСИТЕ В РЕАКТОРИТЕ ОТ ОСНОВНИТЕ ТИПОВЕ

1. РЕАКТОРИ С БЪРКАЛКИ (КОТЛИ)

Основният модел за описание на процесите в устройства от този тип е моделът на идеално/пълно смесване (RIS). Основава се на предположението, че интензивното смесване на практика осигурява изравняване на концентрациите и температурите в целия обем на реактора. Математически това се отразява по следния начин.


(17а)

(17б)

(17v)

(17g)

BoDa II Da IV В повечето случаи в среди с нисък вискозитет относителната хетерогенност на концентрациите наистина не надвишава (1...2)%, а температурните разлики не надвишават (1...2) градуса (и се срещат в граничния слой). За тези условия моделът RIS е доста правилен. Моделът се прилага както за периодични, така и за непрекъснати процеси.

1.1 Периодични реактори - ФИГУРА-P.

Този модел се прилага за партидни процеси, при които всички реагенти се зареждат за време, което е пренебрежимо малко в сравнение с общата продължителност на реакционния цикъл, т.е. почти едновременно. Реакционните продукти не се отстраняват от реактора, докато процесът не приключи. Следователно всички промени в концентрациите и температурите са причинени само от процесите, протичащи в реактора.

рисуване. Схема RIS-P

Математическо описание на процеса.

Реакция a I A I = b I B I

Масата на веществата е постоянна

M = M 0 = Const (18a)

=  W R + W R - C (18б)

температура(диференциалният топлинен баланс се определя от топлинните ефекти на химичните и масообменни процеси; организиран топлообмен; мощност, разсеяна бъркалка и топлообмен с околната среда).

MC p* + M A C A
= - ΔН R | W R | - ΔН m | Wm | - КF Δ - K P F P (T-) + N F (18c)

Където С е концентрацията на веществата, mol/m3;

=
промяна в плътността, причинена от промяна в състава на средата, kg/kmol;

M = V – маса на реакционната среда, kg;

M A – масата на корпуса на реактора, kg;

 - плътност на средата, kg/m 3 ;

T е температурата на околната среда, K;

ΔН m – топлинен ефект на химичните процеси, J/mol;

W m - скорост на химичните процеси, mol/s;

ΔН m – топлинен ефект на масообменни процеси, J/mol;

W m - скорост на масопреносните процеси, mol/s;

T A – средна температура на корпуса на реактора, K;

 - коефициент на обемно разширение, K -1;

C r *- специфична топлинасреда, J/(kg.K);

C A - специфична топлинна мощност на материала на корпуса на реактора, J/(kg.K);

K – коефициент на топлопреминаване, W/(m 2 K);

F - топлообменна повърхност, m2;

Δ =
средна температурна разлика, измерена от температурата на околната среда, K; (18g)

KP – коефициент на топлинни загуби, W/(m 2 K);

F P – повърхност на топлинни загуби, m2;

T 1, t 2, t CP – начална, крайна и средна температура на охлаждащата течност, K;

 - температура на околната среда.

Хидродинамика

N Ж = К N  n 3 d - разсейвана мощност (разсейвана от бъркалката) в средата, W; (19а)

К N = F(Re; Fr; Г) – критерий за мощност (критерий на Ойлер за смесители). (19б)

Чрез интегриране на системата от уравнения (18a) - (18d) се получава зависимостта на концентрациите и температурите от времето; резултатите се представят графично или под формата на таблици.

Фигура Графична зависимост

Концентрации и температури

Специална роля играят изотермичните RIS-P, за които

=0 (20a)

Чрез регулирането му се осигурява постоянна температура

КF Δ = - ΔН R | W R | - K P F P (T-) + N F (20b)

Постоянната температура елиминира влиянието на обемното разширение върху концентрациите на веществата. В резултат на това характерната система за I-RIS-P е опростена.

=  W R (1+ ) (20а)

Доста често влиянието на състава на средата върху плътността - особено в случай на реакции в разредени разтвори - може да бъде пренебрегнато, т.е.

Тогава характеристичното уравнение се опростява

  W R (20V)

Уравнение (20c) има общо интегрално решение

 =
 От 0
(21)

Където X е степента на трансформация.

Способността на практика да гарантира изпълнението на условия (19)-(21) [например в разредени разтвори] прави I-RIS-P изключително важен за кинетични изследвания. По същество това е основният тип т.нар. кинетични клетки. Уравнения (20с) и (21) се използват за изчисляване на кинетичните параметри на реакциите.

Предимството на RIS-P е, че този тип режим се характеризира с максимална средна концентрация на реагентите в средата, т.е. движеща силапроцес. Следователно времето, необходимо за постигане на дадена степен на преобразуване, при равни други условия, за RIS-P е минимумът от всички типове периодични реактори.

Трябва да се отбележи обаче, че е доста трудно да се осигури възможност за провеждане на процеси в режим RIS-P. По правило топлинните ефекти на химичните процеси и процесите на пренос на маса водят до факта, че при високи концентрации на реагенти - и високи скорости на процеса - е много трудно да се поддържа температурата в реактора в безопасни граници; Също така може да бъде трудно да се предотврати масова лавинообразна кристализация, освобождаване на реакционна маса и други негативни явления. Освен това, за сложни процеси с последователно-паралелни реакции, максималната концентрация не винаги позволява постигане на висока селективност на процеса и максимален добив на целевия продукт - което е много по-важно от високата скорост на процеса. Следователно процесите RIS-P са относително редки в практиката на химичната технология на биологично активните вещества.

За да се поддържат безопасни и рационални процеси, като правило е необходимо да се ограничат концентрациите на реагентите. За да направите това, е необходимо реагентите да се зареждат постепенно - за време, сравнимо с времето на процеса.

В допълнение, доста често е необходимо да се отстранят продуктите от реактора, които могат да причинят странични реакции или да изместят равновесието в нежелана посока, или да намалят температурата и по този начин да забавят процеса. Обикновено това се прави чрез дестилация, екстракция или кристализация.

Изпълнението на тези технологични техники формира два основни режима на провеждане периодични процеси: - - полупериодни реактори – RIS-PP;

Полупериодични реактори с непрекъснато действие – RIS-PPN.

1.2 Полупериодични реактори – RIS-PP.

Този модел се прилага за периодични процеси, при които някои от реагентите са първоначално в реактора, докато други се зареждат за период от време, сравним с времето на процеса. В края на зареждането се извършва експозицията, необходима за постигане на необходимия добив на целевия продукт. Реакционните продукти не се отстраняват от реактора, докато процесът не приключи. Следователно всички промени в концентрациите и температурите са причинени само от процесите, протичащи в реактора.

Технологичен цикъл т.е. се разделя на две фази: дозиране и задържане.

рисуване. RIS-PP схема

Нека разгледаме необратимата реакция, извършена в RIS-PP

A + B  D + E (III)

Математическо описание на процеса във фазата на дозиране.

Маса на веществата

Без увличане:= G s =0

= G A = A VА (22а)

Обемният и масовият дебит са постоянни

G A = Const (22b)

V A = Const (22v)

M = M O + G A = M O +  V A  (22g)

Скорост на реакция (макрокинетика на процеса)

Концентрация А се увеличава поради дозирането и намалява поради реакцията и увеличаването на обема

реакционна среда

=
- W R (1- ) -  C A (23а)

Концентрация В само намалява поради протичането на реакцията и увеличаването на обема на реакционната среда


= -
- W R (1- ) -  C V (23б)

температура(диференциалният топлинен баланс се определя от топлинните ефекти на химични процеси и процеси на пренос на маса; енталпия на заредените продукти; организиран топлообмен; разсейвана мощност

моята бъркалка и топлообмен с околната среда).

MC p* + M A C A
= G A H - (V 0 + V A ) (ΔН R | W R | - ΔН m | W m | )-КF Δ - K P F P (T-) + N F (23v)

Където H =  m XI H IN - специфична енталпия на разтвор на реагент А, J/kg;

H IN е специфичната енталпия на компонент I в разтвора на реактив А, J/kg;

M XI – масова часткомпонент I в разтвор на реагент А;

Хидродинамика(среден поток се определя чрез смесване)

N Ж = К N  n 3 d - разсейвана мощност (разсейвана от бъркалката) в средата, W; (23g)

Във фазата на задържане RIS-PP е идентичен на RIS-P; процесът се описва и от системата от уравнения (18a) - (18d). Очевидно е, че характеристичната система от уравнения (23a) - (23d) е много сложна; аналитични решения са възможни само за реакции от първи ред и изотермични режими.

Числено интегриране на системата от уравнения (23a) - (23d) за фазата на дозиране и системата от уравнения (18a) - (18d) за фазата на задържане при задаване на различни условия на процеса (начална температура - T 0; дебит на реагента A - G A; температура на охлаждащата течност - t 0 ; резултатите се представят графично или под формата на таблици.

Фигура Графична зависимост на концентрациите и температурата за RIS-PP

1.3 Полупериодични реактори с непрекъснато действие – RIS-PPN.

Този модел се прилага за всякакви партидни процеси, при които някои от реагентите са първоначално в реактора, докато други се зареждат за период от време, сравним с времето на процеса. В края на зареждането се извършва експозицията, необходима за постигане на необходимия добив на целевия продукт. В този случай, както във фазата на дозиране, така и във фазата на задържане, част от реакционните продукти или излишъкът от разтворител се отстраняват от реактора.

Това е най-сложният от всички режими на периодични процеси. Промените в концентрациите и температурите се причиняват от целия набор от процеси, протичащи в реактора. За RIS-PPN дори не винаги е възможно ясно да се раздели цикълът на фази на дозиране и задържане.

рисуване. RIS-PPN схема

Нека разгледаме необратимата реакция, извършена в RIS-PPN

A + B  D + E (III)

Ще приемем, че разтворът на реагент B е в реактора, а разтворът на реагент A е равномерно разпределен от мерителната чашка - т.е. с постоянен дебит - дозиран (източен) в реактора. Ще приемем също, че първоначално в околната среда няма реакционни продукти D и E

Математическо описание на процеса

Маса на веществата

= G I - G s =  I VАз -  S V S (24a)

където M е масата на веществата в апарата, kg;

G I – общ масов дебит на заредените вещества, kg/s;

G s – общ масов дебит на изтеглените вещества, kg/s;

Обемният и масовият дебит са постоянни

(G I ; G s )=Const (24b)

{Vаз ; V s )=Const (24v)

M = M O + (G I - G s)= M O + ( I VАз -  S V S) (24g)

Обем на средата в апарата

V= M/ (24d)

Скорост на реакция (макрокинетика на процеса)

Концентрация А се увеличава поради дозирането и намалява поради протичането на реакцията, възможно пренасяне с отстранените компоненти и увеличаване на обема на реакционната среда

=
- W R (1- ) -  C A (24-ти)

Концентрация B намалява само поради напредването на реакцията, възможно пренасяне с отстранените компоненти и увеличаване на обема на реакционната среда


= -
- W R (1- ) -  C V (24w)

Където  е т.нар коефициент на свиване, отразяващ отклонението на обема на разтвора от адитивността.

температура(диференциалният топлинен баланс се определя от топлинните ефекти на процесите на химичен и масов пренос; енталпия на заредените и изпуснати продукти; организиран топлообмен; мощност на разсейвания смесител и топлообмен с околната среда).

MC p* + M A C A
= G A H - G S H* S - V(ΔН R | W R | - ΔН m | W m | )- КF Δ - K P F P (T-) +N F (24z)

Където H S *=  m XI H IN - специфична енталпия на изтегления продукт S, J/kg;

Хидродинамика(среден поток се определя чрез смесване)

N Ж = К N  n 3 d - разсейвана мощност (разсейвана от бъркалката) в средата, W; (24i)

Чрез числено интегриране на системата от уравнения (24a) - (24i) при задаване на различни условия за процеса (начална температура - T 0; дебит на реагента A - G A; температура на охлаждащата течност - t 0; температура на околната среда - ), зависимостта на концентрациите и температурите по време се получава; резултатите се представят графично или под формата на таблици.

Въз основа на получените резултати се прави заключение за съответствието на типовете и техническите характеристики на реакторите с целите на проекта и се избират рационални условия за провеждане на процеса.

Критерии за избор.

1. Параметри на процеса: температура, налягане, скорости на потока на средата трябва да бъдат в рамките на стандартите за безопасност.

2. Постигнатият добив на целевия продукт трябва да е висок, а количеството на страничните продукти, отпадъците и загубите да е минимално.

3. Консумацията на енергия и техните параметри трябва да са минимално достатъчни, за да гарантират контрол на процеса.

4. Скоростта на промяна на температурата и налягането не трябва да надвишава ограниченията на скоростта на съвременните инструменти на CIPSA (dT/d 5. Сложността на процеса трябва да бъде минимална.

2. НЕПРЕКЪСНАТИ ПРОЦЕСИ

Непрекъснатите процеси, въпреки тяхната относителна рядкост, са важни за технологията на биологично активните вещества. За да оценим техните характеристики, ще разгледаме два вида апарати: апарати с бъркалки и тръбни реактори.

2.1. УСТРОЙСТВА С БЪРКАЛКИ.

Идеалният модел на смесване, формулиран чрез съотношения (17a)-(17h), е приложим за непрекъснати процеси в апарати с бъркалки (както и периодични процеси) в случай на среда с нисък вискозитет и умерен вискозитет. В този случай се нарича RIS-N. RIS-N имат редица съществени характеристики в сравнение с периодичните процеси.

  1. Вътрешният работен обем на такова устройство е строго определен чрез инсталиране на преливник (температурните промени не надвишават 1%). Следователно обемът на реакционната маса също е практически постоянен.
  2. Поради „идеалността” на смесване, концентрациите на всички вещества и температурата са практически постоянни и съответстват на крайните, постигнати на изхода от реактора.

рисуване. Схема ФИГУРА-N Фигура. Схема на промяна на концентрацията T ОТНОСНО (26)

След този период се установява стационарен режим

=
==0 (27)

За стационарния режим са валидни основните съотношения

Концентрации

C A = C A 0 – W R T ОТНОСНО (28а)

C B = C B0 – W R T ОТНОСНО (28б)

Температурата може да се намери от условието

G S H* S = G A H - V (ΔН R | W R | - ΔН m | W m | ) - КF Δ - K P F P (T-) + N F (28v)

RIS-N са устройства с т.нар. стъпков или дискретен контакт.

Изрази (28a) - (28c) илюстрират казаното по-горе за внезапния характер на промяната в параметрите на ФИГУРА-N. Така се характеризират RIS-N най-малкиятот всички видове реактори концентрациите на реагентите са съответно най-малката движеща сила на процеса.

От една страна, това е недостатък - тъй като за постигане на същата степен на превръщане е необходимо максимално време на престой T ОТНОСНО - и съответно най-тромавото устройство (при равни други условия).

От друга страна, това е достойнство. В случай на реакции с голям топлинен ефект, намаляването на скоростта на процеса намалява топлинните натоварвания и улеснява стабилизирането на безопасни и оптимални температурни условия. Освен това, ако редът на целевия отговор По-долуред на страничните реакции - намаляването на концентрациите води до увеличаване на добива на целевия продукт.

2.2 ТРЪБНИ РЕАКТОРИ

Тръбните реактори, за разлика от RIS-N, са устройства с т.нар. непрекъснат контакт. Те съдържат радиален и аксиален (обратен) конвективен и турбулентен пренос на маса и импулс – т.нар. обратна дифузия. В този случай, разбира се, основната посока на трансфера съответства на координатата на процеса. В съответствие с тази особеност на физикохимията и хидродинамиката на процеса, т.нар модел на дифузионен реактор с тапа – ДРВ-Н.
Очевидно е обаче, че подобни изчисления са много сложни. Освен това - и което е много по-важно - правилното им изпълнение изисква голямо количество работа експериментални изследвания; защото без съответните данни за свойствата на веществата; относно механизмите, кинетиката и термодинамиката на процесите (и много други), всякакви изчисления ще бъдат ненадеждни. И накрая, много проблеми с дизайна могат да бъдат решени с помощта на по-прости методи. Най-важният от тези методи е методът на материалния и топлинния баланс.

Материалният баланс изразява закона за запазване на масата и закона за запазване на количеството материя във връзка с химическия транспорт. Топлинният баланс, съответно, е законът за запазване на енергията. И двата баланса са тясно свързани с динамиката на процеса, тъй като на езика на теоретичната физика те са CTP интеграли.

За обективност и пълнота на анализа ще разгледаме най-сложния процес: RIS-PPN.

Нека направим някои трансформации на уравнения (24a)-(24h).

1. Да преминем от концентрациите към количеството вещество:

VdC = dN. (30а)

2. За реакционните продукти е вярно следното:

W RI d = d I (30b)

Където  I е добивът на продукт I.

3. И накрая, за изходните реагенти е вярно следното:

 I -1 W RI d =  I -1 d I = d х A (30v)

където  I е стехиометричният коефициент за реакцията на образуване на продукт I от основния субстрат А;

хА е степента на преобразуване А.

Чрез заместване на условия (25a) - (25c) ние модифицираме уравнения (24a), (24e), (24g), (24h).

DM I = dM + dM s (31a)

DN A = dN B = N 0 (1-d х) =-  I -1 d I (31b)

MS p dT + M A C A dT A =

з dM I - H* S dM S -  ΔН R  I -1 d I - ΔН m | Wm | - КF Δ d - K P F P (T-)d + N Ж d (31c)

Системата от уравнения (26a) - (26c) може да бъде интегрирана, за да се получат следните балансови отношения.

1. МАСА ВЕЩЕСТВА

 M I =  M +  M s (32a)

2. КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВО

2.1 ИЗХОДНИ РЕАКТИВИ

ОСНОВЕН СУБСТРАТ - А

N A = N A 0 (1- х) (32б)

Където N A 0 е първоначалното (заредено) количество субстрат A, kmol.

ВТОРИ ПОДЛОЖКА - Б

N B = N B0 - N A 0 х(32v)

Където N B0 е първоначалното (заредено) количество субстрат B, kmol.

2.2 ПРОДУКТИ НА РЕАКЦИЯТА

Количеството на всеки получен продукт I, kmol, се дава от израза

N I = N I0 + N A0  I -1  IХ (32g)

 I Х – химичен добив на продукт I.

Където N I 0 е първоначалното (заредено) количество продукт I, kmol;

Съответно, масата на всеки получен продукт, kg, I се дава от израза

M I = M mI N I (32d)

където M mI – моларна масапродукт I, kg/kmol.

3. ТОПЛИНЕН БАЛАНС ТЕЦ

Удобно е да приведете топлинния баланс във формата

Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 9 = Q 5 + Q 6 + Q 7 + Q 8 (33)

При което

Q 1 =  M I З H I З * =  N I З H З – внесена топлина с изходните реагенти, J; (28б)

Където H I Z, H I Z * са съответно моларната и специфичната енталпия на заредените вещества.

Q 2 = - КF Δ d  - КF Δ  - топлина, разочаровам в топлообменното устройство, J (28v)

Q 3 = (-N A 0)  I -1  I X ΔH RI - обща топлина на химичните реакции, J; (28g)

Където ΔН RI е топлинният ефект на реакция I, J/kmol

Q 4 = (-N A 0)  I -1  Im ΔН Rm - обща топлина на процесите на масообмен, J; (28d)

Където ΔН Rm  Im е топлинният ефект на процеса на масообмен I, J/kmol;

 Im е резултатът от процеса на пренос на маса I към основния първоначален субстрат A.

Q 5 = M A C A (t AK - t A0) – топлина, акумулирана в нагрятия/охладения корпус на реактора, J (28e)

Където M A е масата на тялото на апарата, kg;

T AK, t A0 – крайна и начална средна температура на корпуса, O C;

Q 6 =  M I H I * =  N I H I – топлина, акумулирана от продуктите в реактора, J; (28f)

Където H I, H I * са съответно моларната и специфичната енталпия на натрупаните вещества, J/kmol.

Q 7 =  M S H S * =  N S H S – топлина на отвежданите от реактора продукти, J; (28z)

Където H I З, H I З * са съответно моларната и специфичната енталпия на изтеглените вещества, J/kmol.

Q 8 = K P F P (T-)d  K P F P (T SR -)  - топлина, изгубен V заобикаляща среда, J (28i)

където T SR е средната температура в апарата

Q 9 =
 N ZHSR  топлина, отделена в средата от работеща бъркалка (28k)

където N ZhSR е средната мощност, разсейвана от бъркалката в средата, W.

Енталпиите на веществата (моларни или специфични) се изразяват в термохимична скала спрямо стандартната (референтна) температура T = 298,15 K (25,00 O C).

Таблица - Изразяване на енталпията на веществата


състояние

при t=25 O C


Състояние при температура t

Твърди

Течност

Газообразен

Твърди

S r TV (t-25)

S r TV (t PL -25)+ ΔN PL +

S r F (t- t PL)


S r TV (t PL -25)+ ΔN PL +

S r F (t KIP - t PL) +ΔN ISP +

S r G (t - t инструментариум)


Течност

S r F (t PL -25) - ΔN PL +

S r F (t- t PL)


S r F (t -25)

S r F (t KIP - 25) +ΔN ISP +

S r G (t - t инструментариум)


Газообразен

S r G (t KIP -25) - ΔН ISP -

S r F (t KIP - t PL) - ΔN PL +

S r TV (t - t PL)


S r G (t KIP -25) - ΔН ISP -

S r F (t инструменти - t)


S r G (t -25)

В случаите, когато процесът протича в разредена среда и фазовото състояние на реагентите и продуктите не се променя, всички изрази се опростяват до: H = C P t