БИЛЕТ №2.

БИЛЕТ №1.

Совместное решение графическим методом уравнений материального и теплового балансов для реакции A→R, ∆H>0. Адиабатический РИС.

Рассмотрим решение математической модели для адиабатического РИС.

Химический реактор – основной аппарат любого химического процесса:

1) он определяет экономическую эффективность всего технологического процесса

2) определяет конструктивные особенности процесса

3) определяет технические показатели

4) определяет эксплуатационные характеристики.

Реакторы смешения – это емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом.

Для идеального смешения характерно абсолютно полное выравнивание всех характеризующих реакцию параметров по объему реактора.

Адиабатический режим характеризуется полным отсутствием теплообмена с окружающей средой (q_{теплообм}=0). В этом случае вся теплота химической реакции полностью расходуется на нагрев или охлаждение реакционной смеси. Для стационарного адиабатического режима: |Q_вх - Q_вых|=|Q_хр|.

Рассмотрим простую необратимую эндотермическую реакцию: A→(K)R

1. Кинетическое уравнение: W_rA=k*C_A

2. Уравнение материального баланса: τ_ср=V/υ=(C_A0 – С_А)/W_rA

По определению степени превращения х_А=(C_A0 – С_А)/ C_A0,

тогда C_A0 – С_А=х_А*С_А0.

Тогда УМБ: τ_ср=V/υ=C_A0*х_А/W_rA

3. Уравнение теплового баланса в общем виде:

Q_вх - Q_вых± Q_хр± Q_то=Q_нак

В стационарном режиме работы реактора: Q_вх - Q_вых± Q_хр± Q_то=0

Так как в адиабатическом реакторе Q_то-0, то |Q_вх - Q_вых|=|Q_хр|

ρ*Cp*υ(T₀-T)-∆H*W_rA*V=0

Решение:

1. τ_ср= C_A0*х_А/W_rA= C_A0*х_А/ k*C_A

По определению степени превращения: С_А=С_А0(1-х_А)

Тогда τ_ср== C_A0*х_А/ k*C_A== C_A0*х_А/ [k*С_А0(1-х_А)}

τ_ср=x_A/[K(1-x_A)] → x_A=1/[1+1/(K* τ_ср)]

2.Согласно уравнению теплового баланса: ρ*Cp*υ(T₀-T)-∆H*W_rA*V=0

Подставим в него кинетическое уравнение: ρ*Cp*υ(T₀-T)-∆H* k*C_A *V=0

С_А=С_А0(1-х_А)

Выразим степень превращения: x_A=(Cp*ρ/C_A0*∆H)*(T₀-T)

Зависимость между степенью превращения и Т является линейной. Эта прямая линия пересекает ось температур в точке Т=Т₀:

Если принять х_А=1 (т.е. реакция прошла до конца), то получим

Т₀ – Т_х=1=∆Т_ад=Cp*ρ/C_A0*∆H.

Величина ∆Т_ад – максимальное изменение температуры реакционной смеси, возможное в адиабатических условиях, или адиабатическое изменение температуры.

Тогда: x_A=(1/∆T_аб.)*(T₀-T) (1) – первое уравнение математической модели

второе уравнение представляет собой уравнение материального баланса:

(2)

Возможно лишь графическое решение.

эндотермический реактор - ∆Н>0

Рис. Уравнения теплового (1) и материального (2) балансов для адиабатического РИС при проведении в нем необратимой эндотермической реакции.

tgα= -1/∆Т_{адиабат.}

tgα<0

Решение системы уравнений материального и теплового балансов представляет точку (х_А’, T’) пересечения графиков функций (1) и (2).

Физико-химические основы процесса синтеза аммиака. Выбор технологического режима (температура, давление, концентрации компонентов, объемная скорость). Технологическая схема процесса.

Аммиак – ключевой продукт различных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности и сельском хозяйстве. Аммиак используется для получения азотной кислоты, полимерных материалов, в холодильной технике, для производства минеральных удобрений.

Состав аммиака был установлен Бертолле в 1784 году. Аммиак – NH₃ – основание, умеренно сильный восстановительный агент и эффективный комплексообразователь.

NH₃- газ с резким запахом.

Т_конд= -33,5ᵒС

Т_плавл= -77,8ᵒС

Растворимость: в 1л воды растворяется 700 л NH₃

С воздухом аммиак образует взрывчатую смесь в интервале (15-27%)NH₃

Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению реакции: N₂+3H₂↔2NH₃+Q – обратимая, экзотермическая.

Согласно принципу Ле-Шателье при нагревании равновесие смещается влево, в строну уменьшения выхода аммиака. Реакция синтеза аммиака протекает с уменьшением объема. Значит для интенсификации процесса получения аммиака необходимо: t↓ (420-550 ᵒС) и p↑ 320 атм, катализатор Fe.

Синтез аммиака протекает с заметной скоростью только в присутствии катализатора, причем твердого катализатора (железо). Гетерогенно-каталитический процесс синтеза аммиака имеет сложный механизм:

1) внешняя диффузия N₂ и Н₂ к поверхности катализатора;

2) Диффузия внутри пор катализатора

3) Химическая реакция на поверхности катализатора

3.1 Абсорбция на активных центрах Ϭ катализатора

N₂+2Ϭ→2NϬ

H₂+2Ϭ→2HϬ

3.2 Взаимодействие поверхностных комплексов:

NϬ+HϬ→NHϬ+Ϭ (NHϬ - имид)

NHϬ+ HϬ→NH₂Ϭ+Ϭ (NH₂Ϭ - амид)

NH₂Ϭ+HϬ→NH₃Ϭ+Ϭ (NH₃Ϭ - аммиак)

3.3 десорбция NH₃ с поверхности катализатора

NH₃Ϭ→ NH₃+Ϭ

4) Диффузия NH₃ в порах катализатора

5) Диффузия NH₃ через пограничную газовую пленку в газовый поток.

Лимитирующая стадия – хемосорбция азота (диффузия внутри пор катализатора).

Скорость обратимой реакции получения аммиака из элементов на большинстве катализаторов описывается уравнением Темкина-Пыжева:

w= dр_NH3/dτ=k₁*р_N2*(р^1,5 _H2/р_NH3)-k₂*(р_NH3/р^1,5_Н2)

Скорость реакции синтеза аммиака зависит от температуры, давления и состава реакционной смеси. Оптимальными считают такие значения указанных параметров, при которых скорость процесса максимальна.

Из этого уравнения видно, что скорость прямой реакции синтеза пропорционально р^1,5, а скорость обратной – р^0,5. Очевидно, что с ростом давления скорость процесса увеличивается.

С ростом давления увеличивается расход электроэнергии, при понижении давления снижается расход энергии, но увеличиваются размеры аппаратов. Для определения оптимального давления синтеза была использована комплексная математическая модель агрегата синтеза аммиака. В качестве критерия оптимизации – приведенные затраты.

На основании анализа определено, что наиболее эффективным является давление около 30 МПа.

Особенности:

1) высокое давление

2) наличие циркуляционного контура

3) использование холода для разделения газовой смеси

Так как присутствие инертных примесей в реакционной смеси равносильно снижению общего давления, то с увеличением содержания метана, аргона и гелия в смеси скорость реакции синтеза уменьшается.

С повышением содержания аммиака общая скорость реакции падает.

Влияние объемной скорости потока υ.

Увеличение объемной скорости смеси приводит к уменьшению прироста содержания аммиака и, тем самым к росту средней скорости и повышению производительности процесса.

υ_V=υ/V=1/τ [час^-1]

Увеличение υ_V в 4 раза снижает х_А на 20%.

q_R= υ_V*C_R=ψ_AR* υ_V*C_A0*x_A

Нарушение автотермичности

Рабочие υ_V=30*10³ 1/час

х_А=18%

Принципиальная схема:

1 – синтез аммиака

2 – выделение аммиака

Реакция синтеза аммиака обратима, поэтому полного превращения азота и водорода в аммиак за время их однократного прохождения через аппарат не происходит. Для более полного использования реагентов необходима их многократная циркуляция через колонну синтеза.

Устройство колонны синтеза.

Особенности:

- надежность

- прочность (320 атм.)

- оптимальный температурный режим

- использование избыточного тепла

АВС – для снижения температуры

1 – колонна синтеза

Давление 30 МПа

8 – аммиачный холодильник.

Чтобы выделить аммиак, азотоводородную смесь вместе с аммиаком охлаждают до температуры сжижения аммиака. Концентрация аммиака в азотоводородной смеси, содержащей инертные газы, в состоянии насыщения при давлении 30 МПа и различных температурах:

Т, ᵒС	-10
СNH3, %	2,1	3,2		4,7	5,5	7,3

С_NH3 – остаточное в газе (то, что остается и не конденсируется).

Поэтому целесообразно в систему подавать жидкий аммиак, который охлаждает газ до -10ᵒС

Часть газа накапливается (Ar) и поэтому от них надо избавляться. Это делается путем сбрасывания продувки. 7% нашего газа сбрасывается в трубу и сжигается.

Свежий газ (азото-водородная смесь) после очистки от посторонних примесей и после охлаждения поступает нижнюю часть конденсационной колонны 7 для очистки от остаточных примесей СО₂, Н₂О. Свежий газ барботирует через слой сконденсировавшегося жидкого аммиака, особождается от водяных паров и следов СО₂, насыщается аммиаком и смешивается с циркуляционным газом. Полученная смесь проходит по трубкам теплообменника конденсационной колонны и нагревается в теплообменнике 2, протекая по трубам. Затем поступает в колонну синтеза 1. В колонне синтеза 1 газ проходит снизу вверх по кольцевой щели между корпусом колонны и поступает в межтрубное пространство внутреннего теплообменника, размещенного в горловине колонны синтеза. В теплообменнике циркуляционный газ нагревается до температуры начала реакции и затем проходит четыре слоя катализатора, концентрация аммиака в газе увеличивается. Пройдя через центральную трубу азотоводородно-аммиачная смесь направляется во внутренний теплообменник, где охлаждается до 300ᵒС. Дальнейшее охлаждение в теплообменнике 3, в трубном пространстве теплообменника 2 холодным циркуляционным газом. Часть аммиака конденсируется. Жидкий аммиак, сконденсировавшийся при охлаждении, отделяется в сепараторе 6, смешивается с жидким аммиаком из конденсационной колонны 8 и из нижней ее части.

Циркуляционный газ поступает в систему вторичной конденсации, поступает в колонну 8 охлаждается до 18ᵒС за счет аммиака охлажденного в аммиачной колонне 8. В сепарационной части колонны 8 происходит отделение жидкого аммиака от газа и смешение свежей АВС с циркуляционным газом.

БИЛЕТ №2.

2) Периодический реактор идеального смешения. Уравнение материального баланса. Достоинства и недостатки. Области применения периодического реактора.

Химический реактор – основной аппарат любого химического процесса:

1) он определяет экономическую эффективность всего технологического процесса

2) определяет конструктивные особенности процесса

3) определяет технические показатели

4) определяет эксплуатационные характеристики.

Реакторы смешения – это емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом.

Для идеального смешения характерно абсолютно полное выравнивание всех характеризующих реакцию параметров по объему реактора.

Какие задачи решает теория химических реакторов?

1) разработка методов расчета реакторов

2) разработка принципов математического моделирования

3) оптимизация различных типов реакторов.

На конструкцию реактора влияет:

- фазовое состояние системы

- тепловые условия

- кинетические особенности

- уровень давления

- характер воздействия реакционной среды на материал аппарата (коррозионные особенности).

Требования к реакторам:

1) обеспечение оптимального времени пребывания

2) создание наилучшего контакта реагирующих веществ

3) обеспечение оптимальной температуры

4) механическая и коррозионная стойкость

5) удобство обслуживания, монтажа и ремонта, малый вес, малая стоимость.

Вводится понятие идеальных потоков.

1) они характеризуются ясностью физической картины

2) простота математического описания

3) удобство анализа протекания процесса

Идеальные потоки:

1) поток идеального вытеснения

2) поток идеального смешения

- равномерность перемешивания

- постоянство полей Ci, Т, Р

С=const

T=const

Особенности идеальных потоков.

1) они не содержат параметров, отражающих структуру потока

2) единственный параметр потока – время пребывания

Таким образом все потоки идеального смешения подобны и все потоки идеального вытеснения подобны.

В реакторе идеального смешения реализуется поток идеального смешения.

В периодический РИС все реагенты вводятся до начала реакции, а все продукты выводятся из него только по окончании процесса, так что общая масса реакционной смеси в реакторе остается постоянной, изменяется лишь ее состав.

Периодические процессы выгодны при относительно невысокой производственной мощности в тех случаях, когда получают дорогостоящие продукты.

Достоинства:

- возможность проведения реакций, требующих остановки в определенный момент времени,

- возможность проведения сложных реакций.

Недостатки:

- наличие вспомогательного времени на загрузку реагентов, выведения реактора на нужный технологический режим, разгрузку и очистку,

- низкая производительность

Уравнение материального баланса РИС периодического:

Согласно уравнению материального баланса элементарного объема:

-ū*gradC_j+D▼²C_j-W_rj=∂C_j/∂τ

Частная производная ∂C_j/∂τ заменена на полную, т.к. в соответствии с допущениями идеального смешения концентрация C_j внутри реактора является функцией только одной переменной – времени.

-ū*gradC_j+D▼²C_j-W_rj=dC_j/dτ

Согласно допущениям для реакторов идеального смешения (абсолютно одинаковые концентрации в любой точке реактора благодаря интенсивному перемешиванию):

(∂C/∂x)_{xj, yj, zj, τi}=0 (∂C/∂y)_{xj, yj, zj, τi}=0 (∂C/∂z)_{xj, yj, zj, τi}=0

То есть градиент концентрации равен нулю. Тогда отсутствует и вся диффузионная составляющая: D▼²C_j=0

▼²C_j=(∂²C/∂x²+∂²C/∂y²+∂²C/∂z²)

При отсутствии перемещения потока через реактор в произвольный момент времени между началом и окончанием процесса средняя линейная скорость элемента потока равна нулю, следовательно, и конвективный перенос в непроточном реакторе отсутствует.

ū*gradC_j=0

V/v=τ_ср- среднее время

– W_rj=dC_j/dτ – уравнение материального баланса РИС периодического.

Пример. РИС периодический.

А→(k1)R

W_rA=k₁*C_A

τ= -∫(от С_А0 до С_А) dС_А/k*C_A=-1/k*ln(C_A/C_A0)

C_A=C_A0*exp[-k*τ]

Полное время одного цикла работы:

τ_ц=τ_хим.р.+τ_вспом

τ_вспом=τ_загр+τ_выгр

Производительность РИС периодического:

q_R=V(C_A0-C_Aк)/τ_ц

Периодические реакторы с интенсивным перемешиванием, приближающимся к идеальному смешению, применяют в производствах реактивов, органических красителей, лекарственных препаратов – там, где для достижения достаточной глубины превращения требуется сравнительно длительное время, а объемы производства невелики.

Периодические реакторы смешения часто применяют в микробиологической промышленности для культивирования аэробных микроорганизмов.

Дата добавления: 2015-08-18