Реактор идеального смешения. Допущения модели. Вывод уравнения материального баланса.

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.

Допущения:

- равномерное поле концентраций, температур др по всему объему реактора

- мгновенное выравнивание концентраций

Достоинства реактора идеального смешения:

1) простота конструкции

2) отсутствие ограничений на характер проводимых реакций

3) не влияют побочные явления (транспорт)

Области применения:

1) в промышленности малотоннажных производств с частой сменой ассортимента;

2) для проведения реакций, которые должны прекращаться в строго определенный момент;

3) при переработке дорогостоящих продуктов

Недостатки:

1) низкая производительность

Уравнение материального баланса.

Рис. Элементарный объем химического реактора.

dV=dxdydz объём элементарного промежутка пространства.

U [м,с] – линейная скорость

Cj (x;y;z) – мольная концентрация j компонента [кмоль/м³]

∆nj=G_j^вх - G_j^вых – изменение количества вещества в элементарном объеме

Уравнение материального баланса:

∆nj_конв.+∆nj_диф.+∆nj_{хим.реакц}=∆nj_{накопления}

Для стационарного процесса:

∆nj_{накопления}=0

Конвективный перенос (перенос импульса) вызван движением потока со скоростью u в результате какого-либо внешнего воздействия (например, из-за перепада давления). Охарактеризовать конвективные перенос можно изменением импульса единицы объема жидкости:

G_jконв=ū*gradCj

Диффузионный перенос вызван наличием неравномерного распределения вещества J в пространстве. охарактеризовать диффузионный перенос можно в соответствии с законом Фика изменением диффузионного потока вещества J:

G_{j диф}=D*▼²Cj

По координате z: ∆n_{j конв z}=C^вх _{j конв z} – С^вых_{j конв z}= -∂(u_zC_j)/∂z*dxdydzdτ

∆n_{j конв y}= -∂(u_yC_j)/∂y*dxdydzdτ

∆n_{j конв x}= -∂(u_xC_j)/∂x*dxdydzdτ

Итого: ∆n_{j конв} = -ū*gradC_j*dVdτ

Диффузионный поток на входе через грань dxdy в направлении оси z в соответствии с первым законом Фика:

При прохождении потока через элементарный объем произойдет изменение градиента концентрации ∂C_j/∂z на величину (d²C_j/dz²)dz, тогда диф. поток на выходе:

Тогда изменение

▼²C_j=(∂²C/∂x²+∂²C/∂y²+∂²C/∂z²)

Протекание химической реакции в элементарном объеме – обязательная часть любого химического процесса. Расход или образование вещества J в ходе химической реакции пропорционален скорости реакции:

∆n_{j, хр}=w_rjdVdτ – для реагента J

∆n_{j, хр}= -w_rjdVdτ – для продукта J

Алгебраическая сумма всех этих трех изменений должна быть равна накоплению вещества J в элементарном объеме.

∆n_{j, нак}=(∂C_j/∂τ)*dτdV

Тогда уравнение материального баланса элементарного объема.

-ūgradC_j*dτdV +D▼²C_j*dτdV -W_rj *dτdV =∂C_j/∂τ* dτdV

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

D▼²C_j=0

gradC_j=∆C_j/∆z ∆C_j=C_jк-С_j0

ū=v/F, где F=V/∆z

V/v=τ_ср- среднее время

(-v/F)*(∆C/∆z)= (-v/V)*(C_jк – C_j0)

-(C_jк – C_j0)/τ_ср – W_rj=dC_j/dτ – уравнение материального баланса РИС.

Для РИС проточного:

А→(k)R

τ_ср – среднее время пребывания раствора в реакторе, за которое происходит его полное обновление

Аналитический метод расчета.

k=5 ч^-1

х_А=0,8

Уравнение мат. баланса:

τ_ср=(С_А0-С_А)/W_rA

Кинетическое уравнение:

W_rA=k*C_A

τ_ср=(С_А0-С_Ак)/ k*C_A=(C_A0-C_A)/[k*C_A0*(1-x_A)]=x_A/[k*(1-x_A)]

τ_ср=0,8/[5(1-0,8)]=0,8 г

Графический метод расчета.

nA→(k)R

Уравнение мат. баланса:

W_rA= (С_А0-С_А)/ τ_ср (1)

W_rA=kCⁿ_A (2)

1 – уравнение мат. баланса

2 – W=f(C_A)

tgφ=1/τ_ср

Графический метод используется, когда:

1) реакция имеет дробный порядок

2) математическая форма кинетического уравнения неизвестна

3) Характеристика сырья для производства азотной кислоты. Физико-химические основы процесса контактного окисления аммиака, выбор технологического режима и аппаратурного оформления.

Азот образует питательные вещества для животных и человека.

Азот имеет тройную прочную связь: N₂, N≡N

Е=945 кДж/моль

1) получение связанного азота электродуговым методом

(Т>2000ᵒС) N₂+O₂→2NO

O₂↔2O

O+N₂↔NO+N

N+O₂↔NO+O

2) цианомидный метод

CaC₂+N₂→CaCN₂+C

CaCN₂+3H₂O→CaCO₃+2NH₃

3) селитровый способ

2NaNO₃+H₂SO₄→2HNO₃+Na₂SO₄

NaNO₃ –селитра

4) аммиачный способ

3H₂+N₂↔2NH₃

Азотная кислота – один из важнейших многотоннажных продуктов химической промышленности. Она занимает второе место по объему производства после серной кислоты. Азотная кислота широко применяется для производства многих продуктов, используемых в промышленности и сельском хозяйстве (азотные удобрения, синтетические красители, взрывчатые вещества, нитролаки, лекарственные синтетические вещества).

Т_кип=86ᵒС

Т_замерз= -41ᵒС

Сырьем для получения азотной кислоты служит аммиак, воздух и вода. синтетический аммиак загрязнен примесями: катализаторная пыль, смазочное масло. Чистый газообразный аммиак получают на испарительных станциях и в дистилляционных отделениях жидкого аммиака. Дальнейшая очистка осуществляется в фильтрах: с тонковолокнистым материалом и с поролитовыми трубами.

Атмосферный воздух, применяемый в производстве азотной кислоты, забирается на территории завода или вблизи него. Он подвергается тщательной очистке в скруббере, орошаемом водой, затем в двухступенчатом фильтре.

Вода, применяемая для технологических нужд, подвергается очистке от растворенных в ней солей. Для получения реактивной азотной кислоты (химически чистая для анализа) требуется чистый паровой конденсат, который дополнительно очищают от возможных примесей.

Химическая схема получения неконцентрированной азотной кислоты.

1. 4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O+Q

2. 2NO+O₂↔2NO₂+Q

3. 3NO₂+H₂O→2HNO₃+NO

Окисление аммиака кислородом воздуха без катализатора возможно только до N₂.

На катализаторе между аммиаком и кислородом протекают реакции:

Основная реакция: 1) 4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O+Q (∆Н<0, ∆V>0)

Побочные: 2) 4NH₃+4O₂→2N₂O+6H₂O

N₂O – закись азота, веселящий газ.

3) 4NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O

4) 2NH₃→N₂+3H₂

5) 2NH₃+3NO→2,5N₂+3H₂O

Побочные реакции нежелательны. Чтобы их исключить, надо вести процесс при оптимальном режиме.

Оптимальные параметры: Т=900ᵒС, τ=10^-4 сек, О₂:NH₃=1,7:1

α=1,8, α=υ_O2/υ_O2^стех

υ – расход

Катализаторы, применяемые для окисления аммиака, должны обладать избирательными свойствами, т.е. ускорять только одну из всех возможных реакций, а именно, реакцию окисления аммиака до оксида азота (II). Наиболее селективным и активным оказался платиноидный катализатор, представляющий собой сплав платины с палладием и родием.

Проволока: диаметром 0,06-0,09 мм

1024 отв. сетка на 1см²

Таким образом:

- высокая скорость

- высокая температура

- сетка

Любое наличие твердых частиц разрушает сетку.

Недостатки:

1) повышенный расход катализатора при 7 атм. Он служит 90 дней. Затем его заменяют.

2) высокие требования к чистоте – отсутствие механических примесей.

Для экономии платины применяют двухстадийное контактирование.

1) платиновая сетка

2) неплатиновый катализатор

(КН-2Т) Fe₂O₃, CrO, Co.

Это поможет сэкономить платину и снизить расход.

При использовании воздуха для окисления аммиака максимально возможной концентрацией NH₃ в аммиачно-воздушной смеси, при которой достигается высокий выход NO, является 11-11,5%, и соотношение О₂:NH₃=1,7 при температурах 870-920ᵒС. Для большего выхода NO необходим примерно 30%-й избыток кислорода сверх стехиометрического.

Нитрозные газы, полученные при окислении аммиака, направляют на окисление NO.

Атмосферный воздух после очистки в фильтре 1 сжимается двухступенчатым воздушным компрессором 2 и 4. Основной поток воздуха после сжатия нагревают в подогревателе воздуха 11 до 250-270ᵒС теплотой нитрозных газов и подают на смешение с аммиаком в смеситель 7. Газообразный аммиак, полученный при испарении жидкого аммиака, после очистки от влаги через подогреватель также направляется в смеситель 7. Смеситель совмещен в одном аппарате с фильтром. После очистки аммиачно-воздушная смесь подается в контактный аппарат 8 на конверсию аммиака.

Конверсия аммиака протекает на платинородиевых сетках при 900ᵒС. Нитрозные газы при 890-910ᵒС поступают в котел-утилизатор 9. В котле вследствие охлаждения нитрозных газов до 170ᵒС происходит испарение химически очищенной воды, питающей котел-утилизатор; при этом получают пар давлением 1,5 МПа и температурой 230ᵒС, который выдается потребителю.

После котла-утилизатора нитрозные газы проходят теплообменник и поступают в окислитель 10 – полый аппарат, в верхней части которого установлен фильтр стекловолокна для улавливания платинового катализатора. Частично окисление нитрозных газов происходит уже в котле-утилизаторе. В окислителе 10 степень окисления возрастает до 85%. В результате реакции окисления нитрозные газы нагреваются до 300-335ᵒС. Эта теплота используется в подогревателе воздуха 11. Охлажденные в теплообменнике 11 нитрозные газы поступают для дальнейшего охлаждения в теплообменник 12, где происходит снижение температуры до 150ᵒС и нагрев выхлопных (хвостовых) газов до 110-125ᵒС. Затем нитрозные газы направляют в холодильник-конденсатор 13, охлаждаемый оборотной водой. При этом конденсируются водяные пары и образуется слабая азотная кислота. Нитрозные газы отделяют от сконденсировавшейся азотной кислоты в сепараторе 14, из которого азотную кислоту направляют в абсорбционную колонну 15, а нитрозные газы – под нижнюю тарелку абсорбционной колонны.

Сверху в колонну подают воду. Образующаяся в верхней части колонны азотная кислота низкой концентрации перетекает на нижележащие тарелки. Вследствие поглощения оксидов азота концентрация кислоты постепенно увеличивается и на выходе достигает 55-58%, причем содержание растворенных в ней оксидов азота достигает 1%. Поэтому кислота направляется в продувочную колонну 16, где подогретым воздухом из нее отдувают оксиды азота, и чистая кислота идет на склад. Воздух после продувки подается в нижнюю часть абсорбционной колонны 9.

Кибрик в сумме выдал нам 25 билетов. А говорил должно быть 21. Согласно моим расчетам, недоставало в новых билетах всего двух – это скорее всего № 17 и 18 (старые). Так как оставшиеся старые уже все были, но правда в них задачи были переставлены..но это сути не меняет…но я их все равно вставлю сюда

Вот они:

Дата добавления: 2015-08-18