БИЛЕТ№16 (старый).

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