معادله کلی تعادل حرارتیراکتور شیمیایی معادله تعادل حرارتی برای راکتورهای شیمیایی که در رژیم های حرارتی همدما، آدیاباتیک و میانی کار می کنند. پایداری حرارتی راکتورهای شیمیایی در مورد واکنش‌های گرمازا و گرماگیر. راکتور واکنش برگشت پذیر

معادله تعادل حرارتی همه را در نظر می گیرد گرما جریان می یابد، ورود و خروج از راکتور. چنین جریانهایی عبارتند از: Qin - گرمای فیزیکی مخلوط واکنش موجود در حجم اولیه که تعادل برای آن ایجاد شده است (جریان ورودی). Quout - گرمای فیزیکی واکنش خروج از حجم اولیه (جریان خروجی). Q р - گرمای واکنش شیمیایی (علامت می تواند مثبت یا منفی باشد). Q t.o – گرمای صرف شده برای تبادل حرارت با محیط(بسته به نسبت های دمایی در راکتور و محیط یا در دستگاه تبادل حرارتی، این جریان می تواند به داخل و خارج از حجم نیز هدایت شود). Q f.pr - گرمای تبدیل فاز.

برای عملیات راکتور ثابت جمع جبریاز تمام جریان های حرارتی صفر است: Q در - Q خارج ± Q р ± Q t.o ± Q f.pr = 0 (1)

در حالت ناپایدار، تجمع مثبت یا منفی گرما در یک حجم ابتدایی رخ می دهد:

Q in - Q out ± Q r ± Q t.o ± Q f.pr = Q nak (2)

معادلات (1) و (2) معادلات کلی برای تعادل حرارتی یک راکتور شیمیایی هستند. انواع مختلفی از رژیم های حرارتی واکنش های شیمیایی و بر این اساس، انواع خاصی از معادلات تعادل حرارتی وجود دارد

I. ایزوترمال - حالتی که با این واقعیت مشخص می شود که دما در ورودی، داخل و خروجی یکسان است. این امر در صورتی امکان پذیر است که آزاد شدن و جذب گرما در نتیجه یک واکنش شیمیایی با تبادل حرارت با محیط جبران شود. برای یک فرآیند همدما ثابت با خواص فیزیکی ثابت سیستم، می‌توانیم بنویسیم: Q in =Q out; | Q р |=| Q t.o | .

علاوه بر راکتورهای اختلاط اساساً همدما، راکتورهایی با مقدار بسیار کم Qp، C A0 یا x (درجه تبدیل) با هدایت حرارتی قابل توجه در مخلوط واکنش می توانند به همدما نزدیک شوند. هنگام مدل سازی راکتورها، راکتورهای کاملاً همدما شامل راکتورهایی از انواع مختلف، مخلوط کننده نوع مایع (Zh، Zh-Zh، Zh-T) می باشد. رژیم همدما در قفسه دستگاه فوم کوچک و حباب، و همچنین در یک بستر سیال از مواد دانه‌ای و سایر دستگاه‌ها مشاهده می‌شود.

معادله مشخصه یک راکتور همدما: t cf =t k =const.

II. رژیم آدیاباتیک با فقدان کامل تبادل حرارت با محیط مشخص می شود. در این حالت تمام گرمای واکنش شیمیایی صرف گرم کردن یا خنک کردن مخلوط واکنش می شود. برای یک فرآیند ثابت |Q در -Q خارج |=|Q p |. تغییر دما در یک راکتور آدیاباتیک Δt مستقیماً با درجه تبدیل x، غلظت معرف اصلی C A0 و اثر حرارتی واکنش Q p مرتبط است. تغییرات دما برای واکنش های گرمازا مثبت و برای واکنش های گرماگیر منفی است. معادله تعادل حرارتی برای واکنش A→B به صورت زیر خواهد بود: G c t k ± GQ p C A 0 x = G c t k(2)، از اینجا معادله مشخصه را به دست می آوریم: ± GQ p C A 0 x=с (t k - t n) (2').

تغییر دما در هر بخش در امتداد محور جریان در یک راکتور جریان پلاگین با درجه تبدیل متناسب است: ∆t= t k – t n =±λχ، که در آن λ ضریب تغییر دمای آدیاباتیک است: λ=(Q p ​​​* C D)/c، که در آن

C D - غلظت محصول. معادله تعادل حرارتی برای یک بخش ابتدایی از راکتور به صورت زیر خواهد بود: ±Q p C A dx A =cdt (3). برای یک راکتور کاملا مخلوط، معادله تعادل حرارتی مانند (2') است.

III. حد واسطحالت (polytropic یا autothermal) با این واقعیت مشخص می شود که بخشی از گرمای واکنش صرف تغییر محتوای گرمایی (گرمایش یا خنک کننده) مخلوط واکنش و تا حدی برای تبادل حرارت با محیط می شود. این حالت اغلب در TCP یافت می شود. این رژیم با معادله کامل تعادل حرارتی توصیف می شود. با ظرفیت گرمایی وزن ثابت و حالت پایدار، گرمای آزاد شده (جذب شده) در نتیجه واکنش در درجه تبدیل x A توسط محصولات واکنش منتقل شده و از طریق دیواره راکتور منتقل می شود: ±GQ p C A 0 x A =G c (t k - t n) ± k t F∆t av (4)، از اینجا می توان موارد زیر را یافت: 1) تغییر دما (t k - t n)، درجه تبدیل (x A)، سطح انتقال حرارت (F) ). این معادله (4) برای راکتور اختلاطو برای راکتور جریان پلاگین، که در آن دما در تمام طول یکسان است ، یعنی دمای مایع خنک کننده یا خنک کننده واقع در ژاکت در تمام طول راکتور ثابت است. دمای واکنش دهنده ها در هر نقطه از مقطع راکتور یکسان است. از آنجایی که دما در راکتور در طول آن متفاوت است،تعادل حرارتی برای یک بخش ابتدایی از طول راکتور (∆H) جمع‌آوری می‌شود: GQ p C A 0 x A =G cdt± k t F'(t-t arr)dH. که در آن t دمای عنصر راکتور مورد بررسی است. t محیط - درجه حرارت در ژاکت.

مقایسه ویژگی های فرآیندهای همدما، آدیاباتیک و چند گرمایی در شکل ها نشان داده شده است.

پایداری عملکرد راکتور یکی از الزاماتی است که بر روی آنها گذاشته شده است. به گفته A.M. Lyapunov، "سیستمی پایدار نامیده می شود که پس از اعمال برخی اختلالات، با رفع این اختلال به حالت قبلی خود بازگردد."

مهمترین آنها ثبات دمایی (حرارتی) واکنش های شیمیایی و راکتورها است. در طی واکنش های گرمازا و گرمازا، به دلیل تأثیر غلظت معرف ها در فرآیند شیمیایی، تنظیم خودکار دمای فرآیند فن آوری رخ می دهد. در برخی موارد، وابستگی مقدار گرمای آزاد شده به دما در یک راکتور همجوشی کامل در واکنش گرمازا برگشت پذیر

پایداری رژیم تکنولوژیکی یک راکتور را می توان با حساسیت آن در هنگام تغییر یک یا پارامتر دیگر تعیین کرد و نامیده می شود. حساسیت پارامتریک:П=dy/dx، که در آن y یک مقدار ورودی است - پارامتر (دما، مصرف معرف، غلظت)، x یک مقدار خروجی است - پارامتری که نتیجه فرآیند را مشخص می کند (درجه تبدیل، دما، زمان واکنش).

داخین او.خ.

Volgograd, RPK "Polytechnic", 2012. - 182 pp. طبقه بندی راکتورها بر اساس طراحی
ویژگی های عمومیو هدف
طبقه بندی راکتورها بر اساس نحوه حرکت جرم واکنش و نوع سطح تبادل حرارت
طبقه بندی راکتورها بر اساس فرم های طراحی
طبقه بندی راکتورها بر اساس وضعیت فازی معرف ها و اصل عملکرد
مشخصات کلی و اصول عملیات با توجه به نحوه عملکرد
راکتورهای دسته ای (رآکتورهای غیر ثابت همگن)
راکتورهای نیمه دسته ای
راکتورهای پیوسته (راکتورهای ثابت همگن)
آبشار راکتورها
روش برای محاسبه پیچیده راکتورهای شیمیایی
الگوریتم محاسبه راکتور
مقررات عمومی
تعیین سرعت واکنش شیمیایی، ثابت، درجه تبدیل و ترتیب
سرعت واکنش شیمیایی
واکنش های ساده
واکنش های مرتبه صفر
واکنش های مرتبه اول
بازده محصول
طبقه بندی واکنش ها
تأثیر دما بر سرعت یک واکنش شیمیایی
واکنش های موازی و متوالی
مبانی مدل سازی ریاضیراکتورهای شیمیایی
توابع توزیع خطی زمان اقامت
تعیین تجربی E(τ) و F(τ) و تجزیه و تحلیل یک راکتور شیمیایی با استفاده از این توابع
انتقال حرارت در راکتورهای شیمیایی
اثر حرارتی در راکتورها
طبقه بندی راکتورهای شیمیایی بر اساس رژیم حرارتی
الگوریتم محاسبه رژیم حرارتی راکتورهای شیمیایی
محاسبه حرارتی راکتورهای شیمیایی
معادله تعادل حرارتی مشخصه عمومی
تاثیر شرایط حرارتی بر روند فرآیندهای شیمیایی در راکتورهای اختلاط و جابجایی ایده آل محاسبه حرارتی یک راکتور همدما پیوسته با اختلاط کامل
تجزیه و تحلیل رژیم حرارتی یک راکتور همدما پیوسته
راکتور جریان برقی با تبادل حرارت بین واکنش دهنده ها و محصول
راکتور جریان برقی با سطح تبادل حرارت
محاسبه حرارتی راکتور آدیاباتیک با همزن
تجزیه و تحلیل رژیم حرارتی یک راکتور آدیاباتیک
تجزیه و تحلیل رژیم حرارتی یک راکتور آدیاباتیک برای واکنش های گرماگیر
محاسبه حرارتی یک راکتور دسته ای همدما
محاسبه حرارتی یک راکتور دسته ای همدما برای حالت شبه ایستا
مثالی از محاسبات تکنولوژیکی و حرارتی یک راکتور شیمیایی
مکانیسم واکنش های کاتالیزوری ناهمگن
محاسبه یک راکتور با بستر ثابت کاتالیزور
محاسبه یک راکتور بستر سیال
انتقال حرارت در راکتور بستر سیال
هدف، طرح ها و مشخصات فنی اصلی دستگاه های دارای دستگاه مخلوط کن
طبقه بندی فرآیندهای اختلاط و معیارهای اصلی آنها
ماهیت فیزیکی فرآیند اختلاط با همزن های مکانیکی در ظروف
جریان سیال در دستگاه
تعلیق
شرایط تعلیق
تاثیر هم زدن بر فرآیندهای فناوری شیمیایی
اثر هم زدن بر انتقال جرم
انتقال جرم بین فاز جامد و مایع
اثر هم زدن بر انتقال حرارت
دستگاه های اختلاط و طبقه بندی آنها
هدف دستگاه ها و مناطق عملیاتی آنها
فشار شرطی و دمای محیط
پارامترهای اساسی دستگاه ها
انتخاب و الزامات مواد برای ساخت راکتورهای شیمیایی
خواص اساسی مواد مورد استفاده در ساخت راکتورها و عناصر ساختاری آنها
ویژگی های طراحی دستگاه ها برای اختلاط مکانیکی رسانه های مایع
طراحی عناصر عملکردی اصلی راکتورها با همزن
میکسرهای با سرعت بالا
هیدرودینامیک دستگاه های اختلاط با سرعت بالا. محاسبه پارامترهای هیدرودینامیکی پایه
میکسرهای کم سرعت
هیدرودینامیک اختلاط در دستگاه های با میکسرهای کم سرعت
درایو میکسر
درایوهای برقی مهر و موم شده
مهر و موم شفت میکسر
شیرهای هیدرولیک
مهر و موم لب
مهر و موم غده
مهر و موم مکانیکی
قطعات داخلی راکتور
پارتیشن های انعکاسی
لوله فشار
کویل ها
محاسبه دستگاه های داخلی

فایل به آدرس ایمیل شما ارسال خواهد شد. ممکن است 1 تا 5 دقیقه قبل از دریافت آن طول بکشد.

فایل به حساب Kindle شما ارسال می شود. ممکن است 1 تا 5 دقیقه قبل از دریافت آن طول بکشد.
لطفا توجه داشته باشید که باید ایمیل ما را اضافه کنید [ایمیل محافظت شده] به آدرس های ایمیل تایید شده ادامه مطلب

می توانید یک نقد کتاب بنویسید و تجربیات خود را به اشتراک بگذارید. خوانندگان دیگر همیشه به نظر شما درباره کتاب‌هایی که خوانده‌اید علاقه‌مند خواهند بود. چه کتاب را دوست داشته باشید یا نه، اگر افکار صادقانه و دقیق خود را بیان کنید، مردم کتاب‌های جدیدی را پیدا خواهند کرد که برای آنها مناسب است.

وزارت آموزش و پرورش و علوم RF دانشگاه فنی دولتی ولگوگراد O.Kh. راکتورهای شیمیایی Dakhin RPK "Polytechnic" Volgograd 2012 8 1 طبقه بندی راکتورها بر اساس طراحی 1.1 ویژگی های کلی و هدف همین واکنش را می توان در راکتورهای انواع مختلف انجام داد. هنگام توجیه انتخاب یک دستگاه واکنش از نوع خاصی برای انجام یک فرآیند شیمیایی خاص، لازم است امکان طراحی ساختاری دستگاه را در نظر گرفت. درک جامع از انواع طراحی راکتور اصلی مورد استفاده در صنایع مختلف. مطابق با این تعداد زیادیطرح ها، روش ها و راه های راکتور در نظر گرفته شده است کاربرد عملی سینتیک شیمیایی، هیدرودینامیک، انتقال گرما و جرم، لازم برای طراحی مهندسی، انتخاب حالت عملکرد بهینه و طراحی راکتور. از آنجایی که دستگاه اصلی تقریباً هر تولید شیمیایی یک راکتور است، هزینه و کیفیت محصولات حاصل، توان واحد، بهره‌وری نیروی کار، هزینه‌های سرمایه و غیره عمدتاً به عملکرد آن بستگی دارد. به دلیل تفاوت‌های زیاد در طراحی راکتورها. یافتن معیارهای مبتنی بر علمی برای طبقه بندی آنها دشوار است. از بین تمام ویژگی های طراحی، دو مورد هنوز می تواند تعیین کننده در نظر گرفته شود: - نحوه حرکت جرم واکنش در راکتور. - نوع سطح تبادل حرارت؛ - با توجه به اشکال ساختاری بدنه. اولین مشخصه طبقه بندی دستگاه های واکنش را مطابق با انواع شناخته شده ایده آل راکتورها ممکن می سازد، بنابراین ارتباطی بین قوانین جنبشی فرآیندهای رخ داده در راکتورها و طراحی دومی ایجاد می کند. برای هر یک از انواع ایده آل راکتورها، طراحی همچنین به این بستگی دارد که آیا سطح تبادل حرارتی (خارجی، داخلی) مورد نیاز است یا خیر (جدول 1). 1.2 طبقه بندی راکتورها بر اساس نحوه حرکت توده واکنش و نوع سطح تبادل حرارت جدول 1.1 روش حالت انتقال حرارت اجرای حرکت سطح بدون خارجی با حرکت سطح واکنش سطح جرم داخلی و سطح اجاق کامل مکانیکی همزن با اتوکلاو با اتوکلاو هم زدن با قفسه ها سیم پیچ روکش دار درام دوار - - انتشار یا واکنش - - محفظه جابجایی I; - - راکتور با راکتور با راکتور با حرکت با حرکت با متحرک متحرک حداقل لایه لایه بندی کوره راکتور با قفسه جابجایی مختلط (یکی از واکنش دهنده ها کوره بلند راکتور پنوماتیک دهم حباب با راکتور متقاطع با راکتور با انتشار حباب حباب دار، حباب زدن بقیه) راکتور جریان رو به جلو راکتور آدیاباتیک جابجایی کاتالیزوری (معرف‌ها در حال حرکت از حداقل جریان ضد ثابت - ستون با - - - - روتاری روتاری - انتشار بسته‌بندی عرضی کوره) ستون واکنش با سینی‌ها 1.3. طبقه بندی راکتورها بر اساس فرم های طراحی جدول 1.2. نوع راکتور Con Mode کارکرد صفحه سطح متحرک تبادل حرارت فاز اکتیوم بدون واکنش Sivn nar یون داخلی فوق العاده باریک برای جرم نوع بینی سطح مواد 11 C مثالها لوله PV G - + - راکتورهای ترک خوردگی بنزینها، پلیمریزاسیون اتیلن L - + - Alkniation پارافینهای پایین L-L - + - هیدرولیز کلروبنزنها ستون PV G-L + - + PV G-L + - - راکتورها خنثی سازی PV آمونیاک برای G-L + + + گاز، اکسیداسیون نسیلن NS برای PV مایع G-Zh + - - - به دست آوردن سولفات آمونیوم 12 ادامه جدول 1 . 2 ستون PV G-G/T + - - راکتورها آبگیری اتیلن-بنزن - + - اکسیداسیون اتیلن G-T + - - PV PV بو دادن سنگ آهک برای L-T + - - تبادل یونی G-T + - - G-G/T + - - تجزیه در اثر حرارت بوتان G-T + - - بو دادن pyra F + + + دیازوتیزاسیون G-L + + + کلرزنی گاز، PS G-G/T برای فاز جامد PS مشتقات اتیلن F + + + سولفوناسیون بنزن L-T + + + تهیه سوپر فسفات ها 13 ادامه جدول 1.2 سایر موارد به طور گسترده G-T + + - اکسیداسیون کانه های مورد استفاده G-T + - + برشته کردن راکتور Zh-T تجزیه کاربید کلسیم با آب به استیلن G-G + - + اکسیداسیون جزئی هیدروکربن ها به الفین ها و دیولفین ها توجه: جابجایی کامل PV; PS - مخلوط کردن کامل؛ فاز G-gas; طبقه‌بندی مایع-مایع راکتورها بر اساس اشکال ساختاری ظرف بر اساس معیارهای طبقه‌بندی علمی نیست، بلکه به روش‌های کارخانه گروه‌بندی دستگاه‌های واکنش (دیگ‌ها، کوره‌ها، لوله‌ها) نزدیک است. بر اساس اشکال طراحی، انواع اصلی راکتورها به شرح زیر دسته بندی می شوند: - لوله ای (راکتورهای نوع مبدل حرارتی). - ستون (از جمله دستگاه هایی با یک لایه ثابت یا متحرک از فاز جامد)؛ - راکتورهایی از نوع محفظه واکنش (با یا بدون هم زدن مکانیکی). - سایر انواع راکتورهای رایج (مانند کوره). در زیر آمده است اطلاعات مختصر در مورد راکتورهایی با اشکال مختلف طراحی... 14 محتوای اصلی فناوری شیمیایی شامل فرآیندهای متعدد و متنوع تبدیل شیمیایی مواد است. آنها در دستگاه های ویژه - راکتورهای شیمیایی انجام می شوند. راکتور دستگاه اصلی تاسیسات فناورانه است و از نظر اهمیت جایگاه پیشرو در تولید محصولات صنایع شیمیایی، پتروشیمی و غذایی را به خود اختصاص می دهد. بنابراین، دانش و تسلط بر روش‌های محاسبات فن‌آوری و ساختاری، انتخاب اندازه بهینه راکتور، شرایط عملکرد شایسته و ایمن آن و همچنین تعمیر و نصب فناوری از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. راکتورها در خطوط فناوری پتروشیمی و تولید مواد غذایی معمولاً جایگاه مرکزی را به خود اختصاص می دهند، زیرا تنها در آنها، در نتیجه واکنش های شیمیایی، محصول مورد نظر لازم با خواص مشخص برای استفاده بیشتر به عنوان محصول نهایی یا فرآوری محصولات خاص تشکیل می شود. بقیه تجهیزات تولید مربوطه برای آماده سازی اجزای شروع برای انجام واکنش های شیمیایی در راکتور و پردازش یا پردازش محصولات نهایی واکنش در نظر گرفته شده است. هر فرآیند شیمیایی صنعتی به گونه ای طراحی شده است که از نظر اقتصادی محصول مورد نیاز را از یک ماده اولیه تولید کند که چندین مرحله متوالی پردازش را طی می کند. شکل l.l نمودار یک فرآیند شیمیایی معمولی را نشان می دهد. حرارتی هیدرومکانیکی اولیه (گرمایش، مواد (خرد کردن، با کمک تکنولوژی، سانتریفیوژ، سرمایش، و غیره) و فرآیندهای مختلف دیگر) در معرض پردازش ویژه قرار می گیرند تا در شرایطی که در شرایط خاصی قادر به ورود به یک واکنش شیمیایی. 15 پس از این، معرف های شروع کننده برای انجام واکنش شیمیایی وارد راکتور می شوند. با کمک برخی فرآیندهای فیزیکی در راکتور، شرایط بهینه برای واکنش شیمیایی ایجاد می شود. بر اساس وابستگی های جنبشی، زمان واکنش بهینه تضمین می شود - رژیم دما و دمای واکنش - رژیم هیدرودینامیکی و فشار عملیاتی راکتور، وضعیت معرف ها و غلظت آنها - فاز، و همچنین طراحی مربوطه. I - تجهیزات برای آماده سازی معرف های اولیه برای یک واکنش شیمیایی در یک راکتور. II - تجهیزات برای پردازش و پردازش محصول نهایی به دست آمده در راکتور. 1 راکتور شیمیایی؛ 2 - خشک کن 3 – دستگاه انتقال جرم 4 - اکسترودر 5- ظرفیت; 6 - سانتریفیوژ 7 – فیلتر؛ 8 – مبدل حرارتی (یخچال). شکل 1.1 - راکتور شیمیایی در طرح تکنولوژیک تولید پتروشیمی 101; همه راکتورهای شیمیایی از عناصر و دستگاه های ساختاری استاندارد تشکیل شده اند، اینها میکسرها، دیسپنسرها، فیلترها، سانتریفیوژها، مبدل های حرارتی (یخچال)، خشک کن ها و غیره و همچنین دستگاه های تماس - صفحات، نازل ها، کاتالیزورها و دستگاه های اختلاط برای گاز و فازهای مایع از نظر ساختاری، راکتور می تواند یک دستگاه ساده، به عنوان مثال، یک مخزن اختلاط ساده باشد، با این حال، در اکثر طرح های تکنولوژیکی طیف گسترده ای از صنایع، راکتور دستگاه اصلی است، زیرا مرحله شیمیایی مهمترین بخش فرآیند است. طراحی یک راکتور یک کار مهندسی پیچیده است، زیرا برای یک فرآیند شیمیایی معین، می توان از انواع مختلف دستگاه استفاده کرد. بنابراین برای طراحی، محاسبه و انتخاب طرح بهینه، استفاده از الگوها و داده های حوزه های مختلف دانش: ترمودینامیک، سینتیک شیمیایی، هیدرودینامیک، انتقال حرارت، انتقال جرم و اقتصاد ضروری است. 1.4 طبقه بندی راکتورها بر اساس وضعیت فاز معرف ها و اصل عملکرد فرآیندهای شیمیایی در دستگاه هایی با انواع طراحی مختلف انجام می شود که بر اساس یکی از اصول عملیاتی زیر عمل می کنند: - راکتور دسته ای. - راکتور نیمه دسته ای و نیمه پیوسته؛ - راکتور پیوسته در این راکتورها، معرف ها می توانند در حالت های فازی مختلف باشند: گاز، مایع، گاز-مایع، مایع-مایع، گاز-جامد، مایع-جامد، گاز-مایع-جامد. واکنش ها در این فازها در دستگاهی انجام می شود که در آن اختلاط انجام می شود. حرکت معرف ها بر این اساس، در حالت جابجایی، دستگاه ها یا از نظر ساختاری به شکل یک راکتور جابجایی یا یک راکتور همزده طراحی می شوند. دستگاه های دارای جابجایی: معمولاً پیوسته و با اختلاط، هم پیوسته و هم دوره ای. فرآیندهای دوره ای در راکتورها با هم زدن در سیستم های همگن (L) و ناهمگن (L+G؛ Ll+L2؛ G+Tv.t؛ G+L+Tt) انجام می شود. فرآیندهای دوره ای عبارتند از: -فرایندهای پلیمریزاسیون (L). -کلرزنی نیمه دوره ای (G+L) - سولفوناسیون (Ll+L2). بازیافت (G + TV)؛ -مواد معدنی Ek (L+Tv.t.)؛ -هیدروژناسیون (G + F + Tv.t.). فرآیندهای پیوسته در هر دو راکتور جریان و اختلاط انجام می شود. فرآیندهای مستمر عبارتند از: - ترک حرارتی (G); -جذب (G + F)؛ استخراج (Ll+L2)؛ نیتراسیون (Ll+L2)؛ - فرآیندهایی که در یک لایه معلق ثابت یا متحرک از کاتالیزور رخ می دهند (G+Tv.t. ) - تبادل یون (F+Tv.t.). طرح هایی برای اجرای فرآیندهای فوق در جدول 1.3 آورده شده است. 103 جدول 1.3 104 2 ویژگی های عمومی و اصول عملیات بر اساس حالت عملیات 2.1 راکتورهای دسته ای (راکتورهای غیر ثابت همگن) همه معرف ها در راکتور بارگذاری می شوند (شکل 2.1) که شامل یک ظرف مشابه است. اختلاط شدید غلظت یکسان را در کل حجم در هر زمان تضمین می کند. این فرآیند تا رسیدن به تعادل یا درجه تبدیل مطلوب انجام می شود. زمان ماندن اجزا در ناحیه واکنش با فاصله بین لحظه های بارگیری و تخلیه دستگاه تعیین می شود. چنین دستگاه هایی که برای واکنش در یک محیط مایع استفاده می شوند، در حالت اختلاط ایده آل (کامل) کار می کنند. راکتورهای دسته ای در اکثر موارد برای همگن سازی فرآیندها و انحلال نسبتاً، رقت گسترده، مقیاس تبدیل های شیمیایی استفاده می شود. عوامل تعیین کننده تحت تأثیر اختلاط عبارتند از انتقال جرم و انتقال حرارت. به دلیل اختلاط، اجزای واکنش دهنده با یکدیگر تماس کامل و نزدیکتری پیدا می کنند و واکنش تسریع می شود، تبادل حرارت از طریق یک ژاکت یا سیم پیچ انجام می شود. ترکیب مخلوط واکنش در طول زمان تغییر می کند، بنابراین سرعت واکنش در طول فرآیند ثابت نیست. تغییرات در غلظت جزء مصرفی در نمودار ارائه شده است (شکل 2.2). از نمودار بر می آید که غلظت جزء مصرفی در فلزات شروع کننده با گذشت زمان کاهش می یابد و محصولات واکنش افزایش می یابد. دوره‌ای سیکل کاری کامل شامل یک چرخه زمان عملیات بارگذاری، زمان واکنش شیمیایی راکتور تا تبدیل معینی از محصولات واکنش و زمان بارگذاری است. 105 شکل 2.1 - نمودار یک راکتور دسته ای شکل 2.2 - نمودار تغییرات در غلظت اجزای اولیه و محصولات واکنش 2.2 راکتورهای نیمه دسته ای طراحی یک راکتور نیمه پیوسته (نیمه دسته ای) شبیه به یک راکتور ناپیوسته است. تفاوت در اصل عملیات نهفته است. اگر همه معرف های اولیه به طور همزمان در راکتور دسته ای 106 بارگذاری شوند، سپس در راکتور نیمه پیوسته، برخی از معرف ها در ابتدای فرآیند بارگیری می شوند و دیگری به طور مداوم در طول فرآیند به دستگاه تغذیه می شود. توصیه می شود از چنین راکتورهایی در صورت خطر افزایش بیش از حد دما یا واکنش های جانبی در غلظت های بالای یکی از اجزاء استفاده شود. به عنوان مثال، در واکنش A + B - C ابتدا جزء A در دستگاه بارگذاری می شود، جزء B به طور مداوم تامین می شود و تعداد مول های آن nB طوری انتخاب می شود که حداکثر محصول مورد نظر به دست آید (شکل 2.4). . نمودار تغییرات غلظت در یک راکتور نیمه پیوسته در شکل 2.3 ارائه شده است. شکل 2.3 - نمودار تغییرات غلظت در یک راکتور دسته ای 2.3 راکتورهای پیوسته (راکتورهای ثابت همگن) اصول عملکرد راکتورهای پیوسته به شرح زیر است. بارگیری مواد اولیه و تخلیه محصولات واکنش در دستگاه با همزن به طور مداوم انجام می شود. در نتیجه، زمان دقیق اقامت ذرات در ناحیه واکنش مشخص نشده است: ظاهراً تنها تعداد کمی از ذرات قادر خواهند بود مسیر را از ورودی تا خروجی دستگاه به سرعت طی کنند. اکثر ذرات به دلیل اختلاط، مسیر بسیار سختی را برای خروج از راکتور طی می کنند. بنابراین، هنگام محاسبه چنین راکتورهایی زمان واقعی سکونت اجزا در منطقه واکنش با به اصطلاح زمان معادل یا میانگین زمان ماندن ذره در راکتور جایگزین می شود (شکل 2.4). از آنجایی که مواد اولیه به طور مداوم عرضه می شوند و محصولات واکنش به طور مداوم حذف می شوند، غلظت آنها در هر نقطه از حجم واکنش و در هر زمان ثابت خواهد بود. سرعت واکنش نیز در طول زمان و حجم دستگاه ثابت خواهد بود. غلظت جزء در هنگام بارگذاری برابر با c0 است؛ از نظر تئوری، فوراً به غلظت نهایی c کاهش می یابد و تا زمانی که محصول نهایی از راکتور تخلیه شود، ثابت می ماند. نمودار (شکل 2.5) ماهیت تغییر غلظت و سرعت واکنش را در یک راکتور پیوسته نشان می دهد. 108 شکل 2.4 - نمودار یک راکتور پیوسته شکل 2.5 - نمودار تغییرات غلظت در یک راکتور پیوسته 2.4 آبشار راکتورها نمودار نصب در شکل (شکل 2.6) نشان داده شده است. جریان معرف ها به طور مداوم از هر راکتور به راکتور بعدی برای انجام بیشتر واکنش جریان می یابد. غلظت مواد اولیه در مرحله تغییر می کند. نسخه گام به گام دیگری از عملکرد یک آبشار از راکتورها امکان پذیر است که در آن 109 محتویات هر راکتور به طور دوره ای به راکتور بعدی منتقل می شود. تخلیه محصولات واکنش از آخرین دستگاه نیز دوره ای است. شکل 2.6 - نمودار یک آبشار از راکتورهای پیوسته و نمودار تغییرات غلظت بر اساس مراحل 2.5 راکتورهای لوله ای اینها دستگاه هایی هستند که جریانی از معرف ها به طور مداوم از آنها عبور می کند که وارد برهمکنش شیمیایی با یکدیگر می شوند (شکل 2.7). راکتورهایی برای فرآیندهای همگن و ناهمگن وجود دارد. شرایط جریان در راکتورهای لوله ای بسیار پیچیده است. در اولین تقریب اختلاط به عنوان اختلاط، امکان حرکت جریان ها به داخل و خارج بدون جهت حرکت وجود دارد (جهت شعاعی طولی (اختلاط عرضی). در واقعیت، تصویر بسیار پیچیده تر است: وجود طولی. در غیاب اختلاط طولی، مدت زمان ماندن معرف ها در ناحیه واکنش با طول دستگاه و سرعت ذرات تعیین می شود که در عرض یکسان نیست. اگر یک راکتور لوله ای را به عنوان دستگاهی با جابجایی ایده آل در نظر بگیریم (به اصطلاح حالت پیستونی)، آنگاه زمان ماندن مولکول در ناحیه واکنش 110 برابر است با نسبت طول منطقه به سرعت طولی. جریان های توربولیزاسیون و اختلاط طولی محاسبه زمان اقامت را پیچیده می کند، بنابراین مفهوم میانگین زمان اقامت معرفی شده است. در پایان دوره راه اندازی در هر بخش از راکتور، در نتیجه فعل و انفعالات شیمیایی غلظت های ثابت جزء مصرفی ایجاد می شود و در مواد اولیه از ورودی تا خروجی کاهش می یابد. راکتورهای لوله ای به طور گسترده در صنایع شیمیایی و پتروشیمی استفاده می شود. دو طرح اصلی عملیاتی برای راکتورهای لوله ای وجود دارد: جریان عبوری (شکل 2.7) و گردش مجدد (شکل 2.6). شکل 2.7 - نمودار یک راکتور لوله ای جریان گذر و نمودار تغییرات غلظت محصولات اولیه و نهایی 111 شکل 2.8 - نمودار نصب راکتور با گردش مجدد. 1 راکتور؛ 2-جداکننده; 3- مبدل حرارتی; 4- پمپ سیرکولاسیون این طرح مربوط به ترک خوردگی نفت گاز، اصلاح محصولات سبک بر اساس طرح تک بازویی و همچنین فرآیندهای سنتز از اجزای جداگانه است. تاسیساتی که طبق طرح مشخص شده کار می کنند به طور گسترده در صنعت، به ویژه در پالایشگاه های نفت استفاده می شود. این به دلایل زیر است: در بیشتر موارد، بدون بازیافت، رسیدن به درجه مطلوب تبدیل مواد واکنش دهنده غیرممکن است. بسیاری از فرآیندها با واکنش های موازی یا جانبی در نتیجه اختلالات دما همراه هستند. برای جلوگیری از افزایش بازده محصولات جانبی، تبدیل کامل مواد خام با استفاده از بازیافت تضمین می شود. در تولید سوخت موتور، واکنش اغلب با مقدار زیاد یکی از اجزای ماده خام انجام می شود. به عنوان مثال، با مقدار زیاد ایزوبوتان، ایزواکتان از ایزوبوتان و ایزوبوتن سنتز می شود. با بیش از حد بنزن - سنتز ایزوپروپیل بنزن از بنزن و پروپیلن. در این موارد، مقدار اضافی از جزء با چرخش وارد می شود. ماهیت روش این است که محصولات واکنش نداده، همراه با آنهایی که واکنش نشان داده اند، پس از راکتور وارد سیستم جداسازی 112 می شوند، جایی که از راکتور دوم جدا می شوند و با مواد خام تازه مخلوط می شوند، دوباره به راکتور تغذیه می شوند. 113 4 روش محاسبه جامع راکتورهای شیمیایی واکنش های شیمیایی در راکتورهای انواع مختلف رخ می دهد. طراحی و انتخاب اندازه دستگاه برای یک فرآیند شیمیایی خاص (واکنش شیمیایی) به عوامل زیادی، وضعیت فاز معرف های اولیه و خواص فیزیکوشیمیایی آنها، فرآیندهای انتقال حرارت و جرم و هیدرودینامیک بستگی دارد. علاوه بر این، همه این فرآیندها به طور همزمان رخ می دهند، که به طور قابل توجهی طراحی و محاسبه راکتورهای شیمیایی را پیچیده می کند. امکان به دست آوردن بهینه ترین پارامترهای فنی و طراحی هنگام استفاده از یک محاسبه جامع راکتور ظاهر می شود. 4.1 الگوریتم محاسبه یک راکتور برای ایجاد یک راکتور با طراحی بهینه، همانطور که می گویند به داده های اولیه نیاز است. ابتدا باید سینتیک محصول مورد نظر و فرآیندهای جانبی که منجر به مصرف غیر منطقی مواد اولیه و تشکیل مواد غیر ضروری و گاه مضر می شود را بدانید (سینتیک علم نرخ واکنش های شیمیایی است). در مرحله بعد، اطلاعاتی در مورد گرمای آزاد شده یا جذب شده در طول واکنش و حداکثر درجه ممکن تبدیل مواد اولیه به محصولات مورد نیاز است. به این سوالات پاسخ می دهد ترمودینامیک شیمیایی . از آنجایی که مولکول های واکنش دهنده های شروع کننده باید با یکدیگر ملاقات کنند تا واکنش رخ دهد، سیستم واکنش باید به خوبی مخلوط شود. راندمان اختلاط به ویسکوزیته اجزاء، حلالیت متقابل مواد و محصولات اولیه، سرعت جریان، هندسه راکتور و انواع مختلف دستگاه های ورودی معرف بستگی دارد. این سوالات توسط علمی به نام هیدرودینامیک بررسی می شود. وقوع یک واکنش شیمیایی نیز بر اختلاط تأثیر می گذارد. این توسط هیدرودینامیک فیزیکوشیمیایی مورد مطالعه قرار می گیرد. در نهایت، 114 درجه حرارت در راکتور باید مطابق با الزامات جنبشی حفظ شود تا سرعت واکنش و بازده هدف و محصولات جانبی بهینه شود. علمی که به توصیف واکنش های شیمیایی با در نظر گرفتن فرآیندهای انتقال جرم و حرارت می پردازد، ماکروسینتیک (سینتیک ماکروسکوپی) نامیده می شود. 1. بسته به نوع واکنش شیمیایی (ساده، پیچیده، برون- و گرماگیر)، مقدار معرف های اولیه و محصولات واکنش مواد، جریان هایی که معادله مشخصه کلی تعادل مواد را تشکیل می دهند، تعیین می شود. 2. خواص فیزیکی اساسی مواد و مخلوط آنها تعیین می شود. 3. مشخصات جنبشی مرحله تبدیلات شیمیایی محاسبه می شود. بر اساس آن یکی از مقادیر اصلی محاسبه شده تعیین می شود - زمان واکنش شیمیایی -  r. 4. در نتیجه تجزیه و تحلیل ویژگی های این نوع واکنش شیمیایی، طراحی سخت افزاری به صورت یک دستگاه با همزن، آبشاری از راکتورها و ... انتخاب می شود. (برگزیده از کاتالوگ ها، نرمال ها و کتاب های مرجع). 5. پس از تعیین ویژگی های تکنولوژیکی نوع طراحی انتخابی راکتور، معادله مشخصه کلی تعادل مواد به معادله مشخصه دوره ای، پیوسته، مربوط به نوع راکتور تبدیل می شود: اختلاط ایده آل یا جابجایی ایده آل، نیمه عملیات دسته ای از معادله مشخصه این نوع راکتور، که رابطه همه پارامترهای اصلی راکتور شیمیایی را بیان می کند - G،  p، Vr (G - بهره وری،  p - زمان واکنش 115 و Vr - حجم راکتور)، پارامتر اصلی طراحی راکتور تعیین می شود: حجم آن Vr و بر این اساس، سطح F. 6. در راکتورهای دارای دستگاه همزن، برای فرآیندهای شیمیایی خاص، اول از همه، نوع همزن بسته به فرآیند انجام شده انتخاب می شود. در دستگاه (کاتالوگ، نرمال و کتاب های مرجع). بنابراین، دستگاه اختلاط در راکتور عنصر اصلی ساختاری و تکنولوژیکی عملکردی است که انتخاب صحیح آن و محاسبه آن به شرایط بهینه عملیاتی فن آوری و حرارتی راکتور بستگی دارد. 7. بسته به ویسکوزیته، غلظت، دما و سایر خواص فیزیکی و مکانیکی محیط، سرعت نوع انتخابی میکسر تعیین می شود. از جانب تعریف درست تعداد دور میکسر به شدت اختلاط معرف های شیمیایی، درجه تفکیک جریان های ورودی، که افزایش مواد در یک واکنش شیمیایی و همچنین فرآیندهای انتقال گرما و جرم را تعیین می کند، بستگی دارد. در این مرحله از الگوریتم، تعداد دورهای میکسر n محاسبه می شود، توان اسمی صرف شده برای اختلاط N n، توان از دست رفته در مهر و موم ها N y، توان دستگاه های داخلی N B و توان کل درایو است. از میکسر N. 8 است. محاسبه حرارتی شامل جمع آوری یک ویژگی کلی معادلات راکتور است. پس از ایجاد تمام ویژگی های خاص یک راکتور معین، معادله تعادل حرارتی به معادله مشخصه نوع راکتور آدیاباتیک مربوطه تبدیل می شود: غیر همدما، همدما، چند تروپیک، خودترمال. از معادله مشخصه راکتور در نظر گرفته شده، که رابطه همه پارامترهای اصلی ترموفیزیکی را که حالت عملکرد حرارتی دستگاه را مشخص می کند، بیان می کند. جذب شده در یک واکنش شیمیایی، QK انتقال حرارت همرفتی است، Qf - انتقال حرارت از طریق سطح، Q - تغییر در مقدار گرما در حجم راکتور، Qf - مقدار گرمای آزاد شده یا جذب شده در فرآیندهای فیزیکی (انحلال ، تبخیر، جذب، تبلور و غیره) زمانی که اثر حرارتی  /   N f [kJ/mol] باشد. 9. در محاسبات طراحی، حجم راکتور Vr - و سطح - F تعیین شده در بالا در یک شکل هندسی خاص (قطر - D و ارتفاع دستگاه - H)، قطر شفت همزن تجسم می‌یابد. محاسبه می شود - dB، قطر همزن - dm، ابعاد اتصالات و لوله ها، دستگاه های آب بندی، و روابط اساسی بین ابعاد عناصر دستگاه اختلاط (قطر همزن - dM و قطر بدنه DM، فاصله همزن از دستگاه پایین و سطح مایع در راکتور و غیره). 10. محاسبه مقاومت مرحله نهایی محاسبه پیچیده راکتور است. درک این نکته ضروری است که هنگام انتخاب مواد ساختاری برای راکتورهای شیمیایی و تجهیزات کمکی برای آنها، خود ماده بر فرآیند شیمیایی در حجم راکتور تأثیر نمی گذارد، اما می تواند به طور قابل توجهی بر فرآیندهای انتقال حرارت تأثیر بگذارد، به ویژه در مورد استفاده از غیر -روکش های فلزی (صمغ، مینا و ...) .P. ). همچنین در نتیجه اثر کاتالیزوری مواد ساختاری در ناحیه نزدیک دیوار، تشکیل محصولات جانبی (مضر، نامطلوب) واکنش امکان پذیر است. 117 بنابراین، در آن دسته از فرآیندهایی که مرحله محدود کننده فرآیند انتقال حرارت است، لازم است از قبل یک ماده ساختاری انتخاب شود. 118 شکل 4.1 - الگوریتم محاسبه یک راکتور شیمیایی 119 5 مقررات کلی هنگام طراحی تکنولوژیکی یک واکنش شیمیایی جدید، لازم است مشخص شود: در چه شرایطی این واکنش می تواند رخ دهد و سرعت آن در شرایط انتخاب شده چقدر است. پاسخ سوال اول توسط ترمودینامیک شیمیایی، به بخش دوم شیمی فیزیک، سینتیک شیمیایی، که سیر یک فرآیند شیمیایی را در طول زمان بررسی می‌کند، داده می‌شود. تشکیل مواد جدید در طی واکنش های شیمیایی به دلیل برهمکنش بین الکترون های اتم ها و مولکول های مواد واکنش دهنده رخ می دهد. این فعل و انفعالات به نوبه خود با احتمال برخورد بین اتم ها و مولکول های مختلف تعیین می شود. بنابراین، کاملاً بدیهی است که یک واکنش شیمیایی یک فرآیند میکروسکوپی است. در برخی از واکنش ها، فقط محصول هدف به دست می آید. سایر واکنش ها نیز محصولات جانبی تولید می کنند. واکنش هایی وجود دارد که یک سری محصولات اصلی و فرعی را به طور مداوم می دهد. برای مثال در واکنش A + B = C، ماده C تنها محصول است. در واکنش A + B = C + D، محصول مورد نظر C با مقداری محصول جانبی D همراه است. در ترکیبات حاوی کربن، زنجیره کربن ساختار کاملاً مشخصی دارد، اما تعداد اتم‌های کربن در مولکول می‌تواند تغییر کند. به طور کلی باید در نظر داشت که در طی واکنش های مواد معدنی برخی از محصولات اصلی و فرعی تشکیل می شود. در عین حال برای واکنش های آلی(به ویژه واکنش های پلیمریزاسیون) که در آن توزیع مواد بر اساس وزن مولکولی آنها انجام می شود، تمایز بین محصولات اصلی و فرعی اساساً نامشخص است. همانطور که قبلاً اشاره شد، یک واکنش شیمیایی یک فرآیند میکروسکوپی است. با این حال، نیروهای بین مولی (بین مولکولی) 120 که باعث ایجاد ارتباط یا اتلاف فردی می شوند، نه اتم ها (مولکول ها) را می توان مستقیماً در تئوری محاسبه، تنظیم و کنترل فرآیندهای شیمیایی در نظر گرفت. تشکیل یا تخریب یک محصول باید صرفاً از دیدگاه ماکروسکوپی در نظر گرفته شود. 5.1 تعیین سرعت واکنش شیمیایی، ثابت، درجه تبدیل و ترتیب هنگام محاسبه راکتورها، دانستن سرعت واکنش، ترتیب آن، ثابت سرعت و درجه تبدیل ضروری است. این محاسبات بر اساس داده های تجربی است. معادلات جنبشی واکنش های شیمیایی اجازه می دهد تا در حضور داده های مناسب در مورد سرعت واکنش، مقادیر لحظه ای ثابت های سرعت k و مدت زمان واکنش را برای دستیابی به درجه ای از تبدیل مشخص کنیم. میانگین سرعت واکنش با معادلات دیفرانسیل بیان می شود که بر اساس تئوری سینتیک جمع آوری شده اند. این معادلات مقدار مواد خام مصرف شده در واحد زمان یا مقدار محصول تولید شده در واحد زمان را در نظر می گیرند. 5.1.1 نرخ واکنش شیمیایی بحرانی است ویژگی های کمی فرآیند تبدیل شیمیایی مواد سرعت واکنش شیمیایی است، یعنی تغییر تعداد مول های یک جزء در واحد حجم محیط واکنش در واحد زمان: r 1 dn  , V d ( 5.1) که در آن V حجم اجزای واکنش دهنده، m3 است. n تعداد مول های هر جزء مصرفی (کاهشی) است (این با علامت منفی نشان داده می شود).  - زمان، ثانیه. 121 در حالت کلی، V یک کمیت متغیر زمانی است. اگر V = const، n = cV، که در آن c غلظت جزء مصرف شده در زمان  است، سپس r d cV  dс  . d d (5.2) بر اساس این واقعیت که حجم راکتور VR  V به دست می آید: r 1 dn  V R d [تعداد مول های تشکیل شده/(حجم راکتور واحد) زمان] در سیستم های دو فازی، بر اساس در سطح تماس فاز S داریم: r 1 dn  S R d [تعداد مول های تشکیل شده/(واحد سطح تماس) زمان] در واکنش با فاز جامد: r 1 dn  M d [ تعداد مول های تشکیل شده/(واحد. جرم یک جامد M) زمان] به طور کلی، سرعت یک واکنش شیمیایی را می توان به صورت زیر نوشت:  dc  kc A11 c A22 ... d (5.3) این عبارت معادله جنبشی یک واکنش شیمیایی نامیده می شود. در آن، k ثابت سرعت واکنش،  1 و  2 ترتیب واکنش در اجزای A 1 و A 2 هستند. ترتیب کلی واکنش برابر است با مجموع دستورات هر واکنش دهنده:   1   2  ... . 5.1.2 واکنش های ساده واکنش های ساده می توانند از مرتبه های صفر، اول، دوم و بالاتر باشند. 122 5.1.2.1 واکنش های مرتبه صفر سرعت این واکنش ها به غلظت C بستگی ندارد و Kp ثابت در زمان ثابت است: dc  kc 0  k  const d (5.4) 5.1.2.2 واکنش های مرتبه اول در این حالت، سرعت واکنش متناسب با درجه اول غلظت واکنش دهنده است. اجازه دهید غلظت ماده تشکیل شده را با CB در لحظه τ و با CA غلظت ماده A را که در همان لحظه واکنش نشان می دهد نشان دهیم سپس به شکل دیفرانسیل سرعت تغییر درجه را نشان می دهیم. تبدیل یا غلظت را می توان به صورت (5.5) نشان داد: =- = (5.5) در نتیجه ادغام (5.5)، وابستگی (5.6) را به دست می آوریم: =- ∫ ln که در آن = -k τ τ ∫ (5.6) = و (5.7) غلظت اولیه واکنش دهنده A است. بدیهی است که CA = - C و غلظت A برابر است با: CA = = -C و تعداد مول های واکنش داده شده: CB = - CA = (1-) ( 5.8) برای هر جزء: CB = (1-) (5.9) 5.1.3 بازده محصول بازده محصول (درجه تبدیل) - X (5.10) نسبت مقدار محصول به دست آمده در نتیجه تبدیل شیمیایی به مقدار مواد اولیه دریافت شده برای پردازش اگر 123 سیر یک فرآیند شیمیایی را بتوان به طور کمی با یک معادله استوکیومتری بیان کرد، آنگاه بازده محصول نهایی را می توان به صورت درصد یافت، به عنوان نسبت مقدار عملاً به دست آمده محصول به مقدار ممکن تئوری مطابق با معادله استوکیومتری 5.1.4 طبقه بندی واکنش ها طبقه بندی واکنش ها. بسته به مکانیسم، واکنش ها را می توان به ساده (مستقیم) و پیچیده تقسیم کرد. واکنش های ساده (مستقیم) در یک جهت انجام می شود و شامل یک مرحله شیمیایی است. واکنش های پیچیده به شرح زیر تقسیم می شوند: واکنش های برگشت پذیر. واکنش های موازی؛ واکنش های متوالی؛ واکنش های جفت شده، زمانی که یک واکنش خود به خود و دیگری فقط در حضور اولین واکنش رخ می دهد. ترکیبی از واکنش های ذکر شده 5.2 تأثیر دما بر سرعت یک واکنش شیمیایی سرعت یک واکنش شیمیایی به تغییرات دما بسیار حساس است، زیرا دومی تا حد زیادی بر ثابت سرعت k موجود در معادله تأثیر می گذارد. پرکاربردترین عبارت، وابستگی ثابت سرعت به دما در قالب معادله آرنیوس است. از آنجایی که غلظت مواد واکنش دهنده به دما بستگی ندارد، بیان سرعت یک واکنش شیمیایی به شکل زیر خواهد بود: =- = = (5.11) ثابت های z و E به صورت تجربی یافت می شوند. با گرفتن لگاریتم بیان (5.12)، معادله یک خط مستقیم در سیستم مختصات (1/T، Ln k) را به دست می آوریم. از زاویه میل نموداری یافت شده این خط مستقیم با محور افقی 1/T، tan a = E/R تعیین می شود که از ثابت گاز شناخته شده R، مقدار انرژی فعال سازی E به دست می آید. ثابت سرعت k در دمای معینی T و مقدار E شناخته می شود، سپس از رابطه (5.12) به راحتی می توان ضریب پیش نمایی را یافت: z= پارامتر E در حالت حداقل انرژی (12/5) واکنش های ساده را نشان می دهد. که ذرات واکنش دهنده به گونه ای هستند که برخورد آنها (فعال) منجر به تشکیل ترکیبات شیمیایی جدید می شود. بنابراین پارامتر E انرژی فعال سازی نامیده می شود. اگر چندین واکنش در یک سیستم رخ دهد، با افزایش دما، سرعت واکنش با مقدار E بزرگتر نسبت به بقیه سریعتر افزایش می یابد. 5.3 واکنش های موازی و متوالی واکنش های موازی. بیایید واکنش های نوع A→B A→C را در نظر بگیریم این طرح، به عنوان مثال، در کلرزنی مخلوطی از بنزن و تولوئن رخ می دهد. با توجه به فرمول (5.7) داریم: = = () = (5.13) در این صورت دو حالت ممکن است: الف) = و ≠ ب) از عبارت (5.13) در می یابیم: () = تفاوت و بیشتر آشکار می شود. در دماهای پایین تر، برای مثال، اگر اختلاف انرژی فعال سازی 125 − =∆ = 2400 کالری ∗ مول و دما T = 300 باشد. 600 و 900 درجه کلوین، R=1.987≈2 cal*mol سپس، با گرفتن ∗ درجه، به دست می‌آید: =e ∗ = =e ∗ = =e ∗ =، به عبارت دیگر، سرعت واکنش‌های موازی در دماهای پایین به شدت متفاوت است. . بنابراین، واکنش های موازی معمولی، به عنوان مثال، کلرزنی و اکسیداسیون هیدروکربن ها در فاز مایع، در چنین شرایطی انجام می شود. به نظر می رسد افزایش دما واکنش پذیری ذرات واکنش دهنده را خنثی می کند. اجازه دهید دمای ⁄ = 0.001 جهت − ≠. اگر واکنش ها< может < , то при изменении измениться. Например, = ∆ = −6000 кал ∗ моль Тогда при Т= 300,600, 750 °К и том же значении R находим: = 22 1 = 0,001e ∗ = 0,001 e = 0,001e ∗ = 0,001 e = 15 100 = 0,001e ∗ = 0,001 4 = 5,5 100 Отсюда следует, что первая реакция (с константой скорости при Т = 300 ◦К) имеет преимущественное значение: ее скорость в 22 раза больше скорости второй реакции. При Т = 750 °K скорость первой реакции составляет только 5,5% скорости второй реакции, а при дальнейшем повышении температуры она станет исчезающе малой. Последовательные реакции. Такие реакции включают стадии 126 образования промежуточных продуктов. Примером может служить реакция хлорирования бензола до монохлорбензола и последующего его хлорирования в дихлорбензол и высшие хлорпроизводные. Рассмотрим две последовательные реакции первого порядка A → B→ C 127 7 ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ 7.1 Линейные функции распределения времени пребывания Ранее мы рассмотрели идеальные реакторы вытеснения и смешения. При этом считалось, все молекулы имеют одно и то же время пребывания. В реальных реакторах движущие частицы имеют разное время пребывания. Поэтому при вычислении степени превращения - Х, необходимо помнить, что идеальный реактор не соответствует реальному. Возникает вопрос о том, какая должна быть поправка к вычисленной Х. Чтобы судить о возможности Промышленного применения различных реакторов экспериментально определяют среднее и действительное время пребывания и дают оценку этим данным с помощью теории вероятности. Распределение времени пребывания в реакторе может быть количественно охарактеризовано на основе функции плотности распределения. E T   dF d  QN / QN o    e  d d , (7.1) Функция Е(Т) для реактора смещения представляет функцию плотности распределения времени пребывания и характеризует долю материала, которая находится в реакторе в интервале времени между Т и Т +dT  F T    E    d  0 QN QN o Функция Р(Т) представляет функцию, распределения (7.2) Р(Т) и характеризует долю материала, которая находиться в реакторе время меньше, чем Т. Или иначе Е(Т) представляет کسر حجمیجریان خروجی با "سن" کمتر از T. بنابراین، با دانستن یکی از توابع توزیع، می توانید دیگری را دریافت کنید. رابطه زیر بین میانگین زمان اقامت T و E(T) وجود دارد: 128    m  QV   E    d v v v 0 , (7.3) یعنی با دانستن E(τ) می توانید Vr را تعیین کنید. یا τ. تابع E(τ) و P(x) نیز ویژگی های زیر را دارند. به ترتیب (شکل های 7.1 و 7.2). شکل 7.1 - تابع چگالی توزیع زمان اقامت E(τ) شکل 7.2 - تابع چگالی توزیع زمان اقامت P(x) در عبارات E(τ) و F(τ) توصیه می شود از نسبی (بدون بعد) استفاده شود. زمان اقامت. 129 = زمان اقامت واقعی میانگین زمان اقامت = ∙ (7.4) برای یک آبشار از راکتورهای اختلاط E(τ): E    mm  m1  e m  1 !   (7.5) برای راکتورهای اختلاط E(τ):   F    1  e (7.6) برای یک آبشار از راکتورهای اختلاط F(τ):  m F      m 1  m  1        2!     2   m 1     ...    m  1 !        m 1     (7.7) 7.2 تعیین تجربی E(τ) و F(τ) و تجزیه و تحلیل یک راکتور شیمیایی با استفاده از این توابع و F (τ) برای تعیین F از طریق τ (τ ) راکتور با معرفی یک ماده ردیاب (رنگ، ​​ایزوتوپ ها، اسیدها، بازها و غیره) و اندازه گیری سیگنال خروجی به عنوان تابعی از زمان مورد بررسی قرار می گیرد. ردیاب نباید دچار دگرگونی شیمیایی شود (شکل های 7.3، 7.4). برای تعیین E(τ)، مقدار کمی از ردیاب به شکل یک پالس، یعنی یک تغییر مرحله ای در غلظت در ورودی، و تغییر در غلظت Cm/Co-f(τ) در خروجی وارد می شود. راکتور اندازه گیری می شود، این نسبت از 0 به 1 تغییر می کند. شکل 7.3 - تعیین تجربی توابع چگالی 130 توزیع E(τ) و توزیع F(τ) با استفاده از یک ردیاب برای یک راکتور کاملاً مخلوط و یک آبشار از راکتورها ردیاب راکتور ایده آل واقعی راکتور شکل 7.4 - تعیین تجربی توابع چگالی E(τ) و توزیع F(τ) با استفاده از ردیاب برای راکتورهای ایده آل و واقعی شکل 7.5 - تجزیه و تحلیل عملکرد یک راکتور کاملاً مخلوط و یک آبشار از راکتورها با استفاده از توابع چگالی توزیع E(τ) و توزیع F(τ) 131 شکل 7.6 - تجزیه و تحلیل عملکرد یک راکتور "ایده آل" و یک راکتور واقعی با استفاده از توابع خاص تجربی E(τ) و F(τ) شکل 7.7 - مقایسه توابع توزیع نهایی واکنش ها در معانی مختلف m 132 کسر حجمی ماده ای که در طول زمان از راکتور خارج می شود به صورت F()  Qv C  Qv0 Co، (7.8) تعیین می شود و این متناسب با غلظت نسبی است. توابع توزیع برای مهم ترین انواع راکتورهای شیمیایی در بالا نشان داده شده است (شکل 7.5).در عمل، دستگاه هایی وجود دارند که شرایط عملیاتی در آنها بسیار پیچیده است (به عنوان مثال، کوره دوار، واحدهای کراکینگ و غیره) که دشوار است. برای مقایسه با یک یا نوع دیگری از راکتورهای ایده آل. در این موارد روش های هافمن- شوئنمان مبتنی بر روش های گرافیکی قابل اجرا می باشد. بر اساس داده های تجربی، وابستگی C/CO - τ بر روی نمودار رسم می شود؛ از اینجا، با استفاده از معادله C/Co = 1 – X، می توانید بلافاصله مقدار بازده محصول را بدست آورید. F(τ) اندازه گیری شده روی همان نمودار رسم می شود و سپس به وابستگی C/CO  F(τ) بازآرایی می شود (شکل 7.8). نتایج به دست آمده دقت تا 10٪ را ارائه می دهد. شکل 7.8 - روش گرافیکی تعیین توابع توزیع Hoffmann-Schoenemann F(τ) 133 8 انتقال حرارت در راکتورهای شیمیایی دما یک پارامتر دینامیکی مهم برای راکتورهای شیمیایی است. اگر گرمای تولید شده توسط یک واکنش گرمازا نتواند به سرعت توسط یک خنک کننده (انتقال حرارت همرفتی) یا با رسانایی (انتقال حرارت رسانا) و تشعشع حذف شود، افزایش می یابد. برخی از انواع راکتورهای شیمیایی، به ویژه آنهایی که در آنها واکنش در فاز گاز رخ می دهد (راکتورهای نوع کوره) مقدار قابل توجهی گرما تولید می کنند و با خود تنظیم حرارتی مشخص می شوند. از سوی دیگر، واکنش های گرمازا مانند پلیمریزاسیون می تواند با انتشار مقادیر زیادی گرما همراه باشد که تجزیه (تخریب) اجزای مخلوط، متشکل از مواد اولیه اولیه، ... واسطه ها و محصولات نهایی رخ دهد. از آنجایی که سرعت یک واکنش تابع افزایش دما است (مثلا قانون آرنیوس)، جهت واکنش ممکن است در نهایت تغییر کند. به دلیل نقص های طراحی در دستگاه های تبادل حرارتی راکتور، تبادل حرارت در آن ممکن است مشکل باشد، که به طور طبیعی توانایی کنترل دما را مختل می کند. واکنش های جانبی نیز در نتیجه وجود "مناطق راکد" در راکتور ایجاد می شود. اثر اتوکاتالیستی مواد عناصر راکتور در جهت تشکیل محصولات جانبی واکنش. در نتیجه اختلاط نامناسب در راکتور؛ در همان زمان، "نقاط داغ" در آن تشکیل می شود و افزایش سرعت واکنش در این منطقه، آن را به شرایط انفجار نزدیک می کند. 8.1 اثر حرارتی در راکتورها اغلب واکنش‌های شیمیایی با آزاد شدن یا جذب گرما، یعنی یک اثر حرارتی گرمازا یا گرماگیر همراه است. اگر واکنش گرمازا ادامه یابد، باید مقدار معینی گرما از راکتور خارج شود و در صورت اثر گرماگیر، باید به آن عرضه شود. هنگامی که واکنش 134 به صورت آدیاباتیک پیش می رود، دمای راکتور تغییر می کند و. بنابراین، سرعت واکنش تغییر می کند. وابستگی سرعت واکنش شیمیایی - r به دمای جرم واکنش در راکتور از معادله آرنیوس K = K e (8.1) تعیین می شود. از (8.1) نتیجه می شود که سرعت واکنش شیمیایی - r با وابستگی تعیین می شود. (8.2) r = K e C C. . C، (8.2) KO یک ثابت آزمایشی، R یک ثابت گاز، E انرژی فعال سازی است، نشان می دهد که ذرات واکنش دهنده باید چه مقدار حداقل انرژی داشته باشند تا برخورد آنها منجر به تشکیل ترکیبات شیمیایی جدید شود. اگر E=(10÷ 60) ∗ 10 کیلوکالری کیلومترول، آنگاه افزایش T به میزان 10 درجه سانتی گراد باعث افزایش (1.2-2.5) برابر در K می شود. وابستگی های r = f(T) برای واکنش های شیمیایی مختلف در شکل (8.1 و 8.2) نشان داده شده است. 44. وابستگی سرعت شکل 45. وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی r = f(T) برای: واکنش r = f(T) برای: الف- واکنش های غیر قابل برگشت ساده A B; ب - فرآیندهای ناهمگن، اگر مرحله تعیین کننده واکنش انتشار باشد، به طور ضعیفی به دما وابسته است. ج - در هنگام احتراق و واکنشهای شیمیایی رخ می دهد. 135 شعله; د - واکنش های برگشت پذیر A و B. ه - واکنش های اکسیداسیون اکسید نیتروژن و هیدروکربن ها. برای دانستن شرایطی که تحت آن یک رژیم حرارتی خاص یک راکتور انجام می شود - همدما، آدیاباتیک یا برنامه ریزی شده - لازم است تعادل حرارتی راکتور ترسیم شود. به طور کلی، تعادل حرارتی را می توان به صورت زیر نشان داد: () τ = -(hG) + Q + W (8.3) که در آن U انرژی داخلی در واحد جرم کل محیط واکنش است. h آنتالپی در واحد جرم کل محیط واکنش است. G - سرعت جریان جرمی معرفها. Q - مصرف گرما؛ W- کارهای مکانیکیدر واحد زمان؛ τ - زمان؛ m مجموع جرم معرف ها است. بین آنتالپی و انرژی داخلی رابطه وجود دارد: h=U+ ρ dh = dP + C dT∆h dx ρ (8.4) (8.5) در اینجا P فشار است. p - چگالی؛ ∆H - اثر حرارتی واکنش؛ M- جرم مولکولی جزء I; X درجه تبدیل جزء I است. همانطور که مشخص است، واکنش های شیمیایی یا با جذب (واکنش های گرماگیر) یا با آزاد شدن (واکنش های گرمازا) گرما رخ می دهد. در صورت تامین ناکافی گرما از خارج، واکنش گرماگیر از بین می رود. در صورت عدم حذف حرارت کافی، واکنش گرمازا با عوارض بسیار نامطلوب (تجزیه محصول، انفجار، و غیره) همراه است، برای هر سیستم واکنش، زمانی که تعادلی بین انتشار (یا مصرف) گرما ایجاد می‌شود، حالت ساکنی وجود دارد. حذف (یا عرضه) آن. برای جلوگیری از سرد شدن بیش از حد یا گرم شدن بیش از حد دیواره‌های راکتور، توصیه می‌شود ϴ = t ± 20 درجه سانتی گراد (8.7) که ϴ دمای ورودی ژاکت است. t دمای واکنش در دستگاه است. مقدار حرارت صرف شده برای گرم کردن یا خنک کردن جرم واکنش و راکتور (J) با فرمول Q = (m C + mj Cl)∆t () (8.8) محاسبه می شود که در آن m, ml جرم راکتور است و مایع بارگذاری شده در آن، J/ (kg*K) اختلاف دما در طی فرآیند گرمایش یا خنک‌سازی به شرح زیر خواهد بود: ∆t = t - t ; ∆t = t − t. در اینجا t دمای واکنش است. t مایع پس از خنک شدن؛ t - دمای نهایی - دمای اولیه مایع قبل از گرم شدن. جرم راکتور (kg) را می توان تقریباً با فرمول m = 230p ∗ D تعیین کرد، که در آن p فشار اضافی در راکتور، MPa است. D - قطر راکتور، میلی متر. پارامترهای اصلی تکنولوژیکی و طراحی، و همچنین مقدار گرمای آزاد شده یا جذب شده، سرعت واکنش و حجم راکتور با وابستگی (8.10) 137 q = r ∗ ∆H ∗ Vl که q مقدار کل است مرتبط است. (8.10) گرمای آزاد شده (جذب) در نتیجه واکنش های شیمیایی. کیلو کالری r - سرعت واکنش، kcal m∗s. ∆H - اثر حرارتی واکنش، کیلو کالری؛ m ∗hour Vl حجم جرم واکنش در راکتور است. 8.2 طبقه بندی راکتورهای شیمیایی بر اساس رژیم حرارتی از دیدگاه رژیم های حرارتی، واکنش های شیمیایی و بر این اساس راکتورها به شرح زیر طبقه بندی می شوند: 1. رژیم ایزوترمال رژیمی از دمای ثابت در ناحیه واکنش به دلیل تبادل حرارت با محیط خارجی است. محیط. راکتور همدما است در این حالت واکنش های زیر امکان پذیر است. گرماگیر - گرما به منطقه واکنش عرضه می شود. - حرارت گرمازا از ناحیه واکنش حذف می شود. رژیم همدما به راحتی در دستگاه های اختلاط ایده آل به دست می آید. 2. حالت آدیاباتیک - عدم تبادل حرارت از طریق سطوح محصور خارجی و داخلی - راکتور آدیاباتیک. در دستگاه های پلاگین برای واکنش های گرمازا، دما در طول راکتور از ورودی محصول تا خروجی محاسبه می شود. در یک واکنش گرماگیر، عکس عکس مشاهده می شود. در راکتورهای اختلاط ایده آل، در طی یک واکنش گرمازا، دما با گذشت زمان افزایش می یابد. در طی یک واکنش گرماگیر کاهش می یابد. 3. حالت غیر همدما و نرم افزاری کنترل می شود. این حالت در راکتورهای شیمیایی با تامین یا حذف حرارت ناکافی انجام می شود که لازم است. برای اینکه یک واکنش همدما رخ دهد. در این حالت، درجه حرارت مطابق با برنامه در طول راکتور جریان پلاگین یا 138 در زمان در راکتورهای اختلاط ایده آل تنظیم می شود - راکتور غیر همدما است. 4. رژیم اتوترمال - به دلیل گرمای واکنشی که برای بدست آوردن رژیم دمایی مورد نیاز استفاده می شود انجام می شود - راکتور اتوترمال است. مبنای در نظر گرفتن راکتورها از دیدگاه ترمودینامیکی معادله تعادل حرارتی است. بنابراین اگر محاسبه مواد و ساختار راکتور بر اساس معادله کلی باشد. 8.3 الگوریتم محاسبه رژیم حرارتی راکتورهای شیمیایی تقریباً تمام واکنش های شیمیایی با اثرات حرارتی همراه است، یعنی با آزاد شدن یا جذب گرما رخ می دهد. این ویژگی های طراحی دستگاه را از نقطه نظر حفظ شرایط دمایی مورد نیاز، یعنی. دمای عملیاتی بهینه واکنش شیمیایی در راکتور. الگوریتم محاسبه حرارتی شامل مراحل زیر است: - تعیین اثر حرارتی واکنش و رژیم حرارتی راکتور. - ترسیم معادله تعادل حرارتی مشخصه کلی. - محاسبه شرایط دما در راکتورهای همزن و جابجایی. - محاسبه حرارتی و ساختاری دستگاه تبادل حرارتی راکتور. - محاسبات مقاومت عناصر دستگاه تبادل حرارتی تعادل مواد، سپس به طور مشابه محاسبه حرارتی بر اساس تعادل حرارتی کلی در نظر گرفته می شود. 9 محاسبه حرارتی راکتورهای شیمیایی 9.1 معادله تعادل حرارتی مشخصه عمومی تعادل حرارتی یک راکتور شیمیایی بر اساس قانون 139 بقای انرژی تهیه شده است که طبق آن در یک سیستم بسته مجموع انواع انرژی ثابت است. در این مورد، تمام گرمای وارد شده به راکتور و آزاد شده (جذب) در نتیجه یک واکنش شیمیایی یا تبدیل فیزیکی باید در نظر گرفته شود. گرمای ایجاد شده توسط هر جزء، هم با ورود و هم خروج از راکتور، و همچنین تبادل حرارت با محیط. Q - انتقال حرارت همرفتی Q = (ϑ ∙ ρ ∙ C ∙ t اینچ) - (ϑ ∙ ρ ∙ C ∙ t) (9.1) را در نظر بگیرید که: ϑ - سرعت جریان معرف‌ها، ρ - چگالی، C - ظرفیت گرمایی ویژه، t in و 0t - به ترتیب دما در خروجی و ورودی راکتور. در حضور چندین جریان از معرف های شیمیایی (n جریان) Q =∑ Q ϑ ∙ρ ∙C ∙t (9.2) - مقدار گرمای آزاد شده یا جذب شده در یک واکنش شیمیایی، که با توجه به تعریف اثر حرارتی یک واکنش شیمیایی ±∆H، دارای شکل Q = (± r) ∙ V(±∆H) (9.3) Q - انتقال حرارت از طریق سطح تبادل حرارتی Q = ±K ∙ F ∙ ∆T) (9.4) که در آن K ضریب انتقال حرارت است و علامت بستگی به جهت فرآیند (+) گرم کردن، (-) خنک کردن دارد. - تغییر مقدار گرما در حجم راکتور = جایی که r.st, r.st f ∙ Av.st + l ∙ میانگین ∙ =∑ (∙ Av) ∙ (9.5) , Av.st, میانگین جرم و ظرفیت گرمایی مواد راکتور و جرم واکنش لازم است مقدار گرمای صرف شده برای گرم کردن قطعات فلزی راکتور، به ویژه برای راکتورهای دسته ای، در نظر گرفته شود، زیرا به دلیل جرم قابل توجه فلز، متناسب با مقدار گرمای صرف شده برای گرم کردن خود محیط واکنش است. از دستگاه - مقدار حرارت آزاد شده در حین هم زدن. این گرما باید در نظر گرفته شود زیرا نیروی تامین شده توسط همزن در حجم مایع با اصطکاک ویسکوز تلف می شود که منجر به گرم شدن آن می شود. این مقدار را می توان از طریق ضریب توان، سرعت چرخش میکسر - n و قطر میکسر = ∙ ∙ , ∙ (9.6) بیان کرد. برای رسانه های کم ویسکوزیته ناچیز است و می توان آن را در محاسبات عملی نادیده گرفت. f - مقدار گرمای آزاد شده یا جذب شده در فرآیندهای فیزیکی (انحلال، تبلور، تراکم ∙∆، جذب، و غیره)، هنگامی که اثر حرارتی f = (±∆ f) تبخیر، kcal f [kmol] ∙ Av ∙ (9.7) ) پس از جمع بندی تمام اجزای در نظر گرفته شده تعادل حرارتی راکتور، معادله عمومی تعادل حرارتی برای هر نوع دستگاه را می توان به صورت + + + + + f = 0 (9.8) یا ∑ (∙ Av) + ϑ ∙ Cp ∙ ارائه کرد. tk − ∆Tcp + ± ∆ ∑n i=1 ϑi ∙ ρi ∙ Cpi ∙ t0i + (±r) ∙ V f ∙ Av ∙ + ∙ ∙ 3∙ ±∆Hr ± K ∙ F ∙ 9) به عنوان قانون 5 تمام محاسبات مواد و حرارت به جداول کاهش می یابد. بسته به نوع راکتور (رژیم دمایی دسته ای، نیمه پیوسته، (همدما، یا پیوسته) آدیاباتیک و یا چند تروپیک). معادله عمومی تعادل حرارتی (9.8 و 9.9) ساده شده و به 141 معادله مشخصه برای یک راکتور خاص تبدیل شده است که مبنای محاسبه رژیم دمایی راکتور است. 9.1 تأثیر شرایط حرارتی بر روند فرآیندهای شیمیایی در راکتورهای اختلاط و جابجایی ایده آل. محاسبه حرارتی یک راکتور همدما پیوسته با اختلاط کامل در حالت پایدار، معادله تعادل حرارتی (9. 9) برای یک راکتور با اختلاط کامل و سطح تبادل حرارت. (شکل 9.1) و (شکل 9.2) را می توان به صورت زیر نوشت. شکل 9.1 - طرح عملکرد یک راکتور همدما پیوسته با اختلاط کامل و سطح تبادل حرارت از نقطه نظر ترمودینامیکی. 142 شکل.9.2 مشخصات دما در یک راکتور همدما پیوسته. 0 = -G ∙ (h - h) + K ∙ F ∙ (T ,) (9.10) که در آن h آنتالپی جریان ورودی است. h آنتالپی جریان خروجی است. K - ضریب انتقال حرارت؛ F - سطح تبادل حرارت؛ T میانگین دمای واکنش است. T، - دمای متوسط ​​خنک کننده. مقدار h-h را می توان با ادغام معادله (9.5) بدست آورد. بنابراین در فشار ثابت داریم: h − h = ∫T,H, [ ∙ dT ∙ (∆h) ∙ dx ] (9.11) با جایگزینی (9.11) و (9.12) بدست می آوریم: 0 = −∫ () − [ (∆ h) 143 ∙x + ∙ (T − T,) (9.12) با حل این معادله همراه با معادله مشخصه یک راکتور همدما، می توانیم تأثیر مقدار گرمای تأمین شده را بر دمای راکتور محاسبه کنیم. در موردی که آنتالپی مخلوط واکنش کمی با دما و ترکیب تغییر می کند، معادله (9.12) را می توان به شکل زیر نوشت: x (∆h) = ∙ (T - T) + ∙ (T - T،) (9.13). ) بیان سمت چپ این معادله آنتالپی آزاد در واحد جرم محیط واکنش است. متناسب با آنتالپی مولی سیستم، درجه تبدیل و احتمالاً سرعت واکنش است. 9.2 تجزیه و تحلیل رژیم حرارتی یک راکتور همدما پیوسته سمت راست معادله (9.13) کل گرمای جذب شده در طول واکنش در واحد جرم را نشان می دهد. اولین بیان گرمای جذب شده توسط جریان است و دومی گرمای منتقل شده توسط عامل حرارتی است. برای یک واکنش گرمازا، معادله (9.13) به صورت گرافیکی در شکل 1 نشان داده شده است. 8.5 به شکل یک وابستگی عملکردی که در نتیجه واکنش گرمازا Qr(QS) به دمای در راکتور Tr °C منتشر می شود. نقطه تلاقی خطوط مستقیم مربوط به گرمای جذب شده با منحنی کلی معادله (9.20) و دماهایی را برآورده می کند که یک واکنش حالت پایدار را تضمین می کند. گرمای کل واکنش =− ∙ (∆h) (9.14) در نمودار منحنی 1 ارائه شده است و در دماهای پایین عملاً صفر است. با افزایش دما، سرعت واکنش به سرعت افزایش می یابد. اگر واکنش برگشت پذیر نباشد، افزایش سرعت به طور مداوم رخ می دهد تا زمانی که معرف ها به طور کامل مصرف شوند، می تواند به صورت گرافیکی با خطوط مستقیم 2، 3 و 4 برای سه 144 مورد مختلف نمایش داده شود. اگر ضریب انتقال حرارت و دمای مایع خنک کننده باقی بماند مقادیر ثابت، سپس این وابستگی در همه موارد به صورت یک خط مستقیم به تصویر کشیده می شود. شکل 9.3 مشخصات دمایی یک راکتور اتوترمال. گرمای جذب شده = ∙ (T - T) + ∙ (T - T،) (9.15) مستقیم 3 منحنی / را در نقطه A قطع می کند، که برای مورد مورد بررسی با حداکثر دمای راکتور مطابقت دارد. افزایش جزئی دما باعث افزایش سرعت و در نتیجه گرمای کل می‌شود، اما خنک‌سازی دما را به حالت عادی کاهش می‌دهد و در نتیجه فرآیند حالت پایدار خواهد بود. این امکان پذیر است زیرا در دماهای نزدیک به حد TA، گرمای کل کمتر از گرمای قابل انتقال است. نقطه A در ناحیه درجات پایین تبدیل قرار دارد. 145 شکل. 9.4 تغییرات احتمالی دمای راکتور اتوترمال راست 2 با منحنی / در سه نقطه تلاقی می کند که B و D مربوط به شرایط عملکرد پایدار و نقطه C مربوط به عملکرد ناپایدار است. در نقطه C، مقدار کل گرما سریعتر از گرمای انتقال یافته افزایش می یابد و افزایش دما سیستم واکنش را به حالتی مطابق با نقطه D می رساند. در مقابل، کاهش دما سیستم واکنش را به نقطه B هدایت می کند. نقطه D بیشتر منطبق بر حالت بهینه عملکرد راکتور است و در مناطق با درجه تبدیل بالا قرار دارد. خط 4 با منحنی 7 تلاقی نمی کند، به این معنی که باید با خنک کننده در دمای پایین یا با ضریب انتقال حرارت بالا کار کرد. با این حال، دمای بسیار پایین مایع خنک‌کننده می‌تواند واکنش را تضعیف کند، بنابراین باید کنترل خوبی بر دماهایی که بر جریان خنک‌کننده تأثیر می‌گذارند، حفظ کرد و در نتیجه تلفات دما را کاهش داد. برای انجام این کار، لازم است: - داشتن یک سیستم کنترلی که با کاهش دمای مایع خنک کننده در ژاکت یا با افزایش دبی آن، انتقال حرارت لازم را تضمین کند. - از یک سیستم کنترلی استفاده کنید که در صورت عملکرد ناپایدار راکتور، توان مصرفی معرف ها را افزایش می دهد که باعث کاهش زمان تماس و در نتیجه کاهش افت x و Q می شود. (در شکل 6، منحنی 1 با افزایش مصرف برق به سمت راست حرکت می کند و شکل منحنی 2 را به موازات منحنی 1 می گیرد، اما با شیب کمتری نسبت به خط مستقیم 3، که مطابق با شرایط عملکرد پایدار است). - از سیستم کنترلی استفاده کنید که در صورت عملکرد ناپایدار یا در صورت رقیق شدن معرف ها، شیب خط مستقیم 3 را افزایش دهد تا تلفات حرارتی سیستم در مقایسه با گرمای کل بیشتر باشد. هنگامی که معرف رقیق می شود، خط مستقیم 3 موقعیت خط مستقیم 4 را می گیرد (راکتور به طور پایدار عمل می کند). از موارد فوق چنین استنباط می شود که برای موارد خاصی از عملکرد ناپایدار راکتورهای گرمازا، می توان از سیستم های تنظیم و کنترل استفاده کرد که پایداری راکتور را تضمین می کند. نقاط تقاطع در شکل. jo با شرایط عملیاتی یک راکتور همدما مطابقت دارد. در مورد یک واکنش گرمازا، که در دمای بالا رخ می دهد، از گرمای کل واکنش برای گرم کردن واکنش دهنده ها استفاده می شود. بنابراین، برای حفظ واکنش به گرمای اضافی نیاز نیست. برای جلوگیری از عبور از ناحیه سیال کار، میانگین اختلاف دمای Δtcp = 15 + 20 درجه سانتیگراد ارائه شده است. اگر در هر لحظه از واکنش، سطح مبدل حرارتی F برای حذف (تامین) گرما کافی نباشد، سیم پیچ ها یا مبدل های حرارتی از راه دور (یخچال) نیز در دستگاه نصب می شوند. برای حفظ شرایط عملیات حرارتی مورد نیاز یک دستگاه پیوسته، نرخ جریان خنک کننده (آب) به صورت = (ϴ ϴ)، (9.16) محاسبه می شود که در آن QF جریان گرما از سطح انتقال حرارت است. ST - ظرفیت گرمایی مایع خنک کننده، J/kg∙K؛ ϴ و ϴ به ترتیب دمای مایع خنک کننده در ورودی و خروجی ژاکت راکتور هستند. دمای ϴ برای جلوگیری از سرد شدن بیش از حد دیواره های راکتور باید ϴ = (tp-20) درجه سانتی گراد باشد. 9.3 راکتور Plug-flow با تبادل حرارت بین واکنش دهنده ها و محصول یک راکتور آدیاباتیک جریان پلاگین که در آن واکنش گرمازا رخ می دهد، می تواند با یک مبدل حرارتی ترکیب شود، جایی که تبادل حرارت بین واکنش دهنده و محصول اتفاق می افتد. برنج. 9.5. برنج. 9.5 تغییر دما در یک راکتور با جابجایی کامل - 1، متصل به مبدل حرارتی (سیستم اتوترمال) - 2. Tn - دمای اولیه اجزای اولیه ورودی 148 مبدل حرارتی 2. T دمای جزء اولیه گرم شده وارد شده به راکتور است. Tp دمای محصولات واکنش در راکتور و در خروجی آن است. Tk دمای نهایی محصول نهایی مبدل حرارتی است. راکتور اتوترمال-سیستم مبدل حرارتی به عنوان یک راکتور چرخشی عمل می کند. شکل 9.5 تغییر دما را در چنین سیستمی در طول رآکتور نشان می دهد. 9.4 راکتور با جابجایی کامل و سطح تبادل گرما تعادل حرارتی برای یک عنصر حجم بی نهایت کوچک در حالت ساکن (شکل 9.6) = ∙ ℎ+ (9.17) در فشار ثابت داریم: ℎ= ∙ + (∆h) dx (9.18) گرمای منتقل شده از سطح راکتور با قطر D: = ∙ ∙ ∙ (T − T،) ∙ dz (9.19) با وارد کردن این مقدار به بیان (9.17)، معادله 0= ∙ ∙ dT + ∙ (∆) را به دست می آوریم. h) ∙ dx + ∙ ∙ ∙ (T − T ,) ∙ dz (9.20) که باید همراه با معادله دیفرانسیل راکتور جریان پلاگین حل شود: 0 = -G ∙ dx + r ∙ π ∙ D (∙ d ) 9.21) شکل. 9.6 برای بدست آوردن تعادل حرارتی یک راکتور با جابجایی کامل و سطح انتقال حرارت. 149 حل همزمان دو معادله آخر این امکان را فراهم می کند که مشخصات دما و درجه تبدیل را در طول راکتور به تصویر بکشد. 9.5 محاسبه حرارتی یک راکتور آدیاباتیک با یک همزن واکنش های گرمازا. اجازه دهید یک واکنش مرتبه اول مستقیم گرمازا از نوع A→B را در نظر بگیریم که به طور مداوم رخ می دهد (شکل 9.7). با پیشرفت فرآیند، گرما QR در دستگاه در راکتور آزاد می شود. جریان های ورودی و خروجی از دستگاه گرما را وارد و با خود می برد. تبادل حرارت دیگری با محیط خارجی (خنک شدن دیواره های راکتور، تلفات حرارتی) وجود ندارد. شکل-52. راکتور آدیاباتیک با همزن. بیایید نماد زیر را معرفی کنیم: QVBX - غذا، m3 sek-1. γ - وزن مخصوص، kgf/m3. 150 s = Const - ظرفیت گرمایی محیط واکنش، kcal/kgf∙deg. C غلظت جزء هدف، kmol∙m3 و دمای T، درجه سانتی گراد است. شاخص های ورودی و خروجی به مقادیر جریان های ورودی و خروجی از راکتور اشاره دارد. در درجه تبدیل Xq، تعداد مول های واکنش داده شده Swx Xq خواهد بود و گرمای آزاد شده در طول اثر حرارتی واکنش q - kcal∙kmol خواهد بود: = بر حسب kcal∙sec-1 ∙ Swx ∙ (9.22) تغییر در گرما در جرم واکنش به دلیل اختلاف دما در حالت ساکن برابر است با: pot = ∙ ∙ ∙ خارج − ∙ ∙ ∙ 9.23) در اجازه دهید دمای منطقه واکنش T = TA را برابر با دمای در خروجی راکتور در حالت ثابت، QR = Qpot و ∙ ∙ = امکان ساده سازی: out = در ∙ ∙ خارج = ∙ خارج − در ∙ ∙ ∙ kmol∙sec-1 و = (9.24) در ∙ در = ∙ ∙ معادله ) بدست می آوریم: ∙ ∙ = ∙ ∙(∙ = ∙ (خارج − − اینین (9.25))) (9.26) از معادله (9.22) چنین می شود: = ∙ در ∙− = عرق ∙ در ∙ = ♈ در) (9.27) 9.6 تجزیه و تحلیل رژیم حرارتی یک راکتور آدیاباتیک در شکل. شکل 9.8 وابستگی درجه تبدیل U به T را برای واکنش های گرمازا مرتبه اول برگشت ناپذیر مستقیم از نوع A → B نشان می دهد. مقادیر T و U از عبارات (9.22) و (9.26) به دست می آیند. از آنجایی که مقادیر U به عنوان تابعی از QR و Qpot بیان می شوند، این نمودار وابستگی QR=ƒ(T) را نشان می دهد. وابستگی QR=ƒ(T) با منحنی MN مشخص می شود. 151 شکل. 9.8 نمودار درجه تبدیل در برابر دما برای یک واکنش گرمازا مستقیم که در حالت آدیاباتیک رخ می دهد. در دماهای پایین، QR بسیار آهسته افزایش می یابد - بخش اول ML در نمودار. با این حال، با افزایش سرعت واکنش مرتبط با افزایش T، QR آزاد شده گرما به شدت طبق یک قانون منحنی (بخش I-III) افزایش می‌یابد و سپس در بخش IV تقریباً ثابت می‌ماند. مقدار حرارت Qpot حذف شده توسط جریان ماده، مطابق فرمول (9.26)، با توان اول اختلاف دما در خروجی و ورودی متناسب است. در نمودار Qpot به صورت یک سری خطوط مستقیم موازی A، B، E، C، R، D با ضریب زاویه ای 152 tan = ∙с Ce ∙ (9.26) خطوط مستقیم Qpot و منحنی 5 شکل MN (QR) نشان داده شود. دارای یک، دو یا سه نقطه تقاطع بسته به اختلاف دما T-TE موقعیت های مرزی خطوط مستقیم مطابق با دو نقطه مماس Ps و P2 بسته به Tgr2 و Tgr1 - مقادیر مرزی T هستند. نقاط تلاقی خطوط مستقیم و منحنی با برابری QR = Qpot مطابقت دارد، مشروط به تعادل مواد. در موقعیت A (TE< Тгр2) существует только одна точка пересечения V в нижней части кривой. Здесь разность температур Т- ТЕ степень превращения U крайне малы. Точка V соответствует минимальной температуре аппарата и характеризует устойчивый ход процесса и способность к авторегулировке. При повышении температуры в реакторе (ТА возрастает) количество выводимого с потоком тепла по уравнению (9.3 Г) возрастает, становится больше количества выделяемого тепла QR вследствие чего температура в аппарате может снизиться до нормальной. То же произойдет и в случае понижения температуры в зоне реакции, но только в обратном направлении В рассматриваемом случае (А) реакция идет крайне медленно и легко затухает. С возрастанием ТЕ до Тгр1 прямая (положение В) касается кривой в точке Р1. Здесь наступает предел самопроизвольному затуханию реакции. Дальнейшее повышение температуры ТЕ < Тгр1, и дает три точки пересечения (I, II и III). При ТЕ= Tгр1 (положение С) прямая отвода тепла касается кривой тепловыделения в точке Р2. В области между положениями В и С точки пересечения с нижней (7) и верхней (III) ветвями кривой термохимически устойчивы. Средняя точка II характеризует неустойчивое состояние. В области ТЕ >Tgr1، خط مستقیم حذف حرارت (موقعیت D) قسمت بالایی منحنی را در یک نقطه IV قطع می کند. در اینجا، در دمای اولیه 153 نسبتاً بالا، درجه نسبتاً بالایی از تبدیل U حاصل می شود. واکنش به طور خود به خود توسعه می یابد و امکان "احتراق خود به خود" رخ می دهد. موقعیت خط مستقیم C شروع واکنش خود به خود (نقطه لمس P2) را مشخص می کند. در نقطه II برابری QR = Qpot مشاهده می شود و دمای بحرانی را نشان می دهد. با افزایش جزئی دما QR>Qpot، و نقطه تقاطع به موقعیت III حرکت می کند. در مقابل، با کاهش جزئی در دمای QR Tgr1 برای دستیابی به "خودسوزی" (موقعیت D). پس از شروع واکنش، کاهش دمای ورودی به TE بدون تغییر زیاد در سرعت واکنش امکان پذیر است< Тгрl и работать в интервале температур примерно до Тф2. Однако, если ТЕ уменьшится хотя бы один раз до ТЕ < Тгр2, может про изойти затухание реакции и степень превращения значительно уменьшится. При обратимой экзотермической реакции первого порядка типа А и В, протекающей в адиабатическом режиме, кривая тепловыделения QR имеет вид, показанный на рис 9.8. Это является следствием смещения равновесия при высоких температурах. Линия теплоотвода TQ может касаться или пересекать линию тепловыделения в двух точках. Практически целесообразно работать в таких условиях, чтобы точка II пересечения Q и QR была как можно выше. 9.7 Анализ теплового режима адиабатического реактора для эндотермических реакций Соотношение (8.26) между степенью превращения U и температурами справедливо также и для эндотермических процессов с 154 учетом того, что q и ТА - ТЕ отрицательны. Как видно из рис.9.9; прямые теплоотвода имеют одну точку пересечения с кривой тепловыделения. Ее положение определяется только температурой у входа в реактор, скоростью перемещения потоков и тепловым эффектом реакции. Она характеризует температуру реакции и степени превращения в установившемся состоянии. Рис. 9.9 График соотношения тепловыделения и теплоотвода при обратимой экзотермической, реакции протекающей в адиабатическом режиме Рис. 9.10 График зависимости степени превращения от температуры при эндотермической реакции. 155 9.8 Тепловой расчет изотермического реактора периодическою действия Конструктивно изотермический реактор периодического действия аналогичен реактору непрерывного действия (Рис. 9.11) Рис. 9.11 Схема изотермического реактора периодического действия На рис.9.12 представлены температурные характеристики изотермического реактора периодического действия. 156 Рис. 9.12 Температурные характеристики изотермического реактора периодического действия. 9.9 Тепловой расчет изотермического реактора периодического действия для квазистационарного режима Рассмотрим реакцию 0го порядка, معادله جنبشیکه به شکل − =K=K ∙e (9.29) گرمای تولید شده در واحد زمان به دلیل اثر حرارتی ∆ =∆ ∙ ∙K ∙e (9.30) گرمایی که با محیط خنک کننده در اثر انتقال حرارت حذف می شود ∆ = 157 ∙ ∙(-) (9.31) ابسیساهای نقاط تقاطع I و III دمای کاری معین TI و TIII شکل 9.12 موقعیت محدود خطوط حذف حرارت T0 - II مماس بر QR خواهد بود. هنگامی که خط حذف حرارت T0 - II زیر این مقدار حد قرار می گیرد، حذف گرما کافی نیست و فرآیند همدما غیرممکن است. با افزایش حذف حرارت، دو نقطه تقاطع I و III به دست می آید. در هر تی< Т1 линия теплоотвода ниже линии тепловыделения (QTTm، سپس خط حذف حرارت به زیر منحنی و ∆QT خواهد رفت< ∆QR . Нарушение режима необратимо, крайне нестабильный. Для эндотермических реакций ∆QT = α∙F∙(T-Т0) <0 и имеется только одна точка пересечения. В общем случае α определяется из критериального уравнения Nu = A ∙ Re ∙ Pr ∙ V Nu = Pr = Re = ∙ (9.33) μ∙ (9.34) ∙ ∙ - критерий Рейнолдса V = Где и (9.32) μ μ (9.35) - вязкость - соответственно вязкости среды при нормальных условиях и температуре в реакторе. В общем случае в реакторах периодического действия общее количество теплоты, выделавшееся за весь период реакции, выразится уравнение 158 Q = Vж ∙ ∆H(C − C) (9.36) где СН и СК - соответственно начальная и конечная концентрации в реакторе. Продолжительность разогрева τраз и охлаждения τох при известной поверхности рубашки - Fp или змеевика Fз может быть рассчитана по формуле (9.8) ох,раз = (9.37) ∙ ∙∆ где К - коэффициент теплоотдачи при нагревании или охлаждении, Bт/M2K ∆tcp - средняя разность температур при нагревании или охлаждении. Разности температур в процессе нагревания или охлаждения ∆ Средняя наг разность = − н; ∆ температур ох = − к; (9.38) рассчитывается по условиям нестационарного процесса теплообмена, так как при нагревании или охлаждение температура реакционной массы изменяется во времени. При нагревании реакционной смеси от начальной температуры от tн до температуры реакции tp жидким теплоносителем не изменяющего своего агрегатного состояния, средняя разность температур составит (∆)н = ϴ ϴ н н ∙ , A = ln ϴ ϴ (9.39) где ϴ и ϴ - соответственно температуры теплоносителя на входе и выходе из рубашки реактора в конце нагревания. При нагревании реакционной массы конденсирующимся водяным паром при ϴ = ϴ , (∆tср)н рассчитывается как средняя арифметическая или логарифмическая разность температур. При охлаждении реактора хладагентом, конечная температура которого ϴ изменяется во времени, средняя разность температур будет 159 (∆ н ϴ)ох = ∙ ϴ , A = ln н н ϴ (9.40) ϴ При тепловых расчетах реакторах периодического действия необходимо иметь ввиду, что расход теплоносителя GT , (основной технологический параметр, регулирующий температурный режим реактора) в принципе должен быть переменным. Максимальный расход теплоносителя определяется по формуле = (ϴ (9.41) ϴ) где QF - тепловой поток через теплопередающую поверхность, СТ - теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг∙К); ϴ и ϴ - соответственно температуры на входе и выходе из рубашки. Выражение (9.41) справедливо, если количество тепла, выделяемое в результате реакции - QP, для реакции первого порядка будет определяться как = ж ∙ ∙∆ ∙ (9.42) для реакции и суммарного второго порядка, т.е. (nА = nB) = Изменение расхода ж ∙ ∙∆ ∙ теплоносителя ∙ во (9.43) времени особенно целесообразно рассчитывать для реакторов большого объема(VP > 10 متر مکعب). 160 مثالی از محاسبات تکنولوژیکی و حرارتی یک راکتور شیمیایی پارامترهای تکنولوژیکی و ابعاد هندسی یک راکتور شیمیایی اختلاط ایده آل برای یک واکنش گرمازا را محاسبه کنید. داده های محاسبه qv = 1.35 m3/hour tp = 82°C CaO = 11700 mol/m3 K0 = 3.13∙109 E = 60146 J/mol µo = 0.6∙10-3 Pa∙s β = 4 k-10-4 1 qt = 3.25∙104 J/mol ρ = 1575 kg/m3 Ср = 875 J/kg∙m λ= 0.68 W/m∙K tн= 20°С twh= 10° С twk= 15°С βw= 0.005 -1 cw=4190 J/kg∙K δc= 0.012 m rc = 0.0046 m2 K/W δρ = 0.038 m λσ = 46.2 W/m К а2 = 0.36 b2 = 0.67 1. غلظت نهایی جزء واکنش دهنده را بیابید. 161 cak = ca0 (1 - χA)، (10.1) که در آن ca غلظت اولیه جزء اصلی واکنش دهنده، mol/m3 است. χA درجه تبدیل در راکتور است. cak = 11700(1 - 0.98) = 231.37 mol/m3 2. ثابت سرعت واکنش را تعیین کنید: kp = ko∙ exp( - E/)، (10.2) که در آن ko عامل پیش نمایی در معادله آرنیوس برای واکنش است. نرخ ثابت ; E - انرژی فعال سازی در معادله آرنیوس، J/mol. R - ثابت گاز جهانی، J/mol∙ K. tp - دمای متوسط ​​جرم واکنش در راکتور، درجه سانتیگراد. kp=3.13∙exp(-60146/)=0.212 3. زمان ماندگاری را در راکتور صنعتی تعیین کنید: 240 دقیقه 0.212  231.37 4. حجم راکتور را بیابید: V  qv  , (10.4) که در آن qv سرعت جریان جرم واکنش، m3/hour است. V  1.35  4  5.4 m3 5. توان حرارتی واکنش شیمیایی را تعیین کنید: q  qt  qv  (cao  cac) 162، (10.5) که در آن qt اثر حرارتی واکنش، J/mol است. Cac غلظت نهایی جزء واکنش دهنده در راکتور، mol/m3 است. q = 3.25∙104∙1.35∙(11700-231.37) = 5∙108 J/hour 6. مصرف مبرد آب از تعادل حرارتی تعیین می شود: Gw  1.03   q    qv t p    cw   t wk  t wh   , (10.6) که در آن 1.03 ضریبی است که از دست دادن حرارت از طریق عایق حرارتی را در نظر می گیرد. p - چگالی جرم واکنش در دمای عملیاتی، کیلوگرم بر متر؛ میانگین ظرفیت گرمایی جرم واکنش، J/kg∙ K. tn - دمای اولیه جرم واکنش، oC؛ Cw - ظرفیت گرمایی مبرد (آب)، J/kg∙K؛ twk دمای نهایی مبرد (آب) در ورودی، oC؛ twh - دمای اولیه مبرد (آب) در ورودی، oC؛ Gw  1.03  5 108  1.35 1575  875   20  82     4190   0.18 105 کیلوگرم در ساعت 7. قطر ظرف راکتور جابجایی: Da  3 4 V  (10.7) که در آن V حجم راکتور جابجایی است. Da  3 4  5.4  1.6 m 3.14 8. ویسکوزیته جرم واکنش در دمای کاری:   0  exp      t p  (10. 8) که در آن µ0 ویسکوزیته جرم واکنش در 00C، Pa∙s است. β - ضریب دمایی ویسکوزیته جرم واکنش، k-1. μ = 0.6∙10-3 exp(-4∙10-4 ∙82) = 5.8∙10-4 Pa∙s 9. معیارهای بی بعد برای جرم واکنش: رینولدز: 163 Re    نانومتر  Db2, () 10.9) که در آن Db قطر نصب حباب، m است. Re = 1575∙4∙0.2712/(5.8∙10-4) = 2.6∙106 Prantdal: Pr  c р   / ، (10.10) که در آن λ رسانایی گرمایی جرم واکنش، WTO/m است. Pr = 875∙5.8∙10-4 / 0.68 = 7.5∙10-1 10. جریان حجمی مبرد: qw  Gw /  3600  w  (10.11) که در آن مبرد / کیلوگرم جریان آب است. ρw - چگالی مبرد (آب) در دمای متوسط ​​آن، کیلوگرم بر متر مکعب. qw = 0.18∙105 / (3600∙990) = 5∙10-3 m3/s 11. سطح مقطع روکش راکتور برای خنک کننده: 2 2   S p     c   p    Da   c     4 ، (10.12) که در آن Da قطر مخزن راکتور جابجایی، m است. δс - ضخامت دیواره فولادی راکتور جابجایی، متر؛ δр - عرض جریان مبرد در ژاکت، متر؛ 2 2  3.14   Sp    1.6  0.012  0.038  1.6  0.012    2.   4  12. سرعت مبرد در ژاکت: Vx  qw / S p (10.13) که در آن qc میزان جریان حجمی مبرد است، m3/s. Sp سطح مقطع ژاکت راکتور برای خنک کننده است، m. Vx  5 103 / 9, 7 102  5, 2 102 m / s 164 13. معیارهای بدون بعد برای مبرد: Reynolds: Re  Vx  1  d w p. که در آن VX سرعت مبرد در ژاکت است، m/s. ρw - چگالی مبرد (آب) در دمای متوسط ​​آن، کیلوگرم بر متر مکعب. µw - ویسکوزیته مبرد (آب) در 00 C، Pa∙s. Rex= 5.2∙10-2∙0.05∙990/0.001 = 2593 Prandtal: Prx=cw∙ µw/λw، (10.15) که در آن λw هدایت حرارتی مبرد (آب)، W/m∙K است. Prx = 4190∙0.001/0.68 = 4.63 14. میانگین نیروی محرکه فرآیند انتقال حرارت از جرم واکنش به مبرد: twk ، (10.16) که در آن twk دمای نهایی مبرد (آب) در ورودی، 0C است. twh دمای اولیه مبرد (آب) در ورودی، 0C؛ tp میانگین دمای جرم واکنش در راکتور، 0C است. tav  15  10  / ln  82  10  /  82  15    69.50  69.50 درجه حرارت بالا -6 درجه سانتیگراد 15 درجه حرارت بالا. 5 = 12.5 0С ( 10.17) 16. معیار Nusselt برای جرم واکنش در راکتور: Nu = a2∙Reb2∙Pr0.33(Pr/Prcm)0.14∙(Db/Da)، که در آن نسبت نشان دهنده (Pr/Prcm) با نسبت جایگزین می شود. بیان دمای ویسکوزیته در دمای متوسط ​​در راکتور. 165 واکنش exp[β∙(x جرم -tp)]، با Nu  a2  Reb 2  Pr 0.33  exp     x  t p      /  18) که در آن a2 ضریب معیار معادله انتقال حرارت برای یک راکتور با روکش است. Re معیار رینولدز برای جرم واکنش است. b2 ضریب معیار معادله انتقال حرارت برای یک راکتور با ژاکت است. Pr معیار پراندتل برای جرم واکنش است. ضریب دمایی β ویسکوزیته جرم واکنش، k-1. x دمای دیوار در سمت جرم واکنش، OS. D6 - قطر نصب حباب ها، متر؛ Da قطر راکتور جابجایی، m است. Nu = 0.36∙(2.6∙106)0.67∙(7.5∙10-1)0,ЗЗ∙(exp)0.14∙(0.271/1.6)=1625 17. ضریب انتقال حرارت از جرم واکنش به دیواره   / Db (10.19) که در آن λ هدایت حرارتی جرم واکنش، W/m∙K است.   Nu   / Db  1625  0.68 / 0.271  2762.4 W / m 2  K 18. توان حرارتی ویژه از جرم واکنش به دیواره راکتور: q p   0. دمای دیواره در سمت جرم واکنش، 0C; q p    t p  x   2762. 4   82  77. 7   11900.5 W / m 2 19. دمای دیوار در سمت مبرد : t  p  p   c / c  (10.21) که در آن δσ ضخامت دیواره فولادی راکتور جابجایی، m است. λσ هدایت حرارتی دیواره فولادی راکتور، W/m K. rc - مقاومت حرارتی دیوار (زنگ، مقیاس، سنگ نمک)؛ 166 t x  t p  q p   rc   c / c   82  11900.5  (0.0046  0.012 / 46.2   0.012 / 46.2  criter. ژاکت بسته به مقدار Reynolds محاسبه می شود: اگر Rex<5∙105, 0,33  Prx  Nux  0, 66  Re 0,5   x  Prx  Prcmx  0,25 , (10.22) , (10.23) если Rex>5∙105، 0.43  Prx  Nu x  0.037  Re 0.8   x  Prx  Prcmx  0.25 که در آن نسبت (Prx/βdw∏t) جایگزین می شود (Prx/βdwxt که عبارت expe,Prcmx) نسبت ویسکوزیته مبرد در دمای متوسط ​​آن و میانگین دمای دیواره در سمت مبرد است: اگر Rex<5∙105, 0,33 Nux  0, 66  Re0,5   exp[  w ∙(t x – t wc)]  x  Prx 0,25 (10.24) если Rex>5∙105، 0.43 Nu x  0.037  Re0.8   exp[  w ∙(t x – t wc)] x  Prx 0.25 (10.25) که در آن Rex سردکننده رینولدز است؛ Prx - معیار پراندتل برای مبرد. βw - ضریب دمایی ویسکوزیته مبرد (آب)، k-1؛ twc - دمای متوسط ​​مبرد، 0C؛ 0.33 Nu x  0.66  Re0.5   exp[  w ∙(t x – t wc)]  x  Prx 0.25   0.66  25930.5  3.6 3. 57   24، 2  15.53  21. ضریب انتقال حرارت از دیوار به مبرد:  Nu x w p (10.26) که در آن λw هدایت حرارتی مبرد است، W/m∙K. δp - عرض جریان مبرد، متر؛ 167 0.25   56.67 x  Nu x w 56.67  0.68   1014 W / m 2  K p 0.038 22.  t x – t wc) (10.27) که در آن tx دمای دیوار در سمت مبرد، 0C است. q x   x  (t x – t wc)  1014   24.2  12.53   11800 W / m 2 23. توان حرارتی کل راکتور از معادله gwt gwt qwt  معادله گرمایی تعیین می شود. wk – t wh) 3600 (10.28) که در آن Gw جریان مبرد آب است، کیلوگرم در ساعت. сw - ظرفیت گرمایی مبرد (آب)، J/kg∙K؛ twk - دمای نهایی مبرد (آب) در ورودی، سیستم عامل؛ twh - دمای اولیه مبرد (آب) در ورودی، سیستم عامل؛ qtp  5 Gw  cw  (t wk – t wh) 0.18 10  4190  15  10    105600 W 3600 و qp 3600  360 مورد نیاز است. 9) که در آن qc است میانگین توان حرارتی ویژه حسابی از جرم واکنش به دیوار از دیوار تا مبرد، W/m2. fp  qtp qc  105600 / 12000  8.8 m 2 168 12 مکانیسم واکنش‌های کاتالیزوری ناهمگن صرف نظر از طراحی راکتور برای انجام واکنش‌های فیزیکی ناهمگن، فرآیند کاتالیستی ناهمگن آنها است. تصویر فیزیکی مکانیسم واکنش‌های کاتالیزوری ناهمگن از جریان گاز روی یک دانه کاتالیست متخلخل در شکل 12.1 ارائه شده است. جریان آرام گاز شکل 12.1 - تصویر فیزیکی مکانیسم یک واکنش کاتالیزوری ناهمگن از یک جریان گاز وقتی گاز در اطراف یک ذره کاتالیزور جریان دارد، یک لایه مرزی نازک در اطراف آن تشکیل می شود - δl، CAS و CAq - غلظت محصول در سطح و در جریان. R، rm - شعاع شعاع جریان ذرات. MA، MV - تعداد مول فازهای گاز و جامد. 169 V، ρ - حجم و چگالی ذره. τ, τ + , ττ - زمان فعلیواکنش‌ها، زمان تبدیل کامل معرف‌ها به محصول نهایی، میانگین زمان ماندگاری معرف‌ها در لایه کاتالیست. در بسیار نمای کلی مکانیسم واکنش را می توان در سه مرحله نشان داد. I- جریان گاز، واکنش دهنده را به دلیل همرفت به سطح کاتالیزور می آورد. یک لایه آرام در نزدیکی سطح دانه ایجاد می شود (لایه انتشار مرزی که در آن انتقال ماده با انتشار مولکولی انجام می شود). II. مولکول معرف در سطح دانه، جایی که واکنش شیمیایی انجام می شود، جذب می شود. اگر r >> β، آنگاه فرآیند با عرضه جرم ماده از هسته جریان تعیین می شود (β ضریب انتقال جرم است). مقاومت در برابر انتشار خارجی در کاتالیزورهای متخلخل، واکنش دهنده ها از طریق منافذ مویین درون دانه پخش می شوند و در سطح داخلی آن جذب می شوند. هنگامی که β > r فرآیند توسط جریان انتشار محدود می شود. III. محصولات واکنش تشکیل شده بر روی سطح فعال ذرات جامد واجذب شده و سپس از سطوح داخلی و خارجی کاتالیزور به درون هسته جریان منتشر می شوند. بنابراین، سه ناحیه از واکنش کاتالیزوری ناهمگن متمایز می شوند. 1. جنبشی - r «β، جذب، i.e. نرخ عرضه و جذب ماده بیش از امکان تبدیل شیمیایی است. 2. جذب، زمانی که نرخ جذب پایین به عنوان مانعی بین جریان انتشار معرف ها و واکنش پذیری کاتالیزور عمل می کند. 3. انتشار، زمانی که سرعت انتشار، جذب و واکنش را محدود و تعیین می کند. رابطه بین تأثیر نسبی انتشار و تبدیل شیمیایی عمدتاً به T o بستگی دارد با افزایش دما، سرعت یک واکنش شیمیایی سریعتر از انتشار - D افزایش می یابد، بنابراین کل فرآیند شروع به محدود شدن با انتشار می کند. انتقال جرم و مشخصات هندسی با مقادیر زیر مشخص می شود: - نسبت سرعت انتقال خارجی (انتقال جرم) یک ماده به سرعت انتقال نفوذ داخلی. = /(/4) (12.1) - نسبت سطح داخلی کاتالیزور به سطح خارجی S=So/S - نسبت سرعت (12.2) واکنش شیمیایی به سرعت فرآیند فیزیکی (انتشار) = /(/4) (12.3) کیلومتر - ضریب انتقال جرم ; Ko ثابت سرعت یک واکنش شیمیایی است. ε - ضریب تخلخل. D - ضریب انتشار. φ - ضریب پیچ خوردگی مویرگی؛ L طول مویرگ است. گازی که در اطراف ذرات جریان دارد با مقدار dn/2 منحرف می شود. اثر انتشار شعاعی - DR - رخ می دهد و با استفاده از معیار بودنشتاین تعیین می شود. B0 R=υ∙dch / DR=11 (12.4) تأثیر دانه ها بر اثر اختلاط طولی در نظر گرفته شده است: 171 B0 L=υ∙dch / DL=2 از (12.4) و (12.5) - B0 R / (12.5) B0 L= DL/DR=5.5، i.e. ضریب انتشار طولی 5. 5 برابر DR. اما از آنجایی که جریان L »D و υ - بزرگ است، فقط انتشار شعاعی در نظر گرفته می شود. فقط با یک لایه کاتالیزور نازک باید تأثیر DL در نظر گرفته شود. اگر L > D با ضریب 10، DL نادیده گرفته می شود. دستگاه هایی با بستر کاتالیست ثابت به دستگاه های جابجایی ایده آل نزدیک تر از دستگاه های توخالی هستند. برای در نظر گرفتن تمام عوامل تعیین کننده وقوع واکنش های کاتالیزوری، لازم است سیستمی از معادلات حل شود که افزایش همزمان سینتیک شیمیایی، انتقال حرارت، انتقال جرم و هیدرودینامیک را در نظر بگیرد. با توجه به عدم امکان چنین راه حلی، از مدل انتشار ساده شده استفاده می شود که تعامل بین انتقال جرم و سینتیک واکنش شیمیایی را در نظر می گیرد. برای محاسبه یک راکتور با بسترهای کاتالیست ثابت، معادله جنبشی کلی فرآیند حل می‌شود. با مراجعه به نمودار (شکل 12.1)، که مکانیسم واکنش های کاتالیزوری ناهمگن را نشان می دهد، معادلات را می نویسیم: برای سرعت انتقال جرم از جریان به دانه. ضریب کارایی کاتالیزور - E، نسبت را مشخص می کند سرعت متوسط واکنش های داخل منافذ به حداکثر سرعت ممکن بدون انتشار، E CA C A0، که در آن C A0 و C A به ترتیب جریان و غلظت اولیه معرف ها هستند. 12.1 محاسبه یک راکتور با بستر ثابت کاتالیزور نمودار جریان گاز از بستر ثابت در شکل 12.2 نشان داده شده است. 172 جریان گاز شکل 12.2 - طرح حرکت یک جریان گاز از طریق یک لایه کاتالیست ثابت. DL - انتشار طولی؛ DR - انتشار طولی؛ L ارتفاع لایه کاتالیزور است. ∆p - مقاومت هیدرولیکی لایه  1 dN A   K q  C Aq  C AS  S d (12.6) برای انتشار و واکنش در داخل حجم:  1 dN A   KAS R  R d (12.7) با ترکیب (12.6) و (12.7) و حذف غلظت CAS، در می یابیم:  1 dN A   S d 1  C Aq 1 V  r  KS KqS   12. S 1   K S Vr K q (12.9) یا  1 dN A   VR d برای ذرات کروی با شعاع R، این معادلات به شکل زیر است:  1 dN A   S d  1 K S  R Kq 173 (12.10)  1 dN A 1    C Aq 1 R VR d   K S SK q . (12.11) که در آن KS ثابت سرعت واکنش شیمیایی است. Kq ضریب انتقال جرم در واحد سطح بیرونی ذره است. اگر ε=Sn/S«1 باشد، واکنش داخل منافذ در نظر گرفته نمی شود و معادله (12.10) و (12.10) ساده می شود:  معادله (12.12) 1 dN A 1    C Aq 1 1 S d   K S Kq مربوط به سرعت (12.12) واکنش بر روی ذرات کاتالیزور غیر متخلخل است. معادلات (12.8-12.9) نیز در مراحل محدود کننده مربوطه ساده شده است. پارامتر تکنولوژیکی اصلی محاسبه شده، زمان واکنش کاتالیزوری - τ تا تبدیل کامل مواد شیمیایی برای مراحل مختلف محدود کننده را می توان از وابستگی های زیر تعیین کرد: - اگر مرحله تعیین کننده انتشار r » D، 3   rm    باشد. xv  t  R  (12.13) - اگر مرحله تعیین کننده یک واکنش شیمیایی باشد g «D, 3   rm  1/3   1  1  xв 1  xв 1  xв   ) - اگر فرآیند با انتشار در سطح و در منافذ کاتالیزور محدود شود، 2 3  2/3 r  r   1  3   m   2   m  1  xв   2  1  xв  t R R  (12.15) 12.2 محاسبه یک راکتور بستر سیال بستر سیال بر خلاف راکتورهای بستر سیال سطح تماس با راکتورهای سطح سیال ثابت، به راکتورهای سطح تماس سیال با یک راکتور بزرگ می رسد. . شرایط دمایی مطلوب تضمین می شود. 174 کنترل دما و شرایط همدما به راحتی تضمین می شود. نقطه ضعف آن نیاز به استحکام ترمومکانیکی بیشتر کاتالیزور در مقایسه با راکتورهای بستر ثابت است. همه راکتورهای بستر سیال به دو گروه بدون گردش و با گردش تقسیم می شوند. برای کاتالیزورهای تک پراکنده، راکتورهایی با بدنه استوانه‌ای استفاده می‌شود؛ شرط لازم برای کاتالیزورهای چند پراکنده با بدنه مخروطی برای عملکرد عادی. راکتور بستر سیال برای اطمینان از تحرک خوب کاتالیزور است. نرخ‌های سیال‌شدن متناظر υcr و υentrain از طریق معیار Re با استفاده از فرمول‌های Todes تعیین می‌شوند: Recr  Ar 1400  5.22 Ar (12.16) Ar 18  0.61 Ar (12.17) Re un  مقاومت هیدرولیک گازی هنگامی که یک گاز عبور می‌کند. لایه به صورت زیر تعیین می شود: p   1  G2  d 2 (18.12) که در آن 1=H ارتفاع لایه کاتالیزور، υg سرعت گاز در لایه است. با در نظر گرفتن ε=Nсв/НП; و υ=υr/ξ، با گرفتن ξ=110/Re، به دست می آوریم: 2 990 1    Н p   2 2  2    8  ضریب Ф 19 به شکل Ф 1 - 1. انحراف شکل واقعی دانه کاتالیزور از کروی را در نظر بگیرید. در حالت کلی، وقوع یک واکنش کاتالیزوری ناهمگن با دما -T، مقادیر عددی KS، D و ابعاد کاتالیزور dH مرتبط است. Vr. مقادیر عددی D از ادبیات مرجع یافت می شود. ضریب انتقال جرم βв - در یک لایه ثابت از ذرات کاتالیزور از معادله معیار تعیین می شود:  0.3  Nuq Pr 1/3 Re 1  0.35 f Re  1.9، که در آن Nuq   q  D، Re  dч v در 50

موضوع 6. راکتورهای شیمیایی

نوین راکتور شیمیایی -

1)

2) مبدل های حرارتی؛

3) دستگاه های اختلاط،

1.

2. بازده محصول بالا اف φ- R، ایکس.

3.

بهره وری (مواد اولیه) و بالا درجه دگرگونی X A(معرف):

در طرح هایی با حلقه بازاولویت به بالا داده می شود درجه تبدیل X Aمعرف ها؛

در سیستم های بستهاولویت به بالا داده می شود بهره وری.

عوامل موثر در طراحی رئیس

1. خواص فیزیکی و وضعیت تجمع معرف ها و محصولات.

2. شدت اختلاط مورد نیاز

3 . اثر حرارتی XP و شدت انتقال حرارت مورد نیاز.

4 . دما و فشار پارامترهای فرآیند هستند.

5. تهاجمی، سمیت توده واکنش.

6 . خطرات انفجار و آتش سوزی تولید.

برای صنعت، یک وظیفه مهم به دست آوردن مقدار معینی از محصول در یک دوره زمانی مشخص است، به عنوان مثال. محاسبه زمان ماند واکنش دهنده ها در راکتور برای دستیابی به درجه ای از تبدیل ضروری است. برای این کار باید مدل جنبشی این واکنش شناخته شود. برای محاسبه تقریبی زمان اقامت از مدل سازی ریاضی استفاده می شود.

مدل ریاضی سیستمی از معادلات است که برخی از مهم ترین پارامترهای فرآیند را به هم مرتبط می کند.

یک مدل فیزیکی یک نقاشی است، نمونه ای که ضروری ترین جنبه های یک شی را نشان می دهد.

برای به دست آوردن وابستگی های ساده تر در طول مدل سازی ریاضی، برخی از پارامترها نادیده گرفته می شوند.

بیایید راکتورهای شیمیایی را در نظر بگیریم که در حالت همدما کار می کنند. از آنجایی که در چنین رآکتورهایی نیروی محرکه تبادل حرارت در حجم آنها وجود ندارد (∆T = 0)، می توان در ابتدا معادله تعادل حرارتی را از مدل ریاضی راکتور حذف کرد و آن را (مدل ریاضی) به معادله تعادل مواد تقلیل داد. که واکنش شیمیایی، انتقال جرم و ضربه انتقال را در نظر می گیرد. برای ساده‌تر کردن مدل ریاضی، می‌توان راکتورهایی با ساختار جریان ایده‌آل را به یک گروه جداگانه جدا کرد. اختلاط کامل و جابجایی کامل . مفروضات در مورد ساختار جریان ایده آل این امکان را فراهم می کند که تعدادی از عملگرها را از معادله عمومی تعادل مواد حذف کنیم و در نتیجه محاسبات بر اساس این معادله را به طور قابل توجهی ساده کنیم.

مدل های راکتورهای ایده آل

زمان ماند معرف در RIS و RPS

بیایید براکت ها را گسترش دهیم:

←معادله مشخصهشکل-N.

این معادله اجازه می دهد (اگر سینتیک فرآیند شناخته شده باشد) زمان لازم برای دستیابی به درجه تبدیل مورد نیاز را محاسبه کند.

برای واکنش پ - مرتبه :

از اینجا ,

جایی که پ -ترتیب واکنش

در n = 0:

در n = 1:

فقط به درجه دگرگونی بستگی دارد X Aو به غلظت اولیه بستگی ندارد

در n = 2:

با توجه به مدل RIS، موارد زیر محاسبه می شود:

1) راکتورهای دارای همزن با ویسکوزیته نه چندان بالا η متوسط ​​و حجم نه خیلی زیاد υ راکتور.

2) دستگاه های گردش جریان - با نرخ گردش بالا؛

3 ) راکتورهای با "تخت سیال" 1.

P. راکتور جریان برق (PPR)

در RIS، تمام پارامترهای حجم ثابت هستند.

همه خصوصیات (تمرکزبا یک، درجه تبدیل X A، درجه حرارت Tو غیره.) در سراسر حجم راکتور به آرامی تغییر می کند،بنابراین، تعادل مواد را نمی توان برای کل حجم راکتور جمع آوری کرد.

برنج. 2. نمودارهای وابستگی:

آ) C A =f (τ یا H)ب) w= f (τ یا H) V) X A = f (τ یا H)

- سرعت پردازش در واحد حجم

حجم راکتور بینهایت کوچک dV انتخاب شده و تراز مواد برای آن ترسیم می شود. سپس این حجم های بی نهایت کوچک در کل حجم راکتور ادغام می شوند.

بگذارید ساده باشد واکنش برگشت ناپذیربدون تغییر حجم υ در راکتور جریان می یابد:

جایی که ، S A -غلظت اولیه و فعلی، به ترتیب.

υ - جریان حجمی

جایی که V-حجم راکتور (m3)؛

dV حجم اولیه راکتور (m3) است.

بیایید آن را جمع بندی کنیم:

(آینده)

- معادله ریاضی تعادل

حجم ابتدایی RIV-N

برای بدست آوردن معادله ریاضی تعادل کل راکتور، معادله حاصل را پس از جداسازی متغیرها (بر روی حجم کل راکتور) ادغام می کنیم:

- معادله مشخصه RIV-N.

جایی که w Aبا دانستن سینتیک این فرآیند، متوجه می شویم.

معادله مشخصه RIV-N امکان دانستن سینتیک فرآیند را فراهم می کند

(برای یافتن w A)، تعیین کنید زمانτ محل اقامت معرف در نسبت راکتور دستیابی به مشخص شده است درجه تبدیل X Aو سپس ابعاد راکتور.

برای واکنش نهمین سفارش :

,

جایی که پ -ترتیب واکنش

در n=0:

در n=1:

فقط به درجه تبدیل X A بستگی دارد و به غلظت اولیه بستگی ندارد.

در n=2:

در برخی تولیدراکتورها درجه تبدیل X Aآنقدر ناچیز است که می توان از مدل برای محاسبه استفاده کرد RIV- این دستگاه های تماس لوله ای با کاتالیزور در لوله ها یا حلقوی ("پوسته و لوله")،برای واکنش های فاز گازی ناهمگن استفاده می شود.

مدل سرکوبدر طراحی نیز استفاده می شود راکتورهای لوله ای فاز مایع با نسبت زیادی از طول لوله به قطر آن.

تحت شرایط یکسان برای انجام واکنش یکسان، به منظور دستیابی به عمق تبدیل برابر، میانگین زمان ماند واکنش‌دهنده‌ها در یک راکتور اختلاط ایده‌آل جریان از طریق جریان، طولانی‌تر از یک راکتور جریان پلاگین است. در RIS، غلظت در تمام نقاط برابر با غلظت نهایی است و در RIV، غلظت معرف ها در 2 نقطه مجاور متفاوت است. سرعت واکنش، با توجه به ZDM، متناسب با غلظت معرف است. بنابراین، در RIV همیشه بالاتر از RIS است. آن ها برای رسیدن به همان عمق تبدیل، زمان اقامت کمتری مورد نیاز است.

III. آبشار راکتور (RIS)

اگر با توجه به شرایط فرآیند، طراحی RIS است که مورد نیاز است، در آن صورت راکتورهای با حجم بالا برای دستیابی به نرخ تبدیل بالا در مدت زمان کوتاه مورد نیاز هستند.

در این موارد، نصب تعدادی راکتور (بخش) متصل به سری مناسب تر است - آبشار راکتور . مخلوط واکنش از تمام بخش ها عبور می کند. می توان به عنوان نمونه ای از چنین مدلی نه تنها سیستمی از دستگاه های مجزا که به طور متوالی واقع شده اند، بلکه یک راکتور جریان را نیز در نظر گرفت که به هر طریقی به صورت داخلی به بخش هایی تقسیم می شود که در هر یک از آنها مخلوط واکنش مخلوط می شود.

به عنوان مثال، یک ستون حباب دیسکی نزدیک به این نوع دستگاه است.

نیروی محرک ∆С:

ΔС RIS< ΔС Каскад РИС < ΔС РИВ

در یک RIS-N منفرد، غلظت معرف کلیدی A به طور ناگهانی به CA (نهایی) تغییر می کند، این نشان می دهد که سرعت واکنش در RIS-N به طور قابل توجهی کاهش می یابد. با توجه به این واقعیت که هر راکتور در آبشار حجم کمی دارد، تغییر ناگهانی غلظت بسیار کمتر از یک RIS-N با حجم بزرگ است، بنابراین سرعت فرآیند در هر مرحله از آبشار بسیار بالاتر است.

بنابراین، آبشار راکتور RIS-N به RIV-N نزدیک می شود (به نظر می رسد راکتور RIV سودآورتر از RIS است، زیرا نیروی پیشراندر آن، برابر با (شیب غلظت) ΔC = C برابر - C کار، بزرگتر از شکل).

نیروی محرکه متوسط ​​ΔС RIS<ΔС Каскад РИС < ΔС РИВ

هنگامی که یک واکنش شیمیایی رخ می دهد، بالاترین سرعت فرآیند در RIV-N به دلیل نیروی محرکه بالاتر فرآیند به دست می آید. RIV-N بالاترین بهره وری را دارد. عملکرد آبشار RIS-N کمتر از عملکرد RIV-N است، اما بیشتر از عملکرد یک RIS-N منفرد است. هرچه تعداد راکتورها در آبشار بیشتر باشد، جهش غلظت کمتر، نیروی محرکه فرآیند بیشتر، سرعت فرآیند بیشتر و بر این اساس، بهره‌وری آن بیشتر می‌شود.

محاسبه تعداد مراحل آبشاری

محاسبه یک آبشار از راکتورهای اختلاط ایده‌آل معمولاً به تعیین تعداد بخش‌های یک حجم معین مورد نیاز برای دستیابی به یک عمق تبدیل خاص ختم می‌شود.

تمیز دادن تحلیلیو روشهای عددیمحاسبه آبشار استفاده از روش تحلیلی در صورتی امکان پذیر است که معادلات تعادل مواد را بتوان به صورت تحلیلی با توجه به غلظت حل کرد. با مناین را می توان انجام داد، برای مثال، اگر واکنش های رخ داده با معادلات جنبشی درجه اول یا دوم توصیف شوند.

برای محاسبه تعداد مراحل آبشاری مورد نیاز برای دستیابی به درجه تبدیل مورد نیاز معرف، از 2 روش استفاده می شود:

1) جبری؛

2) گرافیکی

مثال

واکنش مرتبه دوم داده شده است

2A → R، یا 2A→ آر+ اس,

معادله جنبشی w A = 2.5 (k = 2.5)، درجه نهایی تبدیل X A = 0.8، . . مدت زمان انجام واکنش را در موارد زیر مشخص کنید:

آ) RIV-N;

ب) RIS-N;

ج) آبشار RIS-N،که در آن تمام بخش های آبشار دارای حجم یکسانی هستند

(V 1 = V 2 =... = Vn)به گونه ای انتخاب می شود که میانگین اقامت در هر یک از آنها برابر است .

برنج. 4 – وابستگی سرعت واکنش به غلظت روز محاسبه تعداد مقاطع یک آبشار از راکتورهای اختلاط ایده آل.

از شکل 4 می بینیم که برای رسیدن به درجه تبدیل مشخص شده، به چهار بخش نیاز است. معلوم میشود، چیودر خروجی از بخش 4درجه دگرگونی حتی بیشتر از آن چیزی است که شرط مشخص کرده است، اما در سه بخش درجه تبدیل نیست. بدست آمده است).

بنابراین، میانگین کل زمان اقامت معرف ها در یک آبشار از راکتورهای اختلاط ایده آل است.

برای محاسبه آبشار RIS-N روش تحلیلی ساختن

برای هر مرحله از آبشار معادله تعادل مواد:

IV. راکتور دسته ای (RPR)

که در RPDمقادیر معینی از معرف ها در یک زمان بارگیری می شوند و تا زمانی که در آن نگهداری می شوند آن هاتا درجه تبدیل مطلوب حاصل شود. پس از این، راکتور تخلیه می شود.

توزیع غلظت S Aمعرف در هر درجه ای از اختلاط معرف ها مشابه RIV است:

با این حال کارایی RIV بالا:

داده شده درجه تبدیلX Aدر RIV در زمان کمتر τ بدست می آید:

در RPD مشخص شده است درجه تبدیلX Aدر زمان به دست آمده است

τ شیمیایی. واکنش ها +τ عملیات کمکی (بارگیری و تخلیه) بنابراین عملکرد RPD کمتر است:

از آنجایی که τ RIV< τ РПД =>P RIV > P RPD، بنابراین معمولا:

برای تناژ کوچک صنایع (به عنوان مثال داروسازی) استفاده می شود RPD;

برای تناژ بزرگ - حداکثر عملکرد را ارائه دهد RIV-N.

پلی ترمیک

راکتورهایی که با حذف جزئی گرمای واکنش یا تامین گرما از خارج مطابق با یک برنامه معین برای تغییر درجه حرارت T در امتداد ارتفاع راکتور مشخص می‌شوند. ("نرم افزار کنترل شدهراکتورها").

مثال:راکتورهای اختلاط برنج- اقدام دوره ای

هنگام مطالعه و ارزیابی کمی فرآیندها در یک راکتور، از فرمول های محاسبه دما برای استخراج استفاده می شود. تعادل حرارتی

تعادل حرارتیبر اساس قانون بقای انرژی E:

گرمای ورودی در یک واکنش تولید معین باید برابر با مصرف آن در همان عملیات باشد: Q in. = مصرف Q

موازنه های حرارتی با توجه به تعادل مواد فرآیند و اثرات حرارتی واکنش های شیمیایی و همچنین دگرگونی های فیزیکی رخ داده در راکتور با در نظر گرفتن تامین گرما از خارج و همچنین حذف گرما با محصولات واکنش و از طریق دیواره های راکتور.

I. راکتور آدیاباتیک (معمولاً RIV)

طبق مدل ایده آل، در یک راکتور آدیاباتیک تبادل حرارتی با محیط وجود ندارد. در شرایط واقعی، نزدیک شدن به عدم انتقال حرارت به دلیل عایق بندی خوب دیواره های راکتور از محیط (دو جداره، مواد عایق) حاصل می شود.

تغییر دما T 0در یک راکتور آدیاباتیک ΔT° = T° con. - شروع T° به نسبت

- درجه تبدیل معرف X A

- غلظت ها معرف اصلی ,

- اثر حرارتی Q rواکنش ها

و با نسبت معکوس

- ظرفیت گرمایی متوسط مخلوط واکنش

برای گرمازا واکنش ΔH< 0 ΔT° = T° кон. - T° нач > O (علامت +)

برای گرماگیر واکنش ΔH > 0 ΔT° = T° انتهای. - شروع T°< О (знак-)

کاربرد

با استفاده از مدل راکتور آدیاباتیک RIV، دستگاه ها را با لایه فیلتر کاتالیزور

این مدل همچنین برای محاسبه راکتورهای محفظه ای برای واکنش های همگن، برای جاذب های جریان مستقیم با پوشش عایق (لاینینگ)، که در آن گاز به سمت مایع پاشیده شده حرکت می کند، قابل استفاده است.

آدیاباتیک RIV-N برای انجام واکنش های گرمازا مناسب است. اگر گرما از خارج تامین نشود، فرآیند در حالت اتوترمال (به دلیل گرمای خود واکنش شیمیایی) پیش می‌رود.

واکنش های گرماگیر نیز در حالت آدیاباتیک انجام می شود، اما در این حالت جرم واکنش همراه با بخار تامین می شود.

II. راکتور ایزوترمال

تحلیل و بررسی معادلات آدیاباتیک

ΔT° = انتهای T°. - شروع =

نشان می دهد که به راکتورهای همدما

ممکن است راکتورها نزدیک شوند کم اهمیت معانی:

Q x.r. - اثر حرارتی خاص (در واحد ماده)؛

- - غلظت اولیه معرف؛

- X A- درجه دگرگونی

در بزرگ ارزش های

- - رسانایی گرمایی مخلوط واکنش

کاربرد

عملا راکتورهای همدما:

برای پردازش کم غلظت (↓ ج الف)گازها ( → 0), و

راکتورهایی که در آن خارجی و پایان دادناثرات حرارتی عملا هستند

متعادل هستند (q x.p → 0). آن ها یک رژیم همدما در موردی مشاهده می شود که اثر حرارتی فرآیند اصلی با اثرات حرارتی واکنش های جانبی یا فرآیندهای فیزیکی (تبخیر، انحلال) از نظر بزرگی برابر اما با علامت مخالف جبران شود.

هنگام مدل سازی به کاملا همدماراکتورها شامل راکتورهای مایع

- (F - F) - امولسیون

- (ف - ت) - تعلیق

باگردش مکانیکی، پنوماتیکی و جت دستگاه های اختلاط

رژیم ایزوترمال در قفسه ها مشاهده می شود کف آلود و دستگاه حباب زنی در اندازه بزرگ نیست، در برخی از دستگاه های تماس با کاتالیزور ثابت

این رژیم ممکن است نزدیک به همدما باشد aجذب و aجذب وسایلی که در آنها گرمای تولید شده در حین جذب یا جذب صرف تبخیر آب یا سایر حلال ها می شود.

حالت ایزوترمال را می توان از طریق دستگاه های مبادله حرارتی با تامین یا حذف گرما از راکتور بدست آورد. حذف حرارت برای یک واکنش گرمازا متناسب با مقداری است که باید آزاد شود. نکته برای اندو باید جذب شود.

برنامه های کاربردی

حالت پلی حرارتیمشاهده شده در راکتورهایی که در آنها اثر حرارتی Qx. پ.واکنش شیمیایی اصلی فقط تا حدی توسط اثرات حرارتی واکنش‌های جانبی یا فرآیندهای فیزیکی که در مقابل فرآیند اصلی هستند جبران می‌شود.

این راکتورها شامل بسیاری از کوره های شفت و بلند می شوند.

راه های اجرای آن

شرایط دمایی بهینه -این یک رژیم دمایی است که حداکثر بهره وری اقتصادی P را برای محصول هدف (در حداکثر سرعت ممکن) فراهم می کند. w rفرآیند)، در حالی که رسیدن به تبدیل بالا - برای واکنش های ساده و گزینش پذیری بالا - برای واکنش های پیچیده ضروری است.

راه حل مشکل عملی انجام یک فرآیند در یک راکتور صنعتی مطابق با رژیم دمایی بهینه به عوامل زیادی و مهمتر از همه به اثر حرارتی و سینتیک واکنش بستگی دارد.

با تجزیه و تحلیل این معادله سرعت واکنش، نتیجه می گیریم که افزایش سرعت واکنش منجر به موارد زیر می شود:

افزایش دما؛

کاهش نرخ تبدیل

برای جبران کاهش سرعت w rواکنش هایی با افزایش درجه تبدیل هاتوصیه می شود دما را افزایش دهید درجهاز همین رو گرمازا(ΔН<0) ساده(A→R) غیر قابل برگشت (→) توصیه می شود واکنش ها را در آن انجام دهید RIV آدیاباتیک (بدون تبادل حرارت با محیط -راکتورهایی که بدون تامین یا حذف گرمای Q به محیط از طریق دیواره های راکتور کار می کنند. که تمام گرمای آزاد شده یا جذب شده در طول واکنش توسط مخلوط واکنش انباشته (جذب) می شود.

در این صورت امکان اطمینان از بالا وجود دارد سرعت w rواکنش ها و بالا کارایی راکتور P بدون استفاده منابع حرارتی خارجی س

با افزایش تبدیل، دما افزایش می‌یابد، بنابراین، ثابت سرعت نیز افزایش می‌یابد، به این معنی که سرعت فرآیند نیز افزایش می‌یابد.

بهترین سازماندهی فرآیند در صورت گرما حاصل می شود سمحصولاتی که از رآکتور خارج می شوند برای گرم کردن واکنش دهنده ها به هنگام ورود به راکتور عمل می کنند.

واکنش ها گرماگیر (ΔH>0) ساده(A→R) غیر قابل برگشت (→) انجام آن در RIM آدیاباتیک سودآور نیست، اما انجام آن در راکتورها مصلحت‌تر است. با تامین حرارت س،حفظ دمای معین T0، حداکثر ممکن به دلایل ساختاری و تکنولوژیکی (همدما، چند گرمایی). (با افزایش تبدیل، دما کاهش می یابد، یعنی هم ثابت سرعت و هم خود سرعت کاهش می یابد). فرآیندهای گرماگیر هنوز در RIV-N آدیاباتیک انجام می شود، اما تامین مواد خام همراه با بخار انجام می شود.

واکنش های برگشت پذیر ساده

(↔ )

با تجزیه و تحلیل این معادله سرعت واکنش، نتیجه می گیریم که افزایش سرعت w rواکنش ها منجر به افزایش خواهد شد دما:

T 0 => w r

برای سرعت w rواکنش ها نیز تحت تأثیر علامت هستند اثر حرارتی Q r(یا آنتالپی ΔH):

1) اگر واکنش مستقیم باشد گرماگیر ΔΝ> 0 (جذب حرارت)

سپس افزایش دهید دمای T 0همچنین تأثیر مفیدی بر وضعیت خواهد داشت تعادل شیمیایی ↔ (تغییر خواهد دادآن طرف است واکنش مستقیم →).

بنابراین، چنین واکنش هایی در راکتورهایی با تامین گرما به همان روش انجام می شود غیر قابل برگشت (→) گرماگیر (ΔH > 0) واکنش ها.

2) اگر واکنش مستقیم باشد گرمازا (ΔH< 0) (با انتشار گرما)

سپس سینتیک و ترمودینامیک فرآیند با هم تضاد پیدا می کنند: افزایش دمای T 0بر وضعیت تأثیر منفی خواهد گذاشت تعادل شیمیایی ↔ (آن را به پهلو منتقل می کند واکنش معکوس ←).

بنابراین از حالت زیر استفاده می شود:

- در ابتدای فرآیند زمانی که غلظت محصول با Rهنوز کوچک

دما T 0 افزایش می یابدتا زمان، خدا حافظسرعتروند w rبه اندازه کافی بلند نخواهد شد.

- در پایان فرآیند - دما به تدریج کاهش می یابد T 0 ↓توسط خطوط

دمای بهینه (LOT)به طوری که سرعت فرآیند w rتحت شرایط داده شده تا حد امکان بالا باقی ماند.

این رژیم چه در یک راکتور آدیاباتیک یا یک راکتور همدما امکان پذیر نیست. تقریبی برای این حالت، REV است که در داخل لوله تبادل حرارتی قرار دارد، که در داخل آن عامل خنک کننده عبور می کند.

روش دیگر انجام فرآیند در یک راکتور چند بخش است که در آن هر بخش در حالت آدیاباتیک عمل می کند، اما بین بخش ها خنک کننده وجود دارد.

برای واکنش‌های گرماگیر (برگشت‌ناپذیر و غیرقابل برگشت)، انجام فرآیند شیمیایی در راکتورهایی با تامین گرما توصیه می‌شود و مطلوب است که از توزیع نسبتاً یکنواخت دما در سراسر حجم راکتور اطمینان حاصل شود. نوع متداول دستگاه برای انجام واکنش های گرماگیر، راکتورهای لوله ای هستند که از نظر طراحی شبیه به مبدل های حرارتی پوسته و لوله هستند. در این دستگاه‌ها، فضای لوله نشان‌دهنده خود راکتور است که در آن معرف‌ها در حالت جابجایی حرکت می‌کنند و یک خنک‌کننده، برای مثال گازهای دودکش، از فضای بین لوله‌ها عبور می‌کند. یک راکتور لوله‌ای برای انجام واکنش‌های کاتالیزوری که توسط گازهای دودکش گرم می‌شود، به‌ویژه برای اصلاح گاز طبیعی با بخار استفاده می‌شود. کوره ای برای سنتز بوتادین از الکل اتیلیک، که در آن

کوره

برنج. گازهای راکتور لوله ای

برای گرماگیر

به جای لوله ها، کاتالیزور در قفسه ها قرار می گیرد - کانال های باریک با مقطع مستطیل شکل. در چنین راکتورهایی، عرض مقطع کانال هایی که مخلوط واکنش از طریق آنها حرکت می کند باید کوچک باشد تا توزیع دما نسبتاً یکنواختی در سطح مقطع حاصل شود. از آنجایی که در راکتورهای واقعی رژیم هیدرودینامیکی از رژیم جابجایی ایده آل منحرف می شود، که در آن شرایط در هر مقطعی برابر است، دمای مرکز کانال با دمای دیوار متفاوت است. در لوله های با قطر زیاد، دما در محور لوله به طور قابل توجهی کمتر از دمای دیوار است. در نتیجه، سرعت واکنش در آن قسمت از جریان واکنش که نزدیک به محور لوله حرکت می کند کمتر از سرعت متوسط ​​در دستگاه است. هنگام انجام فرآیندهای کاتالیزوری، می توان کاتالیزور را فقط در سطح داخلی لوله ها اعمال کرد که تقریباً دمای یکسان را در سراسر راکتور تضمین می کند.

واکنش‌های گرماگیر همگن را می‌توان در راکتورهایی با اختلاط شدید و سطح تبادل حرارت نیز انجام داد، زیرا در این حالت توزیع دمای یکنواخت در سراسر راکتور تضمین می‌شود.

واکنش های گرمازا معمولاً در شرایط آدیاباتیک یا در دستگاه هایی با حذف گرما انجام می شود.

هنگامی که واکنش های گرمازا برگشت ناپذیر رخ می دهد، افزایش دما به وضوح تنها منجر به افزایش سرعت فرآیند می شود. برای کاهش هزینه های انرژی، انجام چنین واکنش هایی در حالت اتوترمال مفید است، زمانی که دمای مورد نیاز صرفاً توسط گرمای آزاد شده یک واکنش شیمیایی بدون تامین انرژی از خارج تامین می شود. دو حد دما (پایین و بالا) وجود دارد که بین آنها انجام فرآیند توصیه می شود.

حد پایین، دمایی است که در آن سرعت واکنش گرمازا (و در نتیجه، سرعت انتشار گرما) برای اطمینان از یک رژیم گرمازایی کافی است. در زیر این گرما، سرعت انتشار گرما کمتر از سرعت حذف حرارت با خروج جریان واکنش از راکتور است و دما در دستگاه آدیاباتیک جریان کاهش می یابد.

حد درجه حرارت بالا با فرآیندهای جانبی (واکنش های شیمیایی جانبی یا پدیده های فیزیکی جانبی) و همچنین با مقاومت حرارتی مواد ساختاری مرتبط است. به عنوان مثال، هنگام انجام فرآیندهای ناهمگن پخت مواد جامد دانه ای، افزایش دما بالاتر از یک مقدار حدی خاص منجر به تف جوشی ذرات جامد و در نتیجه افزایش زمان تبدیل کامل آنها و کاهش بهره وری راکتور می شود. . اغلب افزایش دما به دلیل استحکام مواد ساختاری و نامناسب بودن استفاده از مواد گران قیمت مقاوم در برابر حرارت محدود می شود.

هنگام انجام فرآیندهای گرمازا سنتز میکروبیولوژیکی، افزایش دما توسط زنده ماندن میکروارگانیسم ها محدود می شود. بنابراین، انجام چنین فرآیندهایی در راکتورها با حذف حرارت توصیه می شود و برای جلوگیری از گرمای بیش از حد موضعی، بهتر است از راکتورهایی استفاده شود که در آنها رژیم هیدرودینامیکی به اختلاط ایده آل نزدیک می شود. اختلاط فشرده در چنین فرآیندهایی نه تنها توزیع یکنواخت دما را تضمین می کند، بلکه مراحل انتقال جرم اکسیژن از فاز گاز به فاز مایع را نیز تشدید می کند.

واکنش‌های گرمازا برگشت‌پذیر باید مطابق با خط دمای بهینه انجام شود، یعنی با افزایش درجه تبدیل معرف‌ها، دما در دستگاه کاهش یابد. این حالت در راکتورهای آدیاباتیک یا همدما امکان پذیر نیست: در حالت آدیاباتیک، افزایش درجه تبدیل با آزاد شدن گرما و گرم کردن مخلوط واکنش همراه است. در حالت همدما دما ثابت می ماند و با افزایش درجه تبدیل تغییر نمی کند.

انجام این فرآیند دقیقاً در امتداد خط درجه حرارت بهینه بسیار دشوار است. این کار را می توان در راکتوری با سطح تبادل حرارتی که در حالت جابجایی کار می کند انجام داد، مشروط بر اینکه مقدار گرمای خارج شده از دیواره راکتور متفاوت باشد. مناطق مختلفدستگاه معرف ها باید قبل از شروع واکنش تا دمای بالا گرم شوند و بلافاصله پس از ورود آنها به دستگاه، حذف گرما انجام شود. اگر راکتور در طول به چندین بخش تقسیم شود، برای اطمینان از حرکت در امتداد خط دمای بهینه، در هر یک از آنها مقدار گرمای حذف شده باید کمی بیشتر از مقدار گرمای آزاد شده در طول واکنش باشد. باید در نظر داشت که با افزایش درجه تبدیل، سرعت واکنش کاهش می یابد و در نتیجه سرعت انتشار گرما کاهش می یابد. بنابراین در مقاطعی از راکتور که واکنش کامل می شود، نسبت به مقاطع اولیه نیاز به حذف حرارت کمتری است.

موضوع 6. راکتورهای شیمیایی

هر CTP بدون راکتور شیمیایی غیرممکن است، که در آن هر دو فرآیند شیمیایی و فیزیکی انجام می شود.

راکتورهای شیمیایی (از پیشوند لاتین re - به معنای عمل معکوس، و عامل - به کار انداختن، عمل کردن)، دستگاه های صنعتی برای انجام واکنش های شیمیایی. طراحی و حالت کار یک راکتور شیمیایی بر اساس نوع واکنش، حالت فاز معرف ها، ماهیت فرآیند در طول زمان (تناوبی، پیوسته، با فعالیت کاتالیزور متغیر)، حالت حرکت محیط واکنش تعیین می شود. (دوره ای، نیمه روان، با بازیافت)، حالت عملیات حرارتی (آدیاباتیک، همدما، با تبادل حرارت)، نوع تبادل حرارت، نوع خنک کننده.

نوین راکتور شیمیایی - این یک دستگاه پیچیده است که دارای دستگاه های خاصی است، به عنوان مثال:

1) دستگاه های بارگیری و تخلیه (پمپ)؛

2) مبدل های حرارتی؛

3) دستگاه های اختلاط،

در نظر گرفته شده برای به دست آوردن محصول هدف، مجهز سیستم پیچیدهتجهیزات ابزار دقیق و کنترل

الزامات راکتورهای صنعتی

1. حداکثر بهره وری و شدت کار.

2. بازده محصول بالا افو بالاترین گزینش پذیری فرآیند φ- این توسط حالت عملکرد بهینه راکتور تضمین می شود (T, R،ج) درجه بالایی از تبدیل ایکس.

3. مصرف بهینه انرژی برای انتقال جرم در یک راکتور

بین نیاز به بالا تناقض وجود دارد بهره وری (مواد اولیه) و بالا درجه دگرگونی X A(معرف):

در طرح هایی با حلقه بازاولویت به بالا داده می شود درجه تبدیل X Aمعرف ها؛

در سیستم های بستهاولویت به بالا داده می شود بهره وری.

هنگام تولید یک محصول با کیفیت بالا، راکتور باید حداقل هزینه آن را تضمین کند.

طبقه بندی راکتورهای شیمیایی

1) بر اساس ویژگی های طراحی:

برنج. 1- انواع اصلی مواد شیمیایی راکتورها: الف - راکتور خازنی جریان عبوری با همزن و ژاکت تبادل حرارتی. ب - راکتور کاتالیزوری چند لایه با عناصر میانی و تبادل حرارتی. ج - راکتور ستونی با بسته بندی برای فرآیند دو فازی. د - راکتور لوله ای. مواد اولیه I; P - محصولات واکنش؛ T - خنک کننده؛ K - کاتالیزور؛ N - نازل؛ TE - عناصر تبادل حرارت.

این یک دستگاه لوله ای است که در آن نسبت طول لوله L به قطر آن d بسیار زیاد است. راکتور به طور مداوم با معرف‌هایی تغذیه می‌شود که با حرکت در طول رآکتور به محصولات تبدیل می‌شوند.

رژیم هیدرودینامیکی در RIV با این واقعیت مشخص می شود که هر ذره ای از جریان فقط در یک جهت در طول راکتور حرکت می کند، اختلاط طولی وجود ندارد و همچنین هیچ اختلاط در طول مقطع راکتور وجود ندارد. فرض بر این است که توزیع مواد در این مقطع یکنواخت است، یعنی مقادیر پارامترهای مخلوط واکنش در سطح مقطع یکسان است. هر عنصر از حجم جرم واکنش dV با حجم های قبلی یا بعدی مخلوط نمی شود و مانند یک پیستون در یک سیلندر رفتار می کند. به این حالت پیستونی یا جابجایی کامل می گویند. ترکیب هر عنصر حجمی به دلیل وقوع یک واکنش شیمیایی متوالی تغییر می کند.

تغییرات در غلظت معرف CA و درجه تبدیل XA در طول راکتور.

برای گردآوری یک توصیف ریاضی از RIV، آنها از معادله دیفرانسیلتعادل مواد

از آنجایی که در RIM مخلوط واکنش تنها در یک جهت (در طول L) حرکت می کند، پس و ,

آ ,

انتخاب جهت جریان در راکتور به عنوان جهت محور X،

جایی که W - سرعت خطیحرکت مخلوط

از آنجایی که هر عنصر حجمی با عنصر قبلی یا بعدی مخلوط نمی شود، نه انتشار طولی و نه شعاعی وجود دارد و انتشار مولکولی کوچک است، پس

سپس

این معادله تعادل مواد توصیفی ریاضی از جریان معرف ها در راکتور در حالت ناپایدار است (زمانی که پارامترها نه تنها در طول راکتور تغییر می کنند، بلکه در زمان نیز ثابت نیستند - دوره راه اندازی یا خاموش شدن. ).

این اصطلاح با تغییر غلظت A در طول زمان برای یک نقطه معین در راکتور مشخص می شود.

حالت ثابت با این واقعیت مشخص می شود که پارامترها در هر نقطه از حجم واکنش با زمان تغییر نمی کنند و . سپس .

اما سرعت

آ

ادغام این معادله در محدوده تغییر درجه تبدیل

از 0 تا X A دریافت می کنیم

از داده های به دست آمده مشخص است که معادله RIV مانند RIS – P است.

راکتور اختلاط ایده آل پیوسته RIS – N

این دستگاهی است که معرف ها به طور مداوم در آن تغذیه می شوند و محصولات واکنش به طور مداوم حذف می شوند، در حالی که معرف ها به طور مداوم با استفاده از یک همزن مخلوط می شوند. مخلوط اولیه وارد شده به چنین راکتوری فوراً با جرم واکنش موجود در راکتور مخلوط می شود، جایی که غلظت معرف اولیه کمتر از مخلوط ورودی است. برای استخراج معادله مشخصه، اجازه دهید یک معادله تعادل مواد ایجاد کنیم. تعداد مول های ماده اولیه A که همراه با جریان عرضه می شود، که در آن V 0 نرخ خوراک حجمی است، CA، 0 غلظت A در جریان است.

تعداد مول های حذف شده از راکتور برابر است با V سرعت حجمی و CA غلظت در جریان است.

تعداد مول های ماده A مصرف شده در نتیجه یک تبدیل شیمیایی است

جایی که V p حجم پر شده در راکتور است.

تجمع معرف A برابر است با تغییر کمیت آن در فضای واکنش در طول دوره زمانی dτ.

بیایید تمام قسمت های ترازنامه را با هم ترکیب کنیم

معادله طراحی کلی برای یک راکتور کاملا هم زده

به جز دوره‌های خاموشی و راه‌اندازی، یک راکتور پیوسته در حالت ثابت کار می‌کند. معادله طراحی در این مورد به فرم کاهش می یابد

اگر واکنش در فاز مایع انجام شود، تغییر حجم کم است و V 0 = V k = V. سپس ,

C A,0 – C A = τ ω A,

زمان اقامت مشروط کجاست

تعادل مواد برابری ورودی و خروجی یک ماده در یک راکتور یا در یک فرآیند است. مبنای نظری برای تدوین ترازهای مادی، قانون بقای ماده توسط M.I. لومونوسوف

بیایید یک موازنه مواد را برای یک راکتور ترسیم کنیم که در آن یک واکنش ساده غیر قابل برگشت A → C رخ می دهد.

جرم معرف ورودی به راکتور در واحد زمان برابر با جرم معرف A مصرف شده در راکتور در واحد زمان است.

متر و درآمد = متر هزینه

معرف A صرف یک واکنش شیمیایی می شود، بخشی از معرف از راکتور خارج می شود، بخشی در حجم واکنش بدون تغییر باقی می ماند (انباشته می شود).

m A مصرف = m یک محلول شیمیایی + m A زهکشی + m A انبار

m A درآمد = m A شیمیایی r. + m A زهکشی + m A انبار

m A درآمد - m A drain = m A شیمیایی. + m A انباشته شده است

اجازه دهید m A ورود -m A drain =m A همرفت را نشان دهیم. جرم معرف A است که توسط همرفت (جریان جرم واکنش) منتقل می شود.

سپس m A انباشته شد. =m یک همرفت. -m A chem.r.

جرم واکنش دهنده A که در جریان واکنش بدون تغییر باقی می ماند، برابر است با اختلاف بین جرم ماده A که توسط جریان همرفتی حمل می شود و جرم ماده A که برای واکنش شیمیایی صرف می شود. این معادله است تعادل مواد به شکل کلی.

هنگامی که غلظت یک معرف در نقاط مختلف حجم راکتور یا در طول زمان ثابت نباشد، نمی توان تعادل مواد را به شکل کلی برای کل حجم راکتور ایجاد کرد. در این مورد، تعادل مواد برای حجم اولیه راکتور ترسیم می شود.

اساس این تعادل مواد معادله انتقال همرفتی است (به Amelin et al. pp. 71-73 مراجعه کنید).

که در آن CA غلظت معرف A در مخلوط واکنش است.

x، y، z - مختصات فضایی.

W x، W y، W z – مولفه‌های سرعت جریان.

D - ضریب انتشار.

r A - سرعت واکنش شیمیایی.

عضو تغییر در غلظت معرف A را در طول زمان در حجم اولیه مشخص می کند و با تجمع m A مطابقت دارد. در معادله عمومی تعادل مواد.

عضو
منعکس کننده تغییر در غلظت معرف به دلیل انتقال آن در جهتی منطبق با جهت جریان عمومی است.

عضو
منعکس کننده تغییر غلظت معرف A در حجم اولیه در نتیجه انتقال آن توسط انتشار است. این اصطلاحات با هم، انتقال کل ماده را در یک محیط متحرک توسط همرفت و انتشار مشخص می کنند. به طور کلی، معادله تعادل مواد با عبارت m A convec مطابقت دارد. .

عبارت r A تغییر غلظت معرف A را در حجم اولیه در اثر یک واکنش شیمیایی نشان می دهد. با اصطلاح شیمیایی m A مطابقت دارد. در معادله عمومی تعادل مواد.

حل معادله دیفرانسیل حاصل بسیار دشوار است. بسته به نوع راکتور و حالت عملکرد آن، می توان آن را تبدیل و ساده کرد.

سخنرانی شماره 12 مدل های هیدرودینامیکی راکتورها. استخراج معادلات مشخصه.

قبلاً مدل‌های اساسی فرآیندهای شیمیایی و توصیف ریاضی آنها را بررسی کردیم. اجازه دهید مدل فرآیند فن آوری شیمیایی را با در نظر گرفتن فرآیندهای هیدرودینامیکی، یعنی روش های حرکت هدایت شده جریان مخلوط واکنش در راکتور، پیچیده کنیم.

هر رآکتوری که در تولید مواد شیمیایی استفاده می شود. با تقریب بیشتر یا کمتر، می توان آن را با یکی از مدل های زیر توصیف کرد:

راکتور اختلاط دسته ای ایده آل RIS-P.

راکتور اختلاط ایده آل پیوسته RIS-N.

راکتور جریان پلاگین پیوسته RIV-N;

آبشار راکتورهای اختلاط ایده آل پیوسته K-RIV-N (مدل سلولی).

برای هر مدل نشان داده شده است معادله مشخصهکه وابستگی زمان اقامت معرف ها در راکتور o، غلظت اولیه معرف، مقدار تبدیل و سرعت واکنش شیمیایی را بیان می کند.

τ = f (C A 0، α A، r A)

این معادله است توصیف ریاضی مدل راکتور. با مشخص کردن C A0 (ترکیب مخلوط اولیه) و r A (نوع واکنش شیمیایی، دما، فشار، کاتالیزور و غیره) امکان محاسبه زمان ماندگاری معرف‌ها در راکتور مورد نیاز برای دستیابی به یک با توجه به تبدیل (α A)، و بنابراین، و حجم راکتور، ابعاد کلی و بهره وری آن. با مقایسه مقادیر به دست آمده برای راکتورهای انواع مختلف، می توانید بهینه ترین گزینه را برای انجام یک واکنش شیمیایی مشخص انتخاب کنید.

مبنای استخراج معادله مشخصه، تعادل مواد راکتور است که یکی یکی از اجزای مخلوط واکنش جمع آوری شده است.

راکتور دسته ای اختلاط ایده آل

RIS-P دستگاهی با همزن است که معرف های شروع به طور دوره ای در آن بارگیری می شوند و محصولات نیز به صورت دوره ای تخلیه می شوند.

در چنین راکتوری، چنان اختلاط شدیدی ایجاد می‌شود که در هر لحظه از زمان، غلظت معرف‌ها در کل حجم راکتور یکسان است و تنها در طول زمان، با ادامه واکنش شیمیایی، تغییر می‌کند.

معادله اولیه برای به دست آوردن معادله مشخصه معادله تعادل مواد به شکل دیفرانسیل است:

از آنجایی که به دلیل اختلاط شدید، همه پارامترها در کل حجم راکتور یکسان هستند، در هر زمان مشتق هر مرتبه غلظت در امتداد محورهای x، y، z صفر است.

سپس

در مخلوط واکنش V = Const C A = C A 0 (1-α A).

- معادله مشخصه RIS-P

اگر یک واکنش برگشت ناپذیر ساده به ترتیب "n" در راکتور رخ دهد، آنگاه

وقتی n = 0
,

n=1
.

برای n ≠ 0 و 1، τ با روش ادغام گرافیکی تعیین می شود. برای انجام این کار، یک وابستگی گرافیکی ایجاد کنید

مساحت زیر منحنی بین مقادیر اولیه و نهایی درجه تبدیل را محاسبه کنید.