Általános egyenlet hőegyensúly vegyi reaktor. Hőmérleg egyenlete izoterm, adiabatikus és köztes termikus üzemmódban működő kémiai reaktorokhoz. A kémiai reaktorok hőstabilitása exo- és endoterm reakciók esetén. Reverzibilis reakcióreaktor.
A hőmérleg egyenlete minden hő áramlik, be- és kilép a reaktorból. Ilyen áramlások a következők: Qin – az elemi térfogatban lévő reakcióelegy fizikai hője, amelyre a mérleget összeállítják (bemeneti áramlás); Qout – az elemi térfogatot elhagyó reakció fizikai hője (kimeneti áramlás); Q р – kémiai reakcióhő (az előjel lehet pozitív vagy negatív); Q t.o – hőcserére fordított hő -val környezet(a reaktorban és a környezetben vagy a hőcserélőben lévő hőmérsékleti viszonyoktól függően ez az áramlás a térfogatba és onnan is kivezethető); Q f.pr – fázisátalakulások hője.
Helyhez kötött reaktor üzemhez algebrai összeg az összes hőáram nulla: Q be - Q ki ± Q р ± Q t.o ± Q f.pr = 0 (1)
Instabil üzemmódban a hő pozitív vagy negatív felhalmozódása elemi térfogatban történik:
Q be - Q ki ± Q r ± Q t.o ± Q f.pr = Q nak (2)
Az (1) és (2) egyenlet egy kémiai reaktor hőmérlegének általános egyenlete. A kémiai reakcióknak többféle termikus rezsimje létezik, és ennek megfelelően a hőmérleg egyenletek specifikus típusai
I. Izotermikus - olyan üzemmód, amelyet az a tény jellemez, hogy a hőmérséklet a bemenetnél, a belső és a kimenetnél azonos. Ez akkor lehetséges, ha a kémiai reakció eredményeként fellépő hő felszabadulását és elnyelését a környezettel való hőcsere kompenzálja. Állandó izoterm folyamatra, amelynek fizikai tulajdonságai állandóak a rendszerben, a következőket írhatjuk: Q in =Q out; | Q р |=| Q t.o | .
Az alapvetően izoterm keverőreaktorok mellett a nagyon alacsony Q p, C A0 vagy x (konverziós fok) értékű, jelentős hővezető képességű reaktorok is megközelíthetik az izotermet. A reaktorok modellezésekor a teljesen izoterm reaktorok közé tartoznak a különféle típusú, keverőfolyadék típusú reaktorok (Zh, Zh-Zh, Zh-T). Az izoterm rezsim megfigyelhető a kis méretű hab- és buborékoló készülékek polcán, valamint granulált anyagú fluidágyban és egyéb berendezésekben.
Izoterm reaktor jellemző egyenlete: t cf =t k =állandó.
II. Az adiabatikus rezsimet a környezettel való hőcsere teljes hiánya jellemzi. Ebben az esetben a kémiai reakció teljes hőjét a reakcióelegy melegítésére vagy hűtésére fordítják. Stacionárius folyamathoz |Q in -Q out |=|Q p |. Az adiabatikus reaktor hőmérsékletének változása ∆t egyenesen arányos az x konverzió fokával, a fő reagens C A0 koncentrációjával és a reakció Q p termikus hatásával. A hőmérsékletváltozások pozitívak az exoterm reakciókra, negatívak az endoterm reakciókra. Az A→B reakció hőmérlegének egyenlete a következő lesz: G c t k ± GQ p C A 0 x=G c t k(2), innen kapjuk a karakterisztikus egyenletet: ± GQ p C A 0 x=с (t k – t n) (2’).
A dugós áramlású reaktorban az áramlási tengely bármely szakaszában a hőmérsékletváltozás arányos az átalakítás mértékével: ∆t= t k – t n =±λх, ahol λ az adiabatikus hőmérsékletváltozás együtthatója: λ=(Q p * C D)/c, ahol
C D – termékkoncentráció. A reaktor elemi szakaszának hőmérlegének egyenlete a következő lesz: ±Q p C A dx A =cdt (3). Teljesen kevert reaktor esetén a hőegyensúly megegyezik a (2'-vel).
III. Közbülső(politróp vagy autotermikus) üzemmódra az jellemző, hogy a reakcióhő egy részét a reakcióelegy hőtartalmának megváltoztatására (fűtésére vagy hűtésére), részben a környezettel való hőcserére fordítják. Ez a mód leggyakrabban a TCP-ben található. Ezt a rezsimet a teljes hőmérleg-egyenlet írja le. Állandó tömegű hőkapacitás és állandósult állapot mellett a reakció eredményeként x A konverziós fokon felszabaduló (elnyelt) hőt a reakciótermékek elvezetik és átvezetik a reaktor falán: ±GQ p C A 0 x A =G c (t k – t n) ± k t F∆t av (4), innen a következők találhatók: 1) hőmérsékletváltozás (t k – t n), átalakulási fok (x A), hőátadó felület (F) ). Ezt a (4) egyenletet erre kaptuk keverőreaktorés azért dugós áramlású reaktor, amelyben a hőmérséklet a teljes hosszon azonos, azaz a köpenyben elhelyezkedő hűtőközeg vagy hűtőközeg hőmérséklete állandó a reaktor teljes hosszában; a reaktánsok hőmérséklete a reaktor keresztmetszetének bármely pontján azonos. A hőmérséklet óta a reaktorban a hossza mentén változik, a hőmérleget a reaktorhossz (∆H) elemi szakaszára állítjuk össze: GQ p C A 0 x A =G c dt± k t F’(t-t arr)dH; ahol t a vizsgált reaktorelem hőmérséklete; t környezeti hőmérséklet a kabátban.
Az izoterm, adiabatikus és politermikus folyamatok jellemzőinek összehasonlítása az ábrákon látható.
A velük szemben támasztott követelmények egyike a reaktor működésének stabilitása. A. M. Ljapunov szerint "egy rendszert akkor nevezünk stabilnak, ha valamilyen zavarás után visszatér előző állapotába, amikor ezt a zavart megszüntetik."
A legfontosabb a kémiai reakciók és reaktorok hőmérsékleti (termikus) stabilitása. Az exo- és endoterm reakciók során a technológiai folyamat hőmérsékletének automatikus szabályozása történik a kémiai folyamatban lévő reagensek koncentrációjának hatására. Egyes esetekben a felszabaduló hőmennyiség függése a teljes fúziós reaktorban a hőmérséklettől reverzibilis exoterm reakció.
A reaktor technológiai rezsimjének stabilitása az egyik vagy másik paraméter megváltoztatásakor fennálló érzékenységével határozható meg, és ún. parametrikus érzékenység:П=dy/dx, ahol y bemeneti érték - paraméter (hőmérséklet, reagensfogyasztás, koncentráció), x kimeneti érték - a folyamat eredményét jellemző paraméter (konverzió foka, hőmérséklet, reakcióidő).
Dakhin O.Kh.Volgograd, RPK "Politechnika", 2012. - 182 pp. A reaktorok osztályozása tervezés szerint
Általános jellemzőkés célja
A reaktorok osztályozása a reakciótömeg mozgási módja és a hőcserélő felület típusa szerint
A reaktorok osztályozása tervezési formák szerint
A reaktorok osztályozása a reagensek fázisállapota és a működési elv szerint
Általános jellemzők és működési elvek működési mód szerint
Szakaszos reaktorok (homogén, nem helyhez kötött reaktorok)
Félszakaszos reaktorok
Folyamatos reaktorok (homogén állóreaktorok)
Reaktorok kaszkádja
Vegyi reaktorok komplex számításának módszertana
Reaktorszámítási algoritmus
Általános rendelkezések
A kémiai reakció sebességének, állandójának, átalakulási fokának és sorrendjének meghatározása
A kémiai reakció sebessége
Egyszerű reakciók
Nullarendű reakciók
Elsőrendű reakciók
Termékhozam
A reakciók osztályozása
A hőmérséklet hatása a kémiai reakció sebességére
Párhuzamos és szekvenciális reakciók
Alapok matematikai modellezés vegyi reaktorok
A tartózkodási idő lineáris eloszlási függvényei
E(τ) és F(τ) kísérleti meghatározása és egy kémiai reaktor elemzése ezen függvények felhasználásával
Hőátadás vegyi reaktorokban
Termikus hatás a reaktorokban
A kémiai reaktorok osztályozása termikus rezsim szerint
Algoritmus a kémiai reaktorok termikus rezsimjének kiszámításához
Vegyi reaktorok termikus számítása
Általános jellemző hőmérleg egyenlet
A termikus viszonyok hatása a kémiai folyamatok lefolyására ideális keverő- és kiszorításos reaktorokban. Folyamatos izoterm reaktor termikus számítása teljes keveréssel
Folyamatos izoterm reaktor termikus rezsimjének elemzése
Dugaszolható áramlású reaktor hőcserével a reagensek és a termék között
Plug flow reaktor hőcserélő felülettel
Adiabatikus reaktor hőszámítása keverővel
Adiabatikus reaktor termikus rezsimjének elemzése
Egy adiabatikus reaktor termikus rezsimjének elemzése endoterm reakciókhoz
Izoterm szakaszos reaktor hőszámítása
Izoterm szakaszos reaktor hőszámítása kvázi-stacionárius üzemmódhoz
Példa egy vegyi reaktor technológiai és termikus számítására
Heterogén katalitikus reakciók mechanizmusa
Rögzített katalizátorágyas reaktor számítása
A fluidágyas reaktor számítása
Hőátadás fluidágyas reaktorban
Keverőberendezéssel ellátott készülékek rendeltetése, kialakítása és főbb műszaki jellemzői
A keverési folyamatok osztályozása és főbb kritériumai
Az edényekben mechanikus keverőkkel végzett keverési folyamat fizikai lényege
Folyadékáramlás a készülékben
Felfüggesztés
Felfüggesztési feltételek
A keverés hatása a kémiai technológiai folyamatokra
A keverés hatása a tömegtranszferre
Tömegátadás a szilárd és folyékony fázis között
A keverés hatása a hőátadásra
Keverőberendezések és osztályozásuk
Az eszközök rendeltetése és működési területei
A közeg feltételes nyomása és hőmérséklete
A készülékek alapvető paraméterei
A vegyi reaktorok gyártásához szükséges anyagok kiválasztása és követelményei
A reaktorok és szerkezeti elemeik gyártásához felhasznált anyagok alapvető tulajdonságai
Folyékony közegek mechanikus keverésére szolgáló készülékek tervezési jellemzői
Keverős reaktorok fő funkcionális elemeinek tervezése
Nagy sebességű keverők
Nagy sebességű keverőberendezések hidrodinamikája. Alapvető hidrodinamikai paraméterek számítása
Alacsony fordulatszámú keverők
Keverés hidrodinamikája alacsony fordulatszámú keverővel ellátott készülékekben
Keverő meghajtás
Zárt elektromos hajtások
Keverőtengely tömítések
Hidraulikus szelepek
Ajaktömítések
Mirigy tömítések
Mechanikus tömítések
A reaktor belső részei
Fényvisszaverő válaszfalak
Nyomócső
Tekercsek
Belső eszközök számítása
A fájlt elküldjük az Ön e-mail címére. Akár 1-5 percig is eltarthat, mire megkapja.
A fájl elküldésre kerül a Kindle-fiókjába. Akár 1-5 percig is eltarthat, mire megkapta.
Felhívjuk figyelmét, hogy hozzá kell adnia az e-mail címünket [e-mail védett]
jóváhagyott e-mail címekre. Olvass tovább.
Írhat egy könyvkritikát, és megoszthatja tapasztalatait. A többi olvasót mindig érdekelni fogja az Ön véleménye az Ön által olvasott könyvekről. Akár szerette a könyvet, akár nem, ha őszinte és részletes gondolatait adja meg, akkor az emberek megtalálják a számukra megfelelő könyveket.
RF OKTATÁSI ÉS TUDOMÁNYOS MINISZTÉRIUM Volgograd Állami Műszaki Egyetem O.Kh. Dakhin KÉMIAI REAKTOROK RPK "Polytechnic" Volgograd 2012 8 1 A REAKTOROK TERVEZÉSÉNEK OSZTÁLYOZÁSA 1.1 Általános jellemzők és cél Ugyanaz a reakció végrehajtható különféle típusú reaktorokban. Egy bizonyos típusú reakcióberendezés kiválasztásának indokolásakor egy adott kémiai folyamat végrehajtásához figyelembe kell venni a berendezés szerkezeti kialakításának lehetőségét. A különböző iparágakban használt fő reaktortervezési típusok átfogó ismerete. Ennek megfelelően nagyszámú figyelembe veszik a reaktorterveket, módszereket és módokat praktikus alkalmazás a mérnöki tervezéshez szükséges kémiai kinetika, hidrodinamika, hő- és tömegátadás, az optimális üzemmód kiválasztásához és a reaktor kialakításához. Mivel szinte minden vegyipari termelés fő berendezése egy reaktor, ezért a működésétől elsősorban a keletkező termékek költsége, minősége, az egység teljesítménye, a munkatermelékenység, a tőkeköltségek stb. , nehéz tudományosan megalapozott kritériumokat találni az osztályozásukhoz . A tervezési jellemzők közül kettő továbbra is meghatározónak tekinthető: - a reakciótömeg mozgásának módja a reaktorban; - hőcserélő felület típusa; - a hajótest szerkezeti formáinak megfelelően. Az első jellemző lehetővé teszi a reakcióberendezések ismert ideális reaktortípusok szerinti osztályozását, így kapcsolatot teremtve a reaktorokban lezajló folyamatok kinetikai törvényei és az utóbbiak tervezése között. Az ideális reaktortípusok mindegyikénél a kialakítás attól is függ, hogy szükség van-e hőcserélő felületre (külső, belső) vagy sem (1. táblázat). 1.2 A reaktorok besorolása a reakciótömeg mozgási módja és a hőcserélő felület típusa szerint 1.1. táblázat Mód Módszer Hőcserélő felületi mozgás megvalósítása Külső nélkül Reakciómozgással felületi felület belső tömege és felülete Teljesen mechanikus keverős sütő autoklávoval autoklávoval polcokkal keverve köpenyezett tekercs Forgó dob - - Diffúzió vagy reakció - - konvekciós I. kamra; - - Reaktor reaktorral mozgó mozgó mozgó minimális réteg rétegező reaktor kemence polcokkal Vegyes konvekciós (az egyik reagens Nagyolvasztó Pneumatikus 10. Buborékoló Reaktor kereszttel Reaktorral Reaktor buborékos buborékos diffúzióval, a többi buborékolásával) Teljes előre áramlás Reaktor Katalitikus kiszorításos adiabatikus reaktor (reagensek mozgó stacionárius minimumról Ellenáram - Oszlop - - - - Rotary Rotary - kemence keresztirányú töltet diffúzió) Reakcióoszlop tálcákkal 1.3. A reaktorok osztályozása tervezési formák szerint. 1.2. táblázat. Reaktor típusa Con Mode Működési felület oldal mozgó hőcserélő ukcium fázis Sivn reakciók nélkül nar belső ion szuperszűkült a tömeghez orr mat y p s felület 11 C Példák Cső alakú PV G - + - reaktorok Krakkolás benzinek, etilén polimerizáció L - + - Alkniation of Alkniation of Alkniation L-L - + - Klórbenzolok hidrolízise Oszlop PV G-L + - + PV G-L + - - reaktorok Ammónia semlegesítése PV G-L + + + gázhoz, Nxilol oxidációja NS folyékony PV G-Zh + - - Ammónium-szulfát beszerzése 12. táblázat 1. 2 oszlop PV G-G/T + - - reaktorok Etilén-benzol dehidratálás - + - Etilén oxidációja G-T + - - Mészkőpörkölés PV PV L-T + - - - Ioncsere G-T + - - G-G/T + - - Bután pirolízise G-T + - - Pörkölés pira F + + + Diazotizálás G-L + + + Gáz klórozása, PS G-G/T etilénszármazékok szilárd fázisú PS-éhez F + + + Benzol szulfonálása L-T + + + Szuperfoszfátok előállítása 13 1.2 táblázat folytatása Egyéb széles körben G-T + + - Felhasznált ércek oxidációja G-T + - + A reaktor pörkölése Zh-T Kalcium-karbid vízzel történő lebontása acetilénné G-G + - + Szénhidrogének részleges oxidációja olefinné és diolefinné Megjegyzés: PV-teljes kiszorítás; PS - teljes keverés; G-gáz fázis; Folyadék-folyadék A reaktorok besorolása az edény szerkezeti formái szerint nem tudományos osztályozási kritériumokon alapul, hanem közel áll a reakcióberendezések (kazánok, kemencék, csövek) gyári csoportosítási módszereihez. Tervezési formájuk alapján a főbb reaktortípusokat az alábbiak szerint csoportosítjuk: - cső alakú (hőcserélő típusú reaktorok); -oszlop (beleértve az álló vagy mozgó szilárd fázisú réteggel rendelkező eszközöket is); - reakciókamrás típusú reaktorok (mechanikus keveréssel vagy anélkül); - egyéb általánosan használt reaktortípusok (pl. kemencék). Alul láthatók rövid tájékoztatás különböző kialakítású reaktorokról... 14 A kémiai technológia fő tartalma az anyagok kémiai átalakulásának számos és változatos folyamata. Ezeket speciális berendezésekben - kémiai reaktorokban - végzik. A reaktor egy technológiai létesítmény fő berendezése, és fontosságát tekintve vezető helyet foglal el a vegyipari, petrolkémiai és élelmiszeripari termékek gyártásában. Ezért különösen fontos a technológiai és szerkezeti számítások módszereinek ismerete és elsajátítása, a reaktor optimális méretének kiválasztása, a szakszerű és biztonságos működés feltételei, valamint a technológiai javítás és telepítés. A petrolkémiai és élelmiszergyártás technológiai soraiban a reaktorok általában központi helyet foglalnak el, hiszen csak ezekben képződik kémiai reakciók eredményeként a szükséges, meghatározott tulajdonságokkal rendelkező céltermék további késztermékként történő felhasználáshoz vagy bizonyos termékekké történő feldolgozáshoz. A megfelelő gyártás többi berendezése a reaktorban végbemenő kémiai reakciók lefolytatásához szükséges kiindulási komponensek előkészítésére és a reakció késztermékeinek feldolgozására vagy feldolgozására szolgál. Minden ipari kémiai eljárást úgy terveztek, hogy több egymást követő feldolgozási lépésen keresztül gazdaságosan állítsák elő a kívánt terméket egy alapanyagból. Az l.l ábra egy tipikus kémiai folyamat diagramját mutatja. A kezdeti hidromechanikus termikus (hevítés, anyagok (zúzás, - technológiai segítséggel, centrifugálás, hűtés stb.) és különféle egyéb eljárások) speciális feldolgozásnak vetik alá olyan állapotba, amelyben bizonyos feltételek mellett képesek a hőkezelésre. kémiai reakció. 15 Ezt követően a kiindulási reagenseket betáplálják a reaktorba a kémiai reakció végrehajtásához. A reaktorban bizonyos fizikai folyamatok segítségével optimális feltételeket teremtenek a kémiai reakcióhoz. A kinetikai függőségek alapján biztosított az optimális reakcióidő - hőmérséklet és reakcióhőmérséklet - a reaktor hidrodinamikai rezsimje és üzemi nyomása, a reagensek állapota és koncentrációik - fázis, valamint a megfelelő kialakítás. I – berendezés a reaktorban végbemenő kémiai reakció kezdeti reagenseinek előkészítésére; II – berendezés a reaktorban nyert késztermék feldolgozására és feldolgozására. 1 vegyi reaktor; 2 – szárító; 3 – tömegátadó készülék; 4 – extruder; 5- kapacitás; 6 – centrifuga; 7 – szűrő; 8 – hőcserélő (hűtő). 1.1. ábra – Vegyi reaktor a petrolkémiai termelés technológiai sémájában 101; Minden vegyi reaktor szabványos szerkezeti elemekből és berendezésekből áll, ezek keverők, adagolók, szűrők, centrifugák, hőcserélők (hűtőszekrények), szárítók stb., valamint érintkező eszközök - lemezek, fúvókák, katalizátorok és keverőberendezések a gáz és a gáz számára. folyékony fázisok. Szerkezetileg a reaktor lehet egy egyszerű berendezés, például egy egyszerű keverőtartály, azonban a legkülönfélébb iparágak legtöbb technológiai sémájában a reaktor a fő berendezés, mivel a kémiai szakasz a folyamat legfontosabb része. , hatásfokának meghatározása A reaktor tervezése összetett mérnöki feladat, hiszen Egy adott kémiai folyamathoz különféle típusú berendezések használhatók. Ezért az optimális tervezés megtervezéséhez, kiszámításához és kiválasztásához különböző tudományterületek mintáira és adataira van szükség: termodinamika, kémiai kinetika, hidrodinamika, hőátadás, tömegátadás és közgazdaságtan. 1.4 A reaktorok osztályozása a reagensek fázisállapota és a működési elv szerint A kémiai folyamatokat különböző kivitelű berendezésekben hajtják végre, amelyek az alábbi működési elvek valamelyike szerint működnek: - szakaszos reaktor; - félszakaszos és félfolyamatos reaktor; - folyamatos reaktor. Ezekben a reaktorokban a reagensek különböző fázisállapotúak lehetnek: gáz, folyékony, gáz-folyadék, folyadék-folyadék, gáz-szilárd, folyadék-szilárd, gáz-folyadék-szilárd. A reakciókat ezekben a fázisokban olyan berendezésben hajtjuk végre, amelyben a keverést végezzük. reagensek mozgása Ennek megfelelően a kiszorításos üzemmódban az eszközök szerkezetileg kiszorító reaktor vagy keverőreaktor formájában vannak kialakítva. Eltolásos készülékek: általában folyamatos, és keveréssel, folyamatos és periodikus is. Az időszakos folyamatokat reaktorokban, keverés közben homogén (L) és heterogén (L+G; Ll+L2; G+Tv.t; G+L+Tt) rendszerekben hajtják végre. Az időszakos eljárások közé tartoznak: -polimerizációs eljárások (L); -félperiodikus klórozás (G+L) -szulfonálás (Ll+L2); -újrahasznosítás (G + TV); -Ek ásványok (L+Tv.t.); -hidrogénezés (G + F + Tv.t.). Folyamatos folyamatok zajlanak mind a dugós áramlású, mind a keverőreaktorokban. A folyamatos folyamatok a következők: - termikus krakkolás (G); -abszorpció(G + F); -extrakció(Ll+L2); -nitrálás (Ll+L2); - álló vagy mozgó lebegő katalizátorrétegben végbemenő folyamatok (G+Tv.t. ); -ioncsere (F+Tv.t.). A fenti folyamatok megvalósításának sémáját az 1.3. táblázat tartalmazza. 103 1.3. táblázat 104 2 ÁLTALÁNOS JELLEMZŐK ÉS MŰKÖDÉSI ELVEK ÜZEMMÓD SZERINTI 2.1 Szakaszos reaktorok (homogén, nem álló reaktorok) Az összes reagenst a reaktorba töltjük (2.1. ábra), amely egyidejűleg keverőből áll. Az intenzív keverés biztosítja az azonos koncentrációt a teljes térfogatban bármikor. Az eljárást addig végezzük, amíg el nem érjük az egyensúlyt vagy a kívánt konverziós fokot. A komponensek reakciózónában való tartózkodási idejét a berendezés be- és kirakodási pillanatai közötti időintervallum határozza meg. Az ilyen, folyékony közegben történő reakciókhoz használt eszközök ideális (teljes) keverési módban működnek. A szakaszos reaktorokat a legtöbb esetben folyamatok homogenizálására és viszonylagos oldásra, széles hígításra, kémiai átalakulások léptékére használják. A keverés által befolyásolt döntő tényezők a tömegátadás és a hőátadás. A keveredés következtében a reagáló komponensek teljesebb és szorosabb érintkezésbe kerülnek, és a reakció felgyorsul, a hőcsere köpenyen vagy tekercsen keresztül történik. A reakcióelegy összetétele idővel változik, így a reakciósebesség a folyamat során nem állandó. A fogyóanyag-komponens koncentrációjának változásait a diagram (2.2. ábra) mutatja be. A diagramból az következik, hogy a kiindulási fémekben az elhasználható komponens koncentrációja idővel csökken, a reakciótermékek pedig nőnek. periodikus A teljes működésű munkaciklus a töltési idő ciklusából, a kémiai reakció reaktoridejéből a reakciótermékek adott átalakulásáig és a töltési időből áll. 105 2.1. ábra - Szakaszos reaktor diagramja 2.2. ábra - A kiindulási komponens és a reakciótermékek koncentrációjának változásának diagramja 2.2 Félszakaszos reaktorok A félfolyamatos (félszakaszos) reaktor kialakítása hasonló a szakaszos reaktoréhoz. A különbség a működési elvben rejlik. Ha az összes kezdeti reagenst egyszerre töltjük be a 106 szakaszos reaktorba, akkor a félfolyamatos reaktorba a reagensek egy részét a folyamat elején, a másikat pedig a folyamat során folyamatosan betápláljuk a berendezésbe. Az ilyen reaktorok használata akkor javasolt, ha fennáll a túlzott hőmérséklet-emelkedés veszélye vagy az egyik komponens magas koncentrációja esetén fellépő mellékreakciók veszélye. Például az A + B - C reakcióban az A komponenst először a berendezésbe töltjük, a B komponenst folyamatosan adagoljuk, és a móljainak számát nB úgy választjuk meg, hogy a céltermék maximumát kapjuk (2.4. ábra). . A 2.3. ábrán látható a félfolyamatos reaktor koncentrációváltozásának diagramja. 2.3. ábra - Koncentráció változás diagramja szakaszos reaktorban 2.3 Folyamatos reaktorok (homogén állóreaktorok) A folyamatos üzemű reaktorok működési elve a következő; a kiindulási anyagok betöltése és a reakciótermékek keverővel ellátott berendezésbe történő ürítése folyamatosan történik. Ennek eredményeként a részecskék reakciózónában való pontos tartózkodási idejét nem határozták meg: láthatóan csak kis számú részecske lesz képes nagyon gyorsan megtenni az utat a berendezés bejáratától a kilépésig. A legtöbb részecskék a keveredés miatt nagyon nehéz úton mennek keresztül a reaktorból való kilépéshez. Ezért az ilyen reaktorok kiszámításakor igaz idő A komponensek reakciózónában való tartózkodását a részecske reaktorban való ún. ekvivalens ideje vagy átlagos tartózkodási ideje helyettesíti (2.4. ábra). Mivel a kiindulási anyagokat folyamatosan adagoljuk, és a reakciótermékeket folyamatosan eltávolítjuk, koncentrációjuk a reakciótérfogat bármely pontján és bármikor állandó lesz; a reakció sebessége is állandó lesz az idő és a berendezés térfogata függvényében. A komponens koncentrációja töltéskor egyenlő c0-val, elméletileg azonnal lecsökken a c végső koncentrációra, és állandó marad mindaddig, amíg a készterméket ki nem töltik a reaktorból. A diagram (2.5. ábra) a koncentráció és a reakciósebesség változásának természetét mutatja egy folyamatos reaktorban. 108 2.4. ábra - Folyamatos reaktor diagramja 2.5. ábra - Koncentrációváltozások diagramja folyamatos reaktorban 2.4 Reaktorok kaszkádja A telepítési diagram a (2.6. ábra) ábrán látható. A reagensek áramlása folyamatosan áramlik minden reaktorból a következőbe a reakció további végrehajtása érdekében. A kiindulási anyagok koncentrációja lépésenként változik. A reaktorkaszkád működésének egy másik lépcsőzetes változata is lehetséges, amelyben 109 az egyes reaktorok tartalma periodikusan átkerül a következőbe. Az utolsó berendezésből a reakciótermékek kiürítése is időszakos. 2.6. ábra - Folyamatos reaktorok kaszkádjának diagramja és a koncentrációváltozások diagramja fokozatonként 2.5 Csőreaktorok Ezek olyan eszközök, amelyeken folyamatosan reagensáram halad át, amelyek kémiai kölcsönhatásba lépnek egymással (2.7. ábra). Vannak reaktorok homogén és heterogén folyamatokhoz. A csőreaktorokban az áramlási feltételek nagyon összetettek. A keverés, mint keverés első közelítésében) lehetőség van az áramlások ki-be mozgásának megengedésére a mozgás iránya nélkül (hosszirányú sugárirány (keresztirányú keverés). A valóságban sokkal bonyolultabb a kép: longitudinális jelenléte) a keresztirányú keverés pedig további hatást gyakorol az áramlásra. Hosszanti keverés hiányában a reagensek reakciózónában való tartózkodásának időtartamát a berendezés hossza és a részecskék sebessége határozza meg, ami nem azonos Ha a csőreaktort ideális elmozdulású berendezésnek tekintjük (ún. dugattyús üzemmód), akkor a molekula tartózkodási ideje a 110 reakciózónában megegyezik a csőreaktor hosszának arányával. zóna a hosszirányú sebességhez. A turbulizációs áramlások és a hosszirányú keveredés bonyolítja a tartózkodási idő számítását, ezért bevezetik az átlagos tartózkodási idő fogalmát. Ennek eredményeként az indítási időszak végén a reaktor minden szakaszában kémiai kölcsönhatás A fogyó komponens állandó koncentrációja jön létre, a kiindulási anyagok mennyisége a bemenettől a kimenetig csökken. A csőreaktorokat széles körben használják a vegyiparban és a petrolkémiai iparban. A csőreaktorok esetében két fő működési séma létezik: átfolyós (2.7. ábra) és recirkulációs (2.6. ábra). 2.7 ábra - Átfolyós csőreaktor diagramja, valamint a kiindulási és késztermékek koncentrációjának változásainak diagramja 111 2.8 ábra - Recirkulációs reaktor telepítésének diagramja. 1 reaktor; 2-elválasztó; 3-hőcserélő; 4 - keringető szivattyú Ez a séma megfelel a gázolaj krakkolásának, a könnyű termékek reformálásának egykaros séma szerint, valamint az egyes komponensekből származó szintézis folyamatoknak. A meghatározott séma szerint működő berendezéseket széles körben használják az iparban, különösen az olajfinomítókban. Ennek a következő okai vannak: a legtöbb esetben újrahasznosítás nélkül lehetetlen elérni a reagáló anyagok kívánt átalakulási fokát; számos folyamatot párhuzamos vagy mellékreakciók kísérnek a hőmérsékleti zavarok következtében. A melléktermékek hozamának növekedésének elkerülése érdekében az alapanyagok teljes átalakítása újrahasznosítás alkalmazásával biztosított. A motor-üzemanyagok gyártása során a reakciót gyakran a nyersanyag valamelyik komponensének nagy feleslegével hajtják végre. Például izobután feleslegével az izooktán izobutánból és izobuténből szintetizálódik; benzol felesleggel - izopropil-benzol szintézise benzolból és propilénből. Ezekben az esetekben a komponens többletmennyisége kerül bevezetésre a recirkulációval. Az eljárás lényege, hogy az elreagálatlan termékek a reagáltatottakkal együtt a reaktor után bekerülnek a 112-es elválasztó rendszerbe, ahol az utóbbitól elválasztják és friss alapanyagokkal keverve visszatáplálják a reaktorba. 113 4 A VEGYI REAKTOROK ÁTFOGÓ SZÁMÍTÁSÁNAK MÓDSZERE Különféle típusú reaktorokban kémiai reakciók mennek végbe. A berendezés tervezése és méretének kiválasztása egy adott kémiai folyamathoz (kémiai reakcióhoz) számos tényezőtől függ, a kiindulási reagensek fázisállapotától és fizikai-kémiai tulajdonságaiktól, a hő- és tömegátadási folyamatoktól és a hidrodinamikától. Ráadásul mindezek a folyamatok egyidejűleg mennek végbe, ami jelentősen megnehezíti a kémiai reaktorok tervezését és számítását. A legoptimálisabb technológiai és tervezési paraméterek megszerzésének lehetősége a reaktor átfogó számítása során jelenik meg. 4.1 A reaktor kiszámításának algoritmusa Egy optimális tervezésű reaktor létrehozásához, ahogy mondani szokás, kiindulási adatokra van szükség. Mindenekelőtt ismerni kell a céltermék kinetikáját, és azokat a mellékfolyamatokat, amelyek az irracionális alapanyag-felhasználáshoz és a szükségtelen, esetenként káros anyagok képződéséhez vezetnek (a kinetika a kémiai reakciók sebességének tudománya). Ezt követően adatokra van szükség a reakció során felszabaduló vagy elnyelt hőről, valamint a kiindulási anyagok termékké történő átalakulásának maximális mértékéről. Válaszokat ezekre a kérdésekre kémiai termodinamika . Mivel a reakció végbemeneteléhez a kiindulási reagensek molekuláinak találkozniuk kell egymással, a reakciórendszert jól össze kell keverni. A keverés hatékonysága függ a komponensek viszkozitásától, a kiindulási anyagok és termékek kölcsönös oldhatóságától, az áramlási sebességektől, a reaktor geometriájától és a különböző típusú reagens bemeneti eszközöktől. Ezekkel a kérdésekkel a hidrodinamikának nevezett tudomány foglalkozik. A kémiai reakció fellépése a keveredést is befolyásolja. Ezt a fizikai-kémiai hidrodinamika tanulmányozza. Végül a reaktor hőmérsékletét a kinetikai követelményeknek megfelelően kell tartani a reakciósebesség és a cél- és melléktermékek hozamának optimalizálása érdekében. A kémiai reakciók tömeg- és hőátadási folyamatokat figyelembe vevő leírásával foglalkozó tudományt makrokinetikának (makroszkópikus kinetikának) nevezzük. 1. A kémiai reakció típusától (egyszerű, összetett, exo- és endoterm), a kezdeti reagensek és anyagreakciótermékek mennyiségétől, az anyagmérleg általános jellemző egyenletét alkotó áramlásoktól függően határozzuk meg. 2. Az anyagok és keverékeik alapvető fizikai tulajdonságainak meghatározása. 3. Kiszámítjuk a kémiai átalakulások szakaszának kinetikai jellemzőit. Ennek alapján meghatározzák az egyik fő számított értéket - a kémiai reakció időpontját - r. 4. Az ilyen típusú kémiai reakció jellemzőinek elemzése eredményeként a hardver kialakítása egy keverővel ellátott berendezés, reaktorkaszkád stb. formájában kerül kiválasztásra. (Katalógusokból, normálkönyvekből és referenciakönyvekből válogatva). 5. A kiválasztott tervezési típusú reaktor sajátos technológiai jellemzőinek megállapítása után az anyagmérleg általános jellemző egyenlete a reaktor típusának megfelelő periodikus, folyamatos karakterisztikus egyenletté alakul át: ideális keverés vagy ideális elmozdulás, félig. kötegelt működés. Az ilyen típusú reaktorokra jellemző egyenletből, amely a kémiai reaktort jellemző összes fő paraméter - G, p, Vr (G - termelékenység, p - reakcióidő 115 és V r - reaktortérfogat) összefüggését fejezi ki, a Meghatározzák a reaktor fő tervezési paramétereit: térfogatát Vr és ennek megfelelően az F felületet. 6. A keverőberendezéssel ellátott reaktorokban meghatározott kémiai folyamatokhoz mindenekelőtt a keverő típusát az elvégzett folyamat függvényében választják ki. az apparátusban (katalógusok, normálok és referenciakönyvek). Így a reaktorban lévő keverőberendezés a fő funkcionális szerkezeti és technológiai elem, amelynek helyes megválasztása és számítása a reaktor optimális technológiai és termikus működési feltételeitől függ. 7. A közeg viszkozitásától, koncentrációjától, hőmérsékletétől és egyéb fizikai és mechanikai tulajdonságaitól függően a kiválasztott keverőtípus sebességét meghatározzák. Tól től helyes meghatározás A keverő fordulatszáma függ a kémiai reagensek keverésének intenzitásától, a bemeneti áramok elkülönítésének mértékétől, amely meghatározza a kémiai reakcióban lévő anyagok növekedését, valamint a hő- és tömegátadási folyamatokat. Az algoritmus ezen szakaszában kiszámítjuk a keverő n fordulatszámát, a keverésre fordított névleges teljesítmény N n, a tömítésekben elvesztett teljesítmény N y, a belső eszközök teljesítménye N B és a teljes meghajtó teljesítmény 8. A hőszámítás egy általános jellemző reaktoregyenlet összeállításából áll. Egy adott reaktor összes jellemzőjének megállapítása után a hőegyenlet egyenletét a megfelelő adiabatikus reaktortípus karakterisztikus egyenletévé alakítjuk át: nemizoterm, izoterm, politrop, autoterm. A vizsgált reaktor karakterisztikus egyenletéből, amely a berendezés termikus üzemmódját jellemző összes főbb termofizikai paraméter összefüggését fejezi ki Qr, QK, Qf, 116 Q , Qф, QM (Qr a felszabaduló hőmennyiség ill. kémiai reakcióban elnyelt, QK konvektív hőátadás, Qf - hőátadás a felületen keresztül, Q - hőmennyiség változása a reaktor térfogatában, Qf - a fizikai folyamatok során felszabaduló vagy elnyelt hőmennyiség (oldódás). , párolgás, adszorpció, kristályosodás stb.) ha a termikus hatás / N f [kJ/mol] A fő termikus paraméterek meghatározása után a reaktor működésének stabilitását elemzik a termikus rezsim és az optimális érték szerint. 9. A tervezési számításnál a fent meghatározott reaktortérfogat Vr - és felület - F meghatározott geometriai alakzatban (átmérő - D és a berendezés magassága - H), a keverőtengely átmérőjében testesül meg. kiszámítása - dB, a keverő átmérője - dm, a szerelvények és csövek méretei, a tömítőeszközök, valamint a keverőberendezés elemeinek méretei közötti alapvető összefüggések (a keverő átmérője - dM és a keverő átmérője) test DM, a keverő távolsága az alsó berendezéstől és a reaktorban lévő folyadékszinttől stb.). 10. A szilárdságszámítás a reaktor komplex számításának utolsó szakasza. Meg kell érteni, hogy a vegyi reaktorok szerkezeti anyagainak és segédberendezéseinek kiválasztásakor maga az anyag nem befolyásolja a kémiai folyamatot a reaktortérfogatban, de jelentősen befolyásolhatja a hőátadási folyamatokat, különösen nem reaktorok alkalmazása esetén. -fémes bevonatok (gumizás, zománc stb.) .P. ). Valamint a falközeli tartományban a szerkezeti anyag katalitikus hatása következtében lehetséges a melléktermékek (káros, nemkívánatos) reakciótermékek képződése. 117 Ezért azokban a folyamatokban, ahol a korlátozó szakasz a hőátadási folyamat, előzetesen szükséges a szerkezeti anyag kiválasztása. 118 4.1. ábra - Vegyi reaktor számítási algoritmusa 119 5 ÁLTALÁNOS RENDELKEZÉSEK Új kémiai reakció technológiai tervezésénél meg kell állapítani: milyen körülmények között lehetséges ez a reakció, és mekkora a sebessége a kiválasztott körülmények között. Az első kérdésre a kémiai termodinamika, a fizikai kémia második szakaszára a kémiai kinetika adja meg a választ, amely egy kémiai folyamat időbeli lefutását vizsgálja. A kémiai reakciók során új anyagok képződése az atomok elektronjai és a reagáló anyagok molekulái közötti kölcsönhatás miatt következik be. Ezeket a kölcsönhatásokat pedig a különböző atomok és molekulák közötti ütközések valószínűsége határozza meg. Ezért teljesen nyilvánvaló, hogy a kémiai reakció mikroszkopikus folyamat. Egyes reakciókban csak a célterméket kapjuk; Más reakciók melléktermékeket is termelnek. Vannak olyan reakciók, amelyek a fő- és melléktermékek folyamatos sorozatát adják. Az A + B = C reakcióban például a C anyag az egyetlen termék. Az A + B = C + D reakcióban a C céltermékhez valamilyen D melléktermék társul. A széntartalmú vegyületekben a szénlánc jól meghatározott szerkezetű, de a molekulában lévő szénatomok száma változhat. Általában szem előtt kell tartani, hogy a szervetlen anyagok reakciói során fő- és melléktermékek keletkeznek. Ugyanakkor azért szerves reakciók(különösen polimerizációs reakciók), amelyekben az anyagok molekulatömeg szerinti eloszlását végzik, a fő- és melléktermékek megkülönböztetése lényegében bizonytalan. Amint már jeleztük, a kémiai reakció mikroszkopikus folyamat. A kémiai folyamatok számítási, szabályozási és szabályozási elméletében azonban közvetlenül figyelembe vehetők az intermoláris (intermolekuláris) 120 erők, amelyek asszociációt vagy egyéni disszipációt kényszerítenek ki, nem atomokat (molekulákat). Egy termék keletkezését vagy megsemmisülését kizárólag makroszkopikus szempontból kell vizsgálni. 5.1 A kémiai reakció sebességének, állandójának, konverziós fokának és sorrendjének meghatározása A reaktorok számításakor ismerni kell a reakciósebességet, annak sorrendjét, sebességi állandóját és az átalakulás mértékét. Ezek a számítások kísérleti adatokon alapulnak. A kémiai reakciók kinetikai egyenletei lehetővé teszik a reakciósebességre vonatkozó megfelelő adatok jelenlétében a k sebességi állandók pillanatnyi értékének és a reakció időtartamának meghatározását egy adott konverziós fok eléréséhez. Az átlagos reakciósebességet differenciálegyenletek fejezik ki, amelyeket a kinetika elmélete alapján állítanak össze. Ezek az egyenletek figyelembe veszik az időegység alatt elfogyasztott nyersanyagok mennyiségét vagy az időegység alatt előállított termék mennyiségét. 5.1.1 A kémiai reakció sebessége kritikus mennyiségi jellemzők az anyagok kémiai átalakulásának folyamata a kémiai reakció sebessége, vagyis egy komponens mólszámának változása a reagáló közeg egységnyi térfogatára, egységnyi idő alatt: r 1 dn , V d ( 5.1) ahol V a reagáló komponensek térfogata, m3; n bármely fogyasztható (csökkenő) komponens mólszáma (ezt a mínusz jel jelzi); - idő, mp. 121 Általános esetben V egy időben változó mennyiség. Ha V = const, akkor n = cV, ahol c az elfogyasztott komponens koncentrációja időpontban, akkor r d cV dс . d d (5.2) Abból a tényből kiindulva, hogy a VR V reaktortérfogat: r 1 dn V R d [képződő mólszám/(reaktortérfogat egységnyi idő)] Kétfázisú rendszerekben, alapú az S fázisérintkezési felületen: r 1 dn S R d [képződő mólok száma/(érintkezési felület egysége) idő] A szilárd fázissal való reakciókban: r 1 dn M d [ képződött mólok száma/(egységek. szilárd test tömege M) idő] Általában a kémiai reakció sebessége a következőképpen írható fel: dc kc A11 c A22 ... d (5.3) Ez a kifejezés: kémiai reakció kinetikai egyenletének nevezzük. Ebben k a reakciósebesség állandója, 1 és 2 az A 1 és A 2 komponensek reakciósorrendje. A reakció összsorrendje megegyezik az egyes reaktánsok sorrendjének összegével: 1 2 ... . 5.1.2 Egyszerű reakciók Az egyszerű reakciók lehetnek nulla, első, második és magasabb rendűek. 122 5.1.2.1 Nullarendű reakciók E reakciók sebessége nem függ a C koncentrációtól, és a Kp állandó időben állandó: dc kc 0 k konst d (5.4) 5.1.2.2 Elsőrendű reakciók Ebben az esetben a reakciósebesség arányos a reaktáns koncentrációjának első fokával. Jelöljük CB-vel a képződő anyag (például B) koncentrációját τ pillanatban, CA-val pedig az ugyanabban a pillanatban reakcióba lépő A anyag koncentrációját, majd differenciális formában a mértékváltozás sebességét konverzió vagy koncentráció a következőképpen ábrázolható: (5.5): =− = ( 5.5) Az (5.5) integrálás eredményeként (5.6) függést kapunk: =− ∫ ln ahol = −k τ τ ∫ (5.6) = és (5.7) az A reagens kezdeti koncentrációja. Nyilvánvaló, hogy CA = − C és az A koncentráció egyenlő: CA = = −C és a reagált mólok száma: CB = − CA = (1 −) ( 5.8) Bármely komponensre: CB = (1 −) (5.9) 5.1.3 Termékhozam Termékhozam (konverziós fok) - X (5.10) a kémiai átalakulás eredményeként kapott termék mennyiségének a mennyiséghez viszonyított aránya a feldolgozásra kapott kiindulási anyag mennyiségét. Ha egy kémiai folyamat lefolyása sztöchiometrikus egyenlettel kvantitatívan kifejezhető, akkor a végtermék hozama százalékban, a gyakorlatban megszerzett termékmennyiség és az elméletileg lehetséges mennyiség arányaként a 123. sz. sztöchiometrikus egyenlet. 5.1.4 A reakciók osztályozása A reakciók osztályozása. A mechanizmustól függően a reakciók egyszerű (közvetlen) és összetett reakciókra oszthatók. Az egyszerű (közvetlen) reakciók egy irányba mennek, és egy kémiai lépést foglalnak magukban. Az összetett reakciók a következőképpen oszlanak meg: reverzibilis reakciók; párhuzamos reakciók; egymást követő reakciók; kapcsolt reakciók, amikor az egyik reakció spontán megy végbe, a másik pedig csak az első jelenlétében; a felsorolt reakciók kombinációja. 5.2 A hőmérséklet hatása a kémiai reakció sebességére A kémiai reakció sebessége nagyon érzékeny a hőmérséklet változásaira, mivel az utóbbi nagymértékben befolyásolja az egyenletben szereplő k sebességi állandót. A legszélesebb körben használt kifejezés a sebességi állandó hőmérséklettől való függése az Arrhenius-egyenlet formájában. Mivel a reagáló anyagok koncentrációja nem függ a hőmérséklettől, a kémiai reakció sebességének kifejezése a következő formában lesz: =− = = (5.11) A z és E állandókat kísérleti úton találjuk meg. Az (5.12) kifejezés logaritmusát felvéve megkapjuk a koordinátarendszerben lévő egyenes egyenletét (1/T, Ln k). Ennek az egyenesnek az 1/T vízszintes tengellyel grafikusan megállapított dőlésszögéből tan a = E/R kerül meghatározásra, amelyből az ismert R gázállandóból az E aktiválási energia értékét kapjuk. a k sebességi állandó egy bizonyos T hőmérsékleten és E érték mellett ismert, akkor az (5.12) egyenletből könnyen megtalálhatjuk a preexponenciális tényezőt: z= E paraméter egyszerű reakciók minimális energiája esetén (5.12) mutatja hogy a reagáló részecskék olyan, hogy ütközésük (aktív) új kémiai vegyületek képződéséhez vezet. Ezért az E paramétert aktiválási energiának nevezzük. Ha egy rendszerben több reakció játszódik le, akkor a hőmérséklet emelkedésével a nagyobb E értékű reakció sebessége gyorsabban növekszik a többihez képest. 5.3 Párhuzamos és szekvenciális reakciók Párhuzamos reakciók. Tekintsük az A→B A→C típusú reakciókat. Ez a séma például benzol és toluol keverékének klórozásánál fordul elő. Az (5.7) képlet szerint a következőket kapjuk: = = () = (5.13) Ebben az esetben két eset lehetséges: a) = És ≠ b) az (5.13) kifejezésből a következőket kapjuk: () = A és a különbség a leginkább megnyilvánul alacsonyabb hőmérsékleten Például, ha az aktiválási energia különbsége 125 − =∆ = 2400 cal ∗ mol, és a hőmérséklet T = 300; 600 és 900 °K, R=1,987≈2 cal*mol, akkor ∗ fokot véve a következőt kapjuk: =e ∗ = =e ∗ = =e ∗ = , Más szóval a párhuzamos reakciók sebessége alacsony hőmérsékleten élesen eltér . Ezért a tipikus párhuzamos reakciókat, például a folyadékfázisú szénhidrogének klórozását és oxidációját ilyen körülmények között hajtják végre. Úgy tűnik, hogy a hőmérséklet emelkedése semlegesíti a reagáló részecskék reakciókészségét. Legyen most hőmérséklet ⁄ =0,001 irány − ≠ . Ha reakciók<
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 térfogatrész kimeneti áramlás, amelynek „életkora” kisebb, mint T. Így az egyik eloszlásfüggvény ismeretében kaphat egy másikat. A következő összefüggés áll fenn az átlagos tartózkodási idő T és E(T) között: 128 m QV E d v v 0, (7.3) Azaz E(τ) ismeretében meghatározható a Vr. vagy τ. Az E(τ) és P(x) függvény szintén a következő tulajdonságokkal rendelkezik; rendre (7.1. és 7.2. ábra). 7.1. ábra - A tartózkodási idő eloszlás sűrűségfüggvénye E(τ) 7.2. ábra - A tartózkodási idő eloszlás sűrűségfüggvénye P(x) Az E(τ) és F(τ) kifejezésekben célszerű a relatív (dimenzió nélküli) kifejezést használni. tartózkodási idő. 129 = tényleges tartózkodási idő átlagos tartózkodási idő = ∙ (7.4) A keverőreaktorok kaszkádjára E(τ): E mm m1 e m 1 ! (7.5) E(τ) keverőreaktorokhoz: F 1 e (7.6) F(τ e) kaszkádhoz: m F m 1 m 1 2! 2 m 1 ... m 1 ! m 1 (7.7) 7.2. E(τ) és F(τ) kísérleti meghatározása és egy kémiai reaktor elemzése ezen függvények segítségével, valamint az Eτ) segítségével. (τ ) a reaktort nyomjelző anyag (festék, izotópok, savak, bázisok stb.) bejuttatásával és a kimenő jel idő függvényében történő mérésével vizsgálják. A nyomjelző nem mehet át kémiai átalakuláson (7.3., 7.4. ábra). Az E(τ) meghatározásához kis mennyiségű nyomjelzőt vezetünk be impulzus formájában, azaz a koncentráció fokozatos változásával a bemenetnél, és a Cm/Co-f(τ) koncentráció változásával a kimeneti nyílásnál. 7.3. ábra - Sűrűségfüggvények 130 E(τ) és F(τ) eloszlás kísérleti meghatározása nyomjelzővel egyetlen teljesen kevert reaktorhoz és reaktorok kaszkádjához nyomjelző ideális reaktor valós reaktor 7.4 ábra - Az E(τ) sűrűségfüggvények és az F(τ) eloszlás kísérleti meghatározása nyomjelző segítségével ideális és valós reaktorokhoz 7.5 ábra - Egyetlen teljesen kevert reaktor és egy reaktorkaszkád működésének elemzése az eloszlási sűrűségfüggvények segítségével E(τ) és F(τ) eloszlás 131 7.6. ábra - Egy „ideális” és egy valós reaktor működésének elemzése kísérletileg meghatározott E(τ) és F(τ) függvények segítségével 7.7. ábra – A végső eloszlási függvények összehasonlítása reakciók at különböző jelentések m 132 A reaktorból idővel kilépő anyag térfogathányadát a következőképpen határozzuk meg: F() Qv C Qv0 Co, (7.8), és ez arányos a relatív koncentrációval. A legfontosabb vegyi reaktortípusok eloszlási függvényei fent láthatóak (7.5. ábra) A gyakorlatban vannak olyan berendezések, amelyeknél az üzemi feltételek nagyon összetettek (például forgókemence, krakkolóegységek stb.), amelyek nehézkesek. összehasonlítani egyik vagy másik típusú ideális reaktorral. Ezekben az esetekben a grafikus módszereken alapuló Hoffmann-Schoenemann módszerek alkalmazhatók. Kísérleti adatok szerint a C/CO - τ függést ábrázoltuk a grafikonon, innen a C/Co = 1 – X egyenlet segítségével azonnal megkaphatjuk a termékhozam értékét. A mért F(τ)-t ugyanazon a diagramon ábrázoljuk, majd átrendezzük a C/CO F(τ) függőségbe (7.8. ábra). A kapott eredmények akár 10%-os pontosságot adnak. 7.8. ábra - Grafikus módszer a Hoffmann-Schoenemann eloszlásfüggvények meghatározása F(τ) 133 8 HŐÁLLÍTÁS VEGYI REAKTOROKBAN A hőmérséklet a kémiai reaktorok fontos dinamikus paramétere. Növeli, ha az (exoterm) reakció során keletkező hőt hűtőközeggel (konvektív hőátadás) vagy vezetéssel (vezető hőátadás) és sugárzással nem lehet elég gyorsan eltávolítani. A kémiai reaktorok bizonyos típusai, különösen azok, amelyekben a reakció gázfázisban megy végbe (kemencés típusú reaktorok), jelentős mennyiségű hőt termelnek, és jellemzőjük a termikus önszabályozás. Másrészt az olyan exoterm reakciók, mint a polimerizáció, olyan nagy mennyiségű hő felszabadulásával járhatnak, hogy a keverék összetevőinek bomlása (pusztulása) következik be, amely kiindulási nyersanyagokból, ... közbenső termékekből és végtermékekből áll. Mivel a reakció sebessége a hőmérséklet növekvő függvénye (pl. Arrhenius törvénye), a reakció iránya végső soron megváltozhat. A reaktor hőcserélő berendezéseinek tervezési hibái miatt a hőcsere nehézkes lehet, ami természetesen rontja a hőmérséklet szabályozási képességet. A mellékreakciók a reaktorban „stagnáló zónák” jelenléte következtében is fellépnek; a reaktorelemek anyagának autokatalitikus hatása a reakció melléktermékeinek képződésére; a reaktorban történő nem megfelelő keverés eredményeként; ugyanakkor „forró pontok” keletkeznek benne, és a reakciósebesség növekedése ezen a területen közelebb hozza a robbanás körülményeihez. 8.1 Termikus hatás a reaktorokban A kémiai reakciókat gyakran hőkibocsátás vagy -elnyelés kíséri, azaz exoterm vagy endoterm termikus hatás. Ha a reakció exoterm módon megy végbe, akkor bizonyos mennyiségű hőt el kell távolítani a reaktorból, és endoterm hatás esetén azt be kell juttatni. Amikor a reakció adiabatikusan megy végbe, a reaktor hőmérséklete megváltozik és. ezért változik a reakció sebessége. A kémiai reakciósebesség - r függését a reaktorban lévő reakciótömeg hőmérsékletétől a K = K e (8.1) Arrhenius egyenletből határozzuk meg. A (8.1)-ből következik, hogy a kémiai reakciósebességet - r a függés határozza meg. (8.2) r = K e C C. . C, (8.2) KO egy kísérleti állandó, R gázállandó, E az aktiválási energia, megmutatja, hogy a reagáló részecskéknek mekkora minimális energiával kell rendelkezniük ahhoz, hogy ütközésük új kémiai vegyületek képződéséhez vezessen. Ha E=(10÷ 60) ∗ 10 kcal kmol, akkor a T 10°C-kal történő növelése (1,2-2,5)-szeres K növekedést eredményez. A különböző kémiai reakciók r = f(T) függőségeit a (8.1. és 8.2.) ábra mutatja. 44. Sebesség függése 45. ábra. Egy kémiai reakció sebességének függése r = f(T) az alábbi esetekben: reakció r = f(T) esetén: a- egyszerű irreverzibilis reakciók A B; b - heterogén folyamatok, ha a reakció meghatározó szakasza a diffúzió, gyengén hőmérsékletfüggő; c - az égés és a benne lejátszódó kémiai reakciók során. 135 láng; d - reverzibilis A és B reakciók; e - nitrogén-oxid és szénhidrogének oxidációs reakciói. Ahhoz, hogy ismerjük azokat a feltételeket, amelyek között a reaktor egy bizonyos termikus üzemmódja - izoterm, adiabatikus vagy programozott - megvalósul, fel kell készíteni a reaktor hőmérlegét. Általános formában a hőmérleg a következőképpen ábrázolható: () τ = −(hG) + Q + W (8.3) ahol U a reakcióközeg össztömegegységére eső belső energia; h a reakcióközeg teljes tömegének egységére vonatkoztatott entalpia; G - a reagensek tömegáramlási sebessége; Q - hőfogyasztás; W- gépészeti munka időegységenként; τ - idő; m a reagensek össztömege. Az entalpia és a belső energia között összefüggés van: h=U+ ρ dh = dP + C dT∆h dx ρ (8.4) (8.5) Itt P a nyomás; p - sűrűség; ∆H - a reakció termikus hatása; M- molekulatömeg I. komponens; X az I. komponens átalakulási foka. A kémiai reakciók, mint ismeretes, vagy a hő elnyelésével (endoterm reakciók), vagy a hő felszabadulásával (exoterm reakciók) mennek végbe. Elégtelen kívülről történő hőellátás esetén az endoterm reakció kialszik. Nem megfelelő hőelvonás esetén az exoterm reakció nagyon nemkívánatos szövődményekkel (termék bomlás, robbanás stb.) jár, minden reakciórendszernél stacionárius állapot lép fel, amikor egyensúlyi állapot jön létre a hőfelszabadulás (vagy -fogyasztás) és eltávolítása (vagy ellátása). A reaktorfalak túlhűtésének vagy túlmelegedésének elkerülése érdekében javasolt ϴ = t ± 20 °C (8.7) értéket venni, ahol ϴ a köpeny bejáratánál mért hőmérséklet; t a reakció hőmérséklete a berendezésben. A reakciótömeg és a reaktor melegítésére vagy hűtésére fordított hőmennyiséget (J) a következő képlettel számítjuk ki: Q = (m C + mj Cl)∆t () (8.8) ahol m, ml a reaktor tömege és a beletöltött folyadék, J/ (kg*K) A fűtési vagy hűtési folyamat során a hőmérséklet-különbségek a következők lesznek: ∆t = t − t ; ∆t = t − t . Itt t a reakció hőmérséklete; t folyadék hűtés után; t - végső hőmérséklet - a folyadék kezdeti hőmérséklete a melegítés előtt. A reaktor tömege (kg) megközelítőleg a következő képlettel határozható meg: m = 230p ∗ D, ahol p a reaktorban uralkodó túlnyomás, MPa; D - a reaktor átmérője, mm. A fő technológiai és tervezési paraméterek, valamint a felszabaduló vagy elnyelt hő mennyisége, a reakciósebesség és a reaktor térfogata a (8.10) 137 q = r ∗ ∆H ∗ Vl függéssel függ össze, ahol q a teljes hőmennyiség (8.10) a kémiai reakciók eredményeként felszabaduló (elnyelt) hő; kcal r - reakciósebesség, kcal m ∗s; ∆H - a reakció termikus hatása, kcal; m ∗óra Vl a reakciótömeg térfogata a reaktorban. 8.2 A kémiai reaktorok osztályozása termikus rezsim szerint A hőviszonyok szempontjából a kémiai reakciókat és ennek megfelelően a reaktorokat az alábbiak szerint osztályozzuk: 1. Az izotermikus rezsim a reakciózónában a külső reaktorokkal történő hőcsere következtében állandó hőmérsékletű rezsim. környezet. A reaktor izoterm, ebben az esetben a következő reakciók lehetségesek: endoterm - hőt szállítanak a reakciózónába; - az exoterm hőt eltávolítják a reakciózónából. Az izoterm rezsim ideális keverőberendezésekben érhető el a legkönnyebben. 2. Adiabatikus üzemmód - hőcsere hiánya külső és belső burkolófelületeken keresztül - adiabatikus reaktor. Az exoterm reakciókhoz használt dugaszolható eszközökben a hőmérsékletet a reaktor hossza mentén számítják ki a termék bemenetétől a kimenetig. Endoterm reakcióban az ellenkező kép figyelhető meg. Ideális keverőreaktorokban exoterm reakció során a hőmérséklet idővel növekszik; endoterm reakció során csökken. 3. Nem izotermikus és szoftvervezérelt üzemmód. Ezt az üzemmódot olyan kémiai reaktorokban hajtják végre, amelyeknél nincs elegendő hőellátás vagy eltávolítás, ami szükséges; hogy izoterm reakció jöjjön létre. Ebben az esetben a hőmérsékletet a programnak megfelelően a dugós áramlású reaktor hosszában vagy 138 °C-ban szabályozzák az ideális keverőreaktorokban - a reaktor nem izoterm. 4. Autotermikus üzemmód - a kívánt hőmérsékleti rezsim eléréséhez felhasznált reakcióhő miatt - a reaktor autotermikus. A reaktorok termodinamikai szempontú vizsgálatának alapja a hőmérleg egyenlete. Ezért ha a reaktor anyagi és szerkezeti számítása az általános egyenlet alapján történik. 8.3. Algoritmus a kémiai reaktorok termikus rezsimjének számításához Szinte minden kémiai reakciót hőhatások kísérnek, vagyis hő felszabadulásával vagy elnyelésével jönnek létre. Ez határozza meg a készülék tervezési jellemzőit a szükséges hőmérsékleti viszonyok fenntartása szempontjából, pl. a kémiai reakció optimális üzemi hőmérséklete a reaktorban. A hőszámítási algoritmus a következő szakaszokat tartalmazza: - A reakció termikus hatásának és a reaktor termikus rezsimjének meghatározása. - Általános jellemző hőmérleg egyenlet felállítása. - Hőmérsékletviszonyok kiszámítása keverő- és kiszorítóreaktorokban. - A reaktor hőcserélő berendezésének hő- és szerkezeti számítása. - Az anyagmérleg hőcserélő berendezéseinek elemeinek szilárdsági számítása, majd a teljes hőmérleg alapján hasonló hőszámítás történik. 9 VEGYI REAKTOROK HŐSZÁMÍTÁSA 9.1 Általános jellemző hőmérleg egyenlet A kémiai reaktor hőmérlegét az energiamegmaradás 139-es törvénye alapján állítjuk össze, mely szerint zárt rendszerben minden energiafajta összege állandó. Ebben az esetben a kémiai reakció vagy fizikai átalakulás eredményeként a reaktorba juttatott és felszabaduló (elnyelt) összes hőt figyelembe kell venni; az egyes komponensek által a reaktorba belépő és onnan kilépő hő, valamint a környezettel való hőcsere. Tekintsük Q - konvektív hőátadás Q = (ϑ ∙ ρ ∙ C ∙ t in) − (ϑ ∙ ρ ∙ C ∙ t) (9.1), ahol: ϑ - a reagensek áramlási sebessége, ρ - sűrűség, C - fajlagos hőkapacitás, t in és 0t - a hőmérséklet a reaktor kimeneténél és bemeneténél. Több kémiai reagensáram jelenlétében (n áramlás) Q =∑ Q ϑ ∙ρ ∙C ∙t (9.2) - a kémiai reakcióban felszabaduló vagy elnyelt hőmennyiség, amely a hőhatás definíciója szerint kémiai reakció ±∆H alakja Q = (± r) ∙ V(±∆H) (9.3) Q - hőátadás a hőcserélő felületen keresztül Q = ±K ∙ F ∙ ∆T) (9.4) ahol K a hőátbocsátási tényező, és az előjel a folyamat irányától függ (+) fűtés, (- ) hűtés. - a hőmennyiség változása a reaktor térfogatában = ahol r.st, r.st f ∙ Av.st + l ∙ Avg ∙ =∑ (∙ Av) ∙ (9,5) , Av.st, Avg tömeg és a reaktor anyagának hőkapacitása és a reakciótömeg. Figyelembe kell venni a reaktor fémrészeinek melegítésére fordított hőmennyiséget, különösen szakaszos reaktorok esetén, mivel ez a fém jelentős tömege miatt arányos a reakcióközeg melegítésére fordított hőmennyiséggel. a készülékről. - a keverés során felszabaduló hőmennyiség. Ezt a hőt azért kell figyelembe venni, mert a keverő által szolgáltatott teljesítmény viszkózus súrlódás révén disszipálódik a folyadék térfogatában, ami annak felmelegedéséhez vezet. Ez az érték kifejezhető a teljesítménytényezővel, a keverő forgási sebességével - n és a keverő átmérőjével = ∙ ∙ , ∙ (9.6) Ez az érték csak nagyon viszkózus közeg keverésekor jelentős. Alacsony viszkozitású közegeknél ez jelentéktelen, és a gyakorlati számításoknál figyelmen kívül hagyható. f - a fizikai folyamatokban (oldódás, kristályosodás, ∙∆ kondenzáció, abszorpció stb.) felszabaduló vagy elnyelt hő mennyisége, ha a hőhatás f = (±∆ f) párolgás, kcal f [kmol] ∙ Av ∙ (9,7) ) A reaktor hőmérlegének összes figyelembe vett komponensének összegzése után az általános hőmérleg-egyenlet bármely típusú berendezésre + + + + + f =0 (9,8) vagy ∑ (∙ Av) + ϑ ∙ Cp ∙ formában jeleníthető meg. tk − ∆Tcp + ± ∆ ∑n i=1 ϑi ∙ ρi ∙ Cpi ∙ t0i + (±r) ∙ V f ∙ Av ∙ + ∙ ∙ Av ∙ + ∙ ∙ A ± 9. 3∙ ± ∙ A.9. minden anyag- és hőszámítás táblázatokká redukálódik. A reaktor típusától függően (szakaszos, félfolyamatos, (izoterm vagy folyamatos) adiabatikus és/vagy politróp hőmérsékleti rendszer). Az általános hőmérleg-egyenlet (9.8 és 9.9) leegyszerűsödik, és egy adott reaktorra 141 karakterisztikus egyenletté alakítja át, amely a reaktor hőmérsékleti viszonyainak kiszámításának alapja. 9.1 A termikus viszonyok hatása a kémiai folyamatok lefolyására ideális keverő- és kiszorításos reaktorokban. Folyamatos izoterm reaktor hőszámítása teljes keveréssel. Állandósult állapotban a hőmérleg egyenlete (9. 9) teljes keveréssel és hőcserélő felülettel rendelkező reaktorhoz. (9.1. ábra) és (9.2. ábra) a következőképpen írható fel 9.1. ábra – Folyamatos izoterm reaktor működési sémája teljes keveréssel és hőcserélő felülettel termodinamikai szempontból. 142 9.2. ábra Hőmérsékletprofil folyamatos izoterm reaktorban. 0 = −G ∙ (h − h) + K ∙ F ∙ (T ,) (9.10) ahol h a bemeneti áramlás entalpiája; h a kilépő áramlás entalpiája; K - hőátbocsátási tényező; F - hőcserélő felület; T az átlagos reakcióhőmérséklet; T, - átlagos hűtőfolyadék hőmérséklet. A h −h értékét a (9.5) egyenlet integrálásával kaphatjuk meg. Ezért állandó nyomáson a következőket kapjuk: h − h = ∫T,H, [ ∙ dT ∙ (∆h) ∙ dx ] (9.11) (9.11) és (9.12) behelyettesítve kapjuk: 0 = −∫ () − [ (∆ h) 143 ∙x + ∙ (T − T,) (9.12) Ezt az egyenletet egy izoterm reaktor karakterisztikus egyenletével együtt megoldva kiszámíthatjuk a betáplált hőmennyiség hatását a reaktor hőmérsékletére. Abban az esetben, ha a reakcióelegy entalpiája kissé változik a hőmérséklettől és az összetételtől függően, a (9.12) egyenlet a következő formában írható fel: x (∆h) = ∙ (T − T) + ∙ (T − T,) (9.13 ) Az egyenlet bal oldali részének kifejezése a reakcióközeg tömegegységére eső szabad entalpia; arányos a rendszer moláris entalpiájával, az átalakulás mértékével és feltehetően a reakció sebességével. 9.2. Folyamatos izoterm reaktor termikus rezsimjének elemzése A (9.13) egyenlet jobb oldala a reakció során elnyelt teljes hőmennyiséget jelenti tömegegységenként. Az első kifejezés az áramlás által elnyelt hő, a második pedig a hőközeg által átadott hő. Exoterm reakció esetén a (9.13) egyenletet grafikusan ábrázoltuk az ábrán. 8,5 a Qr(QS) exoterm reakció eredményeként felszabaduló funkcionális függés formájában a reaktor hőmérsékletétől Tr °C. Az elnyelt hőnek megfelelő egyenesek metszéspontja az általános görbével kielégíti a (9.20) egyenletet és az állandósult reakciót biztosító hőmérsékleteket. A teljes reakcióhő =− ∙ (∆h) (9.14) az 1. görbe diagramján látható, és alacsony hőmérsékleten gyakorlatilag nulla. A hőmérséklet emelkedésével a reakciósebesség gyorsan növekszik. Ha a reakció nem reverzibilis, a sebességnövekedés folyamatosan megy végbe, amíg a reagensek teljesen el nem fogynak, grafikusan a 2, 3 és 4 egyenesekkel ábrázolható három különböző 144 esetben. Ha a hőátbocsátási tényező és a hűtőfolyadék hőmérséklete megmarad állandó értékek, akkor ezt a függést minden esetben egyenes vonalként ábrázoljuk. 9.3. ábra Autotermikus reaktor hőmérsékleti jellemzői. Elnyelt hő = ∙ (T − T) + ∙ (T − T,) (9.15) A 3. egyenes metszi a / görbét az A pontban, ami a vizsgált esetben a reaktor maximális hőmérsékletének felel meg. A hőmérséklet enyhe emelkedése növeli a sebességet, így a teljes hőt, de a hűtés a hőmérsékletet normálra csökkenti, így a folyamat állandósult lesz. Ez azért lehetséges, mert a TA határértékhez közeli hőmérsékleten a teljes hő kisebb, mint az átadható hő. Az A pont az alacsony konverziós fok tartományában van. 145 Fig. 9.4 Lehetséges változások autotermikus reaktor hőmérsékletek. A 2. egyenes három pontban metszi a / görbét, amelyek közül B és D a stabil működési feltételeknek, a C pont pedig az instabil működésnek felel meg. A C pontban a teljes hőmennyiség gyorsabban növekszik, mint az átadott hő, és a hőmérséklet emelkedése a reakciórendszert a D pontnak megfelelő állapotba hozza. Ellenkezőleg, a hőmérséklet csökkenése a reakciórendszert a B pontba irányítja. A D pont leginkább a reaktor optimális működési módjának felel meg, és a magas konverziós fokú területeken található. A 4. vonal nem metszi a 7. görbét, ami azt jelenti, hogy alacsony hőmérsékleten vagy magas hőátbocsátási tényezővel kell hűtéssel dolgozni. A nagyon alacsony hűtőközeg-hőmérséklet azonban gyengítheti a reakciót, ezért szükséges a hűtőfolyadék áramlását befolyásoló hőmérséklet megfelelő szabályozása, ezáltal csökkentve a hőmérsékleti veszteségeket. Ehhez szükséges: - olyan vezérlőrendszerrel, amely biztosítja a szükséges hőátadást a köpenyben lévő hűtőfolyadék hőmérsékletének csökkentésével vagy áramlási sebességének növelésével; - olyan vezérlőrendszert alkalmazni, amely a reaktor instabil működése esetén növeli a reagensek teljesítményfelvételét, ami csökkenti az érintkezési időt, ezáltal csökkenti az x és Q esést. (a 6. ábrán az 1. görbe az 1. görbével párhuzamosan, a 2. görbe alakját öltve jobbra mozdul el növekvő teljesítményfelvétel mellett, de a 3. egyenesnél kisebb meredekséggel, ami megfelel a stabil működés feltételének); - olyan vezérlőrendszert használjon, amely instabil működés vagy a reagensek hígítása esetén növelné a 3. egyenes meredekségét, így a rendszer hővesztesége nagyobb a teljes hőmennyiséghez képest. A reagens hígítása után a 3. vonal a 4. egyenes pozícióját veszi fel (a reaktor stabilan működik). A fentiekből következik, hogy az exoterm reaktorok instabil működésének bizonyos eseteire lehetőség van a reaktor stabilitását biztosító szabályozási és vezérlőrendszerek alkalmazására. ábra metszéspontjai. jo megfelelnek egy izoterm reaktor működési feltételeinek. Exoterm reakció esetén, amely magas hőmérsékleten megy végbe, a reakció teljes hőjét használják fel a reagensek melegítésére. Így nincs szükség további hőre a reakció fenntartásához. A munkaközeg-zóna átlépésének elkerülése érdekében ∆tcp = 15 + 20 °C átlagos hőmérséklet-különbséget biztosítunk. Ha a reakció bármely pillanatában az F hőcserélő felülete nem elegendő a hő eltávolításához (szállításához), akkor a készülékbe további hőcserélőket (hűtőszekrényeket) szerelnek be. A folyamatos berendezés szükséges termikus működési feltételeinek fenntartásához a hűtőközeg (víz) áramlási sebességét a következőképpen kell kiszámítani: = (ϴ ϴ), (9.16), ahol QF a hőátadó felületen áthaladó hőáramlás; ST - a hűtőfolyadék hőkapacitása, J/kg∙K; ϴ és ϴ a hűtőközeg hőmérséklete a reaktorköpeny bemeneténél és kimeneténél. A ϴ hőmérsékletet a reaktorfalak túlhűtésének elkerülése érdekében ϴ = (tp-20) °C-nak kell venni. 9.3 Plug-flow reaktor hőcserével a reagensek és a termék között Egy dugóáramú adiabatikus reaktor, amelyben az exoterm reakció végbemegy, kombinálható hőcserélővel, ahol hőcsere történik a reagens és a termék között. Rizs. 9.5. Rizs. 9.5 Hőmérséklet változás teljes kiszorítású reaktorban - 1, hőcserélőre csatlakoztatva (autotermikus rendszer) - 2. Tn - 148 hőcserélőbe belépő kezdeti komponensek kezdeti hőmérséklete 2; T a reaktorba belépő felmelegített kezdeti komponens hőmérséklete; Tp a reakciótermékek hőmérséklete a reaktorban és annak kimenetén; Tk a hőcserélő késztermékének végső hőmérséklete. Az autotermikus reaktor-hőcserélő rendszer recirkulációs reaktorként működik. A 9.5. ábra egy ilyen rendszer hőmérsékletváltozását mutatja a reaktor hossza mentén. 9.4 Reaktor teljes kiszorítással és hőcserélő felülettel Álló üzemmódban végtelenül kicsi térfogatú elemre összeállított hőmérleg (9.6. ábra) = ∙ ℎ+ (9.17) Állandó nyomáson: ℎ= ∙ + (∆h) dx (9.18) A D átmérőjű reaktor felületén áthaladó hő: = ∙ ∙ ∙ (T − T,) ∙ dz (9.19) Ezt az értéket a (9.17) kifejezésbe beépítve a 0= ∙ ∙ dT + ∙ (∆) egyenletet kapjuk h) ∙ dx + ∙ ∙ ∙ (T − T ,) ∙ dz (9.20) amit a dugós áramlású reaktor differenciálegyenletével együtt kell megoldani: 0 = −G ∙ dx + r ∙ π ∙ D ∙ dz ( 9.21) ábra. 9.6 Teljes kiszorítású és hőátadó felülettel rendelkező reaktor hőmérlegének levezetése. 149 Az utolsó két egyenlet egyidejű megoldása lehetővé teszi a hőmérséklet és az átalakulási fok profiljának ábrázolását a reaktor hossza mentén. 9.5 Keverős adiabatikus reaktor termikus számítása Exoterm reakciók. Tekintsünk egy exoterm közvetlen elsőrendű A→B típusú reakciót, amely folyamatosan megy végbe (9.7. ábra). A folyamat előrehaladtával a QR-hő szabadul fel a reaktorban lévő berendezésben. A készülékbe belépő és kilépő áramlások hőt visznek be és szállítanak el. Nincs más hőcsere a külső környezettel (reaktorfalak lehűlése, hőveszteség). ábra -52. Adiabatikus reaktor keverővel. Vezessük be a következő jelölést: QVBX - élelmiszer, m3 sek-1; γ - fajsúly, kgf/m3; 150 s = const - a reagáló közeg hőkapacitása, kcal/kgf∙deg; C a célkomponens koncentrációja, kmol∙m3 és T hőmérséklet, °C. A be- és kimenő indexek a reaktorba belépő és onnan kilépő áramlások értékére vonatkoznak. Xq konverziós fokon a reagált mólok száma Swx Xq, és a reakció termikus hatása során felszabaduló hő q - kcal∙kmol: = kcal∙sec-1 ∙ Swx ∙ (9.22) stacionárius üzemmódban a hőmérséklet-különbségből adódó hőváltozás a reakciótömegben egyenlő: pot = ∙ ∙ ∙ out − ∙ ∙ ∙ 9,23) in Vegyük a T = TA reakciózóna hőmérsékletét egyenlőnek a a reaktor kimenetét. Állandósult állapotban QR = Qpot és ∙ ∙ = Leegyszerűsítések: out = in ∙ ∙ out = ∙ in out − in ∙ ∙ ∙ kmol∙sec-1 és = (9.24) in ∙ in = ∙ az egyenletből (egyenletből 9.24). ) kapjuk: ∙ ∙ = ∙ ∙(∙ = ∙ (ki − − befelé (9.25))) (9.26) A (9.22) egyenletből az következik: = ∙ be ∙ = izzadság ∙ be ∙ = ∙ ki ∙ ( in) ( 9.27) 9.6 Adiabatikus reaktor termikus rezsimjének elemzése Az ábrán. A 9.8. ábra bemutatja az U konverziós mértékének T-től való függését az A → B típusú közvetlen irreverzibilis elsőrendű exoterm reakciók esetén. A T és U értékeit a (9.22) és (9.26) kifejezésekből kapjuk. Mivel az U értékek QR és Qpot függvényében vannak kifejezve, ez a grafikon a QR=ƒ(T) függést adja meg. A QR=ƒ(T) függést az MN görbe jellemzi. 151 Fig. 9.8 Az adiabatikus üzemmódban végbemenő közvetlen exoterm reakció konverziós fokának grafikonja a hőmérséklet függvényében. Alacsony hőmérsékleten a QR nagyon lassan növekszik - az első ML szakasz a grafikonon. Azonban a reakciósebesség T növekedésével járó növekedésével a QR hőleadás egy görbe vonalú törvény szerint meredeken növekszik (I-III. szakasz), majd a IV szakaszban szinte állandó marad. Az anyagáram által kivett Qpot hőmennyiség a (9.26) képlet szerint arányos a hőmérséklet-különbség első hatványával a ki- és bemenetnél; a Qpot grafikonon párhuzamos egyenesek sorozataként kell ábrázolni A, B, E, C, R, D szögegyütthatóval 152 tan = ∙с Ce ∙ (9.26) Egyenesek Qpot ÉS 5 alakú MN (QR) görbe ) egy, két vagy három metszéspontja van a T-TE hőmérséklet-különbségtől függően. Az egyenesek határhelyzetei két Ps és P2 érintőpontnak felelnek meg, Tgr2-től és Tgr1-től függően - T határértékek. Az egyenesek és a görbe metszéspontjai megfelelnek a QR = Qpot egyenlőségnek, az anyagmérleg függvényében. Az A pozícióban (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, a hőelvonási egyenes (D pozíció) a görbe felső részét egy IV pontban metszi. Itt viszonylag magas, 153 °C-os kezdeti hőmérsékleten meglehetősen magas fokú U-konverzió érhető el.A reakció spontán módon fejlődik ki, és kialakul az „spontán égés” lehetősége. A C egyenes helyzete a spontán reakció kezdetét (P2 érintési pont) jellemzi. A II. pontban a QR = Qpot egyenlőség figyelhető meg, és ez jelzi a kritikus hőmérsékletet. A hőmérséklet enyhe emelkedésével QR>Qpot, és a metszéspont a III. pozícióba kerül. Éppen ellenkezőleg, a QR hőmérséklet enyhe csökkenésével 6. témakör. VEGYI REAKTOROK Modern vegyi reaktor
-
1)
2)
hőcserélők; 3)
keverő eszközök, 1.
2.
Magas termékhozam F φ-
R, X. 3.
termelékenység
(alapanyagok) és magas az átalakulás mértéke
X A(reagens): sémákban nyitott hurok előnyben részesítik a magas konverziós fok X A reagensek; zárt rendszerekben előnyben részesítik a magas termelékenység.
A rektor kialakítását befolyásoló tényezők 1.
A reagensek és termékek fizikai tulajdonságai és aggregációs állapota. 2.
Szükséges keverési intenzitás. 3
. Az XP hőhatása és a szükséges hőátadási intenzitás. 4
. A hőmérséklet és a nyomás a folyamat paraméterei. 5.
A reakció tömegének agresszivitása, toxicitása. 6
. A gyártás robbanás- és tűzveszélyei. Az ipar számára fontos feladat bizonyos mennyiségű termék beszerzése meghatározott idő alatt, pl. ki kell számítani a reaktánsok tartózkodási idejét a reaktorban egy adott konverziós fok eléréséhez. Ehhez ismerni kell ennek a reakciónak a kinetikai modelljét. A tartózkodási idő hozzávetőleges kiszámításához matematikai modellezést használnak. A matematikai modell egy olyan egyenletrendszer, amely bizonyos legfontosabb folyamatparamétereket kapcsol össze. A fizikai modell egy rajz, egy minta, amely az objektum leglényegesebb aspektusait jeleníti meg. A matematikai modellezés során egyszerűbb függőségek eléréséhez néhány paramétert figyelmen kívül hagyunk. Tekintsük az izoterm üzemmódban működő kémiai reaktorokat. Mivel az ilyen reaktorokban a térfogatukon belül nincs hőcsere hajtóereje (∆T = 0), a hőmérleg-egyenlet kezdetben kizárható a reaktor matematikai modelljéből, és ez (matematikai modell) anyagmérleg-egyenletre redukálható. amely figyelembe veszi a kémiai reakciót, a tömegátadást és az átviteli impulzust. A matematikai modell további egyszerűsítése érdekében külön csoportba különíthetjük az IDEÁLIS ÁRAMLÁSSZERKEZETŰ REAKTOROKAT tökéletes keverés
És tökéletes elmozdulás
.
Az ideális áramlási szerkezetre vonatkozó feltételezések lehetővé teszik számos operátor kizárását az általános anyagmérleg-egyenletből, és ezáltal jelentősen leegyszerűsítik az ezen egyenlet alapján végzett számításokat. AZ IDEÁLIS REAKTOROK MODELLEI A reagens tartózkodási ideje RIS-ben és RPS-ben Bővítsük ki a zárójeleket: Az egyenlet lehetővé teszi (ha a folyamat kinetikája ismert) a kívánt konverziós fok eléréséhez szükséges idő kiszámítását. A reakcióhoz P
-edik sorrend : innen Ahol P - reakció sorrendje. Nál nél n = 0: Nál nél n = 1: Csak az átalakulás mértékétől függ X Aés nem függ a kezdeti koncentrációtól Nál nél n = 2: A RIS-modell szerint a következőket számítják ki: 1)
olyan keverővel ellátott reaktorok, amelyeknek a közeg η viszkozitása nem túl magas, és a reaktor térfogata nem túl nagy; 2) áramlásos keringtető eszközök
-
magas keringési sebességgel; 3
) reaktorokkal "fluidizált ágy" 1.
P. Plug flow reaktor (PPR) A RIS-ben minden mennyiségi paraméter állandó. Minden jellemző (koncentráció Val,-vel, konverziós fok X A, hőmérséklet T satöbbi.) zökkenőmentesen változik a teljes reaktortérfogatban, ezért a reaktor teljes térfogatára nem lehet anyagmérleget összeállítani. Rizs. 2. Függőségi grafikonok: A) C A =f (τ vagy H)b) w= f (τ vagy H) V) X A = f (τ vagy H) Egy végtelenül kicsi dV reaktortérfogatot választunk ki, és anyagmérleget készítünk hozzá. Ezeket a végtelenül kicsi térfogatokat azután a reaktor teljes térfogatára integrálják. Legyen egyszerű visszafordíthatatlan reakcióυ térfogatváltozás nélkül áramlik a reaktorban: Ahol , S A - kezdeti és aktuális koncentrációk; υ - térfogatáram Ahol V- reaktor térfogata (m3); dV a reaktor elemi térfogata (m 3). Foglaljuk össze: (Eljövetel) elemi kötet RIV-N A matematikai egyenlet megszerzéséhez. a teljes reaktor egyensúlyát, a változók szétválasztása után integráljuk a kapott egyenletet (a teljes reaktor térfogatára): Ahol w A a folyamat kinetikáját ismerve megtaláljuk. A RIV-N karakterisztikus egyenlete a folyamat kinetikájának ismeretében lehetővé teszi (w A megtalálásához), határozzuk meg időτ
a reagensek tartózkodási aránya a reaktorban a megadott eléréséhez konverziós fok X A, majd a reaktor méreteit. A reakcióhoz nth
rendelés : Ahol P - reakció sorrendje. Nál nél n=0: Nál nél n=1: Csak az X A átalakulási fokától függ, és nem függ a kezdeti koncentrációtól; Nál nél n=2: Néhány Termelés reaktorok konverziós fokozat X A annyira jelentéktelen, hogy a modell számításhoz használható RIV- Ezt cső alakú érintkező eszközök
katalizátorral csövekben vagy gyűrűben („héj és cső”), heterogén gázfázisú reakciókhoz szolgál. Modell elnyomás tervezésben is használják folyadékfázisú csőreaktorok
a csőhossz és az átmérő nagy arányával. Ugyanazon reakció végrehajtásához azonos körülmények között, az azonos konverziós mélység elérése érdekében a reaktánsok átlagos tartózkodási ideje egy átfolyó ideális keverőreaktorban hosszabb, mint egy dugós áramlású reaktorban. A RIS-ben a koncentrációk minden ponton megegyeznek a végső koncentrációval, a RIV-ben pedig a reagensek koncentrációja 2 szomszédos ponton eltérő. A reakciósebesség a ZDM szerint arányos a reagensek koncentrációjával. Ezért a RIV-ben mindig magasabb, mint a RIS-ben. Azok. Az azonos konverziós mélység eléréséhez kevesebb tartózkodási időre van szükség. III. Reaktor kaszkád (RIS) Ezekben az esetekben célszerűbb több sorba kapcsolt reaktor (szakasz) telepítése - reaktor kaszkád
.
A reakcióelegy minden szakaszon áthalad. Egy ilyen modell példájaként nem csak az egymás után elhelyezett egyedi berendezések rendszerét tekinthetjük, hanem egy áramlási reaktort is, amely így vagy úgy belül van felosztva részekre, amelyek mindegyikében a reakcióelegyet keverik. Például egy lemezbuborék-oszlop közel áll az ilyen típusú készülékekhez. Meghajtó erő ∆С: ΔС RIS< ΔС Каскад РИС < ΔС РИВ Egyetlen RIS-N-ben az A kulcsreagens koncentrációja hirtelen CA-ra (végleges) változik, ami arra utal, hogy a RIS-N reakciósebessége jelentősen csökken. Tekintettel arra, hogy a kaszkádban minden reaktor kis térfogatú, a koncentráció hirtelen változása sokkal kisebb, mint egyetlen nagy térfogatú RIS-N esetében, ezért a folyamat sebessége a kaszkád egyes szakaszaiban sokkal nagyobb. A RIS-N reaktorkaszkád tehát közeledik a RIV-N-hez (a RIV reaktor jövedelmezőbbnek bizonyul, mint a RIS, mert hajtóerő benne egyenlő (koncentrációs gradiens) ΔC = C egyenlő - C munka, nagyobb, mint az ÁBRÁN). Átlagos hajtóerő ΔС RIS<ΔС Каскад РИС < ΔС РИВ Kémiai reakció esetén a folyamat legnagyobb sebessége a RIV-N-ben érhető el, a folyamat nagyobb hajtóereje miatt. A RIV-N rendelkezik a legmagasabb termelékenységgel. A RIS-N kaszkád teljesítménye kisebb, mint a RIV-N teljesítménye, de nagyobb, mint egyetlen RIS-N teljesítménye. Minél nagyobb a reaktorok száma a kaszkádban, minél kisebb a koncentrációugrás, minél nagyobb a folyamat hajtóereje, annál nagyobb a folyamat sebessége és ennek megfelelően a termelékenysége is. A kaszkád szakaszok számának kiszámítása Az ideális keverőreaktorok kaszkádjának kiszámítása általában abból adódik, hogy meghatározzuk egy adott térfogatú szakaszok számát, amelyek egy bizonyos átalakítási mélység eléréséhez szükségesek. Megkülönböztetni elemzőÉs numerikus módszerek kaszkád számítás. Az analitikai módszer alkalmazása akkor lehetséges, ha az anyagmérleg egyenletek a koncentráció tekintetében analitikusan megoldhatók i-vel. Ez megtehető például, ha a lezajló reakciókat első vagy másodrendű kinetikai egyenletekkel írjuk le. A reagens szükséges konverziós fokának eléréséhez szükséges kaszkád szakaszok számának kiszámításához 2 módszert használnak: 1) algebrai; 2) grafika. Példa Másodrendű reakció adott 2A →R, vagy 2A→ R+ S, kinetikai egyenlet w A = 2,5 (k = 2.5), végső konverziós fok X A =0,8, A) RIV-N; b) RIS-N; c) RIS-N kaszkád, ahol a kaszkád minden szakaszának térfogata azonos (V 1 = V 2 =... = Vn),úgy kell kiválasztani, hogy az átlagos tartózkodási idő mindegyikben egyenlő legyen Rizs. 4 – A reakciósebesség függése a napi koncentrációtól, amikor az ideális keverőreaktorok kaszkád szakaszainak számát számítjuk. A 4. ábrán látható, hogy a megadott átalakítási fok eléréséhez négy szakaszra van szükség. Kiderül, chyu a kijáratnál 4. szakasz az átalakulás mértéke még a feltétel által meghatározottnál is magasabb, de három szakaszban az átalakulás mértéke nem elért). Így a reagensek teljes átlagos tartózkodási ideje az ideális keverőreaktorok kaszkádjában a következő Számításhoz kaszkád RIS-N elemzési módszer
összeállít a kaszkád minden szakaszára az egyenletet anyagmérleg: IV. Batch reaktor (RPR) Koncentráció eloszlás S A A reagens a reagensek bármilyen keverési fokánál hasonló a RIV-hez: azonban teljesítmény RIV fent: az RPD-ben meghatározott konverziós fokX A időben elért τ chem. reakciók +τ segédműveletek (Be- és kirakodás), ezért az RPD teljesítménye alacsonyabb: τ RIV óta< τ РПД =>P RIV >P RPD, tehát általában: Mert kis űrtartalmú
iparágak (pl. gyógyszeripar) használatosak RPD; Mert nagy űrtartalom –
maximális teljesítményt nyújtani RIV-N. Politermikus Reaktorok, amelyekre jellemző a reakcióhő részleges eltávolítása vagy kívülről történő hőellátás egy adott program szerint a T° hőmérséklet változtatására a reaktor magassága mentén ("szoftver által vezérelt reaktorok"). Példa: Keverő reaktorok RIZS- időszakos cselekvés. A reaktorban zajló folyamatok tanulmányozásakor és kvantitatív értékelése során hőmérséklet-számítási képleteket használnak a hőegyensúlyok.
Hőegyensúly alapján az energiamegmaradás törvénye
E: Egy adott termelési reakcióban a hőbevitelnek meg kell egyeznie az ugyanabban a műveletben felvett hőmennyiséggel: Q in. =Q fogyasztás A hőmérlegeket a folyamat anyagmérlegének és a kémiai reakciók hőhatásainak, valamint a reaktorban végbemenő fizikai átalakulásoknak megfelelően állítják össze, figyelembe véve a kívülről történő hőellátást, valamint a hőelvonást a reaktorban. reakciótermékek és a reaktor falain keresztül. I. Adiabatikus reaktor (általában RIV) Az ideális modell szerint az adiabatikus reaktorban nincs hőcsere a környezettel. Valós körülmények között a hőátadás hiányának közelítése a reaktorfalak környezettől való jó szigetelésének köszönhetően érhető el (dupla falak, szigetelőanyag) Hőmérséklet változás T 0 adiabatikus reaktorban ΔT° = T° kon. - T° start arányosan - konverziós fok
reagens X A - koncentrációk
fő reagens ,
- hőhatás Q r reakciók és fordítottan arányos - átlagos hőkapacitás
reakcióelegy. Mert hőtermelő
reakciók ΔH< 0 ΔT° = T° кон. - T° нач >
O (+ jel) Mert endoterm
reakciók ΔH >
0 ΔT° = T° vége. - T° start< О (знак-) Alkalmazás A RIV adiabatikus reaktormodell használatával érintkezzen az eszközökkel katalizátor szűrőréteg. Ez a modell alkalmazható homogén reakciók kamrás reaktorainak számítására is, közvetlen áramlású abszorbensekre szigetelő béléssel (béléssel), amelyben a gáz a permetezett folyadék felé mozog. Az adiabatikus RIV-N alkalmas exoterm reakciók végrehajtására. Ha a hőt nem kívülről szállítják, akkor a folyamat autotermikus üzemmódban megy végbe (maga a kémiai reakció hője miatt). Az endoterm reakciókat adiabatikus üzemmódban is lefolytatják, de ebben az esetben a reakciómasszát gőzzel együtt szállítják. II. Izotermikus reaktor Elemzés adiabatikus egyenletek
ΔT° = T° vége. - T° start = azt mutatja meg izoterm reaktorok
közeledhetnek a reaktorok kicsi
jelentések: Q x.r. - fajlagos hőhatás
(anyagegységenként); -
- a reagens kezdeti koncentrációja;
-
X A- az átalakulás mértéke
nál nél nagy
értékeket - - hővezető
reakcióelegy. Alkalmazás Gyakorlatilag izoterm reaktorok: Az alacsony koncentrációjú (↓ C A) gázok ( → 0),
És Reaktorok, amelyekben exo-
És endo hőhatások gyakorlatilag kiegyensúlyozottak (q x.p →0). Azok. izotermikus rezsim figyelhető meg abban az esetben, ha a főfolyamat termikus hatását a mellékreakciók vagy fizikai folyamatok (párolgás, oldódás) hőhatásai kompenzálják egyenlő nagyságrendű, de ellentétes előjelű A modellezés során, hogy teljesen izoterm reaktorok közé tartozik folyékony reaktorok
- (F - F) - emulzió - (F - T) - felfüggesztés Val vel mechanikus, pneumatikus és jet-cirkuláció keverőeszközök. A polcokon izotermikus rezsim figyelhető meg habos
És buborékoló készülék
nem nagy méretű, egyes érintkező eszközökben álló katalizátor.
A rezsim közel lehet az izotermhez aAdszorpció
És a Felszívódó
olyan eszközök, amelyekben az adszorpció vagy abszorpció során keletkező hőt víz vagy más oldószer elpárologtatására fordítják. Az izoterm üzemmód hőcserélő eszközökön keresztül érhető el a reaktor hőellátásával vagy eltávolításával. Az exoterm reakció hőelvonása arányos a felszabaduló mennyiséggel. Az endo hegye fel kell szívni. ALKALMAZÁSOK Politermikus üzemmód olyan reaktorokban figyelték meg, amelyekben hőhatás
Qx. p. A fő kémiai reakciót csak részben kompenzálják a főfolyamattal ellentétes előjelű mellékreakciók vagy fizikai folyamatok hőhatásai. Az ilyen reaktorok sok aknát és nagyolvasztót tartalmaznak. A megvalósítás módjai Optimális hőmérsékleti viszonyok - ez egy olyan hőmérsékleti rendszer, amely gazdaságilag megvalósítható maximális P termelékenységet biztosít a céltermék számára (a lehető legnagyobb sebesség mellett w r folyamat), míg nagy konverziót kell elérni - egyszerű reakciókhoz és nagy szelektivitást - összetett reakciókhoz. Az ipari reaktorban az optimális hőmérsékleti rezsimnek megfelelő eljárás gyakorlati problémájának megoldása számos tényezőtől, és mindenekelőtt a termikus hatástól és a reakciókinetikától függ. Ezt a reakciósebesség-egyenletet elemezve arra a következtetésre jutottunk, hogy a reakciósebesség növekedése a következőkhöz vezet: Hőmérséklet emelkedés; Csökkentett konverziós arány. A sebességcsökkenés kompenzálására w r növekvő konverziós reakciók Ha célszerű a hőmérsékletet növelni T°. Ezért hőtermelő(ΔН<0) egyszerű(A→R) visszafordíthatatlan
(→)
célszerű a reakciókat végrehajtani adiabatikus RIV
(nincs hőcsere a környezettel - olyan reaktorok, amelyek anélkül működnek, hogy a Q hőt a reaktor falain keresztül a környezetbe juttatnák vagy eltávolítanák. Hogy. a reakció során felszabaduló vagy elnyelt összes hőt a reakcióelegy akkumulálja (elnyeli) Ebben az esetben lehetséges a magas sebesség
w r reakciók és magas teljesítmény
P reaktor használat nélkül idegen hőforrások
K. A hőmérséklet a konverzió növekedésével növekszik, ezért a sebességi állandó is nő, ami azt jelenti, hogy a folyamat sebessége is nő. A folyamat legjobb szervezése akkor érhető el, ha a hő K A reaktorból kilépő termékek a reaktorba belépő reagensek felmelegítésére szolgálnak. Reakciók endoterm
(ΔH>0) egyszerű(A→R) visszafordíthatatlan
(→)
adiabatikus RIM-ben nem kifizetődő, de célszerűbb reaktorokban hőellátással K, egy bizonyos T0 hőmérséklet fenntartása, a szerkezeti és technológiai okokból lehetséges maximális (izoterm, politermikus). (növekvő konverzióval a hőmérséklet csökken, ami azt jelenti, hogy a sebességi állandó és maga a fordulatszám is csökken). Az adiabatikus RIV-N-ben továbbra is endoterm folyamatok zajlanak, de az alapanyag-ellátás gőzzel együtt történik. Egyszerű reverzibilis reakciók (↔
)
T 0 => w r A sebességért w r a reakciókat a jel is befolyásolja hőhatás
Q r(vagy entalpia ΔH): 1) Ha a közvetlen reakció az endoterm ΔН>0 ( hőelnyelés) majd növelje hőmérséklet T 0 is jótékony hatással lesz a helyzetre Kémiai egyensúly
↔
(eltolódik oldalra van közvetlen reakció
→).
Ezért az ilyen reakciókat a hőellátással ellátott reaktorokban ugyanúgy hajtják végre, mint visszafordíthatatlan (→) endoterm
(ΔH
>0) reakciók. 2) Ha a közvetlen reakció az exoterm (ΔH<
0) (hőleadással) akkor a folyamat KINETIKÁJA és TERMODINAMIKÁJA ütközik: a növekedés hőmérséklet T 0 hátrányosan befolyásolja a helyzetet kémiai egyensúly ↔
(oldalra tolja fordított reakció ←).
Ezért a következő módot használják: - a folyamat elején
amikor a termék koncentrációja R-vel még kicsi a hőmérséklet megemelkedik T 0 amíg, Viszlátsebesség folyamat w r nem lesz elég magas; - a folyamat végén -
a hőmérsékletet fokozatosan csökkentjük T 0 ↓Által vonalak optimális hőmérséklet (LOT) hogy a folyamat sebessége w r a lehető legmagasabb szinten maradt az adott körülmények között. Ez a rezsim sem adiabatikus, sem izotermikus reaktorban nem kivitelezhető. Ennek az üzemmódnak a közelítése a REV, amely a hőcserélő cső belsejében található, amelyen belül a hűtőközeg áthalad. Egy másik lehetőség, hogy a folyamatot több szekciós reaktorban hajtják végre, amelyben minden szakasz adiabatikus üzemmódban működik, de a szakaszok között hűtés van. Az endoterm (reverzibilis és irreverzibilis) reakcióknál a kémiai folyamatot célszerű hőellátással ellátott reaktorokban végrehajtani, és kívánatos a reaktortérfogatban meglehetősen egyenletes hőmérséklet-eloszlás biztosítása. Az endoterm reakciók végzésére szolgáló berendezések gyakori típusai a csőreaktorok, amelyek felépítésükben hasonlóak a héj-cső hőcserélőkhöz. Ezekben az eszközökben a csőtér magát a reaktort jelenti, amelyben a reagensek kiszorításos üzemmódban mozognak, a csőközi téren pedig hűtőközeg, például füstgázok haladnak át. A katalitikus reakciók végrehajtására szolgáló, füstgázokkal felmelegített csőreaktort különösen földgáz gőzreformálására használnak. Retortakemence butadién szintéziséhez etilalkohol, ahol Kemence Rizs. Csőreaktor gázok endotermhez csövek helyett a katalizátort retortákba helyezik - keskeny csatornákba téglalap keresztmetszetű. Az ilyen reaktorokban azoknak a csatornáknak a keresztmetszeti szélessége, amelyeken a reakcióelegy mozog, kicsi kell legyen ahhoz, hogy a keresztmetszetben meglehetősen egyenletes hőmérséklet-eloszlást érjünk el. Mivel a valós reaktorokban a hidrodinamikai rezsim eltér az ideális kiszorítási rezsimtől, amelyben a feltételek tetszőleges keresztmetszetben kiegyenlítődnek, a csatorna közepén a hőmérséklet eltér a fal hőmérsékletétől. A nagy átmérőjű csöveknél a hőmérséklet a cső tengelyénél lényegesen alacsonyabb, mint a fal hőmérséklete. Következésképpen a reakcióáramnak a cső tengelyéhez közel eső részében a reakciósebesség kisebb, mint a berendezés átlagos sebessége. Katalitikus folyamatok végrehajtásakor lehetőség van arra, hogy a katalizátort csak a csövek belső felületére vigyék fel, ami megközelítőleg azonos hőmérsékletet biztosít az egész reaktorban. Homogén endoterm reakciók intenzív keveréssel és hőcserélő felülettel rendelkező reaktorokban is végrehajthatók, mivel ebben az esetben a reaktorban egyenletes hőmérséklet-eloszlás érhető el. Az exoterm reakciókat rendszerint adiabatikus körülmények között vagy hőelvonásos berendezésben hajtják végre. Ha visszafordíthatatlan exoterm reakciók lépnek fel, a hőmérséklet növekedése egyértelműen csak a folyamat sebességének növekedéséhez vezet. Az energiaköltségek csökkentése érdekében előnyös az ilyen reakciókat autotermikus üzemmódban végrehajtani, amikor a szükséges hőmérsékletet kizárólag a kémiai reakció során felszabaduló hő biztosítja, anélkül, hogy kívülről energiát szolgáltatnánk. Két hőmérsékleti határ (alsó és felső) van, amelyek között célszerű elvégezni a folyamatot. Az alsó határ az a hőmérséklet, amelyen az exoterm reakció sebessége (és ennek következtében a hőleadás sebessége) elegendő az autotermikus rezsim biztosításához. Ez alatt a hő alatt a hőleadás sebessége kisebb, mint a reaktorból kilépő reakcióáram hőelvonási sebessége, és az áramlási adiabatikus berendezés hőmérséklete csökken. A felső hőmérsékleti határ a mellékfolyamatokhoz (mellékkémiai reakciók vagy mellékfizikai jelenségek), valamint a szerkezeti anyagok hőállóságához kapcsolódik. Például a szemcsés szilárd anyag égetésének heterogén folyamatai során a hőmérséklet egy bizonyos határérték fölé emelkedése a szilárd részecskék szinterezéséhez, következésképpen a teljes átalakulásuk idejének növekedéséhez és a reaktor termelékenységének csökkenéséhez vezet. . A hőmérséklet-emelkedést gyakran korlátozza a szerkezeti anyagok szilárdsága és a drága hőálló anyagok alkalmazásának helytelensége. A mikrobiológiai szintézis exoterm folyamatai során a hőmérséklet-emelkedést a mikroorganizmusok életképessége korlátozza. Ezért célszerű az ilyen folyamatokat hőelvonásos reaktorokban végrehajtani, és a helyi túlmelegedés elkerülése érdekében olyan reaktorokat érdemes használni, amelyekben a hidrodinamikai rezsim megközelíti az ideális keveredést. Az ilyen eljárásokban végzett intenzív keverés nemcsak egyenletes hőmérséklet-eloszlást biztosít, hanem felerősíti az oxigén tömegének gázfázisból a folyadékfázisba történő átjutásának szakaszait is. A reverzibilis exoterm reakciókat az optimális hőmérsékleti vonalnak megfelelően kell végrehajtani, azaz a reagensek átalakulási fokának növekedésével csökkenteni kell a berendezés hőmérsékletét. Ez a mód sem adiabatikus, sem izotermikus reaktorokban nem kivitelezhető: adiabatikus üzemmódban az átalakulás mértékének növekedése a reakcióelegy hőleadásával és melegítésével jár együtt, nem pedig lehűlve; izoterm üzemmódban a hőmérséklet állandó marad, és nem változik az átalakulási fok növekedésével. Rendkívül nehéz a folyamatot szigorúan az optimális hőmérséklet mentén végrehajtani. Ez kiszorításos üzemmódban működő hőcserélő felületű reaktorban történhet, feltéve, hogy a reaktor falán keresztül távozó hő mennyisége a különböző területeken berendezés. A reagenseket a reakció megkezdése előtt magas hőmérsékletre kell melegíteni, és a hőelvonást közvetlenül a készülékbe való belépés után kell biztosítani. Ha a reaktort hosszában több részre osztjuk, akkor az optimális hőmérsékleti vonal mentén történő mozgás biztosítása érdekében mindegyikben az eltávolított hőmennyiségnek valamivel nagyobbnak kell lennie, mint a reakció során felszabaduló hőmennyiség. Nem szabad megfeledkezni arról, hogy az átalakulás mértékének növekedésével a reakció sebessége csökken, és ennek következtében a hőleadás sebessége csökken. Ezért a reaktor azon szakaszaiban, ahol a reakció befejeződik, kevesebb hőt kell eltávolítani, mint a kezdeti szakaszokban. 6. témakör. VEGYI REAKTOROK Bármilyen CTP lehetetlen kémiai reaktor nélkül, amelyben kémiai és fizikai folyamatok is zajlanak. KÉMIAI REAKTOROK (a latin re - előtag fordított hatást jelent, és cselekvő - működésbe helyezés, cselekvés), kémiai reakciók végrehajtására szolgáló ipari eszközök. A kémiai reaktor kialakítását és működési módját a reakció típusa, a reagensek fázisállapota, a folyamat jellege az időben (periodikus, folyamatos, változó katalizátoraktivitással), a reakcióközeg mozgási módja határozza meg. (periodikus, félfolyós, visszaforgatással), a termikus üzemmód (adiabatikus, izoterm, hőcserével), a hőcsere típusa, a hűtőfolyadék típusa. Modern vegyi reaktor
-
Ez egy összetett eszköz, amely speciális eszközökkel rendelkezik, például: 1)
be- és kirakodó berendezések (szivattyúk); 2)
hőcserélők; 3)
keverő eszközök, a céltermék megszerzésére szánt, felszerelt összetett rendszer műszerek és vezérlő berendezések. Az ipari reaktorokkal szemben támasztott követelmények 1.
MAX termelékenység és munkaintenzitás. 2.
Magas termékhozam Fés a folyamat legmagasabb szelektivitása φ-
ezt a reaktor optimális üzemmódja biztosítja (T, R, C), magas fokú konverzió X. 3.
Optimális energiafogyasztás a reaktorban történő tömegátadáshoz Ellentmondás van a magas követelmény között termelékenység
(alapanyagok) és magas az átalakulás mértéke
X A(reagens): sémákban nyitott hurok előnyben részesítik a magas konverziós fok X A reagensek; zárt rendszerekben előnyben részesítik a magas termelékenység.
A jó minőségű termék előállítása során a reaktornak biztosítania kell annak minimális költségét. A kémiai reaktorok osztályozása 1)
Tervezési jellemzők szerint: Rizs. 1 – A vegyszerek fő típusai. reaktorok: a – átfolyós kapacitív reaktor keverővel és hőcserélő köpennyel; b – többrétegű katalitikus reaktor köztes és hőcserélő elemekkel; c – oszlopreaktor töltettel kétfázisú folyamathoz; d – csőreaktor; I-indító anyagok; P – reakciótermékek; T – hűtőfolyadék; K – katalizátor; N – fúvóka; TE – hőcserélő elemek. Ez egy cső alakú berendezés, amelyben a cső L hosszának és d átmérőjének aránya meglehetősen nagy. A reaktort folyamatosan táplálják reagensekkel, amelyek a reaktor hosszában való mozgásuk során termékekké alakulnak. A RIV-ben a hidrodinamikai rendszerre jellemző, hogy az áramlás bármely részecskéje csak egy irányba mozog a reaktor hosszában, nincs hosszirányú keveredés, és a reaktor keresztmetszete mentén sem. Feltételezzük, hogy az anyagok eloszlása ezen a keresztmetszeten egyenletes, azaz a reakcióelegy paramétereinek értéke a keresztmetszetben megegyezik. A dV reakciótömeg térfogatának minden eleme nem keveredik sem az előző, sem a következő térfogatokkal, és úgy viselkedik, mint egy hengerben lévő dugattyú. Ezt az üzemmódot dugattyúnak vagy teljes elmozdulásnak nevezik. Az egyes térfogatelemek összetétele egymás után változik egy kémiai reakció bekövetkezte miatt. A CA reagens koncentrációjának és az XA átalakulási fokának változása a reaktor hossza mentén. A RIV matematikai leírásának összeállításához abból indulnak ki differenciálegyenlet anyagmérleg. Mivel a RIM-ben a reakcióelegy csak egy irányba mozog (L hossz mentén), akkor A az X tengely irányaként a reaktor áramlási irányát választva, ahol W- lineáris sebesség a keverék mozgása. Mivel minden térfogatelem nem keveredik sem az előzővel, sem a következővel, nincs sem hosszanti, sem sugárirányú diffúzió, és a molekuláris diffúzió kicsi, akkor Akkor Ez az anyagmérleg egyenlet a reagensek áramlásának matematikai leírása a reaktorban instabil üzemmódban (amikor a paraméterek nemcsak a reaktor hossza mentén változnak, hanem időben sem állandóak - az indítási vagy leállítási időszak ). A kifejezést az A koncentráció időbeli változása jellemzi a reaktor egy adott pontjában. Az álló üzemmódra jellemző, hogy a reakciótérfogat egyes pontjain a paraméterek nem változnak az idő függvényében és. Akkor . De a sebesség A Ezt az egyenletet integrálva a konverziós fok változásának határain belül 0-tól X A-ig kapjuk A kapott adatokból világos, hogy a RIV egyenlete ugyanaz, mint a RIS-P esetében. Folyamatos ideális keverőreaktor RIS – N Ez egy olyan berendezés, amelybe folyamatosan adagolják a reagenseket és folyamatosan távolítják el a reakciótermékeket, miközben a reagenseket keverővel folyamatosan keverik. Az ilyen reaktorba belépő kezdeti keverék azonnal összekeveredik a már a reaktorban lévő reakciómasszával, ahol a kiindulási reagens koncentrációja alacsonyabb, mint a belépő keverékben. A karakterisztikus egyenlet levezetéséhez készítsünk anyagmérleg egyenletet. Az áramlással szállított A kiindulási anyag móljainak száma, ahol V 0 a térfogati betáplálási sebesség, CA, 0 az A koncentrációja az áramlásban. A reaktorból eltávolított mólok száma , ahol V a térfogati sebesség, CA az áramlás koncentrációja. A kémiai átalakulás eredményeként elfogyasztott A anyag móljainak száma a Ahol V p a reaktor töltött térfogata. Az A reagens felhalmozódása megegyezik mennyiségének változásával a reakciótérben a dτ időtartam alatt. Összevonjuk a mérleg minden részét Teljesen kevert reaktor általános tervezési egyenlete.
A leállási és indítási időszakok kivételével a folyamatos reaktor állandósult állapotban működik. A tervezési egyenlet ebben az esetben a formára redukálódik Ha a reakciót folyékony fázisban hajtjuk végre, akkor a térfogatváltozás kicsi és V 0 = V k = V. Ekkor C A,0 – C A = τ ω A, hol van a feltételes tartózkodási idő. Az anyagegyensúly egy anyag be- és kiáramlásának egyenlősége egy reaktorban vagy egy folyamatban. Az anyagmérlegek összeállításának elméleti alapja az anyag megmaradásának törvénye M.I. Lomonoszov. Készítsünk anyagmérleget egy olyan reaktorra, amelyben egyszerű irreverzibilis A → C reakció megy végbe. Az egységnyi idő alatt a reaktorba belépő reagens tömege megegyezik a reaktorban egységnyi idő alatt elfogyasztott A reagens tömegével. m És bevétel = m Költség Az A reagenst egy kémiai reakcióra fordítják, a reagens egy része elhagyja a reaktort, egy része változatlan marad a reakciótérfogatban (felhalmozódik). m A fogyasztás = m Egy kémiai oldat + m A lefolyó + m A tároló m A jövedelem = m A kémiai r. + m A lefolyó + m A tároló m A jövedelem - m A lefolyó = m Egy vegyszer. + m A felhalmozott Jelöljük m A érkezés -m A lefolyás =m A konvekció. a konvekcióval szállított A reagens tömege (a reakciótömeg áramlása). Ekkor m A felhalmozódott. =m Konvekció. -m A chem.r. A reakcióáramban változatlan A reagens tömege megegyezik a konvektív áramlás által szállított A anyag tömege és a kémiai reakcióra fordított A anyag tömege közötti különbséggel. Ez az egyenlet anyagmérleg általános formában. Ha egy reagens koncentrációja nem állandó a reaktortérfogat különböző pontjain vagy időben, lehetetlen általános formában összeállítani az anyagmérleget a teljes reaktortérfogatra. Ebben az esetben a reaktor elemi térfogatára anyagmérleget készítenek. Ennek az anyagmérlegnek az alapja a konvektív transzport egyenlet (lásd Amelin et al. 71-73. o.). ahol CA az A reagens koncentrációja a reakcióelegyben; x,y,z – térbeli koordináták; W x , W y , W z – áramlási sebesség összetevői; D – diffúziós együttható; r A – a kémiai reakció sebessége. Tag Tag Tag Az r A kifejezés az A reagens koncentrációjának változását mutatja egy elemi térfogatban kémiai reakció következtében. Az m A kémiai kifejezésnek felel meg. az általános anyagmérleg egyenletben. Az így kapott differenciálegyenletet nagyon nehéz megoldani. A reaktor típusától és működési módjától függően átalakítható, egyszerűsíthető. Korábban áttekintettük a kémiai folyamatok alapvető modelljeit és azok matematikai leírását. Bonyolítsuk le a kémiai technológiai folyamat modelljét a hidrodinamikai folyamatok, vagyis a reakcióelegy reaktorban való áramlásának irányított mozgásának módszereivel. Bármely vegyi termelésben használt reaktor. Kisebb-nagyobb közelítéssel az alábbi modellek egyikével írható le: Batch ideális keverőreaktor RIS-P; folyamatos ideális keverőreaktor RIS-N; folyamatos dugóáramú reaktor RIV-N; folyamatos ideális keverőreaktorok kaszkádja K-RIV-N (cellás modell). Minden modellnél látható karakterisztikus egyenlet, amely a reagensek o reaktorban való tartózkodási idejének, a reagens kezdeti koncentrációjának, a konverziós értéknek és a kémiai reakció sebességének a függését fejezi ki. τ = f (CA 0, α A, r A) Ez az egyenlet a reaktormodell matematikai leírása. Lehetővé teszi a C A0 (a kiindulási keverék összetétele) és az r A (kémiai reakció típusa, hőmérséklet, nyomás, katalizátor stb.) megadásával a reagensek reaktorban való tartózkodási idejének kiszámítását, amely szükséges a reakcióelegy eléréséhez. adott konverzió (α A), és ezért , valamint a reaktor térfogata, teljes méretei és termelékenysége. A különböző típusú reaktorok kapott értékeinek összehasonlításával kiválaszthatja a legoptimálisabb lehetőséget egy adott kémiai reakció végrehajtásához. A karakterisztikus egyenlet levezetésének alapja a reaktor anyagmérlege, amelyet a reakcióelegy komponensei közül egyenként állítanak össze. Ideális keverő szakaszos reaktor
A RIS-P egy keverővel ellátott berendezés, amelybe a kiindulási reagenseket időszakonként betöltik, és a termékeket is periodikusan ürítik ki. A karakterisztikus egyenlet megszerzésének kezdeti egyenlete az anyagmérleg egyenlet differenciál formában: Mivel az intenzív keverés miatt minden paraméter azonos a reaktor teljes térfogatában, ezért az x, y, z tengelyek mentén tetszőleges koncentrációs sorrend deriváltja bármikor nulla. Akkor V-nél reakcióelegy = állandó C A = C A 0 (1-α A). Ha a reaktorban egyszerű irreverzibilis „n”-rendű reakció megy végbe, akkor Amikor n = 0 n=1 n ≠ 0 és 1 esetén a τ-t a grafikus integráció módszere határozza meg. Ehhez építsen fel egy grafikus függőséget számítsa ki a görbe alatti területet a konverziós fok kezdeti és végső értéke között.Tgr1 az „öngyulladás” eléréséhez (D pozíció). A reakció beindulása után a bemeneti hőmérséklet TE-re csökkenthető anélkül, hogy a reakciósebesség jelentősen megváltozna< 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, kinetikai egyenlet amelynek alakja − =K=K ∙e (9.29) A hőhatás miatt egységnyi idő alatt keletkező hő ∆ =∆ ∙ ∙K ∙e (9.30) A hőátadás következtében a hűtőközeggel együtt távozó hő ∆ = 157 ∙ ∙(− ) (9.31) Adott TI és TIII üzemi hőmérséklet I és III metszéspontjainak abszcisszái 9.12. ábra A T0 - II hőelvezető vonalak határhelyzete érinti a QR-t. Ha a T0 - II hőelvezető vezeték e határérték alá kerül, a hőelvonás nem elegendő, és az izoterm folyamat nem lehetséges. Növekvő hőelvezetéssel két I. és III. metszéspontot kapunk. Bármely T< Т1 линия теплоотвода ниже линии тепловыделения
(QT
←Karakterisztikus egyenlet N. ábra.
,
- térfogategységenkénti folyamat sebessége
-
Matematikai egyenlet egyensúly
-
Karakterisztikus egyenlet RIV-N.
,
Ha a folyamat körülményei szerint a RIS tervezésre van szükség, akkor nagy térfogatú reaktorokra van szükség ahhoz, hogy rövid időn belül magas konverziós arányt érjenek el.
. . Határozza meg, mennyi ideig tart a reakció végrehajtása:
.
BAN BEN RPD bizonyos mennyiségű reagenst egyszerre töltenek be, és addig tartanak benne azok amíg el nem éri a kívánt konverziós fokot. Ezt követően a reaktort tehermentesítik.
adott konverziós fokX A rövidebb τ idő alatt érhető el a RIV-ben:
Ezt a reakciósebesség-egyenletet elemezve arra a következtetésre jutunk sebesség növelése
w r reakciók növekedéséhez vezetnek hőmérsékletek:
És 
,
,
,
jellemzi az A reagens koncentrációjának időbeli változását egy elemi térfogatban, és m A felhalmozódásnak felel meg. az általános anyagmérleg egyenletben.
tükrözi a reagens koncentrációjának változását az általános áramlás irányával egybeeső irányú átvitel miatt.
tükrözi az A reagens koncentrációjának változását az elemi térfogatban annak diffúzióval történő átvitele következtében. Ezek a kifejezések együtt jellemzik az anyag teljes szállítását egy mozgó közegben konvekció és diffúzió útján; általában az anyagmérleg egyenlet az m A konvec kifejezésnek felel meg. .12. számú előadás Reaktorok hidrodinamikai modelljei. Karakterisztikus egyenletek levezetése.
Egy ilyen reaktorban olyan intenzív keveredés jön létre, hogy a reagensek koncentrációja minden pillanatban azonos a reaktor teljes térfogatában, és csak idővel változik, ahogy a kémiai reakció előrehalad.
-
RIS-P karakterisztikus egyenlet
,
.
