Umumiy tenglama issiqlik balansi kimyoviy reaktor. Izotermik, adiabatik va oraliq issiqlik rejimlarida ishlaydigan kimyoviy reaktorlar uchun issiqlik balansi tenglamasi. Ekzo- va endotermik reaksiyalarda kimyoviy reaktorlarning issiqlik barqarorligi. Qaytariladigan reaksiya reaktori.
Issiqlik balansi tenglamasi hamma narsani hisobga oladi issiqlik oqimlari, reaktorga kirish va chiqish. Bunday oqimlar: Qin – balans tuzilgan elementar hajmga kiritilgan reaksiya aralashmasining fizik issiqligi (kirish oqimi); Qout - elementar hajmni qoldiradigan reaktsiyaning fizik issiqligi (chiqish oqimi); Q r – kimyoviy reaksiya issiqligi (belgisi ijobiy yoki manfiy bo‘lishi mumkin); Q t.o – bilan issiqlik almashinuviga sarflangan issiqlik muhit(reaktordagi va atrof-muhitdagi yoki issiqlik almashinuvi qurilmasidagi harorat nisbatlariga qarab, bu oqim ham hajmga va undan tashqariga yo'naltirilishi mumkin); Q f.pr – fazali transformatsiyalar issiqligi.
Statsionar reaktorning ishlashi uchun algebraik yig'indi barcha issiqlik oqimlarining nolga teng: Q in - Q chiqish ± Q r ± Q t.o ± Q f.pr = 0 (1)
Turg'un bo'lmagan rejimda issiqlikning ijobiy yoki salbiy to'planishi elementar hajmda sodir bo'ladi:
Q in - Q chiqish ± Q r ± Q t.o ± Q f.pr = Q nak (2)
(1) va (2) tenglamalar kimyoviy reaktorning issiqlik balansi uchun umumiy tenglamalardir. Kimyoviy reaktsiyalarning issiqlik rejimlarining bir nechta turlari va shunga mos ravishda issiqlik balansi tenglamalarining o'ziga xos turlari mavjud.
I. Izotermik - kirish, ichki va chiqishdagi haroratning bir xil bo'lishi bilan tavsiflangan rejim. Kimyoviy reaksiya natijasida issiqlikning chiqishi va yutilishi atrof-muhit bilan issiqlik almashinuvi bilan qoplansa, bu mumkin. Tizimning doimiy fizik xossalariga ega statsionar izotermik jarayon uchun quyidagicha yozishimiz mumkin: Q in =Q tashqariga; | Q r |=| Q t.o | .
Asosiy izotermik aralashtirish reaktorlariga qo'shimcha ravishda, reaksiya aralashmasida sezilarli issiqlik o'tkazuvchanligiga ega bo'lgan Q p, C A0 yoki x (konversiya darajasi) juda past qiymatga ega bo'lgan reaktorlar izotermikga yaqinlashishi mumkin. Reaktorlarni modellashtirishda to'liq izotermik reaktorlarga har xil turdagi, aralash suyuqlik tipidagi reaktorlar kiradi (Zh, Zh-Zh, Zh-T). Izotermik rejim kichik o'lchamli ko'pikli va ko'pikli apparatlarning tokchasida, shuningdek, granulali materialning suyuq qatlamlarida va boshqa apparatlarda kuzatiladi.
Izotermik reaktorning xarakteristik tenglamasi: t cf =t k =const.
II. Adiabatik rejim atrof-muhit bilan issiqlik almashinuvining to'liq yo'qligi bilan tavsiflanadi. Bunda kimyoviy reaksiyaning barcha issiqligi reaksiya aralashmasini isitish yoki sovutish uchun sarflanadi. Statsionar jarayon uchun |Q in -Q tashqari |=|Q p |. Adiyabatik reaktorda haroratning o'zgarishi ∆t konversiya darajasi x ga, asosiy reaktiv C A0 konsentratsiyasiga va Q p reaksiyaning issiqlik effektiga to'g'ridan-to'g'ri proporsionaldir. Haroratning o'zgarishi ekzotermik reaktsiyalar uchun ijobiy, endotermik reaktsiyalar uchun esa salbiy. A→B reaktsiyasi uchun issiqlik balansi tenglamasi: G c t k ± GQ p C A 0 x=G c t k(2), bu yerdan xarakteristik tenglamani olamiz: ± GQ p C A 0 x=s (t k – t n) (2’).
Shlangi oqim reaktorida oqim o'qi bo'ylab har qanday kesimdagi harorat o'zgarishi konversiya darajasiga proportsionaldir: ∆t= t k – t n =±lx, bu erda l - adiabatik harorat o'zgarishi koeffitsienti: l=(Q p * C D)/c, qaerda
C D - mahsulot konsentratsiyasi. Reaktorning elementar qismi uchun issiqlik balansi tenglamasi quyidagicha bo'ladi: ±Q p C A dx A =cdt (3). To'liq aralashgan reaktor uchun issiqlik balansi tenglamasi (2') bilan bir xil.
III. O'rta(politropik yoki avtotermik) rejim reaksiya issiqligining bir qismi reaksiya aralashmasining issiqlik tarkibini o'zgartirishga (isitish yoki sovutish) va qisman atrof-muhit bilan issiqlik almashinuviga sarflanishi bilan tavsiflanadi. Ushbu rejim ko'pincha TCP da topiladi. Ushbu rejim to'liq issiqlik balansi tenglamasi bilan tavsiflanadi. Doimiy og'irlikdagi issiqlik sig'imi va barqaror holat bilan, x A konversiya darajasida reaktsiya natijasida ajralib chiqadigan (so'rilgan) issiqlik reaktsiya mahsulotlari tomonidan olib tashlanadi va reaktor devori orqali uzatiladi: ±GQ p C A 0 x A =G c (t k – t n) ± k t F∆t av (4), bu yerdan quyidagini topish mumkin: 1) harorat o‘zgarishi (t k – t n), konversiya darajasi (x A), issiqlik o‘tkazuvchanlik yuzasi (F) ). Bu tenglama (4) uchun olingan aralashtirish reaktori va uchun vilkali oqim reaktori, bunda harorat butun uzunligi bo'ylab bir xil bo'ladi, ya'ni ko'ylagi ichida joylashgan sovutish yoki sovutish suvi harorati reaktorning butun uzunligi bo'ylab doimiydir; reaksiyaga kirishuvchi moddalarning harorati reaktor kesmasining istalgan nuqtasida bir xil bo'ladi. Haroratdan beri reaktorda uning uzunligi bo'yicha o'zgaradi, issiqlik balansi reaktor uzunligining elementar kesimi (∆H) uchun tuziladi: GQ p C A 0 x A =G c dt± k t F’(t-t arr)dH; bu erda t - ko'rib chiqilayotgan reaktor elementidagi harorat; t atrof-muhit - ko'ylagi ichidagi harorat.
Izotermik, adiabatik va politermik jarayonlarning xarakteristikalari qiyoslanishi rasmlarda ko'rsatilgan.
Reaktor ishining barqarorligi ularga qo'yiladigan talablardan biridir. A.M.Lyapunovning taʼkidlashicha, “Tizim qandaydir buzilish qoʻllanilgandan soʻng, bu buzilish bartaraf etilgach, avvalgi holatiga qaytsa, tizim barqaror deb ataladi”.
Eng muhimi kimyoviy reaktsiyalar va reaktorlarning harorat (termik) barqarorligi. Ekzo- va endotermik reaksiyalar jarayonida kimyoviy jarayonda reagentlar konsentratsiyasining ta'siri tufayli texnologik jarayonning haroratini avtomatik tartibga solish sodir bo'ladi. Ba'zi hollarda, to'liq termoyadroviy reaktorda chiqarilgan issiqlik miqdorining haroratga bog'liqligi qaytariladigan ekzotermik reaktsiya.
Reaktorning texnologik rejimining barqarorligi u yoki bu parametrni o'zgartirganda uning sezgirligi bilan aniqlanishi mumkin va deyiladi. Parametrik sezuvchanlik: P=dy/dx, bu erda y - kirish qiymat - parametr (harorat, reagent sarfi, konsentratsiya), x - chiqish qiymati - jarayon natijasini tavsiflovchi parametr (konversiya darajasi, harorat, reaktsiya vaqti).
Daxin O.X.Volgograd, RPK "Polytechnic", 2012. - 182 b. Reaktorlarning dizayni bo'yicha tasnifi
umumiy xususiyatlar va maqsad
Reaktorlarni reaksiya massasining harakat rejimiga va issiqlik almashinuvi sirtining turiga qarab tasniflash
Reaktorlarning konstruksiya shakllari bo‘yicha tasnifi
Reagentlarning fazaviy holati va ishlash printsipiga ko'ra reaktorlarning tasnifi
Ish rejimiga ko'ra umumiy xarakteristikalar va ishlash tamoyillari
Partiyali reaktorlar (bir hil statsionar bo'lmagan reaktorlar)
Yarim partiyali reaktorlar
Uzluksiz reaktorlar (bir hil statsionar reaktorlar)
Reaktorlar kaskadi
Kimyoviy reaktorlarni kompleks hisoblash metodikasi
Reaktorni hisoblash algoritmi
Umumiy holat
Kimyoviy reaksiya tezligini, konstantasini, aylanish darajasi va tartibini aniqlash
Kimyoviy reaksiya tezligi
Oddiy reaktsiyalar
Nol tartibli reaksiyalar
Birinchi tartibli reaksiyalar
Mahsulot rentabelligi
Reaksiyalarning tasnifi
Kimyoviy reaksiya tezligiga haroratning ta'siri
Parallel va ketma-ket reaksiyalar
Asoslar matematik modellashtirish kimyoviy reaktorlar
Yashash vaqtining chiziqli taqsimot funksiyalari
E(t) va F(t) ni eksperimental aniqlash va shu funksiyalar yordamida kimyoviy reaktorni tahlil qilish
Kimyoviy reaktorlarda issiqlik uzatish
Reaktorlarda issiqlik effekti
Kimyoviy reaktorlarning issiqlik rejimi bo'yicha tasnifi
Kimyoviy reaktorlarning issiqlik rejimini hisoblash algoritmi
Kimyoviy reaktorlarning issiqlik hisobi
Issiqlik balansining umumiy xarakteristikasi
Ideal aralashtirish va siljish reaktorlarida issiqlik sharoitlarining kimyoviy jarayonlarning borishiga ta'siri. To'liq aralashtirish bilan uzluksiz izotermik reaktorning termal hisobi
Uzluksiz izotermik reaktorning issiqlik rejimini tahlil qilish
Reaktivlar va mahsulot o'rtasida issiqlik almashinuvi mavjud bo'lgan vilkali oqim reaktori
Issiqlik almashinuvi yuzasiga ega bo'lgan vilkali oqim reaktori
Aralashtiruvchi bilan adiabatik reaktorning issiqlik hisobi
Adiabatik reaktorning issiqlik rejimini tahlil qilish
Endotermik reaksiyalar uchun adiabatik reaktorning issiqlik rejimini tahlil qilish
Izotermik partiyali reaktorning termal hisobi
Kvazistatsionar rejim uchun izotermik partiyali reaktorning issiqlik hisobi
Kimyoviy reaktorning texnologik va issiqlik hisobiga misol
Geterogen katalitik reaksiyalar mexanizmi
Ruxsat etilgan katalizatorli reaktorni hisoblash
Suyultirilgan qatlamli reaktorni hisoblash
Suyultirilgan qatlamli reaktorda issiqlik uzatish
Aralashtirish moslamalari bo'lgan qurilmalarning maqsadi, konstruktsiyalari va asosiy texnik tavsiflari
Aralashtirish jarayonlarining tasnifi va ularning asosiy mezonlari
Idishlardagi mexanik aralashtirgichlar bilan aralashtirish jarayonining jismoniy mohiyati
Qurilmadagi suyuqlik oqimi
To'xtatib turish
To'xtatib turish shartlari
Kimyoviy texnologiya jarayonlariga aralashtirishning ta'siri
Aralashtirishning massa uzatishga ta'siri
Qattiq va suyuq fazalar orasidagi massa almashinuvi
Aralashtirishning issiqlik uzatishga ta'siri
Aralashtirish apparatlari va ularning tasnifi
Qurilmalarning maqsadi va ularning ishlash sohalari
Muhitning shartli bosimi va harorati
Uskunalarning asosiy parametrlari
Kimyoviy reaktorlarni ishlab chiqarish uchun materiallarni tanlash va ularga qo'yiladigan talablar
Reaktorlar va ularning konstruktiv elementlarini ishlab chiqarishda foydalaniladigan materiallarning asosiy xossalari
Suyuq muhitni mexanik aralashtirish uchun qurilmalarning konstruktiv xususiyatlari
Aralashtirgichli reaktorlarning asosiy funksional elementlarini loyihalash
Yuqori tezlikli mikserlar
Yuqori tezlikda aralashtirish qurilmalarining gidrodinamikasi. Asosiy gidrodinamik parametrlarni hisoblash
Past tezlikli mikserlar
Past tezlikli mikserli qurilmalarda aralashtirish gidrodinamiği
Mikser haydovchi
Muhrlangan elektr drayvlar
Mikser mili muhrlari
Gidravlik klapanlar
Dudak muhrlari
Bez muhrlari
Mexanik muhrlar
Reaktorning ichki qismlari
Reflektor qismlar
Bosim trubkasi
Bobinlar
Ichki qurilmalarni hisoblash
Fayl elektron pochta manzilingizga yuboriladi. Uni qabul qilishdan oldin 1-5 daqiqa vaqt ketishi mumkin.
Fayl Kindle hisobingizga yuboriladi. Uni qabul qilishdan oldin 1-5 daqiqa vaqt ketishi mumkin.
Iltimos, bizning elektron pochtamizni qo'shishingiz kerakligini unutmang [elektron pochta himoyalangan]
tasdiqlangan elektron pochta manzillariga. Ko'proq o'qish.
Siz kitob sharhini yozishingiz va o'z tajribangizni baham ko'rishingiz mumkin. Siz o'qigan kitoblaringiz haqidagi fikringiz boshqa o'quvchilarni hamisha qiziqtiradi. Siz kitobni yaxshi ko'rganmisiz yoki yo'qmi, agar siz o'zingizning halol va batafsil fikringizni bildirsangiz, odamlar o'zlari uchun mos keladigan yangi kitoblarni topadilar.
RF TA'LIM VA FAN VAZIRLIGI Volgograd davlat texnika universiteti O.X. Dakhin KIMYOVIY REAKTORLAR RPK "Polytechnic" Volgograd 2012 8 1 REAKTORLARNING LOYIYASI BO'YICHA TASNIFI 1.1 Umumiy xarakteristikalari va maqsadi Xuddi shu reaksiya har xil turdagi reaktorlarda ham amalga oshirilishi mumkin. Muayyan kimyoviy jarayonni o'tkazish uchun ma'lum turdagi reaktsiya apparatini tanlashni asoslashda uning apparatni strukturaviy loyihalash imkoniyatini hisobga olish kerak. Turli sohalarda qo'llaniladigan asosiy reaktor dizayn turlarini har tomonlama tushunish. Bunga muvofiq katta raqam reaktor konstruksiyalari, usullari va usullari ko‘rib chiqiladi amaliy qo'llash Kimyoviy kinetika, gidrodinamika, issiqlik va massa almashinuvi, muhandislik loyihalash, optimal ish rejimini tanlash va reaktorning dizayni uchun zarur. Deyarli har qanday kimyoviy ishlab chiqarishning asosiy apparati reaktor bo'lgani uchun hosil bo'ladigan mahsulotlarning tannarxi va sifati, agregatning quvvati, mehnat unumdorligi, kapital xarajatlar va boshqalar asosan uning ishlashiga bog'liq.Reaktor konstruktsiyalaridagi katta farq tufayli. , ularni tasniflashning ilmiy asoslangan mezonlarini topish qiyin. Barcha konstruktiv xususiyatlardan ikkitasini hali ham hal qiluvchi deb hisoblash mumkin: - reaktordagi reaksiya massasining harakatlanish tartibi; - issiqlik almashinuvi sirtining turi; - korpusning strukturaviy shakllariga ko'ra. Birinchi xususiyat reaktorlarning ma'lum ideal turlariga muvofiq reaktsiya apparatlarini tasniflash imkonini beradi, shu bilan reaktorlarda sodir bo'ladigan jarayonlarning kinetik qonunlari va ikkinchisining dizayni o'rtasidagi bog'liqlikni o'rnatadi. Ideal turdagi reaktorlarning har biri uchun dizayn issiqlik almashinuvi yuzasiga (tashqi, ichki) kerak yoki kerak emasligiga bog'liq bo'ladi (1-jadval). 1.2 Reaktorlarni reaksiya massasining harakatlanish rejimiga va issiqlik almashinuvi yuzasining turiga ko'ra tasnifi 1.1-jadval. Rejim usuli Issiqlik o'tkazuvchi sirt harakatini amalga oshirish Tashqi holda Reaksiya harakati yuzasi sirt ichki massasi va th yuzasi Avtoklavli avtoklavli to'liq mexanik aralashtirilgan pech javonlar jaketli lasan bilan aralashtirish Aylanuvchi baraban - - Diffuziya yoki Reaktsiya - - konveksiya I kamerasi; - - Reaktorli reaktorli reaktorli harakatlanuvchi harakatlanuvchi harakatlanuvchi harakatlanuvchi harakatlanuvchi minimal qatlamli qatlamli reaktor o'choqli javonli Aralash konvektsiya (reaktivlardan biri yuqori o'choqli Pnevmatik 10-ko'pikli reaktor ko'ndalang reaktorli, ko'pikli diffuziyali reaktorli, qolganlari to'liq ko'pikli) Oldinga oqim Reaktor Katalitik joy almashish adiabatik reaktor (statsionar minimaldan harakatlanuvchi reagentlar Qarshi oqim - - - - - Rotary Rotary - o'choq ko'ndalang qadoqlash diffuziyasi bilan ustun) 1.3 tovoqlar bilan reaksiya ustuni. Reaktorlarning konstruksiya shakllari bo‘yicha tasnifi. 1.2-jadval. Reaktor turi Con Rejimi Operatsion Yuzaki sahifa harakatlanuvchi issiqlik almashinuvi uktium fazasi Sivn reaksiyalarsiz nar ichki ion massasi uchun super toraygan burun tipidagi materiallar yuzasi 11 S Misollar quvurli PV G - + - reaktorlar Benzinlarni yorilish, etilen polimerizatsiyasi L - + - Quyi parafinlarning alkniatsiyasi L-L. - + - Xlorobenzollarning gidrolizi PV G-L + - + PV G-L + - - reaktorlari G-L + + + gaz uchun ammiak PV ni neytrallash, suyuq PV uchun nksilen NS oksidlanishi G-Zh + - - Ammoniy sulfatni olish 12-jadvalning davomi. . 2 ustunli PV G-G/T + - - reaktorlar Etilen-benzol degidratatsiyasi - + - Etilenning oksidlanishi G-T + - - Ohaktoshni qovurish L-T uchun PV PV + - - Ion almashinuvi G-T + - - G-G/T + - - Butan pirolizi G-T + - - Qovurish pira F + + + Diazotizatsiya G-L + + + Gazni xlorlash, PS G-G/T etilen hosilalarining qattiq fazasi uchun F + + + Benzolni sulfonlash L-T + + + Superfosfatlarni tayyorlash 13 1.2-jadvalning davomi Boshqa keng tarqalgan. G-T + + - Ishlatilgan rudalarni oksidlanishi G-T + - + Reaktorni qovurish Zh-T Kaltsiy karbidining suv bilan asetilenga parchalanishi G-G + - + Uglevodorodlarning olefin va diolefinlarga qisman oksidlanishi Eslatma : PV-to'liq siljish; PS - to'liq aralashtirish; G-gaz fazasi; Suyuq-suyuqlik Reaktorlarning idishning strukturaviy shakllariga ko'ra tasnifi ilmiy tasniflash mezonlariga asoslanmagan, lekin reaksiya apparatlarini (qozonlar, pechlar, quvurlar) guruhlashning zavod usullariga yaqin. Konstruksiya shakllariga ko‘ra reaktorlarning asosiy turlari quyidagicha guruhlanadi: - quvurli (issiqlik almashinuvchi tipidagi reaktorlar); -ustun (shu jumladan qattiq fazaning statsionar yoki harakatlanuvchi qatlamiga ega qurilmalar); -reaktsiya kamerasi tipidagi reaktorlar (mexanik aralashtirish bilan yoki aralashtirmasdan); - boshqa keng tarqalgan ishlatiladigan reaktor turlari (masalan, pechlar). Quyida qisqacha ma'lumot turli konstruktiv shakldagi reaktorlar haqida... 14 Kimyoviy texnologiyaning asosiy mazmuni moddalarni kimyoviy o'zgartirishning ko'p va xilma-xil jarayonlaridan iborat. Ular maxsus apparatlarda - kimyoviy reaktorlarda amalga oshiriladi. Reaktor texnologik qurilmaning asosiy apparati bo'lib, o'zining ahamiyatiga ko'ra kimyo, neft-kimyo va oziq-ovqat sanoatining har qanday mahsulotlarini ishlab chiqarishda etakchi o'rinni egallaydi. Shuning uchun texnologik va konstruktiv hisob-kitoblar usullarini bilish va o'zlashtirish, reaktorning optimal hajmini tanlash, uning malakali va xavfsiz ishlashi uchun shart-sharoitlar, shuningdek, texnologik ta'mirlash va o'rnatish alohida ahamiyatga ega. Neft-kimyo va oziq-ovqat mahsulotlarini ishlab chiqarishning texnologik liniyalaridagi reaktorlar odatda markaziy o'rinni egallaydi, chunki faqat ularda kimyoviy reaktsiyalar natijasida keyinchalik tayyor mahsulot sifatida foydalanish yoki ma'lum mahsulotlarga qayta ishlash uchun belgilangan xususiyatlarga ega kerakli maqsadli mahsulot hosil bo'ladi. Tegishli ishlab chiqarishning qolgan jihozlari reaktorda kimyoviy reaktsiyalarni o'tkazish va tayyor reaktsiya mahsulotlarini qayta ishlash yoki qayta ishlash uchun boshlang'ich komponentlarni tayyorlash uchun mo'ljallangan. Har bir sanoat kimyoviy jarayoni qayta ishlashning bir necha ketma-ket bosqichlaridan o'tadigan xom ashyodan kerakli mahsulotni iqtisodiy jihatdan ishlab chiqarishga mo'ljallangan. l.l-rasmda tipik kimyoviy jarayonning diagrammasi ko'rsatilgan. Dastlabki gidromexanik termal (isitish, materiallar (maydalash, texnologik yordam bilan, santrifüjlash, sovutish va boshqalar) va boshqa turli jarayonlar) ma'lum sharoitlarda ular kirishga qodir bo'lgan holatga qadar maxsus qayta ishlanadi. kimyoviy reaksiya. 15 Shundan so'ng, kimyoviy reaksiyani amalga oshirish uchun boshlang'ich reagentlar reaktorga beriladi. Reaktorda ma'lum fizik jarayonlar yordamida kimyoviy reaksiya uchun optimal sharoitlar yaratiladi. Kinetik bog'liqliklar asosida optimal reaksiya vaqti ta'minlanadi - harorat rejimi va reaksiya harorati - gidrodinamik rejim va reaktorning ish bosimi, reagentlar holati va ularning konsentratsiyasi - faza, shuningdek, tegishli dizayn. I - reaktorda kimyoviy reaksiya uchun dastlabki reagentlarni tayyorlash uchun uskunalar; II - reaktorda olingan tayyor mahsulotni qayta ishlash va qayta ishlash uchun uskunalar. 1 ta kimyoviy reaktor; 2 - quritgich; 3 – massa uzatish apparati; 4 - ekstruder; 5- sig'im; 6 - santrifuga; 7 - filtr; 8 – issiqlik almashtirgich (muzlatgich). 1.1-rasm – 101-neft-kimyo ishlab chiqarish texnologik sxemasidagi kimyoviy reaktor; Barcha kimyoviy reaktorlar standart konstruktiv elementlar va apparatlardan iborat bo'lib, ular aralashtirgichlar, dispenserlar, filtrlar, sentrifugalar, issiqlik almashtirgichlar (muzlatgichlar), quritgichlar va boshqalar, shuningdek aloqa moslamalari - plitalar, nozullar, katalizatorlar va gaz va aralashtirish moslamalari. suyuq fazalar. Strukturaviy jihatdan reaktor oddiy qurilma, masalan, oddiy aralashtirish idishi bo'lishi mumkin, ammo turli xil sanoat tarmoqlarining ko'pgina texnologik sxemalarida reaktor asosiy apparatdir, chunki kimyoviy bosqich jarayonning eng muhim qismidir. , uning samaradorligini aniqlash.Reaktorni loyihalash murakkab muhandislik ishidir, chunki ma'lum bir kimyoviy jarayon uchun har xil turdagi apparatlardan foydalanish mumkin. Shuning uchun optimal loyihani loyihalash, hisoblash va tanlash uchun turli bilim sohalari: termodinamika, kimyoviy kinetika, gidrodinamika, issiqlik uzatish, massa almashinuvi va iqtisodiyotning naqshlari va ma'lumotlaridan foydalanish kerak. 1.4 Reagentlarning fazaviy holati va ishlash printsipi bo'yicha reaktorlarning tasnifi Kimyoviy jarayonlar quyidagi ish printsiplaridan biri bo'yicha ishlaydigan turli xil konstruktsiyali qurilmalarda amalga oshiriladi: - partiyaviy reaktor; - yarim partiyali va yarim uzluksiz reaktor; - uzluksiz reaktor. Bu reaktorlarda reagentlar turli faza holatida bo'lishi mumkin: gaz, suyuq, gaz-suyuq, suyuq-suyuq, gaz-qattiq, suyuq-qattiq, gaz-suyuq-qattiq. Ushbu fazalardagi reaktsiyalar aralashtirish amalga oshiriladigan apparatlarda amalga oshiriladi. reagentlar harakati Shunga ko'ra, joy o'zgartirish rejimida qurilmalar konstruktiv ravishda joy o'zgartirish reaktori yoki aralashtirilgan reaktor shaklida ishlab chiqilgan. Siqilishli qurilmalar: odatda uzluksiz va aralashtirish bilan, ham doimiy, ham davriy. Davriy jarayonlar bir jinsli (L) va geterogen (L+G; Ll+L2; G+Tv.t; G+L+Tt) tizimlarda aralashtirish bilan reaktorlarda olib boriladi. Davriy jarayonlarga quyidagilar kiradi: -polimerlanish jarayonlari (L); -yarim davriy xlorlash (G+L) -sulfonlash (Ll+L2); -qayta ishlash (G + TV); -Ek minerallar (L+Tv.t.); -gidrogenlash (G + F + Tv.t.). Uzluksiz jarayonlar ham tiqinli, ham aralashtirish reaktorlarida amalga oshiriladi. Uzluksiz jarayonlarga quyidagilar kiradi: - termik yorilish (G); -yutilish (G + F); -ekstraktsiya (Ll+L2); -nitrlash (Ll+L2); -katalizatorning statsionar yoki harakatlanuvchi osilgan qatlamida sodir bo'ladigan jarayonlar (G+Tv.t. ); -ion almashinuvi (F+TV). Yuqoridagi jarayonlarni amalga oshirish sxemalari 1.3-jadvalda keltirilgan. 103 1.3-jadval 104 2 ISHLAB CHIQISH REJIMI BO'YICHA UMUMIY XUSUSIYATLAR VA FOYDALANISH PRINSİPLARI 2.1 Partiyali reaktorlar (bir hil statsionar bo'lmagan reaktorlar) Barcha reagentlar reaktorga yuklanadi (2.1-rasm), ular bir xildan iborat. Intensiv aralashtirish har qanday vaqtda butun hajm bo'ylab bir xil konsentratsiyani ta'minlaydi. Jarayon muvozanat yoki kerakli konvertatsiya darajasiga erishilgunga qadar amalga oshiriladi. Komponentlarning reaksiya zonasida turish vaqti apparatni yuklash va tushirish momentlari orasidagi interval bilan belgilanadi. Suyuq muhitda reaktsiyalar uchun ishlatiladigan bunday qurilmalar ideal (to'liq) aralashtirish rejimida ishlaydi. Partiyali reaktorlar ko'p hollarda jarayonlarni homogenlashtirish va nisbatan eritish, keng suyultirish, kimyoviy transformatsiyalar miqyosi uchun ishlatiladi. Aralashtirish ta'sir etuvchi hal qiluvchi omillar massa uzatish va issiqlik uzatishdir. Aralashtirish tufayli reaksiyaga kirishuvchi komponentlar to'liqroq va yaqinroq aloqaga kirishadi va reaktsiya tezlashadi, issiqlik almashinuvi ko'ylagi yoki lasan orqali sodir bo'ladi. Reaksiya aralashmasining tarkibi vaqt o'tishi bilan o'zgaradi, shuning uchun jarayon davomida reaksiya tezligi doimiy emas. Sarflanadigan komponent kontsentratsiyasidagi o'zgarishlar diagrammada keltirilgan (2.2-rasm). Diagrammadan kelib chiqadiki, sarflanadigan komponentning boshlang'ich metallardagi konsentratsiyasi vaqt o'tishi bilan kamayadi va reaktsiya mahsulotlari ortadi. davriy To'liq ta'sirli ish tsikli yuklash ish vaqti siklidan, reaksiya mahsulotlarining ma'lum bir o'zgarishigacha bo'lgan kimyoviy reaktsiya reaktor vaqti va yuklash vaqtidan iborat. 105 2.1-rasm – Partiyali reaktor diagrammasi 2.2-rasm – Boshlang’ich komponent va reaksiya mahsulotlari konsentrasiyalarining o’zgarishi diagrammasi 2.2 Yarim partiyali reaktorlar Yarim uzluksiz (yarim partiyali) reaktorning konstruksiyasi partiyaviy reaktorga o’xshaydi. Farqi ishlash printsipida yotadi. Agar barcha dastlabki reagentlar bir vaqtning o'zida partiya reaktoriga 106 yuklangan bo'lsa, u holda yarim uzluksiz reaktorga jarayonning boshida reagentlarning bir qismi yuklanadi, ikkinchisi esa jarayon davomida uzluksiz ravishda apparatga yuboriladi. Haroratning haddan tashqari ko'tarilishi yoki tarkibiy qismlardan birining yuqori konsentratsiyasida yuzaga keladigan yon reaktsiyalar xavfi mavjud bo'lganda bunday reaktorlardan foydalanish tavsiya etiladi. Masalan, A + B - C reaktsiyasida birinchi navbatda A komponenti apparatga yuklanadi, B komponent doimiy ravishda ta'minlanadi va maqsadli mahsulotning maksimal miqdorini olish uchun uning mollari nB soni tanlanadi (2.4-rasm). . Yarim uzluksiz reaktorda konsentratsiyaning o'zgarishi diagrammasi 2.3-rasmda keltirilgan. Shakl 2.3 - Partiyali reaktorda konsentratsiyaning o'zgarishi diagrammasi 2.3 Uzluksiz reaktorlar (bir hil statsionar reaktorlar) Uzluksiz reaktorlarning ishlash tamoyillari quyidagilardan iborat; boshlang'ich materiallarni yuklash va reaksiya mahsulotlarini aralashtirgichli apparatga tushirish doimiy ravishda amalga oshiriladi. Natijada, 107 zarrachalarning reaksiya zonasida aniq turish vaqti aniqlanmagan: aftidan, faqat oz sonli zarrachalar apparatning kirish joyidan chiqishigacha bo'lgan yo'lni juda tez bosib o'ta oladi. Ko'pchilik zarralar, aralashtirish tufayli, reaktordan chiqish uchun juda qiyin yo'ldan o'tadi. Shuning uchun, bunday reaktorlarni hisoblashda haqiqiy vaqt komponentlarning reaksiya zonasida yashashi zarrachaning reaktordagi ekvivalent vaqti yoki o'rtacha yashash vaqti deb ataladigan vaqt bilan almashtiriladi (2.4-rasm). Boshlang'ich materiallar doimiy ravishda ta'minlanganligi va reaktsiya mahsulotlari doimiy ravishda olib tashlanishi sababli, ularning konsentratsiyasi reaktsiya hajmining istalgan nuqtasida va istalgan vaqtda doimiy bo'ladi; reaksiya tezligi ham vaqt va apparat hajmi bo'yicha doimiy bo'ladi. Yuklanganda komponentning konsentratsiyasi c0 ga teng; nazariy jihatdan u bir zumda yakuniy kontsentratsiya c ga kamayadi va tayyor mahsulot reaktordan tushirilgunga qadar doimiy bo'lib qoladi. Diagrammada (2.5-rasm) uzluksiz reaktorda konsentratsiya va reaksiya tezligining o'zgarishi tabiati ko'rsatilgan. 108 2.4-rasm - Uzluksiz reaktor sxemasi 2.5-rasm - Uzluksiz reaktorda konsentratsiyaning o'zgarishi diagrammasi 2.4 Reaktorlar kaskadi O'rnatish sxemasi rasmda ko'rsatilgan (2.6-rasm). Reagentlar oqimi reaksiyani davom ettirish uchun har bir reaktordan ikkinchisiga doimiy ravishda oqib boradi. Boshlang'ich moddalarning kontsentratsiyasi bosqichma-bosqich o'zgaradi. Reaktorlar kaskadining ishlashining yana bir bosqichli versiyasi mumkin, bunda har bir reaktorning tarkibi vaqti-vaqti bilan keyingisiga o'tkaziladi. Reaksiya mahsulotlarini oxirgi apparatdan tushirish ham davriydir. 2.6-rasm - Uzluksiz reaktorlar kaskadi diagrammasi va kontsentratsiyalarning bosqichlar bo'yicha o'zgarishi diagrammasi 2.5 Quvurli reaktorlar Bular bir-biri bilan kimyoviy o'zaro ta'sirga kirishadigan reaktivlar oqimi doimiy ravishda o'tadigan qurilmalardir (2.7-rasm). Gomogen va geterogen jarayonlar uchun reaktorlar mavjud. Quvurli reaktorlarda oqim sharoitlari juda murakkab. Aralashtirishning birinchi yaqinlashuvida, harakat yo'nalishisiz (bo'ylama radial yo'nalish (ko'ndalang aralashtirish)) oqimlarning harakatlanishiga ruxsat berish mumkin. va ko'ndalang aralashtirish oqimga qo'shimcha ta'sir ko'rsatadi.Bo'ylama aralashtirish bo'lmasa, reagentlarning reaksiya zonasida turish muddati apparat uzunligi va zarrachalarning tezligi bilan belgilanadi, bu esa bo'ylab bir xil emas. Agar biz quvurli reaktorni ideal siljish apparati (piston rejimi deb ataladigan) deb hisoblasak, u holda molekulaning 110-reaksiya zonasida turish vaqti reaktor uzunligining nisbatiga teng bo'ladi. zonasi bo'ylama tezlikka.Turbulizatsiya oqimlari va uzunlamasına aralashtirish yashash vaqtini hisoblashni murakkablashtiradi, shuning uchun o'rtacha yashash vaqti tushunchasi kiritiladi. Reaktorning har bir qismida ishga tushirish davrining oxirida, natijada kimyoviy o'zaro ta'sir Sarflanadigan komponentning doimiy kontsentratsiyasi o'rnatiladi, boshlang'ich materiallarda kirishdan chiqishgacha kamayadi. Quvurli reaktorlar kimyo va neft-kimyo sanoatida keng qo'llaniladi. Quvurli reaktorlar uchun ikkita asosiy ish sxemasi mavjud: oqim (2.7-rasm) va resirkulyatsiya (2.6-rasm). 2.7-rasm - Oqimli quvurli reaktorning diagrammasi va boshlang'ich va tayyor mahsulotlar konsentratsiyasining o'zgarishi diagrammasi 111 2.8-rasm - Resirkulyatsiya bilan reaktor o'rnatish sxemasi. 1 reaktor; 2 - ajratuvchi; 3-issiqlik almashtirgich; 4 - aylanma nasosi Ushbu sxema gaz moyining krekingi, engil mahsulotlarni bir qo'l sxemasi bo'yicha isloh qilish, shuningdek, alohida komponentlardan sintez jarayonlariga mos keladi. Belgilangan sxema bo'yicha ishlaydigan qurilmalar sanoatda, xususan, neftni qayta ishlash zavodlarida keng qo'llaniladi. Buning sababi quyidagi sabablarga ko'ra: ko'p hollarda, qayta ishlanmasdan, reaksiyaga kirishuvchi moddalarning kerakli konvertatsiya darajasiga erishish mumkin emas; ko'pgina jarayonlar haroratning buzilishi natijasida parallel yoki yon reaktsiyalar bilan birga keladi. Qo'shimcha mahsulotlarning hosildorligi oshishiga yo'l qo'ymaslik uchun qayta ishlashni qo'llash orqali xom ashyoni to'liq konvertatsiya qilish ta'minlanadi. Dvigatel yoqilg'ilarini ishlab chiqarishda reaktsiya ko'pincha xom ashyoning tarkibiy qismlaridan birining katta ortiqcha miqdori bilan amalga oshiriladi. Masalan, izobutanning ortiqcha miqdori bilan izooktan izobutan va izobutendan sintezlanadi; ortiqcha benzol bilan - benzol va propilendan izopropilbenzol sintezi. Bunday hollarda komponentning ortiqcha miqdori resirkulyatsiya bilan kiritiladi. Usulning mohiyati shundan iboratki, reaksiyaga kirishmagan mahsulotlar reaksiyaga kirishganlari bilan birga reaktordan keyin 112-ajratish tizimiga kiradi, u erda ular ikkinchisidan ajratiladi va yangi xom ashyo bilan aralashtirib, reaktorga qaytariladi. 113 4 KIMYOVIY REAKTORLARNING YUMLASH HISOBI Usuli Kimyoviy reaksiyalar har xil turdagi reaktorlarda sodir bo'ladi. Muayyan kimyoviy jarayon (kimyoviy reaktsiya) uchun apparatning o'lchamlarini loyihalash va tanlash ko'plab omillarga, dastlabki reaktivlarning fazaviy holatiga va ularning fizik-kimyoviy xususiyatlariga, issiqlik va massa uzatish jarayonlariga va gidrodinamikaga bog'liq. Bundan tashqari, bu jarayonlarning barchasi bir vaqtning o'zida sodir bo'ladi, bu kimyoviy reaktorlarni loyihalash va hisoblashni sezilarli darajada murakkablashtiradi. Eng maqbul texnologik va dizayn parametrlarini olish imkoniyati reaktorni kompleks hisoblashdan foydalanganda paydo bo'ladi. 4.1 Reaktorni hisoblash algoritmi Optimal dizayndagi reaktorni yaratish uchun ular aytganidek, dastlabki ma'lumotlar talab qilinadi. Avvalo, siz maqsadli mahsulotning kinetikasini va xom ashyoning noratsional iste'mol qilinishiga va keraksiz va ba'zan zararli moddalarning paydo bo'lishiga olib keladigan yon jarayonlar haqida bilishingiz kerak (kinetika - bu kimyoviy reaktsiyalar tezligi haqidagi fan). Keyinchalik, reaktsiya paytida chiqarilgan yoki so'rilgan issiqlik va boshlang'ich moddalarni mahsulotga aylantirishning maksimal darajasi to'g'risida ma'lumotlar talab qilinadi. Bu savollarga javob beradi kimyoviy termodinamika . Reaksiya sodir bo'lishi uchun boshlang'ich reaktivlarning molekulalari bir-biriga mos kelishi kerakligi sababli, reaktsiya tizimi yaxshi aralashtirilgan bo'lishi kerak. Aralashtirish samaradorligi tarkibiy qismlarning yopishqoqligiga, boshlang'ich moddalar va mahsulotlarning o'zaro eruvchanligiga, oqim tezligiga, reaktor geometriyasiga va har xil turdagi reagentlarni kiritish qurilmalariga bog'liq. Bu savollar gidrodinamika deb ataladigan fan tomonidan hal qilinadi. Kimyoviy reaktsiyaning paydo bo'lishi ham aralashtirishga ta'sir qiladi. Bu fizik-kimyoviy gidrodinamika tomonidan o'rganiladi. Nihoyat, 114 reaktordagi harorat reaktsiya tezligini va maqsadli va qo'shimcha mahsulotlarning rentabelligini optimallashtirish uchun kinetik talablarga muvofiq saqlanishi kerak. Kimyoviy reaksiyalarni massa va issiqlik almashish jarayonlarini hisobga olgan holda tavsiflash bilan shug`ullanuvchi fanga makrokinetika (makroskopik kinetika) deyiladi. 1. Kimyoviy reaksiyaning turiga (oddiy, murakkab, ekzo- va endotermik), dastlabki reagentlar va moddiy reaksiya mahsulotlarining miqdoriga qarab, material balansining umumiy xarakteristik tenglamasini tashkil etuvchi oqimlar aniqlanadi. 2. Moddalar va ularning aralashmalarining asosiy fizik xossalari aniqlanadi. 3. Kimyoviy o`zgarishlar bosqichining kinetik xarakteristikalari hisoblanadi. Buning asosida asosiy hisoblangan qiymatlardan biri aniqlanadi - kimyoviy reaksiya vaqti - r. 4. Ushbu turdagi kimyoviy reaksiyalarning xususiyatlarini tahlil qilish natijasida apparat konstruktsiyasi aralashtirgichli bitta apparat, reaktorlar kaskadi va boshqalar shaklida tanlanadi. (Kataloglar, normalar va ma'lumotnomalardan tanlangan). 5. Tanlangan konstruktiv turdagi reaktorning o‘ziga xos texnologik xususiyatlarini o‘rnatgandan so‘ng, moddiy balansning umumiy xarakteristik tenglamasi reaktor turiga mos keladigan davriy, uzluksiz xarakterli tenglamaga aylantiriladi: ideal aralashtirish yoki ideal siljish, yarim- paketli operatsiya. Kimyoviy reaktorni tavsiflovchi barcha asosiy parametrlar - G, p, Vr (G - unumdorlik, p - reaktsiya vaqti 115 va V r - reaktor hajmi) o'rtasidagi munosabatni ifodalovchi ushbu turdagi reaktorning xarakteristik tenglamasidan reaktorning asosiy konstruktiv parametri aniqlanadi: uning hajmi Vr va shunga mos ravishda sirti F. 6. Aralashtirish moslamali reaktorlarda aniq kimyoviy jarayonlar uchun, birinchi navbatda, amalga oshirilgan jarayonga qarab aralashtirgich turi tanlanadi. apparatda (kataloglar, normalar va ma'lumotnomalar). Shunday qilib, reaktordagi aralashtirish moslamasi asosiy funktsional strukturaviy va texnologik element bo'lib, uni to'g'ri tanlash va uni hisoblash reaktorning optimal texnologik va issiqlik ish sharoitlariga bog'liq. 7. Muhitning yopishqoqligi, konsentratsiyasi, harorati va boshqa fizik-mexanik xususiyatlariga qarab, tanlangan turdagi mikserning tezligi aniqlanadi. Kimdan to'g'ri ta'rif Mikserning aylanishlar soni kimyoviy reagentlarni aralashtirish intensivligiga, kimyoviy reaktsiyadagi moddalarning ko'payishini aniqlaydigan kirish oqimlarining ajralish darajasiga, shuningdek issiqlik va massa o'tkazish jarayonlariga bog'liq. Algoritmning ushbu bosqichida mikserning aylanishlar soni n hisoblab chiqiladi, aralashtirish uchun sarflangan nominal quvvat N n, muhrlarda yo'qolgan quvvat N y, ichki qurilmalar uchun quvvat N B va jami haydovchi quvvati hisoblanadi. mikserning N. 8. Issiqlik hisobi umumiy xarakteristikasi reaktor tenglamalarini tuzishdan iborat. Berilgan reaktorning barcha o'ziga xos xususiyatlarini o'rnatgandan so'ng, issiqlik balansi tenglamasi mos keladigan adiabatik reaktor turining xarakteristik tenglamasiga aylantiriladi: izotermik bo'lmagan, izotermik, politropik, avtotermik. Qr, QK, Qf, 116 Q , Qf, QM apparatining termal ish rejimini tavsiflovchi barcha asosiy termofizik parametrlarning munosabatini ifodalovchi ko'rib chiqilayotgan reaktorning xarakteristik tenglamasidan (Qr - ajralib chiqadigan issiqlik miqdori yoki kimyoviy reaksiyada yutilgan, QK konvektiv issiqlik uzatish, Qf - sirt orqali issiqlik uzatish, Q - reaktor hajmidagi issiqlik miqdorining o'zgarishi, Qf - fizik jarayonlarda ajralib chiqadigan yoki yutilgan issiqlik miqdori (eritish). , bug'lanish, adsorbsiya, kristallanish va boshqalar) issiqlik effekti / N f [kJ/mol] bo'lganda.Asosiy issiqlik ko'rsatkichlari aniqlangandan so'ng, reaktor ishining barqarorligi issiqlik rejimi va optimal bo'yicha tahlil qilinadi. ish haroratlari o'rnatiladi 9. Loyihaviy hisoblashda yuqorida aniqlangan reaktor hajmi Vr - va sirt - F ma'lum bir geometrik shaklda (diametri - D va apparatning balandligi - H), aralashtirgich milining diametrida mujassamlanadi. hisoblab chiqilgan - dB, aralashtirgichning diametri - dm, armatura va quvurlarning o'lchamlari, muhrlash moslamalari va aralashtirish moslamasi elementlarining o'lchamlari (aralashtirgichning diametri - dM va diametri) o'rtasidagi asosiy munosabatlar. tanasi DM, aralashtirgichning pastki apparatdan va reaktordagi suyuqlik darajasigacha bo'lgan masofasi va boshqalar). 10. Kuchni hisoblash reaktorni kompleks hisoblashning yakuniy bosqichidir. Kimyoviy reaktorlar va ular uchun yordamchi uskunalar uchun konstruktiv materiallarni tanlashda materialning o'zi reaktor hajmidagi kimyoviy jarayonga ta'sir qilmasligini, lekin issiqlik uzatish jarayonlariga sezilarli ta'sir ko'rsatishi mumkinligini tushunish kerak, ayniqsa bo'lmagan reaktorlardan foydalanilganda. -metall qoplamalar (gumming, emal va boshqalar) .P. ). Shuningdek, devorga yaqin hududda strukturaviy materialning katalitik ta'siri natijasida qo'shimcha mahsulotlar (zararli, kiruvchi) reaktsiya mahsulotlari paydo bo'lishi mumkin. 117 Shuning uchun, cheklash bosqichi issiqlik uzatish jarayoni bo'lgan jarayonlarda, strukturaviy materialni oldindan tanlash kerak. 118 4.1-rasm – Kimyoviy reaktorni hisoblash algoritmi 119 5 UMUMIY QOIDALAR Yangi kimyoviy reaksiyani texnologik loyihalashda quyidagilarni aniqlash kerak: bu reaksiya qanday sharoitlarda sodir bo‘lishi va tanlangan sharoitda uning tezligi qanday bo‘lishi kerak. Birinchi savolga javob kimyoviy termodinamika, fizik kimyoning ikkinchi bo'limi kimyoviy kinetika bo'lib, vaqt o'tishi bilan kimyoviy jarayonning borishini tekshiradi. Kimyoviy reaktsiyalar jarayonida yangi moddalarning paydo bo'lishi atomlarning elektronlari va reaksiyaga kirishayotgan moddalar molekulalari o'rtasidagi o'zaro ta'sir tufayli sodir bo'ladi. Bu o'zaro ta'sirlar, o'z navbatida, turli atomlar va molekulalar o'rtasidagi to'qnashuv ehtimoli bilan belgilanadi. Demak, kimyoviy reaksiya mikroskopik jarayon ekanligi aniq. Ba'zi reaktsiyalarda faqat maqsadli mahsulot olinadi; Boshqa reaksiyalar ham yon mahsulotlar hosil qiladi. Asosiy va qo'shimcha mahsulotlarning uzluksiz seriyasini beradigan reaktsiyalar mavjud. A + B = C reaktsiyasida, masalan, C moddasi yagona mahsulotdir. A + B = C + D reaktsiyasida maqsadli mahsulot C ba'zi qo'shimcha mahsulot D bilan birga keladi. Uglerodli birikmalarda uglerod zanjiri aniq belgilangan tuzilishga ega, ammo molekuladagi uglerod atomlari soni o'zgarishi mumkin. Umuman olganda, noorganik moddalarning reaksiyalari jarayonida ba'zi asosiy va qo'shimcha mahsulotlar hosil bo'lishini yodda tutish kerak. Shu bilan birga uchun organik reaksiyalar(ayniqsa, polimerizatsiya reaktsiyalari), bunda moddalarning molekulyar og'irliklariga ko'ra taqsimlanishi amalga oshiriladi, asosiy va qo'shimcha mahsulotlar o'rtasidagi farq mohiyatan noaniq. Yuqorida aytib o'tilganidek, kimyoviy reaktsiya mikroskopik jarayondir. Shu bilan birga, kimyoviy jarayonlarni hisoblash, tartibga solish va boshqarish nazariyasida atomlar (molekulalar) emas, balki assotsiatsiyani yoki individual dissipatsiyani majburlaydigan intermolyar (molekulyar) 120 kuchlarni bevosita hisobga olish mumkin. Mahsulotning shakllanishi yoki yo'q qilinishi faqat makroskopik nuqtai nazardan ko'rib chiqilishi kerak. 5.1 Kimyoviy reaksiya tezligini, konstantasini, aylanish darajasi va tartibini aniqlash Reaktorlarni hisoblashda reaksiya tezligini, uning tartibini, tezlik konstantasini va aylanish darajasini bilish kerak. Ushbu hisob-kitoblar eksperimental ma'lumotlarga asoslanadi. Kimyoviy reaktsiyalarning kinetik tenglamalari reaktsiya tezligi to'g'risida tegishli ma'lumotlar mavjud bo'lganda, ma'lum bir konvertatsiya darajasiga erishish uchun k tezlik konstantalarining oniy qiymatlarini va reaktsiya davomiyligini aniqlashga imkon beradi. O'rtacha reaktsiya tezligi kinetik nazariya asosida tuzilgan differensial tenglamalar bilan ifodalanadi. Bu tenglamalar vaqt birligiga sarflangan xomashyo miqdori yoki vaqt birligida ishlab chiqarilgan mahsulot miqdorini hisobga oladi. 5.1.1 Kritik kimyoviy reaksiya tezligi miqdoriy xususiyatlar moddalarning kimyoviy o'zgarishi jarayoni - kimyoviy reaksiya tezligi, ya'ni vaqt birligida reaksiyaga kirishuvchi muhitning birlik hajmidagi komponentning mol sonining o'zgarishi: r 1 dn , V d ( 5.1) bu yerda V - reaksiyaga kirishuvchi komponentlar hajmi, m3; n - har qanday iste'mol qilinadigan (kamayuvchi) komponentning mollari soni (bu minus belgisi bilan ko'rsatilgan); - vaqt, sek. 121 Umumiy holatda V - vaqt o'zgaruvchan miqdor. Agar V = const bo'lsa, u holda n = cV, bu erda c - iste'mol qilingan komponentning vaqtidagi konsentratsiyasi, u holda r d cV ds . d d (5.2) Reaktor hajmi VR V ekanligiga asoslanib, biz quyidagilarni olamiz: r 1 dn V R d [hosil bo'lgan mollar soni/(birlik reaktor hajmi) vaqt] Ikki fazali tizimlarda, asoslangan. fazali aloqa yuzasida S, bizda: r 1 dn S R d [hosil bo‘lgan mollar soni/(aloqa yuzasi birligi) vaqt] Qattiq faza bilan reaksiyalarda: r 1 dn M d [ hosil bo'lgan mollar soni/(qattiq jismning birliklari. massasi M) vaqt] Umuman kimyoviy reaksiya tezligini quyidagicha yozish mumkin: dc kc A11 c A22 ... d (5.3) Bu ifoda. kimyoviy reaksiyaning kinetik tenglamasi deyiladi. Unda k - reaksiya tezligi konstantasi, 1 va 2 - A 1 va A 2 komponentlardagi reaksiya tartiblari. Reaksiyaning umumiy tartibi alohida reaksiyaga kirishuvchi moddalar tartiblari yig’indisiga teng: 1 2 ... . 5.1.2 Oddiy reaksiyalar Oddiy reaksiyalar nol, birinchi, ikkinchi va undan yuqori darajali bo'lishi mumkin. 122 5.1.2.1 Nol tartibli reaksiyalar Bu reaksiyalarning tezligi kontsentratsiya C ga bog‘liq emas va doimiy Kp vaqt bo‘yicha o‘zgarmas: dc kc 0 k const d (5.4) 5.1.2.2 Birinchi darajali reaksiyalar. Bunday holda, reaktsiya tezligi reaktivning kontsentratsiyasining birinchi darajasiga mutanosibdir. t momentda hosil bo'layotgan moddaning konsentratsiyasini (masalan, B) CB bilan bir vaqtning o'zida reaksiyaga kirishayotgan A moddaning konsentratsiyasini CA bilan belgilaymiz.So'ngra differensial shaklda darajaning o'zgarish tezligini belgilaymiz. konversiya yoki konsentratsiyani (5.5) koʻrinishida ifodalash mumkin: =− = (5.5) Integrasiya (5.5) natijasida (5.6) bogʻliqlikni olamiz: =− ∫ ln bu yerda = −k t t ∫ (5.6) = va (5.7) - reaksiyaga kirishuvchi A ning boshlang'ich konsentratsiyasi. Shubhasiz, CA = - C Va A konsentratsiyasi teng bo'ladi: CA = = -C va reaksiyaga kirishgan mollar soni: CB = - CA = (1 -) ( 5.8) Har qanday komponent uchun: CB = (1 -) (5.9) 5.1.3 Mahsulot rentabelligi Mahsulot unumi (konversiya darajasi) - X (5.10) kimyoviy transformatsiya natijasida olingan mahsulot miqdorining miqdorga nisbati qayta ishlash uchun olingan boshlang'ich material. Agar 123 kimyoviy jarayonning borishini stexiometrik tenglama bilan miqdoriy ifodalash mumkin bo'lsa, u holda yakuniy mahsulotning unumini foiz sifatida, ya'ni amalda olingan mahsulot miqdorining nazariy jihatdan mumkin bo'lgan nisbati sifatida topish mumkin. stoxiometrik tenglama. 5.1.4 Reaksiyalarning tasnifi Reaksiyalarning tasnifi. Mexanizmga ko'ra reaktsiyalar oddiy (to'g'ridan-to'g'ri) va murakkab bo'linadi. Oddiy (to'g'ridan-to'g'ri) reaktsiyalar bir yo'nalishda boradi va bir kimyoviy bosqichni o'z ichiga oladi. Murakkab reaksiyalar quyidagicha bo'linadi: qaytar reaksiyalar; parallel reaktsiyalar; ketma-ket reaktsiyalar; qo'shilgan reaktsiyalar, bir reaktsiya o'z-o'zidan sodir bo'lganda, ikkinchisi esa faqat birinchisi ishtirokida; sanab o'tilgan reaktsiyalarning kombinatsiyasi. 5.2 Haroratning kimyoviy reaksiya tezligiga ta'siri Kimyoviy reaksiya tezligi haroratning o'zgarishiga juda sezgir, chunki ikkinchisi tenglamaga kiritilgan tezlik konstantasi k ga katta ta'sir qiladi. Tezlik konstantasining haroratga bog'liqligi Arrhenius tenglamasi ko'rinishidagi eng keng tarqalgan ifodadir. Reaksiyaga kirishuvchi moddalarning konsentratsiyasi haroratga bog‘liq bo‘lmagani uchun kimyoviy reaksiya tezligini ifodalash quyidagi ko‘rinishda bo‘ladi: =− = = (5.11) z va E konstantalari tajribada topiladi. Ifodaning logarifmini (5.12) olib, koordinatalar sistemasidagi to'g'ri chiziq tenglamasini olamiz (1/T, Ln k). Gorizontal o'qi 1/T bo'lgan bu to'g'ri chiziqning grafik jihatdan topilgan qiyshayish burchagidan tan a = E/R aniqlanadi, undan ma'lum gaz konstantasi R dan aktivlanish energiyasi E qiymati olinadi.Agar qiymat tezlik konstantasining k ma'lum haroratda T va E qiymatida ma'lum bo'lsa, (5.12) tenglamadan ko'rsatkichdan oldingi omilni topish oson: z= Oddiy reaksiyalarning minimal energiyasi (5.12) holatida E parametri ko'rsatilgan. reaksiyaga kirishuvchi zarralar shunday bo'ladiki, ularning to'qnashuvi (faol) yangi kimyoviy birikmalar hosil bo'lishiga olib keladi. Shuning uchun E parametri aktivlanish energiyasi deb ataladi. Agar tizimda bir nechta reaktsiyalar sodir bo'lsa, u holda harorat oshishi bilan E qiymati kattaroq bo'lgan reaktsiya tezligi boshqalarga nisbatan tezroq oshadi. 5.3 Parallel va ketma-ket reaksiyalar Parallel reaksiyalar. A→B A→C tipidagi reaksiyalarni ko‘rib chiqamiz Bu sxema, masalan, benzol va toluol aralashmasini xlorlashda sodir bo‘ladi. (5.7) formula bo'yicha bizda: = = () = (5.13) Bu holda ikkita holat mumkin: a) = Va ≠ b) (5.13) ifodadan biz quyidagilarni topamiz: () = Farq va eng ko'p namoyon bo'ladi. pastroq haroratlarda Masalan, agar faollashuv energiyasidagi farq 125 - =∆ = 2400 kal ∗ mol va harorat T = 300 bo'lsa; 600 va 900 °K, R=1,987≈2 kal*mol keyin, ∗ deg qabul qilib, olamiz: =e ∗ = =e ∗ = =e ∗ = , Boshqacha aytganda, past haroratlarda parallel reaksiyalar tezligi keskin farq qiladi. . Shuning uchun tipik parallel reaksiyalar, masalan, suyuq fazadagi uglevodorodlarning xlorlanishi va oksidlanishi bunday sharoitda amalga oshiriladi. Haroratning oshishi reaksiyaga kirishuvchi zarrachalarning reaktivligini neytrallash kabi ko'rinadi. Endi harorat ⁄ =0,001 yo'nalish - ≠ bo'lsin. Agar reaktsiyalar bo'lsa<
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 hajm ulushi T. dan kamroq "yosh" bilan chiqish oqimi Shunday qilib, tarqatish funktsiyalaridan birini bilib, boshqasini olishingiz mumkin. O‘rtacha yashash vaqti T va E(T) o‘rtasida quyidagi bog‘liqlik mavjud: 128 m QV E d v v 0 , (7.3) Ya’ni E(t) ni bilib, Vr ni aniqlash mumkin. yoki t. E(t) va P(x) funksiyalar ham quyidagi xususiyatlarga ega; mos ravishda (7.1 va 7.2-rasmlar). 7.1-rasm – Yashash vaqti taqsimotining zichlik funksiyasi E(t) 7.2-rasm – Yashash vaqti taqsimotining zichlik funksiyasi P(x) E(t) va F(t) ifodalarda nisbiy (o’lchamsiz) dan foydalanish maqsadga muvofiqdir. yashash vaqti. 129 = haqiqiy yashash vaqti o'rtacha yashash vaqti = ∙ (7.4) E(t) aralashtirish reaktorlari kaskadi uchun: E mm m1 e m 1 ! (7.5) E(t) aralashtirish reaktorlari uchun: F 1 e (7.6) F(t) aralashtirish reaktorlari kaskadi uchun: m F 1 m 1 m 1 2! 2 m 1 ... m 1! m 1 (7.7) 7.2 E(t) va F(t) ni eksperimental aniqlash va bu funksiyalar yordamida kimyoviy reaktor tahlili E(t) orqali aniqlash. (t ) reaktor kuzatuvchi moddani (bo'yoq, izotoplar, kislotalar, asoslar va boshqalar) kiritish va vaqt funktsiyasi sifatida chiqish signalini o'lchash yo'li bilan tekshiriladi. Kuzatuvchi kimyoviy transformatsiyaga uchramasligi kerak (7.3, 7.4-rasmlar). E(t) ni aniqlash uchun impuls ko‘rinishida oz miqdorda izlovchi kiritiladi, ya’ni kirish joyidagi konsentratsiyaning bosqichma-bosqich o‘zgarishi va konsentratsiyaning Cm/Co-f(t) chiqishidagi o‘zgarishi. reaktor o'lchanadi, bu nisbat 0 dan 1 gacha o'zgaradi. 7.3-rasm - Yagona to'liq aralashgan reaktor va reaktorlar kaskadi uchun izlagich yordamida 130 taqsimot E(t) va taqsimlash F(t) zichlik funksiyalarini eksperimental aniqlash izlovchi ideal reaktor real. reaktor 7.4-rasm - Ideal va real reaktorlar uchun izlagich yordamida zichlik funksiyalari E(t) va taqsimot F(t) ni eksperimental aniqlash 7.5-rasm - Yagona to`liq aralashgan reaktor va reaktorlar kaskadining taqsimlanish zichligi funksiyalari yordamida ishini tahlil qilish. E(t) va taqsimot F(t) 131 7.6-rasm – “ideal” reaktor va real reaktorning eksperimental ma’lum E(t) va F(t) funksiyalaridan foydalangan holda ishlashini tahlil qilish 7.7-rasm – Yakuniy reaktorning taqsimot funksiyalarini solishtirish. da reaktsiyalar turli ma'nolar m 132 Vaqt o‘tishi bilan reaktordan chiqib ketayotgan moddaning hajm ulushi F() Qv C Qv0 Co, (7.8) shaklida aniqlanadi va bu nisbiy konsentratsiyaga proporsionaldir. Kimyoviy reaktorlarning eng muhim turlari bo‘yicha taqsimlash funksiyalari yuqorida ko‘rsatilgan (7.5-rasm) Amalda ish sharoitlari juda murakkab bo‘lgan qurilmalar (masalan, aylanma pech, kreking agregatlari va boshqalar) mavjud bo‘lib, ular qiyin. u yoki bu turdagi ideal reaktor bilan solishtirish. Bunday hollarda grafik usullarga asoslangan Hoffmann-Schoenemann usullari qo'llaniladi. Eksperimental ma'lumotlarga ko'ra, C/CO - t bog'liqligi grafikda tasvirlangan, bu yerdan C/Co = 1 – X tenglamasidan foydalanib, siz darhol mahsulot rentabelligining qiymatini olishingiz mumkin. O'lchangan F(t) xuddi shu diagrammada chiziladi va keyin C/CO F(t) bog'liqligiga qayta joylanadi (7.8-rasm). Olingan natijalar 10% gacha aniqlikni beradi. 7.8-rasm - Grafik usul Hoffman-Schoenemann taqsimot funksiyalarini aniqlash F(t) 133 8 KIMYOVIY REAKTORLARDA ISSIQLIK O'TKAZISH Harorat kimyoviy reaktorlar uchun muhim dinamik parametrdir. Agar (ekzotermik) reaktsiya natijasida hosil bo'lgan issiqlik sovutish suyuqligi (konvektiv issiqlik uzatish) yoki o'tkazuvchanlik (o'tkazuvchan issiqlik uzatish) va radiatsiya orqali etarlicha tez olib tashlanmasa, u kuchayadi. Kimyoviy reaktorlarning ayrim turlari, ayniqsa reaksiya gaz fazasida sodir bo'ladiganlar (pech tipidagi reaktorlar) sezilarli miqdorda issiqlik hosil qiladi va termal o'zini o'zi boshqarish bilan tavsiflanadi. Boshqa tomondan, polimerizatsiya kabi ekzotermik reaktsiyalar shunday katta miqdorda issiqlikning chiqishi bilan birga bo'lishi mumkinki, aralashmaning tarkibiy qismlarining parchalanishi (qirg'inlanishi) sodir bo'ladi, bu boshlang'ich xom ashyo, ... oraliq mahsulotlar va yakuniy mahsulotlardan iborat. Reaksiya tezligi haroratning ortib boruvchi funksiyasi (masalan, Arrenius qonuni) boʻlgani uchun reaksiya yoʻnalishi oxir-oqibat oʻzgarishi mumkin. Reaktorning issiqlik almashinuvi qurilmalaridagi konstruktiv kamchiliklar tufayli undagi issiqlik almashinuvi qiyin bo'lishi mumkin, bu tabiiy ravishda haroratni nazorat qilish qobiliyatini buzadi. Yon reaktsiyalar reaktorda "turg'un zonalar" mavjudligi natijasida ham paydo bo'ladi; reaktor elementlari materialining reaktsiya qo'shimcha mahsulotlarini hosil bo'lishiga avtokatalitik ta'siri; reaktorda noto'g'ri aralashtirish natijasida; shu bilan birga, unda "issiq nuqtalar" hosil bo'ladi va bu sohada reaktsiya tezligining oshishi uni portlash sharoitlariga yaqinlashtiradi. 8.1 Reaktorlarda issiqlik effekti Ko'pincha kimyoviy reaktsiyalar issiqlikning chiqishi yoki yutilishi, ya'ni ekzotermik yoki endotermik issiqlik effekti bilan birga keladi. Agar reaksiya ekzotermik tarzda davom etsa, u holda reaktordan ma'lum miqdordagi issiqlikni olib tashlash kerak va endotermik ta'sir bo'lsa, uni unga berish kerak. Reaksiya 134 adiabatik davom etganda, reaktordagi harorat o'zgaradi va. shuning uchun reaksiya tezligi o'zgaradi. Kimyoviy reaksiya tezligi - r ning reaktordagi reaksiya massasi haroratiga bog'liqligi Arrenius tenglamasidan K = K e (8.1) dan aniqlanadi (8.1) dan kimyoviy reaksiya tezligi - r bog'liqlik bilan aniqlanadi. (8.2) r = K e C C. . C, (8.2) KO - tajriba doimiysi, R - gaz doimiysi, E - aktivlanish energiyasi, bu reaksiyaga kirishuvchi zarrachalarning to'qnashuvi yangi kimyoviy birikmalar hosil bo'lishi uchun qanday minimal energiyaga ega bo'lishi kerakligini ko'rsatadi. Agar E=(10÷ 60) ∗ 10 kkal kmol bo‘lsa, u holda T ning 10°C ga oshishi K ning (1,2-2,5) marta oshishini beradi. Turli kimyoviy reaksiyalar uchun r = f(T) bog'liqliklari (8.1 va 8.2) rasmda ko'rsatilgan. 44. Tezlikning bog'liqligi 45-rasm. Kimyoviy reaksiya tezligining bog'liqligi r = f(T) uchun: reaksiya r = f(T) uchun: a- oddiy qaytmas reaksiyalar A B; b - geterogen jarayonlar, agar reaktsiyaning aniqlovchi bosqichi diffuziya bo'lsa, haroratga kuchsiz bog'liqdir; c - yonish va kimyoviy reaktsiyalar paytida. 135 olov; d - qaytariladigan reaktsiyalar A va B; e - azot oksidi va uglevodorodlarning oksidlanish reaktsiyalari. Reaktorning ma'lum bir issiqlik rejimini amalga oshirish shartlarini bilish uchun - izotermik, adiabatik yoki dasturlashtirilgan - reaktorning issiqlik balansini tuzish kerak. Umumiy shaklda issiqlik balansi quyidagicha ifodalanishi mumkin: () t = -(hG) + Q + W (8.3) bu erda U - reaksiya muhitining umumiy massa birligiga ichki energiya; h - reaksiya muhitining umumiy massa birligiga to'g'ri keladigan entalpiya; G - reaktivlarning massa oqim tezligi; Q - issiqlik iste'moli; W- mexanik ish vaqt birligi uchun; t - vaqt; m - reaktivlarning umumiy massasi. Entalpiya va ichki energiya o'rtasida bog'liqlik mavjud: h=U+ r dh = dP + C dT∆h dx r (8.4) (8.5) Bu erda P - bosim; p - zichlik; ∆H - reaksiyaning issiqlik effekti; M- molekulyar massa I komponent; X - komponentning konvertatsiya darajasi I. Kimyoviy reaksiyalar, ma'lumki, issiqlikning yutilishi (endotermik reaktsiyalar) yoki ajralib chiqishi (ekzotermik reaktsiyalar) bilan sodir bo'ladi. Tashqaridan issiqlik ta'minoti etarli bo'lmasa, endotermik reaktsiya o'chadi. Agar issiqlikni olib tashlash etarli bo'lmasa, ekzotermik reaktsiya juda istalmagan asoratlar (mahsulotning parchalanishi, portlash va boshqalar) bilan birga keladi, har bir reaktsiya tizimi uchun issiqlik va issiqlik chiqishi (yoki iste'moli) o'rtasida muvozanat paydo bo'lganda statsionar holat mavjud. uni olib tashlash (yoki etkazib berish). Reaktor devorlarining haddan tashqari sovishi yoki qizib ketishining oldini olish uchun s = t ± 20 ° C (8,7) ni olish tavsiya etiladi, bu erda p - ko'ylagi kirish joyidagi harorat; t - apparatdagi reaksiya harorati. Reaksiya massasini va reaktorni (J) isitish yoki sovutish uchun sarflangan issiqlik miqdori Q = (m C + mj Cl)∆t () (8.8) formulasi bilan hisoblanadi, bu erda m, ml - reaktorning massasi va unga yuklangan suyuqlik, J/ (kg*K) Isitish yoki sovutish jarayonida harorat farqlari quyidagicha bo'ladi: ∆t = t - t ; ∆t = t - t. Bu yerda t - reaksiya harorati; t sovutishdan keyin suyuqlik; t - oxirgi harorat - suyuqlikning isitishdan oldingi boshlang'ich harorati. Reaktorning massasi (kg) taxminan m = 230p ∗ D formulasi bilan aniqlanishi mumkin, bu erda p - reaktordagi ortiqcha bosim, MPa; D - reaktor diametri, mm. Asosiy texnologik va konstruktiv parametrlar, shuningdek, chiqarilgan yoki yutilgan issiqlik miqdori, reaktsiya tezligi va reaktor hajmi bog'liqlik bilan bog'liq (8.10) 137 q = r ∗ ∆H ∗ Vl bu erda q - umumiy miqdor (8.10) kimyoviy reaksiyalar natijasida ajralib chiqadigan (yutilgan) issiqlik; kkal r - reaksiya tezligi, kkal m ∗s; ∆H - reaksiyaning issiqlik effekti, kkal; m ∗soat Vl - reaktordagi reaksiya massasining hajmi. 8.2 Kimyoviy reaktorlarning issiqlik rejimi bo‘yicha tasnifi Issiqlik rejimlari nuqtai nazaridan kimyoviy reaksiyalar va shunga ko‘ra reaktorlar quyidagicha tasniflanadi: 1. Izotermik rejim - tashqi muhit bilan issiqlik almashinuvi natijasida reaksiya zonasida doimiy harorat rejimi. muhit. Reaktor izotermikdir.Bu holda quyidagi reaksiyalar bo`lishi mumkin; endotermik - reaktsiya zonasiga issiqlik beriladi; - reaksiya zonasidan ekzotermik issiqlik chiqariladi. Izotermik rejimga ideal aralashtirish apparatlarida eng oson erishiladi. 2. Adiabatik rejim - tashqi va ichki o'rab turgan yuzalar orqali issiqlik almashinuvining yo'qligi - adiabatik reaktor. Ekzotermik reaktsiyalar uchun vilkali oqim qurilmalarida harorat reaktorning mahsulotning kirish joyidan chiqishigacha bo'lgan uzunligi bo'ylab hisoblanadi. Endotermik reaksiyada teskari rasm kuzatiladi. Ideal aralashtirish reaktorlarida ekzotermik reaksiya vaqtida harorat vaqt o'tishi bilan ortadi; endotermik reaksiya vaqtida u kamayadi. 3. Izotermik bo'lmagan va dasturiy ta'minot bilan boshqariladigan rejim. Ushbu rejim zarur bo'lgan issiqlik ta'minoti yoki olib tashlanishi etarli bo'lmagan kimyoviy reaktorlarda amalga oshiriladi; izotermik reaksiya sodir bo'lishi uchun. Bunday holda, harorat vilkali reaktorning uzunligi bo'ylab dasturga muvofiq yoki ideal aralashtirish reaktorlarida 138 vaqt ichida tartibga solinadi - reaktor izotermik emas. 4. Avtotermik rejim - kerakli harorat rejimini olish uchun ishlatiladigan reaktsiya issiqligi tufayli amalga oshiriladi - reaktor avtotermikdir. Reaktorlarni termodinamik nuqtai nazardan ko'rib chiqish uchun asos issiqlik balansi tenglamasidir. Shuning uchun, agar reaktorning moddiy va strukturaviy hisobi umumiy tenglamaga asoslangan bo'lsa. 8.3 Kimyoviy reaktorlarning issiqlik rejimini hisoblash algoritmi Deyarli barcha kimyoviy reaktsiyalar issiqlik effektlari bilan birga keladi, ya'ni ular issiqlikning chiqishi yoki yutilishi bilan sodir bo'ladi. Bu qurilmaning dizayn xususiyatlarini kerakli harorat sharoitlarini saqlash nuqtai nazaridan aniqlaydi, ya'ni. reaktordagi kimyoviy reaksiyaning optimal ish harorati. Issiqlik hisoblash algoritmi quyidagi bosqichlarni o'z ichiga oladi: - reaksiyaning issiqlik effektini va reaktorning issiqlik rejimini aniqlash. - issiqlik balansining umumiy xarakteristikasi tenglamasini tuzish. - aralashtirish va siljish reaktorlarida harorat sharoitlarini hisoblash. - reaktor issiqlik almashinuvi qurilmasining issiqlik va strukturaviy hisobi. - Materiallar balansining issiqlik almashinuvi qurilmalari elementlarining mustahkamlik hisoblari, keyin xuddi shunday issiqlik hisobi umumiy issiqlik balansi asosida ko'rib chiqiladi. 9 KIMYOVIY REAKTORLARNING ISSILIK HISOBLARI 9.1 Issiqlik balansining umumiy xarakteristikasi tenglamasi Kimyoviy reaktorning issiqlik balansi 139-sonli energiya saqlanish qonuni asosida tuziladi, unga ko'ra yopiq tizimda barcha turdagi energiya yig'indisi doimiy bo'ladi. Bunda reaktorga beriladigan va kimyoviy reaksiya yoki fizik transformatsiya natijasida ajralib chiqqan (yutilgan) barcha issiqlikni hisobga olish kerak; reaktorga kiradigan va undan chiqadigan har bir komponent tomonidan qo'shilgan issiqlik, shuningdek, atrof-muhit bilan issiqlik almashinuvi. Q - konvektiv issiqlik uzatishni ko'rib chiqaylik Q = (s ∙ r ∙ C ∙ t in) − (s ∙ r ∙ C ∙ t) (9.1) bunda: s - reagentlarning oqim tezligi, r - zichlik, C - solishtirma issiqlik sig'imi, t in va 0t - mos ravishda reaktorning chiqish va kirish qismidagi haroratlar. Kimyoviy reagentlarning bir nechta oqimi (n oqim) mavjud bo'lganda Q =∑ Q s ∙r ∙C ∙t (9.2) - issiqlik effektining ta'rifiga ko'ra kimyoviy reaktsiyada ajralib chiqadigan yoki yutilgan issiqlik miqdori. kimyoviy reaksiyaning ±∆H, shakli Q = (± r) ∙ V(±∆H) (9.3) Q - issiqlik almashinuvi yuzasi Q = ±K ∙ F ∙ ∆T) (9.4) bu yerda K - issiqlik uzatish koeffitsienti va belgisi jarayonning (+) isitish, (- ) sovutish yo'nalishiga bog'liq. - reaktor hajmidagi issiqlik miqdorining o'zgarishi = Bu erda r.st, r.st f ∙ Av.st + l ∙ O'rtacha ∙ =∑ (∙ Av) ∙ (9,5) , Av.st, O'rtacha massa va reaktor materialining issiqlik sig'imi va reaksiya massasi. Reaktorning metall qismlarini, ayniqsa partiyali reaktorlarni isitish uchun sarflangan issiqlik miqdorini hisobga olish kerak, chunki u metallning katta massasi tufayli reaktsiya muhitini isitish uchun sarflangan issiqlik miqdori bilan mutanosibdir. apparati. - aralashtirish vaqtida ajralib chiqadigan issiqlik miqdori. Bu issiqlikni hisobga olish kerak, chunki aralashtirgich bilan ta'minlangan quvvat suyuqlik hajmida yopishqoq ishqalanish bilan tarqaladi, bu esa uning isishiga olib keladi. Bu qiymat quvvat omili, mikserning aylanish tezligi - n va mikserning diametri = ∙ ∙ , ∙ (9.6) orqali ifodalanishi mumkin, bu qiymat faqat yuqori yopishqoq muhitni aralashtirishda juda muhimdir. Past viskoziteli vositalar uchun bu ahamiyatsiz va amaliy hisob-kitoblarda e'tiborga olinmasligi mumkin. f - issiqlik effekti f = (±∆ f) bug'lanish, kkal f [kmol] ∙ Av ∙ (9,7) bo'lganda, fizik jarayonlarda (eritish, kristallanish, ∙∆ kondensatsiya, yutilish va boshqalar) ajralib chiqadigan yoki yutilgan issiqlik miqdori. ) Reaktor issiqlik balansining barcha ko'rib chiqilgan komponentlarini jamlagandan so'ng, har qanday turdagi apparatlar uchun umumiy issiqlik balansi tenglamasini + + + + + f =0 (9,8) yoki ∑ (∙ Av) + s ∙ Cp ∙ ko'rinishida ko'rsatish mumkin. tk − ∆Tcp + ± ∆ ∑n i=1 si ∙ ri ∙ Cpi ∙ t0i + (±r) ∙ V f ∙ Av ∙ + ∙ ∙ 3∙ + ∙ ∙ 3∙ ±∆Hr) ±9, F qoidasi ±9. barcha moddiy va termal hisob-kitoblar jadvallarga qisqartiriladi. Reaktor turiga qarab (partiyali, yarim uzluksiz, (izotermik yoki uzluksiz) adiabatik va yoki politropik harorat rejimi). Umumiy issiqlik balansi tenglamasi (9.8 va 9.9) soddalashtirilgan va ma'lum bir reaktor uchun 141 xarakterli tenglamaga aylantiriladi, bu reaktorning harorat rejimini hisoblash uchun asosdir. 9.1 Ideal aralashtirish va siljish reaktorlarida issiqlik sharoitlarining kimyoviy jarayonlarning borishiga ta'siri. To'liq aralashtirish bilan uzluksiz izotermik reaktorning issiqlik hisobi. Stabil holatda issiqlik balansi tenglamasi (9. 9) to'liq aralashtirish va issiqlik almashinuvi yuzasiga ega bo'lgan reaktor uchun. (9.1-rasm) va (9.2-rasm) quyidagicha yozish mumkin 9.1-rasm – Termodinamik nuqtai nazardan to'liq aralashtirish va issiqlik almashinuvi yuzasiga ega bo'lgan uzluksiz izotermik reaktorning ishlash sxemasi. 142-rasm.9.2 Uzluksiz izotermik reaktordagi harorat rejimi. 0 = -G ∙ (h - h) + K ∙ F ∙ (T ,) (9.10) bu erda h - kirish oqimining entalpiyasi; h - chiqish oqimining entalpiyasi; K - issiqlik uzatish koeffitsienti; F - issiqlik almashinuvi yuzasi; T - o'rtacha reaksiya harorati; T, - sovutish suvining o'rtacha harorati. h −h qiymatini (9.5) tenglamani integrallash orqali olish mumkin. Demak, doimiy bosimda biz quyidagilarga ega bo'lamiz: h − h = ∫T,H, [ ∙ dT ∙ (∆h) ∙ dx ] (9.11) (9.11) va (9.12) oʻrnini qoʻysak: 0 = −∫ () − [ (∆ h) 143 ∙x + ∙ (T − T,) (9.12) Bu tenglamani izotermik reaktorning xarakteristik tenglamasi bilan birgalikda yechish orqali biz berilayotgan issiqlik miqdorining reaktordagi haroratga ta’sirini hisoblashimiz mumkin. Reaksiya aralashmasining entalpiyasi harorat va tarkibga qarab biroz o'zgarib tursa, (9.12) tenglamani x (∆h) = ∙ (T - T) + ∙ (T - T,) (9.13) ko'rinishida yozish mumkin. ) Bu tenglamaning chap qismidagi ifoda reaksiya muhitining massa birligiga to'g'ri keladigan erkin entalpiyadir; u tizimning molyar entalpiyasiga, konversiya darajasiga va, ehtimol, reaksiya tezligiga proportsionaldir. 9.2 Uzluksiz izotermik reaktorning issiqlik rejimini tahlil qilish (9.13) tenglamaning o'ng tomoni reaksiya davomida massa birligiga yutiladigan umumiy issiqlikni ifodalaydi. Birinchi ifoda oqim tomonidan so'rilgan issiqlik, ikkinchisi esa termal agent tomonidan uzatiladigan issiqlikdir. Ekzotermik reaksiya uchun (9.13) tenglama rasmda grafik tasvirlangan. 8.5 reaktor Tr °Cdagi haroratga Qr(QS) ekzotermik reaksiya natijasida ajralib chiqadigan funksional bogʻliqlik koʻrinishida. Umumiy egri chiziq bilan yutilgan issiqlikka mos keladigan to'g'ri chiziqlarning kesishish nuqtasi (9.20) tenglamani va barqaror holatdagi reaktsiyani ta'minlaydigan haroratlarni qanoatlantiradi. Reaksiyaning umumiy issiqligi =− ∙ (∆h) (9.14) 1-egri chizmada keltirilgan va past haroratlarda amalda nolga teng. Haroratning oshishi bilan reaksiya tezligi tez oshadi. Agar reaktsiya qaytarilmasa, tezlikning oshishi reagentlar to'liq iste'mol qilinmaguncha doimiy ravishda sodir bo'ladi, uchta turli 144 holat uchun 2, 3 va 4 to'g'ri chiziqlar bilan grafik tarzda ifodalanishi mumkin. Agar issiqlik uzatish koeffitsienti va sovutish suvi harorati qolsa doimiy qiymatlar, keyin bu bog'liqlik barcha holatlarda to'g'ri chiziq sifatida tasvirlanadi. 9.3-rasm Avtotermik reaktorning harorat xarakteristikalari. Yutilgan issiqlik = ∙ (T - T) + ∙ (T - T,) (9.15) To'g'ri 3 egri chiziqni / A nuqtada kesishadi, bu ko'rib chiqilayotgan holat uchun reaktordagi maksimal haroratga to'g'ri keladi. Haroratning bir oz oshishi tezlikni oshiradi va shuning uchun umumiy issiqlik, lekin sovutish normal haroratni pasaytiradi va shuning uchun jarayon barqaror bo'ladi. Bu mumkin, chunki TA chegarasiga yaqin haroratlarda umumiy issiqlik uzatilishi mumkin bo'lgan issiqlikdan kamroq. A nuqtasi konversiyaning past darajalari mintaqasida. 145-rasm. 9.4 Mumkin bo'lgan o'zgarishlar avtotermik reaktor harorati. To'g'ri 2 egri chiziq bilan kesishadi / uchta nuqtada, ulardan B va D barqaror ish sharoitlariga mos keladi va C nuqta beqaror ishlashga mos keladi. C nuqtada issiqlikning umumiy miqdori uzatilgan issiqlikdan tezroq ortadi va haroratning oshishi reaktsiya tizimini D nuqtaga mos keladigan holatga keltiradi. Aksincha, haroratning pasayishi reaktsiya tizimini B nuqtaga yo'naltiradi. D nuqtasi reaktorning optimal ishlash rejimiga ko'proq mos keladi va konversiya darajasi yuqori bo'lgan joylarda joylashgan. 4-chiziq 7-egri chiziq bilan kesishmaydi, ya'ni past haroratda yoki yuqori issiqlik uzatish koeffitsientida sovutish bilan ishlash kerak. Shu bilan birga, sovutish suvi haroratining juda pastligi reaktsiyani zaiflashtirishi mumkin, shuning uchun sovutish suvi oqimiga ta'sir qiluvchi haroratni yaxshi nazorat qilish kerak, bu esa harorat yo'qotishlarini kamaytiradi. Buning uchun quyidagilar zarur: - ko'ylagidagi sovutish suvi haroratini pasaytirish yoki uning oqim tezligini oshirish orqali zarur issiqlik o'tkazuvchanligini ta'minlaydigan boshqaruv tizimiga ega bo'lish; - reaktorning beqaror ishlashida reagentlarning quvvat sarfini oshiradigan boshqaruv tizimini qo'llang, bu aloqa vaqtini qisqartiradi va shuning uchun x va Q ning pasayishini kamaytiradi. (6-rasmda 1-egri chiziq 1-egri chiziqqa parallel ravishda, 2-egri chiziq shaklini olib, quvvat sarfini oshirish bilan o'ngga siljiydi, lekin barqaror ishlash shartiga to'g'ri keladigan 3-to'g'ri chiziqdan kichikroq qiyalik bilan); - barqaror bo'lmagan ishda yoki reagentlar suyultirilganda, tizimdan issiqlik yo'qotishlari umumiy issiqlik bilan solishtirganda ko'proq bo'lishi uchun 3 to'g'ri chiziqning qiyaligini oshiradigan boshqaruv tizimidan foydalaning. Reagent suyultirilganda, 3-to'g'ri chiziq 4-to'g'ri chiziq o'rnini egallaydi (reaktor barqaror ishlaydi). Yuqoridagilardan kelib chiqadiki, ekzotermik reaktorlarning beqaror ishlashining ma'lum holatlari uchun reaktorning barqarorligini ta'minlaydigan tartibga solish va boshqarish tizimlaridan foydalanish mumkin. Rasmdagi kesishish nuqtalari. jo izotermik reaktorning ish sharoitlariga mos keladi. Yuqori haroratda sodir bo'ladigan ekzotermik reaksiya bo'lsa, reaksiyaning umumiy issiqligi reaktivlarni isitish uchun sarflanadi. Shunday qilib, reaktsiyani saqlab qolish uchun qo'shimcha issiqlik talab qilinmaydi. Ishchi suyuqlik zonasini kesib o'tmaslik uchun ∆tcp = 15 + 20 ° C o'rtacha harorat farqi ta'minlanadi. Agar reaksiyaning istalgan vaqtida F issiqlik almashtirgichning yuzasi issiqlikni olib tashlash (ta'minlash) uchun etarli bo'lmasa, qurilmaga qo'shimcha ravishda batareyalar yoki masofaviy issiqlik almashtirgichlar (muzlatgichlar) o'rnatiladi. Uzluksiz apparatning zarur termal ish sharoitlarini saqlab qolish uchun sovutish suvi (suv) oqim tezligi = (s s), (9.16) sifatida hisoblanadi, bu erda QF - issiqlik uzatish yuzasi orqali issiqlik oqimi; ST - sovutish suvining issiqlik sig'imi, J/kg∙K; s va s mos ravishda reaktor ko'ylagi kirish va chiqish joyidagi sovutish suvlarining harorati. Reaktor devorlarining haddan tashqari sovib ketishining oldini olish uchun s harorat s = (tp-20) °C ni olish kerak. 9.3 Reaktivlar va mahsulot o'rtasida issiqlik almashinuvi bo'lgan tiqinli oqim reaktori Ekzotermik reaktsiya sodir bo'ladigan vilkali oqimli adiabatik reaktor, reaktiv va mahsulot o'rtasida issiqlik almashinuvi sodir bo'ladigan issiqlik almashtirgich bilan birlashtirilishi mumkin. Guruch. 9.5. Guruch. 9,5 Reaktorda haroratning to'liq o'zgarishi bilan o'zgarishi - 1, issiqlik almashtirgichga (avtotermik tizim) ulangan - 2. Tn - 148 issiqlik almashtirgichga 2 kiradigan dastlabki komponentlarning boshlang'ich harorati; T - reaktorga kiradigan qizdirilgan boshlang'ich komponentning harorati; Tp - reaktordagi va uning chiqishidagi reaksiya mahsulotlarining harorati; Tk - issiqlik almashtirgichning tayyor mahsulotining oxirgi harorati. Avtotermik reaktor-issiqlik almashinuvi tizimi aylanma reaktor vazifasini bajaradi. 9.5-rasmda reaktor uzunligi bo'yicha bunday tizimdagi haroratning o'zgarishi ko'rsatilgan. 9.4 To'liq joy almashish va issiqlik almashinuvi yuzasiga ega reaktor Statsionar rejimda cheksiz kichik hajmli element uchun tuzilgan issiqlik balansi (9.6-rasm) = ∙ ℎ+ (9.17) Doimiy bosimda bizda: ℎ= ∙ + (∆h) dx (9.18) Diametrli D reaktor yuzasi orqali uzatiladigan issiqlik: = ∙ ∙ ∙ (T − T,) ∙ dz (9.19) Bu qiymatni (9.17) ifodaga kiritib, 0= ∙ ∙ dT + ∙ (∆) tenglamasini olamiz. h) ∙ dx + ∙ ∙ ∙ (T − T ,) ∙ dz (9.20) tiqinli reaktorning differensial tenglamasi bilan birgalikda yechilishi kerak: 0 = −G ∙ dx + r ∙ p ∙ D ∙ dz ( 9.21) rasm. 9.6 To'liq siljish va issiqlik o'tkazuvchi sirt bilan reaktorning issiqlik balansini olish. 149 Oxirgi ikki tenglamani bir vaqtda yechish reaktor uzunligi bo'ylab harorat va konversiya darajasini profilini tasvirlash imkonini beradi. 9.5 Aralashtiruvchi bilan adiabatik reaktorning issiqlik hisobi Ekzotermik reaksiyalar. Uzluksiz sodir bo'ladigan A→B tipidagi ekzotermik to'g'ridan-to'g'ri birinchi tartibli reaksiyani ko'rib chiqamiz (9.7-rasm). Jarayon davom etar ekan, issiqlik QR reaktordagi apparatda chiqariladi. Qurilmaga kiradigan va chiqadigan oqimlar issiqlikni olib keladi va olib ketadi. Tashqi muhit bilan boshqa issiqlik almashinuvi yo'q (reaktor devorlarining sovishi, issiqlik yo'qotishlari). Rasm-52. Aralashtirgichli adiabatik reaktor. Quyidagi belgini kiritamiz: QVBX - oziq-ovqat, m3 sek-1; g - solishtirma og'irlik, kgf/m3; 150 s = const - reaksiyaga kirishuvchi muhitning issiqlik sig'imi, kkal/kgf∙deg; C - maqsadli komponentning konsentratsiyasi, kmol∙m3 va T harorati, °C. Kirish va chiqish indekslari reaktorga kiradigan va chiqadigan oqimlarning qiymatlarini bildiradi. Xq konversiya darajasida reaksiyaga kirishuvchi mollar soni Swx Xq bo'ladi va q - kkal∙kmol reaksiyasining issiqlik effekti paytida ajralib chiqadigan issiqlik quyidagicha bo'ladi: = kkal∙sek-1 ∙ Swx ∙ (9.22) statsionar rejimda harorat farqi tufayli reaksiya massasidagi issiqlikning o‘zgarishi teng: pot = ∙ ∙ ∙ tashqariga − ∙ ∙ ∙ 9.23) da Reaksiya zonasidagi haroratni T = TA dagi haroratga teng bo‘lsin. reaktorning chiqishi. Stabil holatda QR = Qpot va ∙ ∙ = Soddalashtirishga ruxsat berish: tashqariga = in ∙ ∙ out = ∙ in out − in ∙ ∙ ∙ kmol∙sec-1 va = (9.24) in ∙ in = ∙24 tenglamadan (9.24) ) olamiz: ∙ ∙ = ∙ ∙(∙ = ∙ (chiqish − − inin (9.25)) (9.26) (9.22) tenglamadan kelib chiqadiki: = ∙ in ∙ = ter ∙ in ∙ = (∙ in ∙ in ∙) in) ( 9.27) 9.6 Adiyabatik reaktorning issiqlik rejimini tahlil qilish. 9.8-rasmda A → B tipidagi to'g'ridan-to'g'ri qaytarilmas birinchi tartibli ekzotermik reaktsiyalar uchun U ning T ga konversiya darajasining bog'liqligi ko'rsatilgan. T va U qiymatlari (9.22) va (9.26) ifodalardan olingan. U qiymatlari QR va Qpot funktsiyasi sifatida ifodalanganligi sababli, bu grafik QR=ƒ(T) bog'liqligini beradi. QR=ƒ(T) bog‘liqligi MN egri chizig‘i bilan xarakterlanadi. 151-rasm. 9.8 Adiyabatik rejimda sodir bo'ladigan to'g'ridan-to'g'ri ekzotermik reaksiya uchun konversiya darajasining haroratga nisbatan grafigi. Past haroratlarda QR juda sekin ortadi - grafikdagi birinchi bo'lim ML. Biroq, T ning oshishi bilan bog'liq bo'lgan reaktsiya tezligining oshishi bilan issiqlik chiqishi QR egri chiziqli qonunga muvofiq keskin oshadi (I-III bo'lim) va keyin IV bo'limda deyarli doimiy bo'lib qoladi. Moddaning oqimi bilan chiqariladigan issiqlik Qpot miqdori (9.26) formulaga muvofiq, chiqish va kirish joyidagi harorat farqining birinchi kuchiga proportsionaldir; Qpot grafigida burchak koeffitsienti 152 tan = ∙s Ce ∙ (9.26) Qpot toʻgʻri chiziqlari VA 5-shaklli egri MN (QR) boʻlgan A, B, E, C, R, D parallel toʻgʻri chiziqlar qatori sifatida tasvirlanadi. ) harorat farqiga qarab bir, ikki yoki uchta kesishish nuqtasiga ega bo'ling T-TE To'g'ri chiziqlarning chegara pozitsiyalari ikkita teginish nuqtasiga to'g'ri keladi Ps va P2 Tgr2 va Tgr1 ga qarab - chegara qiymatlari T. To'g'ri chiziqlar va egri chiziqning kesishish nuqtalari moddiy muvozanatni hisobga olgan holda QR = Qpot tengligiga mos keladi. A holatida (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, issiqlikni olib tashlash to'g'ri chiziq (D pozitsiyasi) egri chiziqning yuqori qismini IV nuqtada kesib o'tadi. Bu erda nisbatan yuqori 153 boshlang'ich haroratda U konversiyasining ancha yuqori darajasiga erishiladi.Reaksiya o'z-o'zidan rivojlanadi va "o'z-o'zidan yonish" imkoniyati paydo bo'ladi. C to'g'ri chiziqning holati o'z-o'zidan reaktsiyaning boshlanishini tavsiflaydi (P2 teginish nuqtasi). II nuqtada QR = Qpot tengligi kuzatiladi va u kritik haroratni bildiradi. QR>Qpot haroratining biroz oshishi bilan va kesishish nuqtasi III holatga o'tadi. Aksincha, QR haroratining biroz pasayishi bilan Mavzu 6. KIMYOVIY REAKTORLAR Zamonaviy kimyoviy reaktor
-
1)
2)
issiqlik almashinuvchilari; 3)
aralashtirish moslamalari, 1.
2.
Yuqori mahsulot rentabelligi F φ-
R, X. 3.
hosildorlik
(xom ashyo) va yuqori transformatsiya darajasi
X A(reagent): bilan sxemalarda ochiq tsikl yuqori darajaga ustunlik beriladi konvertatsiya darajasi X A reaktivlar; yopiq tizimlarda yuqori darajaga ustunlik beriladi hosildorlik.
Rektor dizayniga ta'sir etuvchi omillar 1.
Reaktivlar va mahsulotlarning fizik xossalari va agregatsiya holati. 2.
Kerakli aralashtirish intensivligi. 3
. XP ning termal ta'siri va kerakli issiqlik uzatish intensivligi. 4
. Harorat va bosim jarayon parametrlari hisoblanadi. 5.
Reaksiya massasining tajovuzkorligi, toksikligi. 6
. Ishlab chiqarishning portlash va yong'in xavfi. Sanoat uchun muhim vazifa - ma'lum bir vaqt ichida ma'lum miqdordagi mahsulotni olish, ya'ni. berilgan konversiya darajasiga erishish uchun reaktorda reaktivlarning turish vaqtini hisoblash kerak. Buning uchun bu reaksiyaning kinetik modeli ma'lum bo'lishi kerak. Yashash vaqtini taxminan hisoblash uchun matematik modellashtirish qo'llaniladi. Matematik model - bu jarayonning eng muhim parametrlari bilan bog'liq bo'lgan tenglamalar tizimi. Jismoniy model - bu ob'ektning eng muhim tomonlarini aks ettiruvchi chizma, namuna. Matematik modellashtirishda oddiyroq bog'liqliklarni olish uchun ba'zi parametrlarga e'tibor berilmaydi. Keling, izotermik rejimda ishlaydigan kimyoviy reaktorlarni ko'rib chiqaylik. Bunday reaktorlarda ularning hajmi ichida issiqlik almashinuvining harakatlantiruvchi kuchi (∆T = 0) bo'lmaganligi sababli, issiqlik balansi tenglamasini dastlab reaktorning matematik modelidan chiqarib tashlash mumkin va u (matematik model) moddiy balans tenglamasiga keltiriladi. Bu kimyoviy reaktsiya, massa almashinuvi va uzatish impulsini hisobga oladi. Matematik modelni yanada soddalashtirish uchun biz IDEAL OQIM TUZILISHI BO'LGAN REAKTORLARNI alohida guruhga ajratishimiz mumkin. mukammal aralashtirish
Va mukammal siljish
.
Ideal oqim tuzilishi haqidagi taxminlar umumiy moddiy balans tenglamasidan bir qator operatorlarni chiqarib tashlash va shu bilan ushbu tenglama asosida hisob-kitoblarni sezilarli darajada soddalashtirish imkonini beradi. IDEAL REAKTORLARNING MODELLARI Reaktivning RIS va RPSda turish vaqti Qavslarni kengaytiramiz: Tenglama (agar jarayonning kinetikasi ma'lum bo'lsa) kerakli konvertatsiya darajasiga erishish uchun zarur bo'lgan vaqtni hisoblash imkonini beradi. Reaktsiya uchun P
-chi tartib : bu yerdan Qayerda P - reaktsiya tartibi. Da n = 0: Da n = 1: Faqat transformatsiya darajasiga bog'liq X A va dastlabki konsentratsiyaga bog'liq emas Da n = 2: RIS modeliga ko'ra, quyidagilar hisoblanadi: 1)
muhitning viskozitesi juda yuqori bo'lmagan va reaktorning hajmi unchalik katta bo'lmagan y bo'lgan aralashtirgichli reaktorlar; 2) oqim aylanma qurilmalar
-
yuqori aylanish tezligi bilan; 3
) bilan reaktorlar "suyuqlangan to'shak" 1.
P. Oqimli reaktor (PPR) RISda barcha hajm parametrlari doimiydir. Barcha xususiyatlar (diqqat A bilan, konversiya darajasi X A, harorat T va boshq.) reaktor hajmi bo'ylab silliq o'zgaradi, shuning uchun reaktorning butun hajmi uchun moddiy balans tuzib bo'lmaydi. Guruch. 2. Bog‘liqlik grafiklari: A) C A =f (t yoki H)b) w= f (t yoki H) V) X A = f (t yoki H) Cheksiz kichik reaktor hajmi dV tanlanadi va uning uchun moddiy balans tuziladi. Keyinchalik bu cheksiz kichik hajmlar reaktorning butun hajmiga birlashtiriladi. Bu oddiy bo'lsin qaytarilmas reaktsiya y hajmini o'zgartirmasdan reaktorda oqadi: Qayerda, S A - mos ravishda boshlang'ich va joriy konsentratsiyalar; y - hajmli oqim Qayerda V- reaktor hajmi (m3); dV - reaktorning elementar hajmi (m 3). Keling, xulosa qilaylik: (Kelmoqda) elementar hajm RIV-N Matematika tenglamasini olish uchun. butun reaktorning muvozanati, biz o'zgaruvchilarni ajratgandan so'ng hosil bo'lgan tenglamani birlashtiramiz (butun reaktor hajmi bo'yicha): Qayerda w A jarayonning kinetikasini bilib, topamiz. RIV-N ning xarakterli tenglamasi jarayonning kinetikasini bilish imkonini beradi (w A ni topish uchun), aniqlang vaqtτ
ko'rsatilgan erishish reaktor nisbatda reagentlar yashash konvertatsiya darajasi X A, keyin esa reaktorning o'lchamlari. Reaktsiya uchun nth
buyurtma : Qayerda P - reaktsiya tartibi. Da n=0: Da n=1: Faqat X A ning konversiya darajasiga bog'liq va dastlabki konsentratsiyaga bog'liq emas; Da n=2: Ba'zilarida ishlab chiqarish reaktorlar konvertatsiya darajasi X A shunchalik ahamiyatsizki, modelni hisoblash uchun ishlatish mumkin RIV- Bu quvurli aloqa moslamalari
quvurlar yoki halqalardagi katalizator bilan ("qobiq va naycha"), heterojen gaz-fazali reaktsiyalar uchun xizmat qiladi. Model repressiya dizaynda ham qo'llaniladi suyuq fazali quvurli reaktorlar
quvur uzunligining diametriga katta nisbati bilan. Xuddi shu reaksiyani o'tkazish uchun bir xil sharoitlarda, teng konversiya chuqurligiga erishish uchun, oqim orqali ideal aralashtirish reaktorida reaktivlarning o'rtacha yashash vaqti tiqinli reaktorga qaraganda uzoqroq bo'ladi. RISda barcha nuqtalardagi konsentratsiyalar yakuniy konsentratsiyaga teng, RIVda esa 2 qo'shni nuqtadagi reaktivlarning konsentratsiyasi har xil bo'ladi. ZDM ga ko'ra reaksiya tezligi reagentlar konsentratsiyasiga mutanosibdir. Shuning uchun RIVda u har doim RISga qaraganda yuqori. Bular. Bir xil konversiya chuqurligiga erishish uchun kamroq yashash vaqti talab qilinadi. III. Reaktor kaskadi (RIS) Bunday hollarda ketma-ket ulangan bir qator reaktorlarni (bo'limlarni) o'rnatish maqsadga muvofiqdir - reaktor kaskadi
.
Reaksiya aralashmasi barcha bo'limlardan o'tadi. Bunday modelga misol sifatida nafaqat ketma-ket joylashgan alohida apparatlar tizimini, balki u yoki bu tarzda ichki qismlarga bo'lingan, har birida reaktsiya aralashmasi aralashadigan oqim reaktorini ko'rib chiqish mumkin. Misol uchun, disk qabariq ustuni ushbu turdagi apparatlarga yaqin. Harakatlanuvchi kuch ∆S: DS RIS< ΔС Каскад РИС < ΔС РИВ Yagona RIS-N da asosiy reaktiv A ning konsentratsiyasi keskin CA ga (yakuniy) o'zgaradi, bu RIS-N da reaksiya tezligi sezilarli darajada kamayganligini ko'rsatadi. Kaskaddagi har bir reaktor kichik hajmga ega bo'lganligi sababli, konsentratsiyaning keskin o'zgarishi bitta katta hajmli RIS-N ga qaraganda ancha kam, shuning uchun kaskadning har bir bosqichida jarayon tezligi ancha yuqori. Shunday qilib, RIS-N reaktor kaskadi RIV-N ga yaqinlashmoqda (RIV reaktori RISga qaraganda foydaliroq bo'lib chiqadi, chunki harakatlantiruvchi kuch unda, ga teng (kontsentratsiya gradienti) DC = C teng - C ish, RASMdagidan kattaroq). O'rtacha harakatlantiruvchi kuch DA RIS<ΔС Каскад РИС < ΔС РИВ Kimyoviy reaksiya sodir bo'lganda, jarayonning yuqori harakatlantiruvchi kuchi tufayli jarayonning eng yuqori tezligi RIV-N da erishiladi. RIV-N eng yuqori mahsuldorlikka ega. RIS-N kaskadining ishlashi RIV-N ning ishlashidan kamroq, lekin bitta RIS-N ishlashidan kattaroqdir. Kaskaddagi reaktorlar soni qancha ko'p bo'lsa, konsentratsiyalarning sakrashi qanchalik kichik bo'lsa, jarayonning harakatlantiruvchi kuchi shunchalik katta bo'ladi, jarayonning tezligi va shunga mos ravishda uning unumdorligi ham shunchalik yuqori bo'ladi. Kaskad bosqichlari sonini hisoblash Ideal aralashtirish reaktorlari kaskadini hisoblash odatda ma'lum bir konversiya chuqurligiga erishish uchun zarur bo'lgan ma'lum hajmdagi bo'limlar sonini aniqlashga to'g'ri keladi. Farqlash analitik Va raqamli usullar kaskadni hisoblash. Agar material balansi tenglamalari konsentratsiyaga nisbatan analitik tarzda echilishi mumkin bo'lsa, analitik usulni qo'llash mumkin. i bilan. Bu, masalan, sodir bo'ladigan reaktsiyalar birinchi yoki ikkinchi darajali kinetik tenglamalar bilan tavsiflangan bo'lsa, amalga oshirilishi mumkin. Reagentni kerakli konvertatsiya qilish darajasiga erishish uchun zarur bo'lgan kaskad bosqichlari sonini hisoblash uchun 2 usul qo'llaniladi: 1) algebraik; 2) grafik. Misol Ikkinchi tartibli reaksiya berilgan 2A → R, yoki 2A→ R+ S, kinetik tenglama w A = 2,5 (k = 2.5), konvertatsiya qilishning yakuniy darajasi X A =0,8, A) RIV-N; b) RIS-N; c) RIS-N kaskadi, bu erda kaskadning barcha bo'limlari bir xil hajmga ega (V 1 = V 2 =... = Vn), ularning har birida o'rtacha qolish teng bo'ladigan tarzda tanlangan Guruch. 4 - Reaktsiya tezligining ideal aralashtirish reaktorlari kaskadining uchastkalari sonini hisoblash kunining kontsentratsiyasiga bog'liqligi. 4-rasmdan biz belgilangan konvertatsiya darajasiga erishish uchun to'rtta bo'lim kerakligini ko'ramiz. Aylanadi, chyu dan chiqishda 4-bo'lim transformatsiya darajasi shart bilan belgilanganidan ham yuqori, lekin uchta bo'limda transformatsiya darajasi yo'q erishiladi). Shunday qilib, ideal aralashtirish reaktorlari kaskadida reagentlarning umumiy o'rtacha yashash vaqti Hisoblash uchun kaskad RIS-N analitik usul
tuzmoq kaskadning har bir bosqichi uchun tenglama moddiy balans: IV. Partiyali reaktor (RPR) Konsentratsiyani taqsimlash S A Reagentlarni har qanday aralashtirish darajasida reagent RIV ga o'xshaydi: Biroq ishlash Yuqoridagi RIV: RPDda ko'rsatilgan konvertatsiya darajasiX A vaqtida erishiladi t kimyo. reaktsiyalar +t yordamchi operatsiyalar (Yuklash va tushirish), shuning uchun RPDning ishlashi pastroq: t RIV dan beri< τ РПД =>P RIV >P RPD, odatda: Uchun kichik tonnajli
sanoat tarmoqlari (masalan, farmatsevtika) ishlatiladi RPD; Uchun katta tonnajli -
maksimal samaradorlikni ta'minlash RIV-N. Politermik Reaktor balandligi bo'yicha haroratni T° o'zgartirish uchun berilgan dasturga muvofiq reaksiya issiqligini qisman olib tashlash yoki tashqaridan issiqlik bilan ta'minlash bilan tavsiflangan reaktorlar. ("dasturiy ta'minot nazorati ostida reaktorlar"). Misol: Aralashtirish reaktorlari GURUC- davriy harakat. Reaktordagi jarayonlarni o'rganish va miqdoriy baholashda haroratni hisoblash formulalaridan foydalaniladi. issiqlik balanslari.
Issiqlik balansi asoslangan energiyaning saqlanish qonuni
E: Berilgan ishlab chiqarish reaktsiyasidagi issiqlik miqdori uning bir xil operatsiyadagi sarfiga teng bo'lishi kerak: Q in. =Q iste'moli Issiqlik balanslari jarayonning moddiy balansiga va kimyoviy reaktsiyalarning issiqlik ta'siriga, shuningdek reaktorda sodir bo'ladigan fizikaviy o'zgarishlarga qarab, tashqaridan issiqlik ta'minotini, shuningdek, issiqlikni issiqlik bilan olib tashlashni hisobga olgan holda tuziladi. reaksiya mahsulotlari va reaktor devorlari orqali. I. Adiabatik reaktor (odatda RIV) Ideal modelga ko'ra, adiabatik reaktorda atrof-muhit bilan issiqlik almashinuvi yo'q. Haqiqiy sharoitda issiqlik o'tkazuvchanligining yo'qligiga yaqinlashish reaktor devorlarining atrof-muhitdan yaxshi izolyatsiyasi tufayli erishiladi (er-xotin devor, izolyatsion material) Harorat o'zgarishi T 0 adiabatik reaktorda DT° = T° con. - T° boshlanadi mutanosib ravishda - konvertatsiya darajasi
reaktiv X A - konsentratsiyalar
asosiy reaktiv ,
- issiqlik effekti Q r reaktsiyalar va teskari proportsional - o'rtacha issiqlik quvvati
reaksiya aralashmasi. Uchun ekzotermik
reaktsiyalar DH< 0 ΔT° = T° кон. - T° нач >
O (+ belgisi) Uchun endotermik
reaktsiyalar DH >
0 DT° = T° oxiri. - T° boshlanadi< О (знак-) Ilova RIV adiabatik reaktor modelidan foydalanib, qurilmalar bilan aloqa qiling katalizator filtr qatlami. Ushbu model, shuningdek, bir hil reaktsiyalar uchun kamerali reaktorlarni hisoblash uchun, gaz püskürtülmüş suyuqlik tomon harakatlanadigan izolyatsion qoplamali (astarli) to'g'ridan-to'g'ri oqim absorbentlari uchun ham qo'llaniladi. Adiabatik RIV-N ekzotermik reaktsiyalarni amalga oshirish uchun javob beradi. Agar issiqlik tashqaridan berilmasa, jarayon avtotermik rejimda davom etadi (kimyoviy reaktsiyaning o'zi issiqligi tufayli). Endotermik reaksiyalar adiabatik rejimda ham amalga oshiriladi, lekin bu holda reaksiya massasi bug 'bilan birga beriladi. II. Izotermik reaktor Tahlil adiabatik tenglamalar
DT° = T° oxiri. - T° start = buni ko'rsatadi izotermik reaktorlar
reaktorlar yaqinlashayotgan bo‘lishi mumkin kichik
ma'nolari: Q x.r. - o'ziga xos termal effekt
(modda birligiga); -
- reaktivning dastlabki konsentratsiyasi;
-
X A- transformatsiya darajasi
da katta
qiymatlar - - issiqlik o'tkazuvchanligi
reaksiya aralashmasi. Ilova Amalda izotermik reaktorlar: Past konsentratsiyani qayta ishlash uchun (↓ C A) gazlar (→ 0),
Va Qaysi reaktorlar ekzo-
Va endo termal effektlar amalda muvozanatlangan (q x.p →0). Bular. izotermik rejim asosiy jarayonning issiqlik ta'siri kattaligi bo'yicha teng, ammo belgisiga qarama-qarshi bo'lgan yon reaktsiyalar yoki fizik jarayonlarning (bug'lanish, erish) issiqlik ta'siri bilan qoplanganda kuzatiladi. Modellashtirishda butunlay izotermik reaktorlar kiradi suyuq reaktorlar
- (F - F) - emulsiya - (F - T) - suspenziya Bilan mexanik, pnevmatik va jet-sirkulyatsiya aralashtirish moslamalari. Raflarda izotermik rejim kuzatiladi ko'pikli
Va pufaklash apparati
kattaligi katta emas, ba'zi aloqa qurilmalarida statsionar katalizator.
Rejim izotermikga yaqin bo'lishi mumkin a Adsorbsiya
Va a Absorbtiv
adsorbsiya yoki asorbtsiya jarayonida hosil bo'lgan issiqlik suv yoki boshqa erituvchining bug'lanishiga sarflanadigan qurilmalar. Izotermik rejimga issiqlik almashinuvi qurilmalari orqali reaktordan issiqlikni etkazib berish yoki olib tashlash orqali erishish mumkin. Ekzotermik reaksiya uchun issiqlikni olib tashlash qancha miqdorda bo'shatish kerakligiga mutanosibdir. Endo uchun uchi so'rilishi kerak. ILOVALAR Politermik rejim bo'lgan reaktorlarda kuzatiladi termal effekt
Qx. p. Asosiy kimyoviy reaktsiya faqat qisman yon reaktsiyalar yoki asosiy jarayonga qarama-qarshi bo'lgan fizik jarayonlarning termal ta'siri bilan qoplanadi. Bunday reaktorlarga ko'plab val va yuqori pechlar kiradi. Uni amalga oshirish usullari Optimal harorat sharoitlari - bu maqsadli mahsulot uchun P ning iqtisodiy jihatdan mumkin bo'lgan maksimal mahsuldorligini ta'minlaydigan harorat rejimi (mumkin bo'lgan maksimal tezlikda). w r jarayon), shu bilan birga yuqori konversiyaga erishish kerak - oddiy reaktsiyalar uchun va yuqori selektivlik - murakkab reaktsiyalar uchun. Sanoat reaktorida jarayonni optimal harorat rejimiga muvofiq olib borishning amaliy masalasini hal qilish ko'pgina omillarga va birinchi navbatda, issiqlik effekti va reaksiya kinetikasiga bog'liq. Ushbu reaksiya tezligi tenglamasini tahlil qilib, reaktsiya tezligining oshishi quyidagilarga olib keladi degan xulosaga kelamiz: Haroratning ko'tarilishi; Kamaytirilgan konvertatsiya tezligi. Tezlikning pasayishini qoplash uchun w r konversiya darajasi ortib borayotgan reaksiyalar Ha haroratni oshirish maqsadga muvofiqdir T°. Shunung uchun ekzotermik(DN<0) oddiy(A→R) qaytarilmas
(→)
da reaksiyalarni amalga oshirish maqsadga muvofiqdir adiabatik RIV
(atrof-muhit bilan issiqlik almashinuvi yo'q - reaktor devorlari orqali atrof-muhitga Q issiqlikni etkazib bermasdan yoki olib tashlamasdan ishlaydigan reaktorlar. Bu. reaksiya paytida chiqarilgan yoki so'rilgan barcha issiqlik reaktsiya aralashmasi tomonidan to'planadi (so'riladi) Bu holda, yuqori ta'minlash mumkin tezlik
w r reaktsiyalar va yuqori ishlash
Foydalanilmasdan P reaktor tashqi issiqlik manbalari
Q. Harorat konversiyaning ortishi bilan ortadi, shuning uchun tezlik konstantasi ham ortadi, ya'ni jarayon tezligi ham oshadi. Jarayonning eng yaxshi tashkil etilishi issiqlik bo'lsa erishiladi Q reaktordan chiqadigan mahsulotlar reaktorga kirganda reaktivlarni isitish uchun xizmat qiladi. Reaksiyalar endotermik
(DH>0) oddiy(A→R) qaytarilmas
(→)
adiabatik RIMda amalga oshirish foydasiz, lekin uni reaktorlarda amalga oshirish maqsadga muvofiqdir. issiqlik ta'minoti bilan Q, ma'lum bir haroratni saqlab turish T0, strukturaviy va texnologik sabablarga ko'ra mumkin bo'lgan maksimal (izotermik, politermik). (konversiyaning ortishi bilan harorat pasayadi, ya'ni tezlik konstantasi ham, tezlikning o'zi ham pasayadi). Adiyabatik RIV-N da endotermik jarayonlar hali ham amalga oshirilmoqda, ammo xom ashyo etkazib berish bug 'bilan birga amalga oshiriladi. Oddiy qaytariladigan reaksiyalar (↔
)
T 0 => w r Tezlik uchun w r reaksiyalarga belgi ham ta'sir qiladi termal effekt
Q r(yoki entalpiya DH): 1) Agar to'g'ridan-to'g'ri reaktsiya bo'lsa endotermik DN>0 ( issiqlikni yutish) keyin oshiring harorat T 0 vaziyatga ham foydali ta'sir ko'rsatadi kimyoviy muvozanat
↔
(o'zgaradi yon tomonda to'g'ridan-to'g'ri reaktsiya
→).
Shuning uchun bunday reaktsiyalar xuddi shunday tarzda issiqlik ta'minoti bo'lgan reaktorlarda amalga oshiriladi qaytarilmas (→) endotermik
(DH
>0) reaktsiyalar. 2) Agar to'g'ridan-to'g'ri reaktsiya bo'lsa ekzotermik (DH<
0) (issiqlik chiqishi bilan) keyin jarayonning KINETIKASI va TERMODİNAMIKASI ziddiyatga tushadi: o'sish harorat T 0 vaziyatga salbiy ta’sir qiladi kimyoviy muvozanat ↔
(uni yon tomonga siljitadi teskari reaktsiya ←).
Shuning uchun quyidagi rejim qo'llaniladi: - jarayonning boshida
mahsulot konsentratsiyasi qachon R bilan hali kichik harorat T 0 ga ko'tariladi qadar, Xayrtezlik jarayon w r etarlicha baland bo'lmaydi; - jarayonning oxirida -
harorat asta-sekin pasayadi T 0 ↓ tomonidan chiziqlar optimal haroratlar (LOT) shuning uchun jarayonning tezligi w r berilgan sharoitlarda imkon qadar yuqori bo'lib qoldi. Bu rejimni adiabatik yoki izotermik reaktorda ham amalga oshirish mumkin emas. Ushbu rejimga yaqinlik REV bo'lib, issiqlik almashinuvi trubkasi ichida joylashgan bo'lib, uning ichida sovutish agenti o'tadi. Yana bir usul - jarayonni ko'p qismli reaktorda amalga oshirishdir, unda har bir bo'lim adiabatik rejimda ishlaydi, lekin bo'limlar orasida sovutish mavjud. Endotermik (qaytariladigan va qaytarilmas) reaktsiyalar uchun kimyoviy jarayonni issiqlik bilan ta'minlangan reaktorlarda o'tkazish tavsiya etiladi va reaktor hajmi bo'ylab haroratning bir xil taqsimlanishini ta'minlash maqsadga muvofiqdir. Endotermik reaktsiyalarni amalga oshirish uchun keng tarqalgan apparat turi quvurli reaktorlar bo'lib, ular dizayni qobiqli va quvurli issiqlik almashinuvchilariga o'xshaydi. Ushbu qurilmalarda trubka bo'shlig'i reaktorning o'zini ifodalaydi, unda reagentlar siljish rejimida harakat qiladi va sovutish suvi, masalan, chiqindi gazlar, quvurlar orasidagi bo'shliqdan o'tadi. Tutun gazlari bilan isitiladigan katalitik reaktsiyalarni amalga oshirish uchun quvurli reaktor, xususan, tabiiy gazni bug 'reformatsiyasi uchun ishlatiladi. dan butadien sintezi uchun retort o'choq etil spirti, unda Pech Guruch. Quvursimon reaktor gazlari endotermik uchun quvurlar o'rniga katalizator retortlarga - tor kanallarga joylashtiriladi to'rtburchaklar kesma. Bunday reaktorlarda reaksiya aralashmasi harakatlanadigan kanallarning kesma eni kesma bo‘ylab bir xil harorat taqsimotini olish uchun kichik bo‘lishi kerak. Haqiqiy reaktorlarda gidrodinamik rejim ideal siljish rejimidan chetga chiqqanligi sababli, har qanday kesmada shartlar tenglashtiriladi, kanalning markazidagi harorat devordagi haroratdan farq qiladi. Katta diametrli quvurlarda quvur o'qidagi harorat devordagi haroratdan sezilarli darajada past bo'ladi. Binobarin, reaksiya oqimining quvur o'qiga yaqin bo'lgan qismidagi reaksiya tezligi apparatdagi o'rtacha tezlikdan past bo'ladi. Katalitik jarayonlarni amalga oshirishda katalizatorni faqat quvurlarning ichki yuzasiga qo'llash mumkin, bu esa reaktor bo'ylab taxminan bir xil haroratni ta'minlaydi. Bir hil endotermik reaktsiyalar intensiv aralashtirish va issiqlik almashinuvi yuzasi bo'lgan reaktorlarda ham amalga oshirilishi mumkin, chunki bu holda reaktor bo'ylab bir xil harorat taqsimoti ta'minlanadi. Ekzotermik reaktsiyalar, qoida tariqasida, adiabatik sharoitda yoki issiqlikni olib tashlaydigan apparatlarda amalga oshiriladi. Qaytarib bo'lmaydigan ekzotermik reaktsiyalar sodir bo'lganda, haroratning oshishi aniq faqat jarayon tezligining oshishiga olib keladi. Energiya xarajatlarini kamaytirish uchun bunday reaktsiyalarni avtotermik rejimda o'tkazish foydali bo'ladi, agar zarur harorat faqat tashqi energiya bilan ta'minlanmasdan kimyoviy reaktsiyaning ajralib chiqadigan issiqligi bilan ta'minlangan bo'lsa. Ikkita harorat chegarasi (pastki va yuqori) mavjud, ular orasida jarayonni amalga oshirish tavsiya etiladi. Pastki chegara - bu avtotermik rejimni ta'minlash uchun ekzotermik reaktsiya tezligi (va, demak, issiqlik chiqarish tezligi) etarli bo'lgan harorat. Bu issiqlik ostida issiqlikni chiqarish tezligi reaksiya oqimining reaktordan chiqib ketishi bilan issiqlik chiqarish tezligidan kamroq bo'ladi va oqim adiabatik apparatidagi harorat pasayadi. Yuqori harorat chegarasi yon jarayonlar (yon kimyoviy reaktsiyalar yoki yon fizik hodisalar), shuningdek, strukturaviy materiallarning issiqlikka chidamliligi bilan bog'liq. Masalan, donador qattiq materialni yoqishning geterogen jarayonlarini amalga oshirishda haroratning ma'lum bir chegara qiymatidan oshishi qattiq zarrachalarning sinterlanishiga olib keladi va natijada ularning to'liq o'zgarishi vaqtining oshishiga va reaktor unumdorligining pasayishiga olib keladi. . Ko'pincha haroratning oshishi strukturaviy materiallarning mustahkamligi va qimmatbaho issiqlikka chidamli materiallardan foydalanishning noo'rinligi bilan cheklanadi. Mikrobiologik sintezning ekzotermik jarayonlarini amalga oshirishda haroratning oshishi mikroorganizmlarning hayotiyligi bilan cheklanadi. Shuning uchun bunday jarayonlarni issiqlikni olib tashlash bilan reaktorlarda o'tkazish maqsadga muvofiqdir va mahalliy qizib ketishning oldini olish uchun gidrodinamik rejim ideal aralashtirishga yaqinlashadigan reaktorlardan foydalanish yaxshiroqdir. Bunday jarayonlarda intensiv aralashtirish nafaqat haroratning bir xil taqsimlanishini ta'minlaydi, balki kislorod massasining gaz fazasidan suyuq fazaga o'tish bosqichlarini ham kuchaytiradi. Qaytariladigan ekzotermik reaktsiyalar optimal harorat chizig'iga muvofiq amalga oshirilishi kerak, ya'ni reagentlarning konversiya darajasi oshishi bilan apparatdagi haroratni pasaytirish. Bu rejim na adiabatik, na izotermik reaktorlarda amalga oshirilmaydi: adiabatik rejimda konversiya darajasining oshishi reaksiya aralashmasini sovutish emas, balki issiqlik chiqarish va isitish bilan birga keladi; izotermik rejimda harorat doimiy bo'lib qoladi va konvertatsiya darajasining oshishi bilan o'zgarmaydi. Jarayonni optimal haroratlar chizig'i bo'ylab qat'iy bajarish juda qiyin. Buni reaktor devori orqali chiqarilgan issiqlik miqdori turlicha bo'lishi sharti bilan, issiqlik almashinuvi yuzasiga ega bo'lgan reaktorda amalga oshirilishi mumkin. turli sohalar apparat. Reaksiyani boshlashdan oldin reagentlar yuqori haroratgacha qizdirilishi kerak va ular qurilmaga kirgandan so'ng darhol issiqlikni olib tashlashni ta'minlash kerak. Agar reaktor uzunlik bo'yicha bir necha bo'laklarga bo'lingan bo'lsa, u holda optimal haroratlar chizig'i bo'ylab harakatlanishini ta'minlash uchun ularning har birida chiqarilgan issiqlik miqdori reaktsiya paytida chiqarilgan issiqlik miqdoridan bir oz ko'proq bo'lishi kerak. Shuni esda tutish kerakki, konversiya darajasi oshgani sayin reaksiya tezligi pasayadi va natijada issiqlik chiqarish tezligi pasayadi. Shuning uchun reaktorning reaksiya tugallangan qismlarida dastlabki qismlarga qaraganda kamroq issiqlikni olib tashlash kerak. Mavzu 6. KIMYOVIY REAKTORLAR Har qanday CTP kimyoviy va fizik jarayonlar sodir bo'ladigan kimyoviy reaktorsiz mumkin emas. KIMYOVIY REAKTORLAR (lotincha re - teskari harakat degan ma'noni bildiruvchi prefiks va actor - harakatga keltiruvchi, harakatlanuvchi), kimyoviy reaksiyalarni amalga oshirish uchun sanoat qurilmalari. Kimyoviy reaktorning konstruksiyasi va ish rejimi reaksiya turi, reagentlarning fazaviy holati, jarayonning vaqt boʻyicha tabiati (davriy, uzluksiz, oʻzgaruvchan katalizator faolligi), reaksiya muhitining harakatlanish rejimi bilan belgilanadi. (davriy, yarim oqimli, qayta ishlash bilan), termal ish rejimi (adiabatik, izotermik , issiqlik almashinuvi bilan), issiqlik almashinuvi turi, sovutish suvi turi. Zamonaviy kimyoviy reaktor
-
Bu maxsus qurilmalarga ega bo'lgan murakkab qurilma, masalan: 1)
yuklash va tushirish moslamalari (nasoslar); 2)
issiqlik almashinuvchilari; 3)
aralashtirish moslamalari, maqsadli mahsulotni olish uchun mo'ljallangan, jihozlangan murakkab tizim asboblar va nazorat qilish uskunalari. Sanoat reaktorlariga qo'yiladigan talablar 1.
MAX unumdorligi va ish intensivligi. 2.
Yuqori mahsulot rentabelligi F va jarayonning eng yuqori selektivligi φ-
bu reaktorning optimal ish rejimi bilan ta'minlanadi (T, R, C), konversiyaning yuqori darajasi X. 3.
Reaktorda massa uzatish uchun optimal energiya sarfi Yuqori talab o'rtasida qarama-qarshilik mavjud hosildorlik
(xom ashyo) va yuqori transformatsiya darajasi
X A(reagent): bilan sxemalarda ochiq tsikl yuqori darajaga ustunlik beriladi konvertatsiya darajasi X A reaktivlar; yopiq tizimlarda yuqori darajaga ustunlik beriladi hosildorlik.
Yuqori sifatli mahsulot ishlab chiqarishda reaktor uning minimal narxini ta'minlashi kerak. Kimyoviy reaktorlarning tasnifi 1)
Dizayn xususiyatlari bo'yicha: Guruch. 1 – Kimyoviy moddalarning asosiy turlari. reaktorlar: a – aralashtirgichli va issiqlik almashinadigan ko'ylagi bo'lgan oqimli sig'imli reaktor; b – oraliq va issiqlik almashinadigan elementlarga ega ko‘p qatlamli katalitik reaktor; c – ikki fazali jarayon uchun qadoqlangan ustunli reaktor; d – quvurli reaktor; I-boshlovchi moddalar; P – reaksiya mahsulotlari; T - sovutish suvi; K - katalizator; N - ko'krak; TE - issiqlik almashinuvi elementlari. Bu quvurli apparat bo'lib, unda L quvur uzunligining uning d diametriga nisbati juda katta. Reaktor doimiy ravishda reagentlar bilan oziqlanadi, ular reaktor uzunligi bo'ylab harakatlanayotganda mahsulotga aylanadi. RIVdagi gidrodinamik rejim oqimning har qanday zarrachasi reaktor uzunligi bo'ylab faqat bir yo'nalishda harakatlanishi, bo'ylama aralashtirishning yo'qligi, shuningdek reaktorning kesishmasi bo'ylab aralashishning yo'qligi bilan tavsiflanadi. Ushbu kesma bo'yicha moddalarning taqsimlanishi bir xil, ya'ni kesma bo'yicha reaksiya aralashmasi parametrlarining qiymatlari bir xil deb taxmin qilinadi. Reaksiya massasi hajmining har bir elementi dV oldingi yoki keyingi hajmlari bilan aralashmaydi va silindrdagi piston kabi harakat qiladi. Ushbu rejim piston yoki to'liq siljish deb ataladi. Har bir hajm elementining tarkibi kimyoviy reaksiya yuzaga kelishi sababli ketma-ket o'zgaradi. Reagent CA konsentratsiyasining va reaktor uzunligi bo'yicha XA ning konversiya darajasining o'zgarishi. RIVning matematik tavsifini tuzish uchun ular quyidagilardan boshlanadi differensial tenglama moddiy muvozanat. RIMda reaksiya aralashmasi faqat bir yo'nalishda harakat qilganligi sababli (uzunligi L bo'ylab), keyin A reaktordagi oqim yo'nalishini X o'qi yo'nalishi sifatida tanlash, qaerda W - chiziqli tezlik aralashmaning harakati. Har bir hajm elementi oldingi yoki keyingi element bilan aralashmaganligi sababli, bo'ylama yoki radial diffuziya bo'lmaydi va molekulyar diffuziya kichik bo'ladi. Keyin Ushbu moddiy balans tenglamasi reaktordagi reagentlar oqimining beqaror rejimdagi matematik tavsifidir (parametrlar nafaqat reaktor uzunligi bo'ylab o'zgarganda, balki vaqt bo'yicha doimiy bo'lmaganda - ishga tushirish yoki to'xtash davri. ). Bu atama reaktorning ma'lum bir nuqtasi uchun vaqt o'tishi bilan A konsentratsiyasining o'zgarishi bilan tavsiflanadi. Statsionar rejim reaksiya hajmining har bir nuqtasidagi parametrlarning vaqt va vaqt o'tishi bilan o'zgarmasligi bilan tavsiflanadi. Keyin. Lekin tezlik A Ushbu tenglamani konvertatsiya darajasining o'zgarishi chegaralarida integrallash 0 dan X A gacha olamiz Olingan ma'lumotlardan ko'rinib turibdiki, RIV uchun tenglama RIS - P bilan bir xil. Uzluksiz ideal aralashtirish reaktori RIS – N Bu reagentlar doimiy ravishda oziqlanadigan va reaksiya mahsulotlari doimiy ravishda chiqariladigan, reagentlar esa aralashtirgich yordamida doimiy ravishda aralashtiriladigan apparatdir. Bunday reaktorga kiradigan boshlang'ich aralashma bir zumda reaktordagi reaktsiya massasi bilan aralashtiriladi, bu erda dastlabki reagentning konsentratsiyasi kiruvchi aralashmaga qaraganda past bo'ladi. Xarakteristik tenglamani chiqarish uchun moddiy balans tenglamasini tuzamiz. Oqim bilan ta'minlangan A boshlang'ich moddaning mollari soni, bu erda V 0 - hajmli besleme tezligi, CA, 0 - oqimdagi A kontsentratsiyasi. Reaktordan chiqarilgan mollar soni , bu erda V - hajmli tezlik, CA - oqimdagi konsentratsiya. Kimyoviy o'zgarish natijasida iste'mol qilingan A moddasining mollari soni Bu erda V p - reaktordagi to'ldirilgan hajm. A reaktivining to'planishi uning dt vaqt oralig'ida reaksiya fazosidagi miqdorining o'zgarishiga teng. Keling, balansning barcha qismlarini birlashtiraylik To'liq aralashtirilgan reaktor uchun umumiy dizayn tenglamasi.
O'chirish va ishga tushirish davrlari bundan mustasno, uzluksiz reaktor barqaror holatda ishlaydi. Bu holda dizayn tenglamasi shaklga tushiriladi Agar reaksiya suyuq fazada olib boriladigan bo'lsa, u holda hajmning o'zgarishi kichik va V 0 = V k = V. Unda C A,0 – C A = t ō A, shartli yashash vaqti qayerda. Moddiy balans - reaktor yoki jarayondagi moddalarning kirib kelishi va chiqishining tengligi. Moddiy balanslarni tuzishning nazariy asosi M.I.ning materiyaning saqlanish qonuni hisoblanadi. Lomonosov. Oddiy qaytmas reaksiya A → C sodir bo'ladigan reaktor uchun moddiy balans tuzamiz. Vaqt birligida reaktorga kiradigan reaktivning massasi vaqt birligida reaktorda sarflangan A reaktivining massasiga teng. m Va daromad = m Xarajat Reagent A kimyoviy reaksiyaga sarflanadi, reagentning bir qismi reaktorni tark etadi, bir qismi reaksiya hajmida o'zgarishsiz qoladi (to'planadi). m A iste'moli = m Kimyoviy eritma + m A drenaj + m A saqlash m A daromad = m A kimyoviy r. + m A drenaj + m A saqlash m A daromad - m A drenaj = m A kimyoviy. + m A to'plangan m A kelish -m A drenaj =m A konvektsiyani belgilaymiz. konveksiya (reaktsiya massasining oqimi) orqali tashiladigan reaktiv A massasi. Keyin m A to'planadi. =m A konvektsiya. -m A chem.r. Reaksiya oqimida o‘zgarmagan A reaktivining massasi konvektiv oqim olib borgan A moddaning massasi bilan kimyoviy reaksiyaga sarflangan A moddaning massasi o‘rtasidagi farqga teng. Bu tenglama umumiy shakldagi moddiy balans. Reagentning kontsentratsiyasi reaktor hajmining turli nuqtalarida yoki vaqt o'tishi bilan doimiy bo'lmasa, butun reaktor hajmi uchun umumiy shaklda moddiy balansni tuzish mumkin emas. Bunda reaktorning elementar hajmi uchun moddiy balans tuziladi. Ushbu moddiy muvozanatning asosi konvektiv transport tenglamasidir (qarang: Amelin va boshqalar. 71-73). bu yerda CA - reaksiya aralashmasidagi A reaktivining konsentratsiyasi; x,y,z – fazoviy koordinatalar; W x, W y, W z – oqim tezligi komponentlari; D – diffuziya koeffitsienti; r A – kimyoviy reaksiya tezligi. A'zo A'zo A'zo r A atamasi kimyoviy reaksiya natijasida elementar hajmdagi reaktiv A konsentratsiyasining o‘zgarishini ko‘rsatadi. U m A kimyoviy atamasiga mos keladi. umumiy moddiy balans tenglamasida. Olingan differensial tenglamani yechish juda qiyin. Reaktorning turiga va uning ish rejimiga qarab, uni o'zgartirish va soddalashtirish mumkin. Ilgari biz kimyoviy jarayonlarning asosiy modellarini va ularning matematik tavsifini ko'rib chiqdik. Gidrodinamik jarayonlarni, ya'ni reaktordagi reaksiya aralashmasi oqimining yo'naltirilgan harakati usullarini hisobga olgan holda kimyoviy texnologik jarayon modelini murakkablashtiramiz. Kimyoviy ishlab chiqarishda ishlatiladigan har qanday reaktor. Katta yoki kichikroq taxmin qilish uchun uni quyidagi modellardan biri bilan tavsiflash mumkin: partiyali ideal aralashtirish reaktori RIS-P; uzluksiz ideal aralashtirish reaktori RIS-N; uzluksiz tiqinli oqim reaktori RIV-N; K-RIV-N uzluksiz ideal aralashtirish reaktorlari kaskadi (hujayra modeli). Har bir model uchun u ko'rsatilgan xarakterli tenglama, bu reagentlarning reaktorda turish vaqtiga bog'liqligini o, reaktivning dastlabki konsentratsiyasi, konversiya qiymati va kimyoviy reaksiya tezligini ifodalaydi. t = f (C A 0 , a A , r A) Bu tenglama reaktor modelining matematik tavsifi. Bu C A0 (boshlang'ich aralashmaning tarkibi) va r A (kimyoviy reaksiya turi, harorat, bosim, katalizator va boshqalar) ni belgilash orqali reagentlarning reaktorda turish vaqtini hisoblash imkonini beradi. berilgan konvertatsiya (a A), va shuning uchun , va reaktorning hajmi, uning umumiy o'lchamlari va unumdorligi. Har xil turdagi reaktorlar uchun olingan qiymatlarni taqqoslash orqali siz ma'lum bir kimyoviy reaktsiyani amalga oshirish uchun eng maqbul variantni tanlashingiz mumkin. Xarakteristik tenglamani olish uchun asos bo'lib, reaksiya aralashmasining tarkibiy qismlaridan biriga tuzilgan reaktorning moddiy balansi hisoblanadi. Ideal aralashtirish partiyasi reaktori
RIS-P - aralashtirgichli apparat bo'lib, unga boshlang'ich reagentlar vaqti-vaqti bilan yuklanadi va mahsulotlar vaqti-vaqti bilan tushiriladi. Xarakteristik tenglamani olish uchun boshlang'ich tenglama differensial shakldagi moddiy balans tenglamasidir: Kuchli aralashtirish tufayli barcha parametrlar reaktorning butun hajmida bir xil bo'lganligi sababli, istalgan vaqtda x, y, z o'qlari bo'ylab konsentratsiyaning istalgan tartibining hosilasi nolga teng. Keyin V da reaksiya aralashmasi = const C A = C A 0 (1-a A). Agar reaktorda "n" tartibli oddiy qaytarilmas reaktsiya sodir bo'lsa, u holda n = 0 bo'lganda n=1 n ≠ 0 va 1 uchun t grafik integratsiya usuli bilan aniqlanadi. Buning uchun grafik bog'liqlikni quring konvertatsiya darajasining dastlabki va yakuniy qiymatlari orasidagi egri chiziq ostidagi maydonni hisoblang."O'z-o'zidan yonish" ga erishish uchun Tgr1 (D pozitsiyasi). Reaksiya boshlanganidan keyin reaksiya tezligini ko'p o'zgartirmasdan kirish haroratini TE ga tushirish mumkin< 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, kinetik tenglama− =K=K ∙e (9.29) koʻrinishga ega boʻlgan issiqlik taʼsiridan vaqt birligida hosil boʻlgan issiqlik ∆ =∆ ∙ ∙K ∙e (9.30) Issiqlik oʻtkazuvchanligi tufayli sovutish muhiti bilan birga olib tashlangan issiqlik ∆ = 157. ∙ ∙(− ) (9.31) Berilgan ish harorati TI va TIII ning I va III kesishish nuqtalarining abscissalari 9.12-rasm T0 - II issiqlik chiqarish liniyalarining chegaralanish holati QR ga tangens bo'ladi. Issiqlik o'chirish liniyasi T0 - II ushbu chegara qiymatidan pastroqqa qo'yilganda, issiqlikni olib tashlash etarli emas va izotermik jarayon mumkin emas. Issiqlikni yo'qotish ortib borishi bilan ikkita kesishish nuqtasi I va III olinadi. Har qanday T< Т1 линия теплоотвода ниже линии тепловыделения
(QT
←Xarakteristik tenglama FIG-N.
,
- hajm birligi uchun jarayon tezligi
-
Matematik tenglama muvozanat
-
Xarakteristik tenglama RIV-N.
,
Agar jarayon shartlariga ko'ra, RIS dizayni talab qilinadigan bo'lsa, u holda qisqa vaqt ichida yuqori konversiya tezligiga erishish uchun katta hajmli reaktorlar talab qilinadi.
. . Reaksiyani bajarish uchun qancha vaqt ketishini aniqlang:
.
IN RPD ma'lum miqdordagi reagentlar bir vaqtning o'zida yuklanadi va shu vaqtgacha unda saqlanadi bular kerakli konvertatsiya darajasiga erishilgunga qadar. Shundan so'ng reaktor tushiriladi.
berilgan konvertatsiya darajasiX A RIVda qisqa vaqt ichida erishiladi t:
Ushbu reaksiya tezligi tenglamasini tahlil qilib, biz shunday xulosaga kelamiz tezlikni oshirish
w r reaktsiyalar kuchayishiga olib keladi haroratlar:
Va 
,
,
,
elementar hajmda vaqt o'tishi bilan reaktiv A konsentratsiyasining o'zgarishini tavsiflaydi va m A to'planishiga mos keladi. umumiy moddiy balans tenglamasida.
umumiy oqim yo'nalishiga to'g'ri keladigan yo'nalishda o'tkazilishi tufayli reaktiv konsentratsiyasining o'zgarishini aks ettiradi.
diffuziya yo'li bilan o'tkazilishi natijasida elementar hajmdagi reaktiv A konsentratsiyasining o'zgarishini aks ettiradi. Bu atamalar birgalikda harakatlanuvchi muhitda konveksiya va diffuziya orqali moddalarning umumiy tashishini tavsiflaydi; umuman olganda, moddiy balans tenglamasi m A konvek atamasiga mos keladi. .12-ma'ruza Reaktorlarning gidrodinamik modellari. Xarakteristik tenglamalarni chiqarish.
Bunday reaktorda shunday qizg'in aralashtirish hosil bo'ladiki, har bir daqiqada reagentlarning kontsentratsiyasi reaktorning butun hajmida bir xil bo'ladi va kimyoviy reaksiya davom etayotganda faqat vaqt o'tishi bilan o'zgaradi.
-
xarakterli tenglama RIS-P
,
.
