II. Теория химических реакторов
9. Химический реактор определение и назначение. Классификация реакторов. Обзор конструкций реакторов. Функциональные элементы реактора. Общий вид математической модели химического процесса в реакторе. Основные математические модели. Реакторы идеального вытеснения и смешения. Математическое описание изотермического и неизотермического процессов в реакторах. Сравнение реакторов идеального вытеснения и смешения при осуществлении в них простых и сложных реакций в изо- и неизотермическом режиме. Явление тепловой устойчивости в химическом реакторе. Множественность и неоднозначность режимов. Способы управления тепловым режимом. Каскад реакторов идеального смешения К-ИС и сравнение его с единичными реакторами смешения и вытеснения при осуществлении процессов с простой и сложной реакциями. Аналитический и графический методы расчета К-ИС.
Химический реактор – устройство, предназначенное для проведения в нём хим. превращений. Это понятие обобщённое и относится к реакторам, колоннам, автоклавам, камерам, печам и др.аппаратам.
Классификация реакторов:
По назначению: гомогенные, гетерогенные, каталитические;
По организации материальных потоков: вытеснения, смешения, промежуточный тип;
По организации тепловых потоков: изотермический, адиабатический, с теплообменом;
По принципу действия: периодический, непрерывный, полупериодический.
Функциональные элементы реактора:
Реакционная зона – объём реактора, в котором происходит хим.превращение. Для гетерогенных процессов с твёрдой фазой – объём твёрдой фазы. Для гетерогенных каталитических процессов – объём твёрдого катализатора;
Устройство ввода входного потока, позволяющее распределить его равномерно по реакционной зоне;
Устройство смешения, позволяющее равномерно смешивать входные потоки;
Устройство теплообмена, обеспечивающее определённый тепловой режим в реакционной зоне.
Основные математические модели:
Реактора смешения:
Реактора вытеснения:
Характеристика модели РИВ:
Процесс в реакторе непрерывный и стационарный;
Перемешивание отсутствует;
Профиль скорости по сечению – плоский (поршневой режим).
СРАВНЕНИЕ И ВЫБОР ЭФФЕКТИВНОГО РЕАКТОРА:
В РИВ на всём протяжении процесса нач.концентрация выше той, что в РИС-Н, где она мгновенно принимает минимальное значение.
С увеличением порядка реакции и степени превращения эффективность РИВ возрастает по сравнению с РИС-Н. При n=0 реакторы имеют одинаковый объём независимо от xA.
Б) Сложные реакции:
Уравнение адиабаты – это уравнение теплового баланса.
III. Химико-технологическая система и основы разработки эффективных хтс
10. ХТС как обобщенная модель химического производства. Структура и состав ХТС. Функциональные и масштабные подсистемы. Иерархическая структура ХТС. Методы химической технологии − системный анализ и математическое моделирование.
Химико-технологическая система (ХТС) – модель химического производства, отображающая его структуру и позволяющая предсказывать свойства и показатели.
Элемент изменяет состояние потока (реактор производит изменение химического состава потока).
В зависимости от цели исследований не все аппараты будут влиять на
интересующие свойства ХТС. Например, если цель исследований – определение производительности, выхода продукта и другие материальные показатели, то теплообменники, насосы и другое оборудование, не изменяющие напрямую состав потоков, можно не включать в ХТС. В этом случае говорят, что рассматривается технологическая подсистема производства.
Для облегчения изучения структуры ХТС выделяют 2 типа подсистем, каждая из которых имеет отличительный признак: функциональный или масштабный.
Функциональные подсистемы (отделения) обеспечивают выполнение заданных функций и функционирование производства в целом.
Технологическая подсистема - часть производства, где осуществляется переработка сырья в продукты, это ХТП.
Энергетическая подсистема - часть производства для обеспечения энергией ХТП.
Подсистема управления - часть производства для получения информации о его функционировании и управления им. Обычно это автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП).
Масштабный признак определяет логику научного подхода к изучению химического производства.
Масштабные подсистемы ХТС можно систематизировать в виде иерархической структуры ХТС.
В структуре ХТС простейший элемент - отдельный аппарат (реактор,
абсорбер, насос и прочее). Это – низший масштабный уровень I. Аппараты, выполняющие вместе преобразование потока, образуют подсистемы II-го масштабного уровня (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и т.д.). Совокупность подсистем второго уровня образуют подсистему III-го уровня подобно участкам производства (в производстве серной кислоты: отделения обжига серосодержащего сырья, очистки и осушки сернистого газа, контактное, абсорбционное, очистки отходящих газов). Совокупность отделений, участков образуют ХТС производства в целом.
Системный анализ ХТС - совокупность научных методов и средств
изучения сложных ХТС, основанных на химических, физических и математических науках, моделировании, и т.д., и дополненных практическим опытом разработки и эксплуатации хим.производств.
Последовательность этапов при исследовании ХТС:
1. Выделение элементов, которые определяют свойства ХТС.
2. Установление зависимости выходных потоков от входных для
каждого элемента (получение его математического описания).
3. Выделение связей между элементами, ответственных за проявление
интересующих свойств ХТС.
4. Расчет показателей, определение свойств (особенностей), изучение эволюции ХТС.
Основное средство системного анализа – компьютеры.
11. Составные части ХТС: элементы, подсистемы, технологические связи, примеры. Классификация элементов ХТС. Технологические связи: последовательная, параллельная, последовательно-обводная, рециркуляционная, перекрестная. Области применения, привести примеры. Модели ХТС: описательные и графические.