книги / Химические реакторы

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Д.В. Саулин, С.Н. Пепеляев

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Методические рекомендации

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2022

1

УДК 66.023.2 ББК 35.11

С 21

Рецензенты:

канд. хим. наук, доцент Н.П. Углев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук, доцент М.В. Черепанова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Саулин, Д.В.

С21 Химические реакторы : методические рекомендации / Д.В. Саулин, С.Н. Пепеляев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2022. – 60 с.

ISBN 978-5-398-02818-8

Описаны задания и даны исходные данные для проведения расчетных работ по курсу «Химические реакторы». Даны соответствующие рекомендации, требования к выполнению заданий, составлению отчета и критерии оценки работы.

Методические указания предназначены для использования в расчетных работах студентов, а также в качестве пособий при выполнении расчетных, практических и лабораторных работ в ряде специальных курсов.

УДК 66.023.2 ББК 35.11

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Внастоящих методических указаниях описаны задания и даны исходные данные для проведения расчетных (лабораторных) работ по курсу «Химические реакторы». Даны соответствующие рекомендации и требования к выполнению работы.

Всоответствии с учебной программой дисциплины предусматривается проведение шести расчетных (лабораторных) работ на различные темы курса:

1. Работа по определению химизма процесса, состоящего только из линейно-независимых реакций.

2. Работа по расчету и анализу результатов расчета материального баланса при различных степенных превращения по ключевым компонентам.

3. Работа по расчету и анализу результатов расчета теплового баланса при различных степенях превращения по ключевым компонентам.

4. Работа по проектному расчету и оптимизации реакторов типа РИВ и РИС-Н, работающих в изотермическом режиме.

5. Работа по проектному расчету и оптимизации каскада реакторов типа РИС-Н, работающих в изотермическом режиме.

6. Работа по поверочному расчету и оптимизации работы реактора типа РИВ, работающего в адиабатном режиме.

Выполнение расчетных работ производится в компьютерных классах кафедры «Химические технологии». Оформление отчетов относится к самостоятельной работе студентов.

Оценка качества выполнения заданий и составления отчетов производится по балльной системе, причем за каждое задание можно получить до 10 баллов. Вычет баллов будет производиться преподавателем за совершенные студентом ошибки и за задержки сдачи отчетов. Набор студентом в ходе выполнения заданий менее 48 баллов в сумме будет обозначать недопуск его к сдаче дифференцированного зачета.

4

ЗАДАНИЕ № 1

Определение химизма процесса, состоящего из линейно-независимых реакций

Достаточно часто в литературе можно встретить описание химизма одних и тех же процессов с использованием различных уравнений химических реакций, что обычно связано с возможностью образования различных промежуточных продуктов химических реакций. Например, при сжиганииуглеводородов приизбытке воздуха конечными продуктами будут диоксид углерода и вода. Однако при недостатке окислителя возможно наличие в дымовых газах таких промежуточныхпродуктов, какоксидуглерода(II), водород, сажаипр.

При расчете материального и теплового балансов, лежащих в основе расчетов любого технологического процесса, в первую очередь необходимо четко определиться с возможными продуктами процесса и линейно независимым механизмом их образования, так как, если химические реакции описывают образование одних и тех же продуктов из разных реагентов или образование разных продуктов из одних и тех же реагентов, провести балансовые расчеты будет весьма затруднительно.

Необходимо отметить, что механизм процесса, определенный при выполнении задания, далее будет использоваться студентом при выполнении расчета материального и теплового балансов, т.е. при выполнении заданий № 2 и 3.

Цель работы – получение навыков определения химизма процесса, состоящего из линейно-независимых реакций.

Описание задания

На основании предполагаемого механизма (химизма) процесса, описываемого направлениями процессов по варианту задания, необходимо:

• на основании направления процессов и наличия промежуточных продуктов составить уравнения химических реакций (оп-

5

ределить коэффициенты уравнений реакций на одну моль первого, ключевого, компонента реакции);

•определить количество ключевых компонентов;

•уточнить механизм (химизм) процесса, состоящего только из линейно-независимых реакций.

Выполнение работы следует произвести тремя способами: 1. С использованием количества веществ в механизме про-

цесса и количества базисных компонентов.

2. С расчетом ранга матрицы стехиометрических коэффициентов (расчеты в MathCad).

3. С расчетом определителя Грама матрицы, сформированной из матрицы стехиометрических коэффициентов.

По окончании работы необходимо сделать выводы об уточненном механизме (химизме) процесса и количеству ключевых компонентов, а также составить отчет с описанием, обоснованием и иллюстрацией выполняемых операций (табл. 1).

6

Порядок выполнения работы

Согласно заданию выполнение работы следует произвести тремя способами. Рассмотрим порядок выполнения работы на примере процесса горения метана, предполагаемый механизм которого описывается следующими уравнениями реакций:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О

СН4 + 0,5О2 = СО + 2Н2

СО + 0,5О2 = СО2

Н2 + 0,5О2 = Н2О

Первый способ: количество веществ предполагаемого механизма равно КВ = 6 (СН4, О2, СО2, Н2О, СО и Н2), а количество базисных компонентов равно КК = 3 (С, О и Н). Таким образом, количество линейно-независимых реакций механизма: N = КВ –

– КК = 3. Далее, исходя из того, что конечными продуктами являются диоксид углерода и вода, анализируем предложенный механизм и приходим к выводу, что первая реакция является ли- нейно-зависимой и при ее исключении КВ и КК не изменятся, и останутся три линейно-независимых реакции:

СН4 + 0,5О2 = СО + 2Н2

СО + 0,5О2 = СО2

Н2 + 0,5О2 = Н2О

Второй способ: как известно, ранг матрицы стехиометрических коэффициентов равен количеству линейно-независимых реакций, поэтому составляем матрицу стехиометрических коэффициентов для нашего примера (табл. 2).

8

Для того чтобы определить ранг матрицы, используем функцию RANK в MathCad, и далее методом исключения получаем, что первая реакция является линейно-зависимой.

Реализация данного способа в MathCad также возможна с использованием переменных.

Третий способ: третий способ связан с расчетом определителя Грама, который можно произвести в Excel. В случае, если определительГрама будет равен или близок к нулю (по модулю менее 0,001) – линейно-зависимые уравнения химических реакций в системе есть, а если его величина по модулю больше нуля – линейно-зависимые уравненияхимических реакций всистеме отсутствуют.

Например, для рассматриваемого нами примера на основании матрицы стехиометрических коэффициентов была сформирована квадратная диагональная матрица, количество строк и столбцов которой были равны количеству уравнений реакций в механизме, т.е. размером 4×4. Причем каждый элемент матрицы

9

равнялся сумме произведений стехиометрических коэффициентов Далее с использованием стандартной функции МОПРЕД рассчитывался определитель матрицы. Как видно по результатам расчета, его величина составила –5,27356·10–15 (по модулю 5,27356·10–15), что составляет величину, близкую к нулю. Таким образом, можно сделать вывод, что в данном механизме линейнозависимые реакции присутствуют (рис. 1).

Рис. 1

После исключения из механизма первой химической реакции расчеты были проведены заново.

10