Презентация Непрерывные реакторы для гомогенных гомофазных процессов онлайн

Содержание слайда:

Содержание слайда: Непрерывные реакторы для гомогенных гомофазных процессов. Существуют реакции, проводимые в пламени и требующие реакторов специального типа. К ним относятся, например, реакторы для парциального окисления углеводородов.

Содержание слайда: Конструкционные особенности непрерывных реакторов для гомогенных гомофазных процессов, в наибольшей мере зависят от способа организации теплообмена. Это, в первую очередь, касается газофазных фракций. Конструкционные особенности непрерывных реакторов для гомогенных гомофазных процессов, в наибольшей мере зависят от способа организации теплообмена. Это, в первую очередь, касается газофазных фракций. Относительно низкотемпературные жидкофазные реакции чаще всего реализуются в политропических реакторах, имеющих поверхность теплопередачи с хладоагентом (теплоноситель). В реакторах вытеснения обмен теплот осуществляется через поверхность трубы или пучка труб, внутри которых двигается реакционная смесь, а с внешней стороны – хладоагент (теплоноситель). Жидкофазные реакторы смешения снабжены рубашками, встроенными или выносными теплообменниками.

Содержание слайда: Для газофазных гомогенных реакций широко распространены и политропический и адиабатический режимы. Для газофазных гомогенных реакций широко распространены и политропический и адиабатический режимы. В адиабатических условиях тепло в реактор может вводиться: С водяным паром С горючими газами С предварительно нагретым твердым мелкозернистым инертным теплоносителем, который движется в реакционном пространстве вместе с потоком реагентов.

Содержание слайда: В случае экзотермических процессов реактор обычно имеет керамическую насадку, которая аккумулирует тепло, благодаря чему при подаче холодной реакционной смеси реакция не затухает. В случае экзотермических процессов реактор обычно имеет керамическую насадку, которая аккумулирует тепло, благодаря чему при подаче холодной реакционной смеси реакция не затухает.

Содержание слайда: Иногда реактор представляет собой последовательность отдельных адиабатических секций, соединенных последовательно. В промежутках между этими секциями возможно организация теплообмена через поверхность или путем введения в реакционную смесь инертных разбавителей или исходных реагентов. Если в первом случае происходит только изменение температуры, то во втором – также и состава, что должно учитываться при соответствующих расчетах. Иногда реактор представляет собой последовательность отдельных адиабатических секций, соединенных последовательно. В промежутках между этими секциями возможно организация теплообмена через поверхность или путем введения в реакционную смесь инертных разбавителей или исходных реагентов. Если в первом случае происходит только изменение температуры, то во втором – также и состава, что должно учитываться при соответствующих расчетах.

Содержание слайда: Политропические режимы для гомогенных газофазных реакций представляют собой цилиндрический или трубчатый аппараты, обогреваемые топочными газами (хлораторы) или пламенем (печи пиролиза). Политропические режимы для гомогенных газофазных реакций представляют собой цилиндрический или трубчатый аппараты, обогреваемые топочными газами (хлораторы) или пламенем (печи пиролиза).

Содержание слайда:

Содержание слайда: Расчет непрерывных реакторов, как и периодических осуществляется с использованием соответствующих характеристических уравнений. Расчет непрерывных реакторов, как и периодических осуществляется с использованием соответствующих характеристических уравнений. Исходными данными для расчета служат: Производительность по целевому продукту Степень превращения реагента ХА Начальные концентрации реагентов, инертных разбавителей, гомогенных катализаторов. СА0

Содержание слайда: В изотермических условиях для определения объема реактора достаточно решения характеристического уравнения, полученного при составлении материального баланса только по определенному реагенту А. В изотермических условиях для определения объема реактора достаточно решения характеристического уравнения, полученного при составлении материального баланса только по определенному реагенту А.

Содержание слайда: Если возникает задача нахождения состава реакционной смеси на выходе из реактора, то в этом случае число уравнений возрастает до числа ключевых реагентов в системе. Если возникает задача нахождения состава реакционной смеси на выходе из реактора, то в этом случае число уравнений возрастает до числа ключевых реагентов в системе. FB =

Содержание слайда: Переход от FB к FA0 проводится по известным уравнениям с использованием ХА для простых или ХА и ФB для сложных реакций. После определения FA0 объем реактора будет являться уже только функцией параметра, характеризующей глубину протекания реакций, например ХА . Переход от FB к FA0 проводится по известным уравнениям с использованием ХА для простых или ХА и ФB для сложных реакций. После определения FA0 объем реактора будет являться уже только функцией параметра, характеризующей глубину протекания реакций, например ХА . Следует отметить, что это справедливо для всех жидкофазных, а так же газофазных реакций, если перепадом давления в реакторе от его входа до выхода можно пренебречь.

Содержание слайда: В общем случае прохождение газового потока через реактор может сопровождаться заметными потерями давления. В общем случае прохождение газового потока через реактор может сопровождаться заметными потерями давления. Методика расчета потери давления в трубчатых пустотелых реакторах та же, что и в трубопроводах. В расчетах принимают, что потеря давления равно потерям при трении, пренебрегая остальными составляющими уравнения баланса механической энергии.

Содержание слайда: Где: P – общее давление в реакторе λ- коэффициент трения -плотность реакционной массы - линейная скорость потока - эквивалентный диаметр канала, по которому движется поток (для труб крупного сечения ). Для ламинарного потока

Содержание слайда: При турбулентном движении находятся пути обработки экспериментальных данных с использованием теории подобия и является функцией числа Re и шероховатости стенок труб.

Содержание слайда: Дифференциальное уравнение падения давления можно проинтегрировать, если известно, каким образом будет меняться Л, w и p по длине реактора, в котором протекает химическая реакция. Факторами, влияющие на величину Л, w и p является температура и состав реакционной смеси, последний из которых будет определяющим. Дифференциальное уравнение падения давления можно проинтегрировать, если известно, каким образом будет меняться Л, w и p по длине реактора, в котором протекает химическая реакция. Факторами, влияющие на величину Л, w и p является температура и состав реакционной смеси, последний из которых будет определяющим.

Содержание слайда: Представим линейную скорость потока и его плотность как функцию параметра, характеризующего глубину протекания реакции, в качестве которого выберем степень превращения реагента А: Представим линейную скорость потока и его плотность как функцию параметра, характеризующего глубину протекания реакции, в качестве которого выберем степень превращения реагента А:

Содержание слайда: Если раздельно W и p изменяются при изменении ХА, то их произведение остается постоянной величиной, равной Wopo . Если раздельно W и p изменяются при изменении ХА, то их произведение остается постоянной величиной, равной Wopo . Очевидно, что если считать m не зависит от состава реакционной смеси, что достаточно справедливо для газовой фазы, то число Re, а также λ не изменяются при увеличении ХА.

Содержание слайда: Теперь можно записать: Теперь можно записать: Для оценочных расчетов падение давления как функции длинны реактора можно заменить 1+εХА на её среднеарифметическое значение при ХА=0, ХА=ХАLТогда: Где ΔР– падение давления в реакторе длиной Объем раствора: n-число труб круглого сечения в реакторе

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Основные модели реальных изотермических гомогенных реакторов

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Зависимость c от называется дифференциальной, Зависимость c от называется дифференциальной, а зависимость от – интегральной функциями распределения.

Содержание слайда: Рассмотрим вид кривых отклика реакторов идеального вытеснения и смешения при нанесении импульсного возмущения. Введенный трассер в виде тонкой пленки равномерно распределяется на входе по всему сечению реактора идеального вытеснения и в «поршневом» режиме, не размываясь, движется к выходу. Рассмотрим вид кривых отклика реакторов идеального вытеснения и смешения при нанесении импульсного возмущения. Введенный трассер в виде тонкой пленки равномерно распределяется на входе по всему сечению реактора идеального вытеснения и в «поршневом» режиме, не размываясь, движется к выходу.

Содержание слайда: Свойство С-кривой таково, что Свойство С-кривой таково, что Теоретически импульсный ввод определенного количества трассера осуществляется за бесконечно малый промежуток времени. Учитывая эти два обстоятельства, кривая отклика для реактора идеального вытеснения выражается прямой, уходящей в бесконечность.

Содержание слайда:

Содержание слайда: В реакторе идеального смешения количество трассера, введенного импульсно (мгновенно), т.е. за время много меньше, чем среднее время пребывания, перемешивается с содержимым реакционного пространства. Затем происходит «вымывание» индикатора уходящим из реактора потоком, согласно закону (рис2).

Содержание слайда:

Содержание слайда: В реальных аппаратах наблюдается промежуточный вид кривой отклика – с более или менее размытым максимумом.

Содержание слайда: Очевидно, что время пребывания элементов потока в реакторе является случайной величиной. Её функцию распределения (кривую отклика) относительно просто охарактеризовать некоторыми величинами, которые называются моментами распределения случайной величины. Или можно пользоваться для сопоставления распределений без сравнения соответствующих кривых. Наибольшее значение и применимость имеют первые два момента: среднее значение и дисперсия распределения.

Содержание слайда: Кривые отклика чаще всего строят по точкам, в которых бывает известна концентрация трассера нВ выходе из реактора в определенный момент времени – время отбора пробы. В этом случае среднее время пребывания определяется по формуле: среднее время пребывания -концентрация трассера в –пробе -время отбора пробы.

Содержание слайда: Дисперсия распределения времени пребывания может быть рассчитана по уравнению:

Содержание слайда: Причины отклонения от идеальности проточных реакторов

Содержание слайда: Причины отклонения от идеальности проточных реакторов Время пребывания отдельных элементов потока в проточном реакторе – это случайная величина которая меняется значительно от 0 до ∞. Застойная зона. (часть потока не принимают участия в реакции)

Содержание слайда: Причины отклонения от идеальности проточных реакторов

Содержание слайда:

Содержание слайда: Модели, учитывающие неидеальность потока, упрощающие расчет реактора Ячеечная модель – реальный аппарат расчленяют на N последовательно соединенных ячеек идеального смешения. Суммарный объем всех ячеек равен полному объему реактора. Число ячеек N – единственный параметр ячеечной модели. Диффузионная модель – некоторый промежуточный случай между режимами идеального смешения и идеального вытеснения. Учет диффузии в соответствии с первым законом Фика.

Содержание слайда: Коэффициент продольной диффузии - DL - единственный параметр однопараметрической дифференциальной модели. Коэффициент продольной диффузии - DL - единственный параметр однопараметрической дифференциальной модели. В теории реакторов разработаны модели позволяющие учесть неидеальность потока. Модели эти являются до некоторой степени приближенными, однако они более точно описывают реальный процесс.

Содержание слайда: Модели реальных реакторов могут быть построены на основе двух подходов: Модели реальных реакторов могут быть построены на основе двух подходов: 1. Первый основан на мысленной замене реактора реального той или иной комбинацией идеальных аппаратов. 2. Второй подход имеет большее физическое обоснование – при составлении материального описания процесса стремятся учесть все реальные физические явления, происходящие в аппарате и внести их в уравнение с помощью соответствующих математических операторов.

Содержание слайда: При разработке модели необходимо иметь в виду, что, как правило, теория дает общий вид уравнения, а численные коэффициенты этих уравнений должны быть найдены экспериментально. Эти численные коэффициенты носят название параметров математической модели. Стремятся, чтобы число параметров было минимальным. Наиболее распространены 2 модели однопараметрические: ячеечная и диффузионная.

Содержание слайда: Ячеечная модель. Модуль потока с продольным перемешиванием можно представить в виде КРПС. В ячеечной модели использован первый подход к описанию реальных реакторов, а именно: реальный аппарат мысленно расщепляют на N последовательно соединенных ячеек идеального смешения.

Содержание слайда: Однопараметрическая диффузионная модель

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Однопараметрическая диффузионная модель

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Рассмотрим вначале модель, в которой учитывается влияние продольной диффузии на режим идеального вытеснения. Такая модель используется для описания работы трубчатых аппаратов, подразумевая отсутствие а них застойных зон и струйных потоков.

Содержание слайда: Как и процесс молекулярной диффузии, осевое смешение в силу его статистической природы описывается уравнением, анологичным по виду закона Фика. Однако в нем вместо коэффициента молекулярной диффузии используется эффективный коэффициент продольного переноса DL, полностью характеризующий степень осевого смешения в потоке. Коэффициент DL является функцией длинны реактора, но в технических расчетах используется его среднее значение DL.

Содержание слайда:   Рассмотрим реактор длинной L, в котором движется установившийся (стационарный во времени) поток с осевым перемешиванием веществ. Запишем для элементарного объема реактора уравнение материального баланса. (повторить РИВ).

Содержание слайда:   Если в реакторе идеального вытеснения существует только один конвективный поток, то теперь добавляется ещё и осевое диффузионный поток. Очевидно, в этом случае характеристическое уравнение будет отличаться от полученного для реактора идеального вытеснения на некоторое слагаемое, учитывающее вклад продольного перемешивания: DL – эффективный коэффициент продольного переноса.

Содержание слайда:   Проведем некоторые преобразования этого уравнения, облегчающее его дальнейшее решение: Окончательно имеем: w - линейная скорость потока.

Содержание слайда:   В случае жидкофазных реакций линейная скорость потока практически не меняется по длине реактора и поэтому может быть вынесена из-под знака дифференциала. Для газофазных реакций, протекающих с изменением объема в технологических расчетах часто используют среднее значение w, легко определяемого для известной конечной степени превращения ключевого реагента А. Тогда:

Содержание слайда:   Решение уравнения возможно, если известны начальные условия. При l=0, учитывая непрерывность переноса А, получим: Для конечной величины DL это условие влечет за собой прерывистое уменьшение начальной концентрации А при L=0. Другим условием является =0 при l=L

Содержание слайда: Введем следующие обозначения: Теперь можно записать (при z=0) (при z=1)

Содержание слайда: Аналитическое решение этой системы уравнений возможно только в отдельных случаях, например, для реакции первого порядка. В этом случае решение имеет вид: Полученный результат справедлив для любых значений критерия Пекле ( ).

Содержание слайда: В предельных случаях ( или ) разлагая в ряд этот результат решения, получаем известные расчетные формулы реактора идеального вытеснения и реактора идеального смешения

Содержание слайда: Для более сложных кинетических закономерностей, чем реакция первого порядка, применяют численные методы решения записанной ранее системы уравнений. Для более сложных кинетических закономерностей, чем реакция первого порядка, применяют численные методы решения записанной ранее системы уравнений. Вообще её любое решение предполагает, что численное значение критерия Пекле известно. Рассмотрим метода его нахождения.

Содержание слайда: В случае импульсной формы возмущения при подаче трассера в поток вытеснения с продольной диффузией, получают семейство С – кривых, вид которых зависит от интенсивности осевого перемешивания. В случае импульсной формы возмущения при подаче трассера в поток вытеснения с продольной диффузией, получают семейство С – кривых, вид которых зависит от интенсивности осевого перемешивания.

Содержание слайда: а) а) Найдена однозначная связь между дисперсией распределения и критерием PeL в зависимости от условий на границе аппаратов. Различают «закрытые», «открытые», и «частично закрытые» типы аппаратов. В «закрытых» реакторах ввод трассера осуществляется на входе в аппарат, а вывод - на выходе. В «открытых» реакторах ввод и вывод трассера осуществляются на участках реакционной трубки, удаленном на некотором расстоянии от входа и выхода аппарата. «Полузакрытый» типы аппаратов являются комбинацией первых двух.

Содержание слайда: Во всех рассмотренных типах реакторов вытеснения зависимость Во всех рассмотренных типах реакторов вытеснения зависимость Вид второго слагаемого меняется в зависимости от используемого типа реактора. Однако, чаще всего его вклад по сравнению с первым слагаемым мал, поэтому в технических расчетах пользуются соотношением:

Содержание слайда: Величина критерия Пекле может быть найдена по критериальным зависимостям, которые имеются в специальной литературе. Критериальные зависимости получены при экспериментах на лабораторных установках менее надежны, чем определение критерия Пекле на «холодных» моделях. Величина критерия Пекле может быть найдена по критериальным зависимостям, которые имеются в специальной литературе. Критериальные зависимости получены при экспериментах на лабораторных установках менее надежны, чем определение критерия Пекле на «холодных» моделях.

Содержание слайда: Нахождение объема реактора для заданной производительности по целевом продукту В Нахождение объема реактора для заданной производительности по целевом продукту В В случае простых реакций, когда ФВ=1, учитывая стехиометрические коэффициенты реакции и конечную степень превращения реагента А, переходят от FB и FA0 затем, зная СА о к W. Выбирают сечение трубrи реактора S и затем принимают такое их количество n, чтобы в трубках создавался нужный гидродинамический режим. Затем находят w=W/nS и PeL критерий Пекле при этой линейной скорости потока. Задаются некоторой длиной реактора L и определяют r=L/w. Полученное значение w, PeL, r используется для расчета САL при численном решений рассмотренной ранее системы уравнений. Полученное значение САL сравнивают с заданной величиной СА, и если они совпадают, то задача решена. В противном случае решение повторяют при другом выбранном значения длинны реактора.

Содержание слайда: Обратное перемешивание уменьшает удельную производительность реактора. Для сложных реакций от распределения времени пребывания зависит не только удельная производительность, но и селективность. Это особенно существенно в случае последовательных реакций, когда один из промежуточных продуктов – целевой. Величина максимальной селективности снижается при возникновении продольного перемешивания тем более, чем оно интенсивнее. Поэтому в случае сложных реакций при наличие в трубчатом реакторе осевого перемешивания интегральная селективность даже для изотермических условий не может быть рассчитаны, исходя из фВ и ХА. Обратное перемешивание уменьшает удельную производительность реактора. Для сложных реакций от распределения времени пребывания зависит не только удельная производительность, но и селективность. Это особенно существенно в случае последовательных реакций, когда один из промежуточных продуктов – целевой. Величина максимальной селективности снижается при возникновении продольного перемешивания тем более, чем оно интенсивнее. Поэтому в случае сложных реакций при наличие в трубчатом реакторе осевого перемешивания интегральная селективность даже для изотермических условий не может быть рассчитаны, исходя из фВ и ХА.

Содержание слайда: В связи с этим методику расчета объема реактора с продольным перемешиванием для сложных реакций при заданной производительности по целевому продукту можно представить следующим образом. В связи с этим методику расчета объема реактора с продольным перемешиванием для сложных реакций при заданной производительности по целевому продукту можно представить следующим образом. Задаемся некоторым значением ФВ. Это позволяет как и для простых реакций найти w, PeL, r . Затем решатся такое число характеристических уравнений, которое позволяет определить текущие концентрации веществ A и B в реакторе.

Содержание слайда: Например. Пусть имеется реакция Например. Пусть имеется реакция для которой и В данном примере необходимо решить совместно два характеристических уравнения с учетом их граничных условий.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Правильность выбора необходимой длинны реактора осуществляется так же, как и для простых реакций. В результате окончательного расчета находят соответствующее значение. Затем проверяют по формуле: Правильность выбора необходимой длинны реактора осуществляется так же, как и для простых реакций. В результате окончательного расчета находят соответствующее значение. Затем проверяют по формуле: Насколько совпадают принятые и рассчитанные значения интегральной селективности по целевому продукту В. Если совпадение ниже требуемой точности, то расчет полностью повторяют при новом выбранном значении ФВ.