от которых зависят концентрации реагентов,

Автоматизация реакторных процессов (ч.1)

Упрощенная структурная схема химического реактора.

Рис.1.1.

Химический процесс (3) определяется:

-         уравнениями кинетики

-         взаимодействием гидродинамических, массообменных и тепловых процессов в аппарате,

-         от которых зависят концентрации реагентов, температура q и давление Р реакторного процесса.

Химические превращения (3) приводят к изменению тепловых (2) и гидродинамических процессов (1) в реакторе.
Определение характера процессов, протекающих в реакторе, на основе анализа соотношения между скоростью химической реакции r и скоростью материального обмена rобм.

1. При

:

Ø     процесс идет в кинетической области;

Ø     скорость процесса определяет химическое взаимодействие;

Ø     массообмен не влияет на скорость химической реакции.

2. При

:

Ø     процесс идет в диффузионной области;

Ø     процесс характеризуется массообменом;

Ø     определяющей стадией является транспорт реагирующих веществ.

3. При

:

Ø процесс идет в переходной области;

Ø скорость процесса является сложной функцией реакционно-кинетических и диффузионных зависимостей.

Показатели эффективности реакторного процесса.

Степень превращения.

Степень превращения Un , представленная через мольные доли:

(1а),

где n0 - число молей компонента в исходном потоке;

n - число молей компонента в реакционной смеси.

Степень превращения Um , представленная через массовые доли:

(1б),

где m0 - масса компонента в исходном потоке;

m - масса компонента в реакционной смеси.

Факторы, влияющие на степень превращения:

-         q и Р - температура и давление, влияют на смещение химического равновесия в реакции;
-         tр - продолжительность химической реакции;
-         С0 - концентрации исходных веществ;
-         подбор катализатора;
-         величина потока рециркуляции.
2.      Выход продукта.

Определение выхода продукта Х:

(2),
где
mф - масса фактически полученного продукта;
mт - масса теоретически возможного количества продукта из данного исходного вещества.

Факторы, влияющие на выход продукта Х:

? - температура;
Р - давление;
Сi - состав реакционной смеси;
tпр - время пребывания реакционной смеси в аппарате.

Выход продукта характеризует:

-         степень совершенства технологического процесса: чем ближе Х ® 1, тем ближе расходные коэффициенты к стехиометрическим;
-         экономические показатели технологического процесса: чем ближе Х ® 1, тем лучше экономические показатели реакторного процесса.

3.      Избирательность химического процесса.

Избирательность химического процесса Из характеризует долю исходных веществ, превращенных в целевой продукт, по отношению к общему количеству химически превращенных исходных веществ:

(3).
где

- количество молей исходного продукта, превращенных в целевой продукт;

- количество молей химически превращенных исходных веществ.

Избирательность влияет на экономические показатели процесса.

4. Скорость химического процесса.

Скорость химического процесса - это количество вещества, которое реагирует или образуется в единицу времени в единице объема (или на единице поверхности):

(4),
где

- движущая сила процесса,
определяемая для химических реакций как произведение концентраций компонентов в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам;
К - константа скорости реакции,
определяемая на основании уравнения Аррениуса.

Скорость процесса характеризует производительность химического реактора.

Основные факторы, влияющие на скорость реакции:

-         С0 - состав исходных реагентов;
-         ? -    температура;
-         Р -    давление.

Схема реактора непрерывного действия с мешалкой
с экзотермической реакцией 1-го порядка А ® В.

Рис.4.1.

Показатель эффективности реакторного процесса в общем случае - концентрация целевого продукта в реакционной смеси СВ .

Цель управления в общем случае:

- обеспечение в реакционной смеси

Цель управления для данного процесса:

- обеспечение в реакционной смеси

Обозначения на рис.4.1:

-         G0 , G , Gхл - массовые расходы исходного реагента, реакционной смеси и хладоагента, кг/с;
-         cp0 , cp , cpхл - удельные теплоемкости соответствующих потоков, дж/(кг*град);
-         r - плотность реакционной смеси, кг/м3 ;
-         q0 ,q , qхл - температуры исходного реагента, реакционной смеси и хладоагента;
-

  - концентрации компонента А в исходном реагенте и реакционной смеси, кг/кг;
-         V - объем реакционной смеси, м3 ;

-         h - уровень реакционной смеси, м;
-         Tср - среднее время пребывания реакционной массы в реакторе;

- -DH - тепловой эффект экзотермической реакции, дж/кг;
- r - скорость химической реакции, кг/(м3*с).

Математическое описание реактора
на основе физико-химических особенностей процесса.
Стехиометрическое уравнение химической реакции.

Стехиометрическое уравнение химической реакции, характеризующее ее материальный баланс:

(1а).

Стехиометрическое уравнение для данного реактора:

(1б),
где ai , bi , a , b - стехиометрические коэффициенты, числа реагирующих молей компонентов процесса.
Уравнение кинетики химической реакции.

Результирующая скорость обратимой реакции:

(2),
где

- общий порядок реакции;

- скорость прямой реакции;

- скорость обратной реакции;

;

- константы скорости,
ZА и ZВ - эмпирические коэффициенты;
ЕА и ЕВ - энергии активации.

Кинетика для реактора типа рис.4.1:

- скорость прямого процесса:

(3а);
- скорость обратного процесса:

(3б).
Уравнение гидродинамики процесса.

Уравнение гидродинамики процесса характеризует давление в потоке как сложную функцию:

(4)
где
x, z - координаты потока;
m - ламинарная вязкость, характеризующая силы внутреннего трения;
k - турбулентная вязкость;

r - плотность реакционной массы;
V - объем реакционной массы;
t - текущее время.

Материальный баланс реакторного процесса
по всему веществу.
Уравнение динамики:

(1),
где
Уравнение статики при

(2).

На основе(1) и (2):

(3).
Материальный баланс реакторного процесса
по расходуемому веществу А.
Уравнение динамики:

(4),
где
I - изменение количества вещества А в реакторе в единицу времени;
II - количество вещества А, поступающего в реактор в единицу времени;
III - количество вещества А, отводимого из реактора в единицу времени;
IV - количество вещества А, расходующегося в реакторе на химическую реакцию в единицу времени, где V=S*h.
Уравнение статики при

(5).

На основе (4) и (5):

(6).

Тепловой баланс реакторного процесса.
Уравнение динамики:

                        (7),
где
-         I - изменение количества тепла в реакторе в единицу времени;
-         II - количество тепла, поступающего в реактор с исходным реагентом в единицу времени;
-         III - количество тепла, отводимого из реактора с реакционной массой в единицу времени;
-         IV - количество тепла, выделяющегося в реакторе в результате химической реакции в единицу времени;
-         V - количество тепла, отводимого из реактора с хладоагентом в единицу времени.

Уравнение статики при

(8).

На основании (7) и (8):

(9).
Информационная схема реактора на основе балансовой модели.

Рис.6.1.

Возможные управляемые переменные:
.
Возможные управляющие воздействия:
.
Возможные контролируемые возмущения:
.
Возможные неконтролируемые возмущения:
.

Содержание раздела