Материальный баланс РИС-Н




Описание модели РИС-Н

Реактор идеального смешения непрерывного действия представляет собой ёмкостный аппарат с перемешивающим устройством. Реакционная смесь подается в аппарат и выгружается из него непрерывно.

Рисунок. Схема проточного реактора идеального смешения:

1 – геометрический объем реактора;
2 – реакционный объем;
3 – мешалка;
4 – штуцер для аварийного опорожнения реактора.
Vo – объемный расход реакционной смеси;
САо, ХАо – начальная концентрация и степень превращения реагента А;
СА, ХА – конечная концентрация и степень превращения реагента А;
Т.Н. – теплоноситель или хладагент.

В РИС-Н выполняются следующие допущения:

1. В результате интенсивного перемешивания все параметры в реакционном объёме полностью выравнены.

2. Изменение параметров входного потока при попадании в реакционный объём происходит мгновенно.

3. Параметры выходного потока равны параметрам внутри реакционного объёма.

Для реакторов непрерывного действия характерен стационарный режим работы, то есть параметры в реакторе не изменяются с течением времени. Неустановившееся состояние наблюдается только в пусковой период и в период остановки реактора.

В дальнейшем все реакторы непрерывного действия будут рассматриваться только в стационарном режиме, когда отсутствует накопление вещества и тепла.

Исходя из идеальности перемешивания, в качестве элементарного объема для реактора идеального смешения можно принять весь реакционный объем реактора Vр. По условию стационарности в качестве элементарного промежутка времени можно принять любой промежуток времени τ.

Изменение концентрации реагента А в реакторе идеального смешения непрерывного действия по реакционному объему аппарата и по времени

В реальных условиях приблизиться к режиму идеального смешения можно, применяя интенсивное перемешивание реакционной смеси. Наряду с этим, форма и размеры емкостного аппарата должны быть оптимальными для уменьшения объема застойных зон.

Материальный баланс РИС-Н

Материальный баланс показывает изменение количества реагента или продукта за счёт его поступления (со знаком плюс) и расходования (со знаком минус) в элементарном объёме за элементарный промежуток времени.

Запишем материальный баланс РИС-Н по взятому в недостатке реагенту A:

Здесь NAвх − количество (в молях) реагента A, поступающего со входящим в элементарный объём потоком реакционной массы за элементарный промежуток времени,

NAвых − количество (в молях) реагента A, уходящего с выходящим из элементарного объёма потоком реакционной массы за элементарный промежуток времени,

NAх.р − количество (в молях) реагента A, расходуемого на протекание химической реакции в элементарном объёме за элементарный промежуток времени.

Входящие в состав материального баланса РИС-Н слагаемые могут быть выражены через параметры процесса следующим образом:

(здесь CAo − начальная концентрация реагента A, Vo− объёмный расход реакционной смеси, τ − элементарный промежуток времени)

(здесь CA − конечная концентрация реагента A, Vo − объёмный расход реакционной смеси, τ − элементарный промежуток времени)

(здесь WA − скорость химической реакции по компоненту A, Vр − реакционный объём реактора, τ − элементарный промежуток времени)

При подстановке полученных выражений в уравнение материального баланса РИС-Н получим:

Преобразуем выражение, сократив на элементарный промежуток времени τ, и вынеся за скобку объёмный расход смеси Vo:

Отношение реакционного объёма реактора Vр к объёмному расходу реакционной смеси Vo соответствует среднему времени пребывания частиц в проточном реакторе:

Выразив среднее время пребывания частиц в реакторе, получим характеристическое уравнение РИС-Н:

Учитывая, что , получаем:

Тепловой баланс РИС-Н

Тепловой баланс показывает изменение количества теплоты за счёт её поступления (со знаком плюс) и расходования (со знаком минус) в элементарном объёме за элементарный промежуток времени.

Запишем тепловой баланс политермического РИС-Н:

Здесь Qвх − количество теплоты, поступающей со входящим в элементарный объём потоком реакционной массы за элементарный промежуток времени,

Qвых − количество теплоты, уходящей с выходящим из элементарного объёма потоком реакционной массы за элементарный промежуток времени,

Qх.р − количество теплоты, выделяющейся (со знаком плюс) или поглощаемой (со знаком минус) при протекании химической реакции в элементарном объёме за элементарный промежуток времени,

Qт.о − количество теплоты, вносимой (со знаком плюс) в элементарный объём или отводимой (со знаком минус) из него за счёт теплообмена с теплоносителем или хладагентом за элементарный промежуток времени.

Входящие в состав теплового баланса РИС-Н слагаемые могут быть выражены через параметры процесса следующим образом:

(здесь ρo − плотность входящей в элементарный объём реакционной смеси, Vo − объёмный расход реакционной смеси, cpo − удельная теплоёмкость входящей в элементарный объём реакционной смеси, To − температура входящей в элементарный объём реакционной смеси, τ − элементарный промежуток времени),

(здесь ρ − плотность выходящей из элементарного объёма реакционной смеси, Vo − объёмный расход реакционной смеси, cp − удельная теплоёмкость выходящей из элементарного объёма реакционной смеси, T − температура выходящей из элементарного объёма реакционной смеси, τ − элементарный промежуток времени)

(здесь ΔH − тепловой эффект химической реакции, WA − скорость химической реакции по компоненту A, Vр − реакционный объём реактора, τ − элементарный промежуток времени)

(здесь Kт − коэффициент теплопередачи между теплоносителем или хладагентом и реакционной массой, F − поверхность теплообмена между теплоносителем или хладагентом и реакционной массой, ΔT − положительная разность температур между теплоносителем или хладагентом и реакционной массой, τ − элементарный промежуток времени).

При подстановке полученных выражений в уравнение теплового баланса РИС-Н получим:

Преобразуем выражение, сократив на элементарный промежуток времени τ, и предполагая, что плотность и теплоёмкость реакционной смеси слабо зависят от температуры (ρocpo ≈ ρcp):

Выразим из материального баланса РИС-Н скорость реакции WA:

Подставим это выражение в тепловой баланс и разделим все слагаемые на CAoVo:

Учитывая, что мольная теплоёмкость с'p может быть рассчитана по формуле , получим конечное выражение теплового баланса для политермического РИС-Н:

В случае адиабатического теплового режима, характеризующегося отсутствием теплообмена реакционной смеси с теплоносителем или хладагентом (тепловая изоляция реактора), тепловой баланс РИС-Н примет вид:

=> вся теплота, выделяемая или поглощаемая в ходе химической реакции, идёт на изменение температуры реакционной смеси.

В случае изотермического теплового режима, характеризующегося постоянством температуры реакционной смеси, можно принять Qвх ≈ Qвых:

=> вся теплота, выделяемая или поглощаемая в ходе химической реакции, компенсируется теплообменом с хладагентом или теплоносителем.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-04-04 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: