Материальный баланс РИС-П




Описание модели РИС-П

Реактор идеального смешения периодического действия представляет собой ёмкостный аппарат с перемешивающим устройством.
В периодический реактор все реагенты помещают до начала реакции, а продукты извлекают из него только после проведения процесса.
Общая масса реакционной смеси в реакторе остается постоянной, а изменяется лишь ее состав.
Условием идеальности работы реактора смешения периодического действия является мгновенное установление одинаковых параметров процесса в реакционном объеме аппарата в результате интенсивного перемешивания.

Схема реактора идеального смешения периодического действия:

1 – внутренний объем реактора;
2 – реакционный объем;
3 – мешалка;
4 – штуцер для опорожнения реактора;
5 – загрузочное отверстие;
Т.Н. – теплоноситель или хладагент, поступающий в теплообменную рубашку.

РИС-П работает в нестационарном режиме, т.е. в разные моменты времени условия в периодическом реакторе разные (концентрация реагентов, продуктов, скорость реакции и т. д.). Однако в каждый момент времени в силу допущения об идеальности эти параметры одинаковы во всем объеме реактора.

Исходя из допущений об идеальности РИС-П, за элементарный объем аппарата принимают весь реакционный объем (Vp). Так как РИС-П работает в нестационарном режиме, за элементарный промежуток времени принимают бесконечно малую величину .

Изменение концентрации реагента А в реакторе идеального смешения периодического действия во времени процесса и в объеме в разные моменты 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-П

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. Материальный баланс РИС-П составляют на стадию химической реакции при отсутствии подачи реагентов и отвода продуктов (NAвх = NAвых = 0).

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

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

NAнак − количество (в молях) реагента A, накопленное вэлементарном объёме за элементарный промежуток времени.

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

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

(здесь Vр − реакционный объём реактора, dCA − изменение концентрации реагента A в элементарном объёме за элементарный промежуток времени).

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

Преобразуем выражение, сократив на реакционный объём реактора Vр:

Выразим отсюда элементарный промежуток времени :

Проинтегрировав на интервале от 0 до τх.р, рассчитаем полное время протекания химической реакции в РИС-П τх.р:

Учитывая, что , получаем характеристическое уравнение РИС-П:

Тепловой баланс РИС-П

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. Тепловой баланс РИС-П составляют на стадию химической реакции при отсутствии подачи реагентов и отвода продуктов (Q вх = Qвых = 0).

Запишем тепловой баланс политермического РИС-П:

Здесь 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,

Qнак − количество теплоты, накопленное в элементарном объёме за элементарный промежуток времени.

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

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

(здесь K т − 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, − элементарный промежуток времени)

(здесь ρ − плотность реакционной массы в реакционном объёме реактора, Vр − реакционный объём реактора, cp − удельная теплоёмкость реакционной массы в реакционном объёме реактора, dT − изменение температуры в реакционном объёме реактора за элементарный промежуток времени )

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

Преобразуем выражение, разделив на реакционный объём реактора Vр:

Выразим из материального баланса РИС-П скорость реакции WA:

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

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

В случае адиабатического теплового режима, характеризующегося отсутствием теплообмена реакционной смеси с теплоносителем или хладагентом (тепловая изоляция реактора), тепловой баланс РИС-П 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 (dT = 0) получим:

=> 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: