Выбор реактора для проведения процесса окисления монооксида азота
Курсовой проект - Химия
Другие курсовые по предмету Химия
U-скорость реакции,кмоль/мс; HUCR - удельный тепловой эффект реакции, кДж/кмоль;
dV- изменение расхода смеси, м/с.
Тогда теплота прихода равна: HP=HFP + HСR, кДж/с.
Теплота расхода будет равна: HR=HTO + HHR, кДж/с.
HTO =KFdTdV - энергия теплообмена, кДж/с, где К-коэффициент теплопередачи, кДж/(мград с); F- удельная поверхность в единице реакционного объема,м/м; dT- изменение температуры, град; dV- элементарный реакционный объем, м.
По закону сохранения энергии: HP= HR, т.е энергия прихода равна энергии расхода, тогда
VCpT- VCp273 + UHUCRdV= VCpT + VCpdT- VCp273 + KFdTdV, сократив, получим:
UHUCRdV= VCpdT + KFdTdV - уравнение политермы, показывающее, что количество выделившейся теплоты равно изменению температуры и теплоте, отобранной холодильником. В адиабатическом режиме отсутствует теплообмен с окружающей средой, теплота идет на изменение теплосодержания химической смеси, значит:
HUCRdx=22.4 CpdT/zA , кДж/кмоль;
Т=Т0 (zAHUCR/(22.4 Cp))x - уравнение адиабаты, здесь знак + для реакции экзотермической, знак - для эндотермической реакции.
Ad=zAHUCR/(22.4Cp) - адиабатический коэффициент, показывающий на сколько изменится температура реакции смешения, если ключевое вещество полностью прореагирует, град.
Система уравнений МБ и ТБ:
Решение системы позволит найти максимальное значение степени превращения, например, для реакции первого порядка, получим:
U=kPA=kPzA=kP zA(1-x) -кинетическое уравнение реакции 1-го порядка
dx/dt= 22/4kP(1-x),
Материальный баланс РПС
Реактор полного смешения - реактор, в котором вновь поступающая порция реагента быстро распространяется по всему объему реактора за счет перемешивания и концентрация реагента остается постоянной в любой точке реактора.
Рассмотрим реакцию aA+ bB=cC+dD ,
примем V=const-объем смеси, zА= const, хА=0, хк-начальная и конечная степень превращения соответственно,Vr=const -объем реактора, тогда
GFPA = V zAxA MA/22.4 - физический приход в реактор,кг/с;
V -расход смеси,м/с; zA-концентрация реагента А, кг/кмоль; Vm =22.4 - молярный объем, м/кмоль.
GFRA= V zA(1-xA) dxA MA/22.4 -физический расход, кг/с
GCRA= UVrMA - прореагировало в реакторе в ходе химической реакции, кг/с, где Vr-объем реактора, м.
По закону сохранения действующих масс - приход равен расходу вещества в ходе реакции: GFPA= GFRA + GCRA , кг/с
V zA/22.4= V zA/22.4 - V zAхк/22.4 + UVr, сократим:
V zAхк/22.4= UVr , учитывая, что Vr= Vt - объем реактора, м, получим
хк/t= 22.4U/ zA - уравнение материального баланса РПС
Из уравнения МБ следует, что чем больше скорость реакции, тем ниже время ее протекания и объем реактора.
Тепловой баланс РПС
Рассмотрим реакцию экзотермическую без изменения числа молей
aA+ bB=cC+dD
Т0 - начальная температура на входе в реактор,град; Тк-конечная температура на выходе из реактора, град; хА=0 - начальная степень превращения, хк -конечная степень превращения; Т-температура в реакторе, град; V=const - расход смеси считаем постоянным, м/с; zA -концентрация вещества А, кг/кмоль; Cp- удельная теплоемкость, Дж/моль град, также постоянные величины; F- поверхность теплообмена на всем объеме реактора, м/м; Cp- удельная теплоемкость, Дж/(моль град), тогда
HFP =VCp(T0-273), кДж/с - теплота физического прихода;
HFR= VCp(Tк -273) - энергия(теплота) физического расхода, кДж/с;
HСR=U?HUCRVr - тепловой эффект химической реакции , кДж/с;
HTO =KF?T - энергия теплообмена, кДж/с.
По закону сохранения энергии составим уравнение теплового баланса:
HFP + HСR = HFR + HTO
VCpT0 - VCp273 + U?HUCRVr = VCpTк - VCp273 + KF?T, сократим
UHUCRVr = VCp(Tк - T0) + KF?T - уравнение политермы.
U= хк zA/(22.4 t) - скорость реакции, кмоль/(мс), Vr= Vt - объем реактора, м, подставим в уравнение политропы:
хк zA/(22.4 t) Vt?HUCR = VCp(Tк - T0) + KF?T
В данном случае режим адиабатический, то теплообмен с окружающей средой отсутствует, и слагаемое KF?T пропадает, тогда
хк ?HUCR = 22.4 Cp(Tк - T0)/ zA, отсюда
Tк = T0 zA?HUCR хк/(22.4 Ср)- уравнение адиабаты РПС, где знак + для реакции экзотермической, знак - для эндотермической реакции.
Cовместное решение уравнений МБ и ТБ для РПС позволяет найти конечную степень превращения: =
Рассмотрим необратимую реакцию первого порядка, тогда U=kPA=kPzA=kP zA(1-x) -кинетическое уравнение реакции 1-го порядка, подставим в уравнение МБ и ТБ:
Для обратимой реакции первого порядка A D:
U=k1PA -k2PD=k1PzA -k2PzD=k1P zA(1-xk)-k2P zAxk=k1PzA(1-(k2+k1)xk/k1)
U=0 при условии равновесия, тогда k1=(k1+k2)xr, значит U= k1P zA(1-xk/xr), выразив хк, получим: хк= xr22.4tk1P/(xr+22.4 tk1P). Система уравнений МБ и ТБ для обратимой реакции примет вид:
Выбор адиабатического реактора для синтеза NH3
При сравнении работы реакторов полного смешения и идеального вытеснения, провели некоторый анализ зависимостей степени превращения, температуры и скорости реакции от времени пребывания в реакторе.
Рис. 1. Зависимость степени превращения Рис. 2. Зависимость степени превращения от времени в РИВ от времени в РПС
Рис. 3. Зависимость температуры Рис. 4. Зависимость температуры от времени в РИВ от времени в РПС
Рис.5. Зависимость скорости реакции от Рис.6. Зависимость скорости реакции от времени в РИВ времени в РПС
Время на проведение реакции в реакторе полного смешения потребуется больше, чем в реакторе идеального вытеснения, что может привести к большим энергетическим затратам. Также необходимо учитывать тот факт, что в РИВ эффективнее протекают реа?/p>