Расчет реактора полного смешения для необратимой реакции гидратации

Размещено на http://www.allbest.ru/

36

Курсовая работа

Тема: Расчет реактора полного смешения (РПС) для необратимой реакции гидратации COOH-SO₂CL



Содержание

Часть I. Задачи

Задача № 1 . Материальный баланс химического реактора

Задача №2: Материальный баланс

Задача №3: Газовая кинетика

Задача №4: Жидкостная кинетика

Задача № 5. Крестообразные графики

Часть II. Проект

Введение

Расчет предэкспоненциального множителя и энергии активации

Система дифференциальных уравнений

Расчет кривых при пусковом режиме

Расчет стационарных концентраций

Расчет переходных режимов при резком изменении концентрации вещества и расходе смеси

Крестообразные графики скоростей подвода и отвода

Влияние технологических параметров на производительность реактора

Вывод. Рекомендации к эксплуатации реактора

Список использованной литературы



Часть I. Задачи

Задача № 1 . Материальный баланс химического реактора

Моль - совокупность числа Авогадро структурных элементов.

Химическая переменная - число пробегов в реакции, выраженное в кмоль.

Задание: Рассчитать материальный баланс реактора окисления оксида серы. Степень превращения диоксида серы 0,9. На окисление диоксида пошло 5000м³/час кислорода. Концентрации компонентов в исходной смеси (объемные доли): оксид серы (4) 0,13; кислород 0,7; оксид серы (6) 0,01.

Уравнение реакции окисления диоксида серы:

2SO₂+O₂ = 2SO₃ (N₂)

Причем азот - инерт.

В общем виде запишем уравнение так:

aA + bB = cC (iI)

Схема движения потоков будет такой:

Размещено на http://www.allbest.ru/

36

Составим таблицу для наглядности, куда внесем данные и неизвестные:



Таблица 1.

	Приход	Расход
	N	M	N	M
A	NA1	MA1	NA2	MA2
B	NB1	MB1	NB2	MB2
C	NC1	MC1	NC2	MC2
I	NI1	MI1	NI2	MI2
?	N01	M01	N02	M02

Неизвестные: N_A1, N_B1, N_C1, N_01, N_02, N_A2, N_B2, N_C2, M_01, M_02, N_I1, N_I2, E.

Где Е - химическая переменная.

Реактор находится в стационарном режиме, значит:

Мольные потоки будут равны:

,где ? - молярная масса вещества.

Объемные доли будут выражаться:

А расход смеси через химическую переменную:

Тогда, решив задачу получим:



Задача №2: Материальный баланс

Известен мольный состав первой и второй смесей. Мольные расходы веществ: в первой смеси: водород 740; аммиак 0; метан 1 кмоль/час.; четвертой смеси: водород 2271,405; азот 1090,468; аммиак 45219,063; метан 100 кмоль/час.

Степень превращения водорода в реакторе 2 имеет значение 24%. Продувочный газ составляет 1% от потока газовой смеси после конденсатора.

Составить материальный баланс.

Степень превращения - это отношение количества вступившего в химическое взаимодействие (по всем реакциям), к количеству этого же вещества на входе в реактор.

В общем случае, производственная схема будет выглядеть так:

Размещено на http://www.allbest.ru/

36

,где 1 - смеситель

2 - реактор

3 - сепаратор(отделяет NH₃ от

жидкой среды)

4 - делитель

1 - азотно-водородная смесь,

2 - исходный поток,

3 - поток из реактора,

4 - поток жидкости,

5 - жидкий аммиак,

6 - продувочные газы.

Таким образом, решая эту задачу через MathCAD,получим:

Проверка:

Сумма 1, 7 и 2 потоков должна равняться нулю. Что мы и наблюдаем.

Отрицательные потоки также отсутствуют, значит матбаланс составлен верно.



Задача №3: Газовая кинетика

Кинетика - наука, изучающая механизм и скорость химической реакции.

Скорость реакции - изменение количества вещества за единицу времени в единице пространства.

Кинетика бывает простой и сложной. Представителем простой кинетики является жидкостная кинетика - 99% процессов. А сложной - газовая.

Ключевое вещество - то вещество, которое находится в недостатке.

Уравнение Аррениуса: влияние температуры на скорость согласно уравнению целиком определяется константой скорости K т.к остальные сомножители в классическом случае от температуры не зависят и являются константами.

Причем, k₀ - предэкспоненциальный множитель; Е - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/(мольК)); Т - температура в градусах Кельвина.

Дано:

Модельное уравнение реакции	K01	E1	K02	E2
2A + B = C + D	2,37107	39000	1,881015	123000

Другие параметры:

Z_A1 = 0,2; Z_B1 = 0,5; Z_D1 = 0; Z_I1 = 0,3; P= 1 (атм).

Построить график зависимости скорости реакции от температуры, давления, степени превращения.

 

РИВ и РПС (Реактор Идеального Вытеснения; Реактор Полного Смешения):



Задача №4: Жидкостная кинетика

Размещено на http://www.allbest.ru/

36

На рисунке изображен проточный реактор полного смешения.

S - площадь сечения реактора,

Н - высота жидкости (заполненность),

L_1, L₂ - потоки, соответственно, подвода и отвода веществ,

С_A1… - концентрации веществ на входе в реактор

С_А2 … - концентрации веществ на выходе из реактора.

Реактор Периодического Действия (РПД) - идеальная математическая модель РПС.

Дано:

Модельное уравнение реакции	K01	E1	K02	E2
2A + B = 2С	4,4104	45000	8,2108	77000

Составить систему дифференциальных уравнений для данной реакции и решить ее.

Найти оптимальную температуру для данной реакции, используя уравнение Аррениуса.

Число_точек: = 80000



Задача № 5. Крестообразные графики

Крестообразные графики - предназначены, главным образом, для геометрической интерпретации математической модели реактора.

От степени превращения зависит как концентрации веществ, так и скорости. В зависимости от вида графиков скоростей подвода и отвода, можно понять, что происходит с тем или иным веществом в реакторе.

Задание: Для предыдущего задания построить графики скоростей подвода и отвода веществ в реакторе.

Часть II. Введение

Химическими реакторами называются аппараты, в которых осуществляются основные химические процессы с целью получения определенных веществ в рамках одного технологического процесса.

РПС широко применяется на химических производствах, особенно в промышленности органического синтеза.

Дано:

В РПС протекает необратимая реакция:

COOH-SO₂CL + H₂O = COOH-SO₂OH + HCL

Заместитель - СООН. Процесс происходит в 42,53% растворе ацетона в воде. Вода в очень большом избытке, поэтому реакция имеет псевдопервый порядок. Уравнение скорости реакции: U = k·C_A2 кмоль/(м³·с). Константа скорости расчитывается по соотношению: lgK = lgK₀ + ?·?. Причем: ? = 0.450. Для 15°С: lgK₀ = - 3.827, ? = 0.843. Для 25°С: lgK₀ = -3.509, ? = 0.811. Константа скорости имеет размерность с^-1, размерность концентраций кмоль/м³.

Общее задание:

1) На основе данных посчитать константу и уравнение Аррениуса;

2) Составить систему дифференциальных уравнений для расчета кинетических кривых;

3) Расчитать кривые пускового режима,считая,что реактор заполнен раствором;

4) Расчитать стационарные концентрации;

5) Расчитать два переходных режима при резком изменении концентрации вещества А, расхода жидкости L;

6) Оценить влияние на производительность технологических параметров и дать рекомендации к эксплуатации.

Расчет предэкспоненциального множителя и энергии активации

В реакторе происходит реакция:

H₂O + COOH-SO₂CL = COOH-SO₂OH + HCL.

Запишем реакцию в общем виде:

aeA + beB = ceC + deD ,

где a,b,c,d - стехиометрические коэффициенты,

e - химическая переменная,

A, B, C, D - буквенные обозначения исходных и конечных веществ.

Из данных курсового проекта найдем значение предэкспоненциального множителя и энергии активации.

lgK = lgK₀ + ?·? , а ? = 0.450

lgK₀₁ = -3.509 , ?₁ = 0.843 => lgK₁ = - 3.4477 =>K₁ = 3.567·10^-4

lgK₀₂ = - 3.827 , ?₂ = 0.811=> lgK₂ = - 3.1441 =>K₂ = 7.176·10^-4

Решим систему уравнений Аррениуса:

После некоторых преобразований, получаем уравнение для расчета Е:

Е = 5.12510⁴ Дж. Подставляя это значение в уравнение Аррениуса, найдем предэкспоненту:

k₀ =6.97210⁵.



Система дифференциальных уравнений

Размещено на http://www.allbest.ru/

36

На рисунке изображен проточный реактор полного смешения.

S - площадь сечения реактора,

Н - высота жидкости (заполненность),

L_1, L₂ - потоки, соответственно, подвода и отвода веществ,

С_A1… - концентрации веществ на входе в реактор

С_А2 … - концентрации веществ на выходе из реактора.

По уравнению aeA + beB ceC + deD в реакторе проходит реакция псевдопервого порядка (т.к вещество В в большом избытке). Где K - константа реакции.

В текущий момент времени в реакторе находится G_А киломолей вещества А, G_В - В, G_С - С и G_D - D. Количества веществ могут изменяться со временем как засчет подвода и отвода веществ с потоками смесей, так и засчет химических превращений.

Опишем скорости изменения количеств G_{А ,}G_В, G_С, G_D дифференциальными уравнениями. В ходе расчета будем исходить из идеальной математической модели, абстрагируясь от распределения времени пребывания элементов потока. Будем также считать, что изменения входных параметров, если они происходят, происходят мгновенно.

Слева от равенства поставим производную количества вещества внутри реактора по времени, справа - произведение обратного времени пребывания вещества (1/?_п = L/S·H) на изменение концентрации, а также учтем изменение количеств исходных веществ. В виде документа MathCAD это будет выглядеть следующим образом:

ДУ(С,?)

Причем, K₁ - константа реакции, посчитанная по уравнению аррениуса:, где R - универсальная газовая постоянная (8.31 Дж/(моль·К)), зависящая от Т_m внутри реактора и L - расхода смеси.

Расчет кривых при пусковом режиме

При пусковом режиме содержание компонентов на выходе из реактора, будут равны 0.

Следовательно, решив дифференциальные уравнения ,приняв С_А2, С_В2 , С_С2, С_D2 равными нулю, получим кинетические кривые для пускового режима.

При расчетах в MathCAD получим:



Расчет стационарных концентраций

Стационарный режим - режим, при котором все параметры процесса не изменяются, то есть постоянны во времени.

Условие стационарности - алгебраическая сумма скоростей подвода и отвода каждого вещества должна равняться нулю.

Скорость расходования вещества А в первые мгновения велика и содержащееся в жидкости вещество А быстро расходуется. Следовательно, его концентрация уменьшается. А с уменьшением концентрации - падает и скорость расходования вещества А. В результате концентрация этого вещества убывает с замедлением. Кроме того, ежесекундно в реактор постоянно подаются всё новые порции вещества А. И наступает момент, когда скорости убыли и подачи вещества выравниваются. А это значит, что наступает стационарный режим.

Произведем расчеты при помощи MathCAD:

Как мы видим, полученные концентрации совпадают с теми, которые были получены при выходе реактора из пускового режима.

Расчет переходных режимов при резком изменении концентрации вещества и расходе смеси

В реакторе протекает реакция псевдопервого порядка aeA + beB ceC + deD. Скорости изменения концентраций веществ в его жидкости вычисляется по формулам математической модели жидкостного Реактора Полного Смешения (РПС). Они имеют вид:



где K₁- константа реакции,

L - расход жидкости

S,H - площадь сечения и уровень заполнения реактора,

С_А1 . . . - начальные концентрации веществ,

С_А2 . . . - конечные концентрации веществ,

? - время,

T_m - температура в реакторе.

Тогда, приняв, что концентрация компонента А будет меняться в 2 (? = 2) раза, получим:

И, как видно из графика, концентрации веществ будут совпадать с найденными ранее.

Теперь рассмотрим случай резкого изменения расхода жидкости L.

число_точек: = 800

Крестообразные графики скоростей подвода и отвода

От степени превращения x_i одновременно зависят С_A2 и U_A1 и U_A2. Тогда имеет смысл показать графически эти зависимости.

Очень большую роль играют скорости подвода и отвода. При стационарном режиме они должны быть равны, то есть их алгебраическая сумма должна равняться нулю. При составлении графиков учтем пару стационарных режимов для каждого компонента.

Тогда получим:

По веществу А:



В первое мгновение концентрация вещества А внутри жидкости реактора равна 1кмоль/м³. При этом значении скорость отвода вещества будет больше скорости подвода, значит оно расходуется. Следовательно уменьшается не только его количество, но и концентрация. Это происходит с 0 по 50 секунду.

Вещество А будет расходоваться на образование продуктов. Разность между скоростями подвода и отвода сначала велика. Изменение концентрации происходит быстро. Но по мере уменьшения разности скоростей подвода и отвода - уменьшение концентрации будет происходить все медленнее. Затем оно прекратится вовсе. Затем наступает стационарный режим, при котором концентрация А становится равной 0.592 кмоль/м³.

По веществу В:



В первое мгновение концентрация вещества В равна 0. При этом значении скорость подвода больше скорости отвода. Значит вещество В в реакторе будет накапливаться. Следовательно, будут расти его концентрация и количество. Происходит это с 0 по 50 секунду.

Несмотря на то, что вещество В идет на образование продуктов, с исходной смесью его

поступает больше, чем расходуется. Увеличение концентрации В происходит быстро, так как разность между скоростями подвода и отвода сначала велика. Затем она уменьшается, а следовательно, изменение концентрации вещества В придет к постоянному (стационарному) значению: 0.492 кмоль/м³.

По С:



В первое мгновение концентрация вещества С равна 0 кмоль/м³. Оно накапливается. Происходит это также с 0 по 50 секунду.

Разность между скоростями отвода и подвода сначала большая, следовательно концентрация вещества С сначала велика. Затем наступит стационарный режим, при котором концентрация вещества С примет постоянное значение: 0.408 кмоль/м³.

И по веществу D:

С веществом D происходит аналогичная ситуация с веществом С.

Следует заметить, что концентрации веществ на графике будут также совпадать с теми, которые были найдены ранее.



Влияние технологических параметров на производительность реактора

Для достижения оптимального режима работы, необходимо знать, как влияют на производительность те или иные параметры.

Производительность - разность входного и выходного продуктов. Различают мольную П_С, массовую _С, объемную _С.

П_С = N_C2 - N_C1 = ce

_С = M_C2 - M_C1 = ?_C(N_C2 - N_C1) = ?_Cce

_С = V_C2 - V_C1 = 22,4(N_C2 - N_C1) = 22,4ce

Интенсивность - это отношение производительности к объему реактора.

Расходный коэффициент показывает, сколько тонн исходного вещества требуется для производства одной тонны продукта.

В практическом же коэффициенте учитываются концентрация целнвого вещества в продукте, концентрацию исходного вещества, потери, степень превращения.

Стехиометрический показатель (функционал) - математическое выражение, увязывающее соотношение между реагируюими вещетсвами в виде некоторого соотношения. В производстве рекомендуют поддерживать функционал в заданных границах для достижения наилучших результатов.

Степень превращения (конверсия) - отношение количесвта вещества, вступившего в реакцию, к количеству этого же веества на входе в реактор.

Селективность (S) - это отношение количества образовавшегося целевого продукта к количеству превращенного сырья я учетом стехиометрических соотношений. Обычно этот показатель принимают для двух или нескольких параллельных реакций.

Выход продукта - масса продукта, образовавшегося в химической реакции.

Выход теоретический - выход, вычисленный на основе химического уравнения.

Фактический выход - действительный выход, полученный в эксперименте или промышленном процессе.

Когда фактический выход равен практическому, говорят, что реакция имеет количественный выход. Химическую реакцию, протекающую с количественным выходом называют стехиометрическим процессом.

Если же выходы не равны между собой, то имеет смысл считать относительный выход:

Таким образом, относительный выход - это отношение фактического выхода к теоретическому.



Вывод. Рекомендации к эксплуатации реактора

Помимо точно рассчитанных и принятых к эксплуатации значений, описанных выше, следует принять к вниманию некоторые другие параметры. Например, температура.

Параметры раствора:

H₂O - Т_кип = 100°С при 1 атм.

COOH-SO₂CL - T разложения 160°С

COOH-SO₂OH - как производное предыдущего вещества, поэтому примем Т разложения близкой к тому же значению.

HCL - Т_кип = 108°С при 20% концентрации.

Из физических свойств следует, что максимально допустимая тмпература реакции будет равна 100-160 °С (373 - 433 К).

Размеры реактора следует принимать, исходя из запросов производства. То есть ориентироваться под тоннаж.



Список использованной литературы

(1) Луцко Ф.Н Химико-технологические расчеты с применением MathCAD: учебное пособие/ Луцко Ф.Н, Сороко В. Е, Прокопенко А. Н. СПб.: СпбГТИ(ТУ), 2006. - 456с.

(2) Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология: Учеб. Для вузов/ А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. - 3-е издание, переработанное -М.: ИКЦ «Академкнига», 2003-528 с.

(3) Лекции по ОХТ - Постнов А. Ю

Размещено на Allbest.ru