Расчетная часть, Материальный баланс производства, Тепловой расчет аппарата - Проектирование химического реактора идеального смешения

Материальный баланс производства

Основанием для получения уравнения реактора любого типа является материальный баланс, составленный по одному из компонентов реакционной смеси. Составим такой баланс по исходному реагенту A при проведении простой необратимой реакции A > R. В общем виде уравнение материального баланса

BA(пр) = BA(расх),

Где ВА(пр) - количество реагента А, поступающего в единицу времени в тот реакционный объем, для которого составляется баланс; ВА(расх) - количество реагента А, расходуемого в единицу времени в реакционном объеме. Учитывая, что поступивший в реактор реагент А расходуется в трех направлениях, можно записать

ВА( ) ( ) () ( ) расх = ВА х. р + ВА ст + ВА нак,(1.3)

Где ВА( ) х. р - количество реагента А, вступающее в реакционном объеме в химическую реакцию в единицу времени; ВА( ) ст - сток реагента А, т. е. количество реагента А, выходящее из реакционного объема в единицу времени; ВА( ) нак - накопление реагента А, т. е. количество реагента А, остающееся в реакционном объеме в неизмененном виде в единицу времени. С учетом уравнения (1.3) уравнение (1.2) записывается в виде

ВА( ) ( ) () ( ) пр = ВА х. р + ВА ст + ВА нак. (1.4)

Разность между ВА( ) пр и ВА( ) ст представляет собой количество реагента А, переносимое конвективным по - током ВА( ) конв :

ВА( ) ( ) () конв = ВА пр ? ВА ст. (1.5)

Принимая это во внимание, уравнение (1.4) можно записать

ВА( ) ( ) () нак = ВА конв ? ВА х. р. (1.6)

В каждом конкретном случае уравнение материального баланса принимает различную форму. Баланс может быть составлен для единицы объема реакционной массы, для бесконечно малого (элементарного) объема, а также реактора в целом. При этом можно рассчитывать материальные потоки, проходящие через объем за единицу времени, либо относить эти потоки к 1 моль исходного реагента или продукта. В общем случае, когда концентрация реагента непостоянна в различных точках реактора или непостоянна во времени, материальный баланс составляют в дифференциальной форме для элементарного объема реактора: где CA - концентрация реагента А в реакционной смеси; x, y, z - пространственные координаты; щx щy щz, , - составляющие скорости потока; D - коэффициент молекулярной и конвективной диффузии; Ar - скорость хи - мической реакции. Левая часть уравнения характеризует общее изменение концентрации исходного вещества во времени в элементарном объеме, для которого составляется материальный баланс. Это - накопление вещества А, кото - рому соответствует величина ВА( ) нак в уравнении (1.6). Первая группа членов правой части уравнения отражает изменение концентрации реагента А вследствие переноса его реакционной массой в направлении, совпадающем с направлением потока. Вторая группа членов правой части уравнения отражает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме в результате переноса его путем диффузии. Указанные две группы правой части уравнения характеризуют суммарный перенос вещества в движущейся среде путем конвекции и диффузии, в уравнении (1.6) им соответствует величина ВА( ) конв (такой суммарный перенос вещества называют конвективным массообменом, или конвективной диффузией). И, наконец, член Ar показывает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме за счет химической реакции. Ему в уравнении (1.6) соответствует величина ВА( ) х. р. Применительно к типу реактора и режиму его работы дифференциальное уравнение материального баланса может быть преобразовано, что облегчает его решение. В том случае, когда параметры процесса постоянны во всем объеме реактора и во времени, нет необходи - мости составлять баланс в дифференциальной форме. Баланс составляют в конечных величинах, взяв разность значений параметров на входе в реактор и на выходе из него.

Все процессы, протекающие в химических реакторах, подразделяют на стационарные (установившиеся) и на нестационарные (неустановившиеся). К первым относят процессы, при которых в системе или в рассматриваемом элементарном объеме реакционной смеси параметры процесса (например, концентрация реагента А, температура и т. д.) не изменяются во времени, поэтому в реакторах отсутствует накопление вещества (или тепла) и производная от параметра по времени равна нулю. При нестационарных режимах параметры непостоянны во времени и всегда происходит накопление вещества (тепла).

Реактор полного смешения характеризуется тем, что любой элемент объема реагирующей смеси мгновенно перемешивается со всей средой, содержащейся в реакторе, так как скорость циркуляционных движений по сечению и оси аппарата во много раз больше, чем линейная скорость по оси. [2]

Полный смешение реактор конструкция

Приход:

- массовый расход ключевого реагента, пришедшего в реактор.

[кг/c]=[(м3/c)-(м3/кмоль)-(кг/кмоль)]

Расход:

    - массовый расход ключевого реагента, ушедшего из реактора. - массовый расход ключевого реагента в химической реакции.

[кг/c]=[(кмоль/м3-c)-(м3)-(кг/кмоль)]

По закону сохранения материи:

- уравнение материального баланса для реактора полного смешения.

Тепловой расчет аппарата

Тепловой баланс

Приход:

- теплота физического прихода, где Cp-теплоемкость

[кДж/с]=[(м3/c)-(кДж/м3/град)-град)]

Теплота химической реакции.

[кДж/c]=[(кмоль/м3-c)-(кДж/кмоль)-(м3)]

Расход:

Теплота физического расхода

[кДж/с]=[(м3/c)-(кДж/м3/град)-(град)]

- теплота теплообменника, где К-коэффициент теплопередачи

[кДж/c]=[(кДж/м2-c-град)-(м2)-(град)]

По закону сохранения энергии:

- уравнение политермы.

- уравнение адиабаты, то есть теплообмен с окружающей среды отсутствует.

- уравнение изотермы.[1]

Похожие статьи




Расчетная часть, Материальный баланс производства, Тепловой расчет аппарата - Проектирование химического реактора идеального смешения

Предыдущая | Следующая