2. Расчет реактора полного смешения.

Обратная задача.

Расчет фактической степени превращения, которая достигается в реакторе заданного объема, при давлении 5 атмосфер и различных температурах входа.

Объем реактора можно рассчитать, зная время пребывания газовой смеси по уравнению:

где τ_n – время пребывания реакционной смеси внутри реактора, ед. врем;

V_p – объем реактора, м³;

V – объемный расход смеси через реактор при нормальных условиях, м³/с.

Время превращения в проточном реакторе полного смешения (РПС) рассчитывается по формуле:

где τ_n – время пребывания реакционной смеси внутри реактора, ед. врем;

Z_A1 – концентрация ключевого вещества на входе в реактор, мольная доля;

x – конечная степень превращения вещества А на выходе реактора, доли единицы;

U_A – скорость химической реакции по веществу А, как функции от конечной степени превращения, м³ вещ.А/м³∙с;

Знание объема реактора по заданному объемному расходу смеси и времени пребывания газовой смеси внутри реактора позво­ляет рассчитать фактическую степень превращения.

Уравнение обычно называют уравнением материаль­ного баланса. Иногда в литературе это уравнение называют характеристическим.

Температура выхода из реактора вычисляется по формуле:

Т = Т_вх± ·Х – уравнение адиабаты

(знак зависит от вида реакции, в случае эндотермической реакции”-“, экзотермической ”+”)

Коэффициент адиабатического разогрева

С_Р - мольная теплоемкость

Н – теплота образования 1 моля продукта

C_p=Z_A1·C_p+Z_B1 ·C_p+ Z_C1·C_p+ Z_D1·C_p+ Z_I1·C_p=41,1447 Дж/(моль·К)

Н₂₉₈=

H₂₉₈= 164960 Дж

С_р298-Т=

С_р298-Т=32,31 Дж/(моль·К)

Нт=Н₂₉₈+С_р298-Т(Т - 298)

Н_Т=194103,62 Дж

= 0,2·194103,62÷41,1447=943, 52

T0	T	X	U
1350	1305,1	0,05	1,08E+000
1400	1346,22	0,06	1,44E+000
1450	1382,07	0,07	1,85E+000
1500	1413,93	0,09	2,28E+000
1550	1445,6	0,11	2,77E+000
1600	1475,82	0,13	3,28E+000
1650	1505,1	0,15	3,81E+000
1700	1534,73	0,18	4,38E+000
1750	1561,69	0,2	4,90E+000
1800	1592,43	0,22	5,55E+000

3.Материальный баланс химического реактора.

Необходим при проектировании и его проверке. Рассчитывается на ед. времени или на ед. продукции.

Играет важную роль в экономических подсчетах.

Рассмотрим материальный баланс проточного газофазного реак­тора.

Количество вещества определяется совокупностью структурных элементов (атомов молекул, ионов и т.п.). Количество вещества изме­ряют в молях.

Молем называют совокупность числа Авогадро (6,02-10²³) структур­ных элементов (молекул, атомов и т.п.).

1 моль ид. газа (при н.у.)=22,4 л.

V 1 кмоля ид. газа = 22,4 м³.

Молярной массой называют отношение массы вещества к коли­честву вещества.

Молярный объем - это отношение объема вещества к количест­ву вещества

Глубина протекания реакции – это количество пробегов реакции, выраженных в киломо­лях.

Стационарным режимом работы реактора называют режим, при котором все параметры процесса во времени не изменяются.

Условие стационарности заключается в том, что алгебраическая сумма скоростей подвода и отвода каждого из веществ равна нулю. Коли­чество уравнений в системе равно количеству веществ, принятых в расчет, в том числе и инертных.

Мольная доля вещества это отношение мольного потока вещества к мольному потоку смеси.

Массовый поток смеси - это сумма массовых потоков компонен­тов.

Массовая доля вещества А представляет собой отношение массы вещества А к массе смеси.

Объемное (мольное) соотношение веществ в смеси – это отношение объема (числа киломолей) одного вещества к объему (числу киломолей) другого вещества.

Массовое соотношение веществ в смеси – это отношение массы одного вещества к массе другого вещества.

Производительность – это разность выход­ного и входного потока продукта.

Интенсивность это отношение производительности к объему реак­тора.

Ключевое вещество – это одно из исходных веществ, которое находится в недостатке от стехиометрии.

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

Селективность - это отношение количества об­разовавшегося целевого продукта к количеству превращенного сырья с учетом стехиометрических соотношений

Масса продукта, образовавшегося в химической реакции, называет­ся ее выходом. Выход продукта, вычисленный на основе химического уравнения, называется теоретическим выходом. Действительный выход, полученный в эксперименте или промыш­ленном процессе, называется фактическим выходом. Когда фактический выход оказывается равным теоретическому, говорят, что реакция имеет количественный выход. Химическую реакцию, протекающую с количе­ственным выходом, называют стехиометрическим процессом.

Выход (относительный) конечного продукта есть отношение фак­тического количества продукта к теоретически возможному количеству в расчете на поданное сырье.

Основные этапы решения задачи на материальный баланс:

1.Формализация условия (упрощение).

2.Определение и перечень количества неизвестных.

3. Составление системы линейных уравнений.

4.Решение системы.

5. Проверка полученных результатов, оформление.

a=1

d=1 c=4

	NA1	NB1	NC1	ND1	NI1	NA2	NB2	NC2	ND2	NI2	N01	N02	M01	M02	e	cч
1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	-0,2	0	0	0	0	0
2	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	-0,43	0	0	0	0	0
3	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	-0,02	0	0	0	0	0
4	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	-0,08	0	0	0	0	0
5	0,78	0	0	0	0	-1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
6	1	1	1	1	1	0	0	0	0	0	-1	0	0	0	0	0
7	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	0	-1	0	0	0	0
8	16	18	2	44	28	0	0	0	0	0	0	0	-1	0	0	0
9	0	0	0	0	0	16	18	2	44	28	0	0	0	-1	0	0
10	1	0	0	0	0	-1	0	0	0	0	0	0	0	0	-1	0
11	0	1	0	0	0	0	-1	0	0	0	0	0	0	0	-2	0
12	0	0	1	0	0	0	0	-1	0	0	0	0	0	0	4	0
13	0	0	0	1	0	0	0	0	-1	0	0	0	0	0	1	0
14	0	0	0	0	1	0	0	0	0	-1	0	0	0	0	0	0
15	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	22,4	0	0	0	0	1000

1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0,01	8,93
0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0,02	19,2
0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0,89
0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	3,57
-1	-1	-1	-1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0,01	12,05
0,78	0	0	0	-1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0,01	6,96
-0,44	1	0	0	-2	0	0	0	0	2	-1	0	0	0	0,02	15,27
0,88	0	1	0	4	0	0	0	0	-4	0	-1	0	0	0,01	8,75
0,22	0	0	1	1	0	0	0	0	-1	0	0	-1	0	0,01	5,54
-1	-1	-1	-1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	-1	0,01	12,05
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0,04	44,64
0,44	0	0	0	2	1	-1	0	0	-3	-1	-1	-1	-1	0,05	48,57
-12	-10	-26	16	0	28	0	-1	0	0	0	0	0	0	0,98	984,82
-12	-10	-26	16	0	28	0	0	-1	-16	-18	-2	-44	-28	0,98	984,82
0,22	0	0	0	1	0	0	0	0	-1	0	0	0	0	0	1,96

N_A1=8,93 N_A2=6,96 M_A1=142,88 M_A2=111,36

N_B1=19,2 N_B2=15,27 M_B1=345,6 M_B2=274,86

N_C1=0,89 N_C2=8,75 M_C1=1,78 M_C2=17,5

N_D1=3,57 N_D2=5,54 M_D1=157,08 M_D2=243,76

N_I1=12,05 N_I2=12,05 M_I1=337,4 M_I2=337,4

N₀₁= 44,64 N₀₂=48,57 M₀₁=984,82 M₀₂=984,82

Выводы.

1. Была рассмотрена зависимость скорости конверсии метана от различных температур при различных степенях превращения. Данные приведены в графиках и по ним видно, что с увеличением температуры скорость конверсии метана увеличивается, это объясняется тем, что согласно принципу Ле –Шателье увеличение температуры усиливает эндотермическую реакцию, поэтому процесс идет в сторону образования продуктов реакции.

Но с увеличением степени превращения, скорость конверсии метана уменьшается. Поэтому нецелесообразно использовать степень превращения больше 0,5.

2. При температуре входа = 1800 К (Температура выхода = 1592,43 К) достигается максимальная степень превращения метана, равная 0,22. При дальнейшем повышении температуры степень превращения принимает отрицательные значения, следовательно, дальнейшее повышение температуры нецелесообразно.

3. Оптимальная температура (выхода) для реакции конверсии метана 1592,43 К (при давлении 5 атмосфер).

В результате материального баланса получены следующие данные :

N_A1=8,93 N_A2=6,96 M_A1=142,88 M_A2=111,36

N_B1=19,2 N_B2=15,27 M_B1=345,6 M_B2=274,86

N_C1=0,89 N_C2=8,75 M_C1=1,78 M_C2=17,5

N_D1=3,57 N_D2=5,54 M_D1=157,08 M_D2=243,76

N_I1=12,05 N_I2=12,05 M_I1=337,4 M_I2=337,4

N₀₁= 44,64 N₀₂=48,57 M₀₁=984,82 M₀₂=984,82