Тепловой баланс составляется с целью определения теплового режима работы реактора. - раздел Химия, Принципы составления материальных и тепловых балансов химических реакций Реактор Может Работать В Следующих Тепловых Режимах:
1. Изотермическ...
Реактор может работать в следующих тепловых режимах:
1. Изотермический (температура на входе в реактор и на выходе одинакова);
2. Адиабатический (отсутствует теплообмен с окружающей средой);
3. Смешанный или политропный тепловой режим.
В основе теплового баланса лежит закон сохранения энергии, согласно которому
åQприх. = åQрасх. +åQпот
åQприх – характеризует сумму всех входящих тепловых потоков;
åQрасх – сумма всех выходящих тепловых потоков;
±åQпот – суммарные тепловые потери.
Для изотермического режима уравнение теплового баланса:
Qреаг ± Qr. ± Qф ± QF = Qпрод,+ Qнагр. + Qпот.
где Qреаг – количество тепла, поступающего с исходными реагентами;
Qr – тепло химических реакций;
Qф – тепло фазовых переходов;
Qнагр – количество тепла, необходимое для нагрева сырья до температуры реакции.
Qпот не должно превышать 5%.
В отличие от материального баланса, тепловой баланс не всегда сходится.
Приход тепла:
Qреаг – тепло, входящее в реактор с исходными реагентами;
Qреаг=∑ Qi
Qреаг, i = Gi×Cpi×Ti
где Gi – мольный поток i-го реагента;
Cpi – теплоемкость i-го реагента, (Дж·моль)/К;
- тепло, выделяющееся (или поглощающееся) в результате химических превращений:
Gi(j)
где - тепловой эффект химической реакции, (Дж·моль)/К;
Gi(j) – мольный поток i-го реагента, участвующего в реакции (или полученного j-го продукта реакции);
- тепло, выделяющееся (или поглощающееся) в результате фазовых превращений (испарение, конденсация, кристаллизация, плавление, возгонка, растворение):
Gi(j)ф
где Gi(j)ф – мольный поток i-го реагента (j-го продукта), претерпевающегося фазовый переход;
- энтальпия фазового перехода, кДж/моль (справочная величина).
Расход тепла:
Qпрод – тепло, выходящее из реактора с продуктами реакции;
Qпрод Qпрод, j
Qпрод, j = Gj×Cpj×Tj
где Gj – мольный поток j-го продукта реакции;
Cpj – теплоемкость j-го продукта реакции, Дж/(моль·К);
Tj – температура j-го продукта реакции, К.
Qнагр – количество тепла, расходуемое на нагревание исходных реагентов до температуры реакции:
Qнагр,i = ∑[Gi×Cpi× (Ti,r – Ti)]
где Gi – мольный поток i - реагента, подвергаемый нагреву;
Cpi – теплоемкость i- реагента, Дж/(моль·К);
Ti – температура i- реагента на входе в реактор;
Ti,r – температура i- реагента на выходе из реактора.
Qпот – тепловые потери (1 – 5% от прихода тепла);
Qпот = (0,01– 0,05)∙Qприх ,
±QF – количество тепла, отводимое (подводимое) от реактора при помощи теплоносителя (хладоагента). Тепловая нагрузка на реактор.
Исходя из тепловой нагрузки на реактор, рассчитывают необходимую поверхность теплообмена F.
QF рассчитывают по уравнению:
±QF = Qрасх. - Qприх
, м2 ,
где Кt – коэффициент теплопередачи; ∆Т – движущая сила теплопередачи (разность между температурой реакции и температурой теплоносителя).
После нахождения поверхности теплообмена F осуществляют ее анализ, сравнивая с поверхностью теплообмена, имеющемся у реактора.
F<Fr (поверхность реактора) – справочная величина;
F>Fr – интенсифицируют процесс теплообмена (изменяют К и ∆T) или вводят дополнительные теплообменные устройства.
F≈Fr – неустойчивый тепловой режим, но интенсифицировать его проще.
Тепловой баланс записывается в виде уравнения, диаграммы или таблицы.
Все темы данного раздела:
В основе расчета любого процесса лежит уравнение материального баланса.
Уравнение материального баланса базируется на законе сохранения массы вещества.
I II III
I – сумма всех входящих материальных потоков в элемент ХТС;
II –
Эмпирические методы расчета тепловых эффектов.
1. Эмпирический метод расчета газообразных веществ (при 25оС) по Коновалову:
;ккал/моль;
– теплота сгорания органических соединений до CO2 и H2
Особенности исследования кинетики гомогенных каталитических процессов.
В гомогенном катализе исходные реагенты и катализатор находится в одной фазе, оразуя гомогенную систему. Примерами гомогенного катализа является реакции этерефикации, гидролиза сложных эфиров и др.
Кинетика гетерогенно - каталитических процессов.
- наблюдаемая скорость процесса ,
- наблюдаемая константа скорости, отнесенная к поверхности катализатора
- движущая сила процесса
- Внешнедиффузионная область
С
Основные стадии и кинетические особенности гетерогенно- каталитических процессов.
Гетерогенно-каталитическая реакция на поверхности твердого катализатора – это сложный многостадийный процесс. Наблюдаемая общая скорость каталитической реакции зависит от относительных скоростей не
Кинетическая область.
В случае кинетической области химическая реакция является наиболее медленной и протекает в объеме фазы 1 и 2. Таким образом, общая скорость процесса равна сумме скоростей реакции в каждой фазе в от
Основные модели топохимических процессов
При описании топохимических процессов используют две модели:
1. Квазигомогенная модель
2. Модели частицы с фронтальным перемещением зоны реакции (модель частицы с невзаимодействую
Механизм и скорость процессов взаимодействия газа (жидкости).
При анализе механизма процесса для частиц с невзаимодействующим ядром можно выделить 5 стадий развития процесса (рис 2.2.):
1) диффузию газообразного (жидкого) реагента через ГЛП к поверхн
Расчет реактора РИС-П
В реакторе идеального смешения за счет эффективного перемешивания выравниваются концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции во всех точках объема реакционной массы. Для достижения эффектив
Реактор идеального вытеснения РИВ
В РИВ реакционная масса движется в одном направлении без продольного или поперечного перемещения. В виду схожести движения реакционной массы с движением поршня этот режим еще называют поршневым.
Последовательное соединение РИВ
V1
V2
V3
Vn
Последовательное соединение РИС-Н с одинаковым объемом
Основным недостатком единичного РИС-Н является низкая производительность в расчете на единицу объема аппарата, т.к в таком реакторе сохраняется низкая скорость процесса. Для устранения этого недост
Расчет последовательно соединенных РИС-Н с переменным объемом
Рассмотрим систему, состоящую из трех последовательно соединенных РИС-Н с различными объемами. Для расчета таких систем используется графический метод.
V1> V2 >V3
Расчет реакторов с неподвижным слоем катализатора
Реакторы с неподвижным слоем катализатора по гидродинамическому режиму приближаются к РИВ.
Поэтому для получения проектного уравнения реактора необходимо воспользоваться уравнением мат. ба
Расчет реакторов с псевдоожиженным слоем катализатора
Расчет таких реакторов заключается в определении основных размеров реактора.
Скорость, необходимая для перевода неподвижного слоя частиц катализатора в псевдоожиженное состояние зависит от
Аппарат с движущемся слоем катализатора
Движущийся слой катализатора позволяет осуществлять непрерывный процесс. Катализатор имеет форму шариков, которые движутся под действием силы тяжести сверху вниз. Реагенты движутся как сверху вниз,
Расчет контактных аппаратов на основе удельной производительности катализатора
Удельной производительностью катализатора называется объем газов или паров, пропускаемых за час через единицу объема катализатора.
Объем газа приведен к нормальным условиям и имеет размерн
Конструкции реакторов
При выборе газожидкостных реакторов необходимо учитывать возможность создания высокой поверхности контакта фаз. Это условие может соблюдаться как для газа, так и для жидкой фазы. В первом случае ис
Аппараты колонного типа (диффузионная область)
Для того, чтобы рассчитать высоту колонны во всех случаях необходимо совместно проанализировать выражение, описывающее скорость процесса и уравнение его мат баланса.
Рассмотрим гетерофазны
Аппарат колонного типа (кинетическая область)
вАг+Вж=продукты
Допущения:
-вещество Вне растворимо в газе;
- количество непрореагировавшего вещества А в жидкости мало по сравнению с содержанием А в га
Аппараты типа смеситель-сепаратор
Применяются для систем ж-ж(н) и очень редко для систем г-ж.
Обычно в реакторные узлы такого типа входят 2 устройства:
- смеситель, т.е реактор, в котором осуществляется химическое
Модели смешения фаз в реакторе полупериодического действия.
Аг+Вж=продукты
В таких реакторах газ непрерывно подается в жидкость в течение времени, за которое жидкий реагент В полностью вступает в реакцию.
При этом концентрация вещества А в
Технологический расчет времени контакта по средней степени превращения твердого реагента.
При известном среднем радиусе твердой частицы и известной кинетики топохимического процесса расчет реактора сводится к определению средней степени превращения твердой фазы и уточнения времени конта
Ячеечная модель
Реальный аппарат мысленно расчленяют на N последовательных соединенных ячеек идеального смещения.
Как правило при N<10 удовлетворительно описывается реальный реактор.
Диффузионная модель
В диффузионной модели существует некий промежуточный гидродинамический режим между идеальным вытеснением и смешением.
Диффузионная модель проточного реактора учитывает перемешивание реакци
Проектные уравнения реакторов, работающих в политропном режиме
1) РИС-П-П
Для этого реактора конвективный перенос отсутствует, т. е. части II=0 и III=0
(1)
- скорость химической реакции. Для РИС-П-П:
(2)
Проектные уравнения реакторов, работающих в адиабатическом режиме
Реактор, работающий в адиабатическом режиме представляет собой аппарат, стенки которого изолированы от окружающей среды.
Т. к. при адиабатическом режиме отвод тепла отсутствует, то V=0
Простые необратимые реакции
Уравнение скорости экзо- и эндотермических реакций можно записать:
(8)
Как видно из уравнения скорость химической реакции является функцией нескольких переменных: температуры, сте
Обратимые химические реакции
В случае обратимых экзотермических реакций увеличение температуры будет приводить к возрастанию скорости реакции, однако в соответствии с принципом Ле-Шателье равновесие будет смещаться в сторону и
Тепловая устойчивость химических реакторов
Под устойчивым тепловым режимом реактора подразумевается режим, при котором система может самопроизвольно вернуться в исходное состояние при наличии каких-то возмущений (изменение температуры, реаг
Новости и инфо для студентов