Расчет оптимальных параметров реактора периодического действия

Курс, рус. отд., осенний семестр, 2015-2016 уч. год

 

Расчёт задачи №1 на оптимальный температурный режим химико-технологического процесса, оптимальных параметров реактора периодического действия (задание индивидуальное)

 

Оптимальный температурный режим химико-технологического процесса

 

Химико-технологические расчеты составляют главную, наиболее трудоемкую часть проекта любого химического производства. Цель этих расчетов определение кинетических констант, оптимальных параметров процесса, вычисление реакционных объемов и основных размеров химических реакторов.

Температурный (тепловой) режим проведения химического процесса, обеспечивающий экономически целесообразную максимальную производительность единицы объема реактора (интенсивность) по целевому продукту, называют оптимальным.

Подход к разработке оптимального температурного режима может быть различным в зависимости от типа химической реакции. Максимальная интенсивность реактора будет достигнута при проведении процесса с максимально возможной скоростью. В случае эндотермической реакции интенсивность растет с ростом температуры, в случае экзотермической реакции зависимость интенсивности и эффективности реакции от температуры не линейная. Поэтому для нахождения оптимальной температуры, а с ней связаны и другие параметры реакционного процесса (равновесная и максимальная степени превращения, среднее время пребывания реагентов в зоне реакции и ряд других), необходим совокупный анализ кинетического уравнения, зависимости конечной и равновесной степеней превращения от констант химической реакции, температур и времени пребывания, а также их взаимного влияния. Решение поставленной задачи аналитическим методом либо очень сложно, либо не представляется возможным, поэтому для нахождения оптимальных параметров химико-технологического процесса на основе экзотермической химической реакции используем графоаналитический метод решения.

Расчет оптимальных параметров реактора периодического действия

 

Расчет оптимальных параметров химико-технологического процесса для реакции типа

1. Определение оптимальной температуры и максимальной степени превращения

1.1. Зависимость степени превращения от кинетических параметров реакторного процесса (k1, t , x Ae)

,

где - степень превращения вещества А; - равновесная степень превращения вещества А; - константа скорости прямой реакции, с-1.

1.2. Зависимость скорости прямой реакции от температуры

,

где - предэкспоненциальный множитель; R - универсальная газовая постоянная, 8310 Дж/кг·К; DЕ - энергия активации прямой реакции, Дж/кмоль.

1.3. 3ависимость равновесной степени превращения от константы равновесия

,

где - константа равновесия при температуре T.

1.4. Зависимость константы равновесия от температуры

,

где - константа равновесия при 298 К; DН - тепловой эффект реакции, Дж/кмоль.

1.5. Табулируем KT, , , по температуре в диапазоне от 240 до 400 К с шагом 20 К (табл. 9).

 

Таблица 9 - Результаты расчета степени превращения в реакторе

Температура, К Константа равновесия, KT Равновесная степень превращения Константа скорости прямой реакции ,с-1 Степень превращения
Тi

 

По результатам расчета строим график зависимости (рис. 8).

Рис. 8.Зависимость степени превращения вещества А от температуры Рис. 9.Линия оптимальных температур

 

2. Определение времени химико-технологического процесса при проведении его по линии оптимальных температур.

2.1. Определение зависимости скорости реакции от степени превращения

( ) при температуре Т.

Зависимость вида определяем на основе уравнения

,

где - начальная концентрация вещества А, кмоль/м3.

При Т = const данное уравнение описывает прямую пересекающую ось абсцисс в точке = (значение из табл. 9) и ось ординат в точке (значение из табл. 9).

2.2. Построение линии оптимальных температур

Линию оптимальных температур определяем графическим способом, она представляет собой огибающую к совокупности линий во всем диапазоне температур (рис. 9).

2.3. Среднее время пребывания при проведении процесса по линии оптимальных температур, с

,

где - скорость химической реакции соответствующая линии оптимальных температур (определяется по рис. 9), .

Решение данного уравнения проводим численным методом, для чего табулируем по от 0 до с шагом (табл. 10).

 

Таблица 10 - Данные для расчета

№ п/п , ,
i

 

Среднее время пребывания определяем по формуле трапеций, с

,

где N - число строк в табл. 10.

3. Прирост производительности реактора при проведении процесса по линии оптимальных температур, %

.

Задача 1. Обратимую экзотермическую реакцию первого порядка проводят в реакторе идеального вытеснения. Процесс характеризуется следующими параметрами: - среднее время пребывания, с; DH - тепловой эффект реакции, Дж/кмоль; - константа равновесия при 298 К; - предэкспоненциальный множитель; DЕ - энергия активации прямой реакции, Дж/кмоль; Т - температура проведения процесса, К; - начальная концентрация вещества А, кмоль/м3.

Возможны два температурных режима проведения процесса: при поддержании в реакторе одинаковой температуры и в соответствии с линией оптимальных температур.

Требуется определить: 1) оптимальную температуру, обеспечивающую максимальную степень превращения при проведении процесса по первому варианту при принятом ; 2) время проведения процесса по линии оптимальных температур до той же степени превращения, что и при проведении процесса в оптимальных условиях по первому варианту.

Исходные данные по вариантам приведены в табл. 1.

 

Таблица 1 - Данные для расчета оптимальных параметров химико-технологического процесса

№ п/п , с DH·10-6, Дж/кмоль ·10-5 DЕ·10-6, Дж/кмоль , кмоль/м3
-62 15,5 0,8 0,9
-64 0,9 39,5 0,95
-72 1,3 45,5 1,15