Контрольные вопросы по «Химическим реакторам»

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 23 Января 2014 в 20:25, контрольная работа

Описание работы

23. Моделирование химических реакторов: понятие об элементарном объёме и элементарном промежутке времени, уравнение материального баланса химического реактора (в общем виде) и его анализ.
24. Общая характеристика идеальных моделей химических реакторов (допущения об идеальности, характер изменения параметров в зависимости от объёма реактора и от времени).

Файлы: 1 файл

аа.docx

— 189.20 Кб (Скачать файл)

Министерство образования  науки 

Государственное образовательное  учреждение  высшего

 профессионального образования  БГУ 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольные вопросы  по дисциплине «Химические реакторы».

 

 

 

 

 

 Выполнила: студентка

 гр. ХТ-11,

 Мазурова Т.С.

 

 

Проверил: ДидкоД.В.                      

 

 

 

 

 

    Белгород   2011

 

23.  Моделирование   химических   реакторов:  понятие об элементарном объёме и элементарном промежутке времени, уравнение материального баланса   химического реактора (в общем виде) и  его анализ. 

 
Центральным  аппаратом  в  любой  химикотехнологической  системе,  включаю-щей целый  рад  машин  и  аппаратов,  соединенных  между  собой  различными  связями,  является  химический  реактор аппарат,  в  котором  протекает  химичес-кий  процесс.  Выбор  типа, конструкции  и  расчет  химического  реактора,      со-здание  системы  управления  его  работой одна из важных задач химической    те-хнологии.  
Как  и  в  случае  других  аппаратов,  используемых  в  химической  промышленности (теплообменных, массообменных и др.), для изучения, расчета и проектирования химических реакторов применяется метод моделирования.  
Моделирование  –  это  метод  изучения  различных  объектов,  при  котором ис-следования  проводят  на  модели,  а  результаты  количественно  распространяют  на оригинал.  Модель может представлять собой  уменьшенную  по определенным законам  (или иногда  увеличенную)  копию  реального  объекта.  Но  модель    может  быть  и  определенная система  представлений  о  реальном  объекте,  вы-ражаемая  как  совокупность  математических структур:  уравнений,  неравенств,  таблиц,  графиков.  Такую  модель  обычно  называют математическим описанием объекта, или его математической моделью.  
Математическая модель реактора –некоторое упрощенное изображение процесса в реакторе, которое сохраняет  на-иболее существенные свойства реального объекта  и передает их в математичес-кой форме.   
Разработка моделей реакторов и протекающих в них химических процессов зада-ча непростая, так как требования к математической модели часто бывают противоречивыми. Вопервых, модель должна быть проще реального объекта, наглядно и  отчетливо передавать все качественные стороны  интересующего  нас явления.    Только  в этом случае  можно  сохранить «физический контроль» над моделью.    Если модель будет сложнее объекта, то моделирование теряет  смысл,  так  как  в  этом  случае  для  изучения  явления  легче  было  бы  исследовать  сам объект,  а  не  модель.  Чем  сложнее  математическая  модель,  тем  меньше  вероятность   
получения  аналитических  решений  на  ее  основе,  а,  следовательно,  тем  боль-ше  вероятность появления больших ошибок при расчетах на ее основе.   
Однако  излишнее  упрощение  модели  рискованно  изза  вероятности  потерять  какиелибо  существенные  стороны  изучаемого  явления.  Исходя  из  этих  сооб-ражений, формулируется  второе  требование:  модель  должна  быть  достаточно  полной  и  подробной, точно  передавать  не  только  качественные,  но  и  коли-чественные  закономерности  явления.  
Если  не  выполнить  этого  требования,  затруднительно  будет  использовать       разработанную модель  для  расчета  химических  реакторов  в  широких  диапазо-нах  изменения  условий  их работы.  
Противоречивость  этих  требований  очевидна:  без  обстоятельного  изучения     свойств системы не всегда ясно, какие факторы наиболее существенны, а какими можно пренебречь.  
При упрощении модели можно не учесть важные элементы изучения явления и    этим сделать модель непригодной для расчета реального  аппарата, и  в  то же вре-мя полная  модель может быть  столь  сложной  в  математическом  отношении,   что  достаточно  точный  расчет  на  ее основе  также  станет  невозможным.  Сле-довательно,  разработка  математической  модели реактора всегда связана с поис-ком компромисса между указанными требованиями.  
Облегчить  эту  сложную  задачу  помогают  некоторые  общие  принципы,  в  час-ности использование  системного  подхода.  Химический  реактор  рассматриваюткак  сложную систему,  т.е.  как  множество  элементов,  находящихся  в  опреде-ленных  отношениях  друг  с другом  и  образующих  целостность,  единство.  В   рамках  системного  подхода  удобно использовать  иерархический  принцип.        Подсистемы,  находящиеся  на  более  высокой  ступени  иерархии,  выполняют    все  функции подсистемы, принадлежащей более низкой ступени иерархии.  
Реактор  будучи  сложным  объектом  имеет  многоступенчатую  структуру,  и      его математическая  модель  строится  последовательно  на  основе  предваритель-ного  построения моделей  его  составных  частей  и  введения  соотношений,  свя-зывающих  переход  с  одного уровня на другой. Исследование сложного процессапо частям дает  возможность  переходить к  модели  более  высокого  уровня,         включая  в  нее  как  составную  часть  узкую  модель  более низкого  уровня.  Пе-рвоначально  проведенный  анализ  моделей  более  низкого  уровня  существенноупрощает  анализ  процесса  в  целом,  и  в  то  же  время  в  рамках  иерархическо-го подхода легче учесть взаимосвязь между различными уровнями системы.   
Разбиение на  иерархические  уровни может быть  многовариантным. Рассмотрим один из  возможных  вариантов  иерархической  структуры  химического  процес-са,  протекающего  в реакторе (в порядке возрастания ступеней иерархии).  
В  качестве  нижнего  уровня  иерархии  чаще  всего  рассматривают  молекуляр-ный уровень  межмолекулярное  взаимодействие  на  расстояниях,  примерно  рав-ных  размерам молекул, определяемое  закономерностями  химической  кинетики,стехиометрическими соотношениями,  устанавливающими  количественную  вза-имосвязь  между  расходованием различных  реагентов  и  образованием  продук-тов  реакции,  а  также  законы  химического равновесия.   
Следующим  является  уровень  малого  объема  некоторый  элемент  реакционно-го объема макроскопического размера, например сфера или  цилиндр с  попереч-ным сечением в несколько  квадратных  миллиметров  или  сантиметров.  Таким   элементом  может  быть  одно зерно  катализатора,  пузырек  газа,  поднимающийся  в  жидкости,  один  элемент  насадки  в насадочной  колонне  и  т.д.                   Закономерности  предыдущего  уровня  должны  быть  теперь     дополнены закономерностями тепло- и массопереноса.  

 
Уровень  рабочей  зоны  аппарата    статистическая  совокупность  изученных    на предыдущем  уровне  элементов  малого  объема,  например  слой  катализато-ра,  насадочный слой, барботажный слой и т.д. На этом уровне необходимо учи-тывать эффекты, связанные с характером  движения  потока.  В  ряде случаев  (на-пример,  при  рассмотрении  гомогенных реакций) на этот уровень можно перейти с первого, минуя уровень малого объема.   
Уровень аппарата  конфигурация, взаимная связь и взаимное расположение ра-бочих зон  аппарата,  например,  несколько  слоев  катализатора,  разделенных  те-плообменниками,  в многослойном  каталитическом  реакторе  или  несколько  ба-рботажных  тарелок  в  колонном аппарате для проведения газожидкостных реак-ций.  
Использование  иерархического  подхода  существенно  упрощает  задачи  анали-за  и синтеза математических моделей химических реакторов.  
Математические  модели  высоких  уровней  иерархии  включают  в  себя,  как     правило, несколько  уравнений,  как  конечных,  не  содержащих  операторов        дифференцирования,  так  и дифференциальных,  обыкновенных  и  в  частных     производных.  Поэтому  в  общем  случае математическая  модель  реактора  –это  достаточно  сложная  система  уравнений,  и количественные  расчеты  на  ос-новании  этой  модели  целесообразно  проводить,  используя электронные  вычи-слительные  машины.  Правильно  разработанная  модель  химического реактора позволяет разработать и систему управления реактором с использованием ЭВМ.  
В то же время при описании химического процесса на нижних уровнях иерархи-ческой структуры часто возможно применение сравнительно простых математи-ческих методов. При этом  достаточно  отчетливо  может  просматриваться  физи-ческая  сущность  изучаемых явлений.  
Протекающий  в  реакторе  химический  процесс  представляет  собой  единство  
химической  реакции  и  процессов  переноса  (теплопереноса,  массопереноса  и  переноса импульса). Уравнения, входящие в математическую модель, должны      учесть все эти явления.  
Однако,  если  для  описания  каждого  из  них  использовать  свои  уравнения,     математическая модель получится многомерной, что даже на низких уровнях ие-рархии затруднит нахождение решений  такой  системы  уравнений,  т.  е.  по  су-ти  дела  осложнит  технологический  расчет реактора.  
Поэтому  при  разработке  математической  модели  реактора  стоит  задача  пони-зить размерность   модели  по  возможности  объединить  сущность   отдельных   элементов химического  процесса  в  небольшом  числе  уравнений.  Для  уверен-ности  в  правильности выбора  этих  уравнений  целесообразно  в  качестве  ис-ходных  посылок  использовать  какиелибо фундаментальные законы, например   законы сохранения.  
Поэтому  правильно  было  бы  составлять  математическую  модель  химичес-кого реактора, отталкиваясь от законов сохранения массы и энергии.                     
Математическим  выражением  законов  сохранения  являются  балансовые  ура-внения  прежде  всего,  уравнения  материального  и  энергетического  балансов.  В  уравнении материального  баланса  можно  учесть  все  изменения,  которые     происходят  с  веществом  во времени  и  пространстве  в  результате  химической реакции  и  диффузионных  явлений (массопереноса)  или  при  движении  элеме-нтов  потока  в  реакторе  (при  переносе  импульса).  
Аналогично уравнение энергетического (теплового) баланса может учесть все энергетические  
изменения  в  реакторе,  имеющие  место  как  в  ходе  химической  реакции,  так  и  в  результате процессов переноса. Таким образом, сочетание  только  лишь двухуравнений  материального  и теплового балансов  может  обеспечить  получение  достаточно  полной  математической  модели химического реактора.  
Так как химический процесс в реакторе протекает во времени и в пространстве, то для составления балансовых уравнений нужно предварительно выбрать  элементарный Dобъем VD и элементарный промежуток времени t.  
Будем считать, что элементарным является такой объем, выделенный внутри ре-актора, в  пределах  которого  можно  пренебречь  неравномерностью  распреде-ления  концентраций  и температуры.  Элементарный  объем  неподвижен  отно-сительно  аппарата  и  не  передвигается вместе с реакционным потоком. В общемслучае элементарный объем V бесконечно мал во всех  измерениях,  но  в  некото-рых  частных  случаях  (например,  для  аппарата  идеального смешения) его мож-но считать равным всему объему реактора.  
Элементарным  промежутком  времени  t  является  такой,  в  течение  которого   можно пренебречь  изменениями  концентрации  и  температуры  внутри  элементарного  объема  V.  
Элементарный  промежуток  времени  бесконечно  мал  для  нестационарных  ре-жимов   работы  реактора и может быть выбран любым для стационарных режи-мов, например равным 1 ч или 1 мин.  
Рассмотрим  общую  структуру  балансовых  уравнений. Уравнения  материаль-ного баланса  (одно  или  несколько)  составляют  по  тому  или  иному  компонен-ту  участнику реакции (реагенту или продукту), отражая в уравнении все измене-ния, происходящие с этим компонентом. Если реакция сложная, математическое  описание, как правило, включает в себя несколько  уравнений  материального  ба-ланса  по  нескольким  веществам,  каждое  из  которых участвует по меньшей ме-ре в одной из простых реакций, составляющих сложную.      
Уравнение материального баланса  по веществу J учитывает все  виды поступле-ния и расходования этого компонента в пределах элементарного объема V в тече-ние промежутка времени Δτ:

 
Моделирование химических реакторов

Химический реактор является основным технологическим аппаратом, в котором происходят химические превращения, направленные на получение  целевого продукта. При моделировании  реакторов будем пользоваться общепринятой классификацией, которая проводиться  по следующим признакам:

1 По принципу организации материальных потоков:

- периодического действия;

- проточного типа;

- полупериодические.

2 По гидродинамическому режиму, которому соответствует определённая модель гидродинамики:

- идеального перемешивания;

- идеального вытеснения;

- комбинированного типа.

3 По тепловому режиму:

- изотермические;

- адиабатические;

- политропические.

С позиции математического  моделирования химический реактор  представляет собой сложный объект, так как помимо учета гидродинамической  структуры потоков в аппарате модель должна отражать явления теплообмена, массообмена и процессы химического превращения.

Для реактора с сосредоточенными параметрами основная задача моделирования  заключается в определении состава  и температуры выходного потока в стационарном и нестационарном режиме; для реактора с распределёнными  параметрами задача моделирования  состоит в получении зависимостей распределения концентрации и температуры  от времени и по длине аппарата.

Чтобы получить ту или иную математическую модель реактора, необходимо присвоить объекту классификационные  признаки и в соответствии с ними составить уравнения математического  описания. Решение же основной задачи моделирования, в данном случае с  помощью ЭВМ (Simulink), осуществимо при известной геометрии реактора, заданных характеристиках потоков (линейные скорости или объёмные расходы, физико-химические свойства и параметры и т.д.).

Стационарное состояние  химического реактора, а также  его поведение в нестационарном режиме воспроизводится на соответствующих  моделях.

Математическое моделирование  химических реакторов проводится с  учётом тех идеализаций и допущений, которые были сформулированы для  теплообменников, ибо любой неизотермический реактор (в частности, реактор с  рубашкой) обладает свойствами теплообменника.

Вводятся также дополнительные упрощения:

1) плотности и объёмные  расходы потоков реагентов не  изменяются в процессе химического  превращения;

2) объём реакционной массы  в зоне (секции) идеального смещения  или идеального вытеснения остается  постоянными в процессе реакции;

3) тепловой эффект реакции  принимается постоянным, следовательно, независимым от температуры реакционной массы;

4) химическое превращение  происходит в однофазной, или  гомогенной, системе.

 

Модель проточного реактора идеального перемешивания

 Схема реакторов

 

а – проточного с мешалкой и теплообменной рубашкой; б – барботажного

Проточный реактор идеального перемешивания (рисунок 17, а, б) представляет собой аппарат, снабжённый устройством  для интенсивного перемешивания (реактор  с мешалкой, барботажный реактор) и характеризующийся непрерывным вводом и выводом реагирующих веществ и конечных продуктов. Теплообмен в реакторе происходит через стенку и обеспечивается непрерывной подачей хладоагента (теплоносителя) в рубашку или кожух. Основная характеристика проточного реактора – время пребывания реагентов в зоне идеального перемешивания q - определяется как отношение объёма зоны перемешивания к объёмному расходу потока реагентов q = V/g.

 

 

 

 

В реакторе проводится последовательная химическая реакция типа

при постоянной температуре (изотермический режим).

Исходными данными являются следующие:

 - начальные концентрации в объёме реактора и на его выходе;

 - концентрации компонентов во входном потоке;

 - константы скоростей стадий реакций;

 - объёмный расход исходного  сырья или продуктов реакции;

 - объём реактора.

Составим дифференциальное уравнение материального баланса  для компонентов А и В:

1 Количество исходного  реагента, поступающего в реактор  при данной объёмной скорости  материального потока за время dt:

 

2 Количество реагента, отбираемого  из потока на выходе реактора  за время dt:

 

3 Изменение содержания  реагента, связанное с химическим  превращением в реакторе:

   (13)

4 Изменение содержания  реагента в объёме реактора:

 

Уравнения материального  баланса в дифференциальной форме:

. (14)

Разделив уравнения (13), (14) на dt, получим

; (15)

. (16)

Аналогичным образом записывается дифференциальное уравнение материального  баланса для компонента С:

. (17)

Разделив обе части  уравнений (15) – (17) на объёмный расход  :

;

;

,

где   - время пребывания в реакторе идеального перемешивания.

И наконец, уравнения материального  баланса приводятся к виду, удобному для моделирования:

 (18)

На выходах имеем решение  системы в виде функциональных зависимостей для концентраций:

   

Модель реализована в  программе Simulink пакета Matlab_6.

Регулирование реактора будем  осуществлять по концентрации в смеси вещества  , регулируемой величиной будет объёмный расход исходного сырья (или продуктов реакции)  .

Исходные данные:

g1=10 м3/ч; V=5 м3; k1=0,9; k2=1; C=0,3; CВн=0,53; CСн=0,17.

 Схема модели регулирования  проточного реактора идеального

перемешивания

Схема блока регулирования

 Схема нахождения концентрации CA

 

 

 

Наиболее важным показателем, отражающим совершенство химического

реактора, является интенсивность  протекающего в нем процесса. Но

интенсивность тем выше, чем меньше время, затрачиваемое  на получение

единицы заданного продукта, поэтому главной задачей при  изучении

химических процессов, протекающих  в реакторах любого типа, является

установление функциональной зависимости времени пребывания реагентов в

реакторе от различных факторов. Эту зависимость можно выразить в виде

уравнения:

τ =ƒ (Co, x,r),     (1)

где τ – время пребывания реагентов в реакторе; С0 – начальная концентрация

исходного реагента; x – степень превращения исходного реагента; r – скорость

химической реакции. Уравнение (1), связывающее четыре указанных

параметра, является математическим описанием модели реактора и называется

характеристическим уравнением реактора.

Исходным уравнением для  получения характеристического  уравнения

реактора любого типа является материальный баланс, составленный по одному

из компонентов реакционной  смеси. 

 

 Уравнение материального баланса по компоненту A при проведении простой необратимой реакции A + B → R + S будет выглядеть следующим образом:

Информация о работе Контрольные вопросы по «Химическим реакторам»