Учебное пособие Кохтла-Ярве 2007 удк 66-52: 66(075) Чекрыжов С. Г icon

Учебное пособие Кохтла-Ярве 2007 удк 66-52: 66(075) Чекрыжов С. Г


Смотрите также:
Учебное пособие Кохтла-Ярве 20 10 удк 66-52: 66(075) Чекрыжов С. Г...
Краткий конспект лекций Подготовил Сергей Чекрыжов Кохтла-Ярве 2008 Учебное пособие написано по...
Учебное пособие пенза 2007 удк 61: 316. 346. 2(075. 8)...
Учебное пособие Казань кгту 200 7 удк 31 (075) 502/ 504 ббк 60. 55...
Учебное пособие Чебоксары 2007 удк 32. 001 (075. 8) Ббк ф0р30...
Учебное пособие Чебоксары 2007 удк 32. 001 (075. 8) Ббк ф0р30...
Учебное пособие Чебоксары 2007 удк 32. 001 (075. 8) Ббк ф0р30...
Учебное пособие Самара 2007 удк 331. 108. 4(075. 8) Ббк 33(07)...
Учебное пособие Самара 2007 удк 331. 108. 4(075. 8) Ббк 33(07)...
Учебное пособие Иваново 2001 удк 658. 01 (075)...
Учебное пособие тверь 2008 удк 519. 876 (075. 8 + 338 (075. 8) Ббк 3817я731-1 + 450. 2я731-1...
Учебное пособие удк 159. 9(075) Печатается ббк 88. 2я73 по решению Ученого Совета...



Загрузка...
страницы: 1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   15
вернуться в начало
скачать

Тема 15


^ Автоматизация реакторных процессов

Упрощенная структурная схема химического реактора.



Рис.15.1.


  • Химический процесс (3) определяется:

  • уравнениями кинетики

  • взаимодействием гидродинамических, массообменных и тепловых процессов в аппарате,

  • от которых зависят концентрации реагентов, температура  и давление Р реакторного процесса.




  • Химические превращения (3) приводят к изменению тепловых (2) и гидродинамических процессов (1) в реакторе.

  • Определение характера процессов, протекающих в реакторе, на основе анализа соотношения между скоростью химической реакции r и скоростью материального обмена rобм.




  1. При :

  • процесс идет в кинетической области;

  • скорость процесса определяет химическое взаимодействие;

  • массообмен не влияет на скорость химической реакции.

  1. При :

  • процесс идет в диффузионной области;

  • процесс характеризуется массообменом;

  • определяющей стадией является транспорт реагирующих веществ.

  1. При :

  • процесс идет в переходной области;

  • скорость процесса является сложной функцией реакционно-кинетических и диффузионных зависимостей.

Показатели эффективности реакторного процесса.


  1. Степень превращения.




  • Степень превращения Un , представленная через мольные доли:

(1а),

где n0 - число молей компонента в исходном потоке;

n - число молей компонента в реакционной смеси.

  • ^ Степень превращения Um , представленная через массовые доли:

(1б),

где m0 - масса компонента в исходном потоке;

m - масса компонента в реакционной смеси.

  • Факторы, влияющие на степень превращения:




  •  и Р - температура и давление, влияют на смещение химического равновесия в реакции;

  • tр - продолжительность химической реакции;

  • С0 - концентрации исходных веществ;

  • подбор катализатора;

  • величина потока рециркуляции.




  1. Выход продукта.




  • Определение выхода продукта Х:

(2),

где

mф - масса фактически полученного продукта;

mт - масса теоретически возможного количества продукта из данного исходного вещества.


  • ^ Факторы, влияющие на выход продукта Х:


θ - температура;

Р - давление;

Сi - состав реакционной смеси;

tпр - время пребывания реакционной смеси в аппарате.


  • Выход продукта характеризует:




  • степень совершенства технологического процесса: чем ближе Х  1, тем ближе расходные коэффициенты к стехиометрическим;

  • экономические показатели технологического процесса: чем ближе Х  1, тем лучше экономические показатели реакторного процесса.



  1. Избирательность химического процесса.




  • Избирательность химического процесса Из характеризует долю исходных веществ, превращенных в целевой продукт, по отношению к общему количеству химически превращенных исходных веществ:


(3).

где

- количество молей исходного продукта, превращенных в целевой продукт;

- количество молей химически превращенных исходных веществ.


  • Избирательность влияет на экономические показатели процесса.



  1. Скорость химического процесса.




  • Скорость химического процесса - это количество вещества, которое реагирует или образуется в единицу времени в единице объема (или на единице поверхности):


(4),

где

- движущая сила процесса,

определяемая для химических реакций как произведение концентраций компонентов в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам;

К - константа скорости реакции,

определяемая на основании уравнения Аррениуса.


  • Скорость процесса характеризует производительность химического реактора.

  • Основные факторы, влияющие на скорость реакции:

  • С0 - состав исходных реагентов;

  • θ - температура;

  • Р - давление.

Схема реактора непрерывного действия с мешалкой

с экзотермической реакцией 1-го порядка А  В.




Рис.15.2.

  • Показатель эффективности реакторного процесса в общем случае - концентрация целевого продукта в реакционной смеси СВ .




  • Цель управления в общем случае:

  • обеспечение в реакционной смеси .




  • Цель управления для данного процесса:

  • обеспечение в реакционной смеси .




  • Обозначения на рис.15.21:

  • G0 , G , Gхл - массовые расходы исходного реагента, реакционной смеси и хладоагента, кг/с;

  • cp0 , cp , cpхл - удельные теплоемкости соответствующих потоков, дж/(кг*град);

  •  - плотность реакционной смеси, кг/м3 ;

  • 0 , , хл - температуры исходного реагента, реакционной смеси и хладоагента;

  • - концентрации компонента А в исходном реагенте и реакционной смеси, кг/кг;

  • V - объем реакционной смеси, м3 ;

  • h - уровень реакционной смеси, м;

  • Tср - среднее время пребывания реакционной массы в реакторе;

  • -H - тепловой эффект экзотермической реакции, дж/кг;

  • r - скорость химической реакции, кг/(м3*с).

Математическое описание реактора

на основе физико-химических особенностей процесса.

Стехиометрическое уравнение химической реакции.


  • Стехиометрическое уравнение химической реакции, характеризующее ее материальный баланс:

(1а).

  • Стехиометрическое уравнение для данного реактора:

(1б),

где i , i ,  ,  - стехиометрические коэффициенты, числа реагирующих молей компонентов процесса.

^ Уравнение кинетики химической реакции.

  • Результирующая скорость обратимой реакции:

(2),

где

- общий порядок реакции;

- скорость прямой реакции;

- скорость обратной реакции;

; - константы скорости,

ZА и ZВ - эмпирические коэффициенты;

ЕА и ЕВ - энергии активации.

  • Кинетика для реактора типа рис.15.2:

  • скорость прямого процесса:

(3а);

  • скорость обратного процесса:

(3б).


Уравнение гидродинамики процесса.



  • Уравнение гидродинамики процесса характеризует давление в потоке как сложную функцию:

(4)

где

x, z - координаты потока;

 - ламинарная вязкость, характеризующая силы внутреннего трения;

k - турбулентная вязкость;

 - плотность реакционной массы;

V - объем реакционной массы;

t - текущее время.

^ Материальный баланс реакторного процесса

по всему веществу.


Уравнение динамики:

(1),

где

Уравнение статики при :

(2).


  • На основе(1) и (2):


(3).

Материальный баланс реакторного процесса

по расходуемому веществу А.


^ Уравнение динамики:


(4),

где

I - изменение количества вещества А в реакторе в единицу времени;


II - количество вещества А, поступающего в реактор в единицу времени;


III - количество вещества А, отводимого из реактора в единицу времени;


IV - количество вещества А, расходующегося в реакторе на химическую реакцию в единицу времени, где V=S*h.


Уравнение статики при :


(5).


  • На основе (4) и (5):


(6).

Тепловой баланс реакторного процесса.


Уравнение динамики:

(7),

где

  • I - изменение количества тепла в реакторе в единицу времени;

  • II - количество тепла, поступающего в реактор с исходным реагентом в единицу времени;

  • III - количество тепла, отводимого из реактора с реакционной массой в единицу времени;

  • IV - количество тепла, выделяющегося в реакторе в результате химической реакции в единицу времени;

  • V - количество тепла, отводимого из реактора с хладоагентом в единицу времени.

Уравнение статики при :

(8).


  • На основании (7) и (8):


(9).


Информационная схема реактора на основе балансовой модели.




Рис.15.3.


  • Возможные управляемые переменные: .

  • Возможные управляющие воздействия: .

  • Возможные контролируемые возмущения: .

  • Возможные неконтролируемые возмущения: .

Схема для реакции типа А(ж) + В (г) D (г-ц.пр)+С (ж).



Рис.15.10.

Схема для реакции типа А(ж) + В (г) D (г)+С (ж-ц.пр).



Рис.15.11.

Схема автоматизации для реакции типа

А(ж) + В{Всв(ж) + Врец(ж)}  С(ж- ц.пр)+В(ж).



1- реактор; 2 - сепаратор; 3 - сборник; 4, 5 - насосы;

А, В - исходные реагенты; С - целевой продукт; Врц - возвратный (рецикловый) поток реагента В; Всв - свежий поток реагента В.

Рис.15.12.

Система регулирования концентрации

из двух одноконтурных АСР.



Рис.15.13.

Каскадная АСР концентрации со вспомогательным контуром

стабилизации соотношения расходов исходных реагентов.



Рис.15.14.


Каскадная АСР концентрации со вспомогательным контуром

стабилизации температуры исходного реагента.



Рис.15.15.

Каскадная АСР концентрации со вспомогательным контуром

стабилизации температуры хладоагента.



Рис.15.16.

Одноконтурная АСР температуры в реакторе

по подаче исходного реагента.



Рис.15.17.

Каскадная АСР температуры в реакторе со вспомогательным контуром

стабилизации температуры исходного реагента.



Рис.15.18.

Каскадная АСР температуры в реакторе со вспомогательным контуром

стабилизации температуры хладоагента.



Рис.15.19.

Каскадная АСР температуры в реакторе со вспомогательным контуром

стабилизации давления хладоагента.



Рис.15.20.


^

Пример . Реактор.



Непрерывно действующий экзотермический реактор идеального перемешивания является двухмерным объектом с перекрестными связями. Схема реактора и его динамических каналов приведены на рисунке 15.21.



Рисунок 15.21 - Схемы химического реактора идеального перемешивания (а) и его динамических каналов (б)


Аппарат имеет пять входных величин (концентрация Qн и температура Tн реагентов на входе в реактор, расход реагентов в реактор F, а также тепло, отводимое из реактора системой охлаждения и определяемое расходом хладоагента Fс и его температурой Tс). Выходными величинами являются концентрация продуктов реакции Q и температура в реакторе T, которые определяются уравнениями динамики:

,

.

При экзотермических реакциях объект будет неустойчивым и поэтому в структурную схему включается интегрирующее звено (рис.15. 21).




Рис.15.22 - Структурная схема химического реактора


Формула передаточных функций по каждому из динамических каналов сведены в таблицу 2, где D(S)=(T1S+1)(T2S+1)-k3k9 – характеристический полином.




Скачать 1,68 Mb.
оставить комментарий
страница14/15
Дата28.09.2011
Размер1,68 Mb.
ТипУчебное пособие, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы: 1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   15
отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

наверх