Сравнение реакторов идеального вытеснения и полного смешения в адиабатическом режиме работы

                                                                                                 (33)

Характеристическое уравнение для реактора полного смешения имеет вид:

                                                                                        (34)

      Рассмотрим тепловой баланс реактора полного смешения.

Тепловой баланс реактора полного смешения экзотермической реакции имеет вид:

Hfp + Hcr = Hfr + Hto                                                                                  (35)      

Теплота физического прихода:

Hfp = V0·Cp·(T0 – 273)                                                                                (36)

Теплота физического расхода:

Hfr = V0·Cp·(Tk – 273)                                                                                (37)   

Теплота, выделяющаяся в ходе химической реакции:

Hcr = U·ΔH°·Vr                                                                                           (38)

Теплота отводимая с помощью холодильника:

Hto = K·F·ΔT                                                                                                (39)

Коэффициент теплопередачи:         

α1 - коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности теплообменника;

α2 - коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности теплообменника:

d – толщина стенки теплообменника;

λ – теплопроводность материала стенки теплообменника;

К - коэффициент обратный общему термическому сопротивлению.

Подставив уравнения (36) – (39) в уравнение (35) и сократив подобные члены, получим:

                    (40)         

Подставив уравнения (30) и (31) в уравнение (40) и проведя преобразования, получим уравнение политермы, в котором учитывается часть теплоты химической реакции, которая идет на изменение температур в химической реакции, и часть, которая уходит на теплоту, которую уводит теплообменник:

           (41)  

Рассмотрим адиабатический режим: холодильник отсутствует, т.е. вся энергия идет на изменение температуры:

                                                  (42)

Выразив из уравнения (42) конечную температуру, получим:

                                                               (43)

Адиабатический коэффициент:

                                                                                  (44)

Подставив уравнение (44) в уравнение (43), получим уравнение адиабаты:

           Tk = T0 ± Ad·Xk                                                                                       (45)

«+» - уравнение адиабаты для экзотермической реакции;

«-» -  уравнение адиабаты для эндотермической реакции.   

Выразив конечную степень превращения из уравнения (45), получим:  

                                                                                            (46)

Модель смешения применяют, прежде всего, при моделировании жидкостных реакторов с перемешивающими устройствами. К ним относятся реакторы с пропеллерными, лопастными якорными и другими типами мешалок, а также с пневматическим и струйно-циркуляционным перемешиванием.

   РПС применяют также для технических расчетов в системе газ-жидкость с интенсивным разбрызгиванием жидкости потоком газа и в пенных аппаратах небольших размеров. К режиму смешения по твердой фазе относят реакторы с кипящим слоем твердого зернистого материала: печи, контактные аппараты небольших размеров.

3. Определение теплового эффекта, суммарной теплоёмкости и адиабатического коэффициента реакции

3.1. Определение теплового эффекта реакции.

Стандартные теплоты образования веществ:

Тепловой эффект реакции гидрохлорирования ацетилена:                                                                      

ΔΗ° = ΔH°f,298  (С2H3Cl) - ΔH°f,298  (C2H2) - ΔH°f,298  (HCl)                                                   (47)

ΔΗ° = -37,26 – 226,75 + 92,31 = - 171,7 кДж/моль = - 171700 Дж/моль

Суммарный тепловой эффект отрицательный, значит реакция экзотермическая, т.е. идет с выделением тепла.

3.2. Определение суммарной теплоёмкости исходной смеси:

Средние изобарные теплоемкости веществ:

Суммарная теплоемкость реакционной смеси:

Сp = Cp°,298(C2H2)·Z0(C2H2)+Cp°,298(HCl)·Z0(HCl)+Cp°,298(C2H3Cl)·Z0(C2H3Cl)+ Cp°,298(C2H3Cl)·Z0(C2H3Cl)+Cp°,298(C2H3Cl)·Z0(C2H3Cl)                                             (48)                                            

Сp = 43,93·0,25+39,14·0,3+85,8·0,02+29,12·0,33+33,93·0,1= 37,4431 Дж/моль·К

3.3. Определение адиабатического коэффициента реакции.

4. Выбор реактора для проведения процесса хлорирования ацетилена с получением винилхлорида

4.1. Анализ реактора идеального вытеснения.

Состав исходной смеси (в мольных долях):

Стехиометрические коэффициенты:

Обозначим:

Вывод: реакция идёт с уменьшением числа моль

Величины, необходимые для расчёта:

- газовая постоянная

- давление

- адиабатический коэффициент

- температура смеси на входе в реактор

- объёмный расход исходной смеси

Выражения для концентраций компонентов смеси, в зависимости от степени превращения ключевого реагента:

Выражения для парциальных давлений компонентов смеси в зависимости от степени преващения ключевого реагента:

Уравнение адиабаты:

Выражение для константы скорости химической реакции:

Выражение для константы равнoвесия химичекой реакции:

Кинетическое уравнение данного процесса:

- конечная степень превращения ключевого реагента

Время, необходимое для достижения заданной степени превращения

Время, необходимое для достижения заданной степени превращения:

4.2. Анализ реактора полного смешения.

- конечная степень превращения ключевого реагента

Время, необходимое для достижения заданной степени превращения:

Время, необходимое для достижения заданной степени превращения: