книги / Химические реакторы.-1

(только в исключительных случаях обменное количество энергии с окружающей средой может быть равно нулю) (рис. 2, здесь Bi – потоки веществ; Ei – потоки энергии).

взаимосвязаны).

Третий вид РТС – изолированная. В этом случае на систему накладываются ограничения по обмену энергии. Такая РТС не может быть реализована практически, так как абсолютной тепловой изоляции не существует. Изолированная РТС представляет собой граничный случай, который может быть использован для теоретических изложений.

Процессы превращения веществ в химическом реакторе по ор-

ганизационно-технической структуре делят на периодические и непрерывные.

Периодический режим работы реактора характеризуется единовременной загрузкой обрабатываемого материала в реактор и включает в себя стадии загрузки сырья, его обработки (химическое превращение) и выгрузки готового продукта. После проведения этих стадий они повторяются вновь, т.е. работа реактора осуществляется циклически. Периодический режим можно осуществить в открытых, закрытых и изолированных системах. Такие реакторы мало-

производительны, трудоёмки в обслуживании и плохо поддаются автоматическому контролю и регулированию.

11

При непрерывном режиме все стадии протекают одновременно: исходный материал непрерывно загружается в реактор, а продукты реакции отводятся без прерывания главного процесса превращения веществ. Непрерывный процесс можно осуществить только в от-

крытых системах. В реакторах непрерывного действия осуществляется большинство современных крупнотоннажных химических производств. Эти реакторы высокопроизводительны, легко поддаются механизации при обслуживании и автоматическому контролю и регулированию при управлении. В табл. 1 приводятся факторы, определяющие периодичность и непрерывность процесса.

Т а б л и ц а 1

Сопоставление основных факторов, определяющих периодичность и непрерывность процесса

12

Кроме периодических и непрерывных процессов существуют полупериодические и сменно-циклические процессы.

Полупериодические процессы характеризуются тем, что в них одни реагенты вводятся непрерывно, а другие – периодически (постепенно). Реакторы полупериодического действия используются в относительно малотоннажных производствах, например, при проведении высокоэкзотермических процессов, так как, изменяя скорость подачи реагентов, постепенно вводимых в реактор (обычно более реакционноспособных), можно регулировать скорость процесса.

Сменно-циклические процессы отличаются от других взаимо-

связанными стадиями (циклами), которые имеют противоположные тепловые эффекты. Непрерывность движения реагентов и продуктов реакции обеспечивается установкой нескольких аппаратов (реакторов), переключающихся на отдельные стадии (циклы) процесса через определённые промежутки времени (обычно такое переключение циклов программное).

Взависимости от того, как протекает процесс во времени, раз-

личают стационарный и нестационарный режимы.

При стационарном режиме параметры процесса (давление, температура, состав реакционной смеси и т.д.) во всех точках системы не зависят от времени. Такой режим можно реализовать в открытых системах (в закрытых системах стационарное состояние идентично термодинамическому равновесию).

Внестационарном режиме параметры процесса в любой точке системы изменяются во времени. Нестационарный режим характерен для закрытых и изолированных систем (кроме термодинамического равновесия), а также для переходного состояния открытых систем.

1.2. Количественные характеристики РТС

Количество любого химического вещества, присутствующего в системе, может измеряться его массой или числом молей.

Масса реакционного компонента

компонента, г/моль; индекс j обозначает реакционные компонеты.

13

Тогда общее число молей и общая масса в РТС находятся по формулам:

Для открытых систем целесообразно ввести понятия мольный

(nj ) и массовый (mj ) расход. Это число молей или масса компо-

нента j, которые проходят через заданное сечение в единицу вре-

мени. Они связаны аналогичным соотношением: mj nj M j .

Величины nj nj и mj mj используются сравнительно редко

в качестве мер состава реакционной смеси, так как численное значение их зависит от размеров системы. Чаще для задания состава применяют относительные (интенсивные) величины, которые по отношению к размерам системы инвариантны: мольная и массовая концентрации, мольная и массовая доли.

Мольная концентрация (c j ) определяется как отношение числа молей компонента j (nj ) к объёму (V), в котором компонент j распределён:

Для макроскопических систем (особенно гетерогенных) характерна неравномерность распределения компонента j в объёме. Поэтому мольная концентрация c j с общим объёмом системы в зна-

менателе зачастую непригодна для характеристики системы. Эту сложность можно обойти, если в знаменателе берётся объём δV с числом молей δnj .

14

Для гетерогенной системы это выражение будет справедливо внутри каждой фазы системы (на границе раздела фаз – с ограничениями).

Из выражения (1.4) получим:

Среднее значение мольной концентрации компонента j в системе

V

Тотальная мольная концентрация представляет собой сумму мольных концентраций всех компонентов:

Для открытых систем часто используют следующее выражение:

nj cj V ,

где V – объёмный расход (объём вещества, который протекает

вединицу времени через заданное сечение).

Вэтом случае n j – чисто конвективный поток (т.е. молекуляр-

ный транспорт веществ не имеет места).

Массовая концентрация определяется как отношение массы компонента j mj к объёму (V), в котором компонент j рас-

пределён:

15

По аналогии с мольной концентрацией средняя массовая концентрация

V

Тотальная массовая концентрация

Для конвективного потока соответственно по аналогии

Здесь необходимо указать на различие между массовой концентрацией компонента d j и его плотностью j . Плотность характери-

зует чистое вещество, которое находится при определённых внешних условиях, и определяется отношением массы к объёму чистого вещества Vj :

Мольная доля x j – отношение числа молей компонента j

к общему числу молей всех компонентов в смеси:

t

где δn δnj в элементарном объёме δV .

j1

Визотропной системе мольная доля x j имеет во всех точках

одинаковое значение:

16

Нетрудно показать, что

Практически эту таблицу можно использовать следующим образом.

17

Пример

Пусть задана массовая доля компонента yj. Требуется перейти к мольной доле xj. Выполняем по таблице следующие действия:

yj

×

x j y j ·n M j .

Следуя по пути несложных рассуждений, можно получить то же самое выражение:

Наряду с вышеприведёнными величинами часто для количественной характеристики паровой или газовой смеси используют парциальное давление pj и парциальный объём Vj.

Парциальным давлением (pj) компонента называют такое давление, под которым находился бы этот компонент, если бы в отсутствие других компонентов он один занял бы весь объём, который занимала смесь при данной температуре (т.е. если бы в системе находился один компонент j, то давление в системе было бы равно парциальному давлению).

В соответствии с уравнением Менделеева – Клапейрона для идеальных газов парциальное давление

где V – общий объём системы; Т – абсолютная температура, К; R – универсальная газовая постоянная.

18

По закону Дальтона полное давление паровой или газовой смеси равно сумме парциальных давлений отдельных компонентов:

Нетрудно убедиться, что отношение парциального давления компонента к полному давлению равно мольной доле компонента в смеси (также закон Дальтона):

Парциальный объём (Vj) – это объём компонента j, который он занимал бы в идеальной газовой смеси при одинаковых с нею условиях. По уравнению состояния для идеальных газов

Сумма парциальных объёмов равна общему объёму:

Поверхностная концентрация. Во многих практически важ-

ных процессах реакция протекает на поверхности раздела фаз (гетерогенный катализ, реакции в системе «газ – твёрдое»). В этом случае целесообразно описывать процесс с помощью поверхностных концентраций. Тогда вместо объёма V в формулах мольной и массовой концентраций используется поверхность F или эквивалентная ей величина.

Примечание. Приведённые величины будут применяться в стехиометрии и в теории химических реакторов как переменные процесса. При этом они могут иметь начальные значения как по месту, так и по времени. Будем обозначать начальные величины по време-

19

ни нулём в нижнем индексе (n0, m0, c0, …), а начальные значения по месту нулём в верхнем индексе (n0, m0, c0, …). Однако указанного будем придерживаться только в исключительно необходимых случаях, а в остальном нужно полагаться на один нуль в нижнем индексе, что означает начальное (входное) состояние.

Выводы

РТС могут характеризоваться качественно и количественно. Реакционная масса включает в себя разные реакционные ком-

поненты (реагенты (реакционные партнёры, реакционные продукты, промежуточные продукты), сопровождающие вещества).

Качественно РТС классифицируются по следующим признакам:

–соотношению фаз (гомогенные и гетерогенные системы, гомофазные и гетерофазные системы);

–роду обмена веществ и энергии между системой и окружающей средой (открытые, закрытые и изолированные системы);

–режиму работы (периодические и непрерывные системы);

–поведению системы во времени (стационарные и нестационарные системы).

Для количественной характеристики РТС используются экстенсивные (абсолютные) величины (число молей nj и масса компонента mj) и интенсивные (относительные) величины (мольная концентрация cj, массовая концентрация dj, мольная доля xj, массовая доля yj, парциальное давление pj и парциальный объём Vj).

Контрольные вопросы

1. При синтезе аммиака

N2 3H2 2NH3

реакционная смесь состоит из следующих веществ:

N2 ,H2 , NH3 ,Ar и CH4 .

20