Введение в анализ химических реакторов: Учебное пособие по дисциплинах «Химические процессы и реакторы» и «Макрокинетика химических процессов и расчет реакторов»

Министерство образования и науки Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

______________________________________________________________________

Г.Г. Кувшинов

Введение в анализ химических реакторов

Учебное пособие

для студентов 3 курса МТФ

Новосибирск 2005

Рецензенты:

1. Заварухин С.Г., к.т.н., доц. кафедры ТПА

2. Решетников С.И., к.х.н., с.н.с. ИК СО РАН

Сведения об адресной направленности: для студентов специальности 240801 - Машины и аппараты химических производств по дисциплине «Химические процессы и реакторы» (3 курс, 6 семестр); специальности 240802 – Основные процессы химических производств и химическая кибернетика по дисциплине «Макрокинетика химических процессов и расчет реакторов» (3 курс, 6 семестр))

Краткая аннотация:

В пособии дана классификация типов и конструкций химических реакторов, уделено внимание проблемам их разработки, рассмотрены основные понятия и определения, используемые в анализе химических реакторов, изложены физико- химические и математические основы их описания, анализируются вопросы, решаемые на основе математического моделирования. Затрагивается вопрос о представлении уравнений математической модели в безразмерном виде. Особое внимание уделяется рассмотрению общей методологии анализа химических реакторов на примерах относительно простых математических моделей, соответствующих трем классическим типам идеальных однофазных химических реакторов: реактору периодического действия, реактору идеального перемешивания и реактору идеального вытеснения.

Работа подготовлена на кафедре

технологических процессов и аппаратов НГТУ

Новосибирский государственный

технический университет, 2005

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие. 4

1 Типы химических реакторов и проблемы их разработки. 4

1.1 Определение химического реактора. 4

1.2 Типы химических реакторов. 6

1.3 Основные этапы и проблемы разработки химических реакторов. 9

2 Основные понятия и определения, характеризующие химические процессы в реакторе. 13

2.1 Стехиометрические уравнения. 13

2.2 Химическая переменная (ξ) 13

2.3 Степень превращения (X_i) 15

2.4 Селективность S_i,i¢ 15

2.5 Выход продукта R_i,i¢ 17

Предисловие

Проблема анализа химических реакторов является одной из фундаментальных проблем теоретических основ химической технологии.

Сложности описания химических реакторов связаны прежде всего с большим многообразием типов реакторов и протекающих в них взаимосвязанных физических и химических процессов, наличием разнообразных технологических особенностей и конструкционных ограничений.

Современные методы анализа химических реакторов основаны на математическом моделировании как отдельных стадий протекающих процессов, так и реактора в целом.

В общем случае математическая модель химического реактора – это система сильно нелинейных дифференциальных или интегро-дифференциальных уравнений в частных производных, отражающая балансы массы, энергии и импульса для каждой фазы и каждого компонента реакционной среды.

Стремление к увеличению точности и надежности математического описания, стимулируемое стремительным развитием вычислительной техники, приводит к постоянному усложнению применяемых математических моделей и необходимости развития и применения более совершенных методов решения все более сложных систем уравнений.

1 Типы химических реакторов и проблемы их разработки

1.1 Определение химического реактора

Химический реактор - это аппарат, в котором осуществляются химические превращения (химические реакции) с целью получения определенных химических продуктов. Как правило, целевые реакции (обеспечивающие выход целевого продукта) сопровождаются протеканием побочных реакций, наличие которых нежелательно.

Примеры реакций из технологии сероочистки:

- целевая реакция

4H₂S + 2O₂ → S₄ + 4H₂O                                                   (1.1)

- побочная реакция

2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O                                             (1.2)

- побочная реакция

3S₄ + 8H₂O ↔ 4SO₂ + 8H₂S                                              (1.3)

В соответствии с данным определением не все аппараты, в которых протекают химические реакции, будем относить к химическим реакторам. Под данное определение не попадают, например, топки паровых котлов, автомобильные двигатели и другие аппараты, в которых химическая реакция является также определяющим процессом, но основное назначение таких аппаратов не связано с целью получения химических продуктов. Последнее обстоятельство является принципиальным, так как в зависимости от назначения аппарата определяются критерии его эффективности и проводится оптимизация конструкции и реализуемого процесса.