Студопедия КАТЕГОРИИ: АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
Химические реакции в потоке вещества
Многие технологические аппараты работают в непрерывном режиме. Рассмотрим в качестве примера плавильную печь для переработки шихты из медных концентратов и флюсов. Схема такого аппарата приведена ниже на рисунке. Непрерывный проточный аппарат представляет собой проточный реактор, в котором осуществляется определённый набор химических реакций. Наличие потоков вещества влияет на условия осуществления химических реакций. Реальные потоки вещества обладают достаточно сложными свойствами: · гидродинамический режим – ламинарный, турбулентный, переходный; · число фаз – много- и однофазные.
Примером является поток, движущийся по трубе. Скорость движения потока в пределах одного сечения неодинакова: наибольшее значение скорости на оси потока, а вблизи стен за счет торможения потока силами вязкости эта скорость мало отличается от нуля. Однако, если объемный расход среды потока равен Q, а площадь сечения F, нетрудно определить среднюю скорость течения потока, равную Q/F.
Q м3/c F м2
Еще больше сложностей возникает при описании многофазных потоков, а реальные потоки как раз чаще всего ими и являются. В этой связи учитывать свойства реальных потоков при создании математической модели достаточно сложно. Поэтому для создания модели аппаратов проточного типа существует несколько идеализированных моделей течения потоков.
1. Модель идеального вытеснения – такая идеализированная модель потока основана на следующих допущениях (аппаратом такого типа может быть трубчатая обжиговая печь): · поток стационарный, объемный расход среды не меняется во времени;
dV = F·dl
· в таком потоке скорости во всех точках потока одинаковы; · элемент объёма dV в таком потоке является замкнутой по веществу системой (не обменивается с соседними элементами); · в потоке идеального вытеснения отсутствует продольное перемешивание; · поперечное перемешивание в потоке тоже отсутствует. Другое название модели идеального вытеснения – поршневой поток. Для моделирования кинетики в случае потока идеального вытеснения вполне годится подход, применимый к системам, изолированным по веществу. Рассмотрим реакцию первого порядка, которая проходит в аппарате идеального вытеснения. k1; 1 по А A В Создадим модель, позволяю-щую рассчитать выходную концен-трацию А. Константа известна, поря-док первый.
– время пребывания вещества в аппарате
Чем больше константа скорости k, тем быстрее концентрация стремится к концентрации в точке выхода. В пределах аппарата идеального вытеснения концентрация вещества не остаётся постоянной – она падает от концентрации в точке входа до концентрации в точке выхода. 2. Модель идеального перемешивания (аппаратом такого типа является, например, печь КС, гидрометаллургический реактор для выщелачивания и т.п.). Допущения: · поток стационарный, объёмный расход вещества (Q) через аппарат должен быть постоянным; · концентрация во всех точках аппарата идеального перемешивания одинакова. Следствием второго допущения является то, что концентрация вещества в точке выхода равна концентрации внутри аппарата. Среднее время пребывания вещества в аппарате – . Время пребывания различных порций потока в аппарате идеального перемешивания неодинаково. Элемент объёма в таком аппарате является открытой системой, для такого аппарата не годится подход для замкнутой системы. Для описания кинетики в этом случае используем закон вещества и рассматриваем аппарат, как единое целое, концентрация во всех точках одинакова. На основании закона сохранения вещества запишем уравнение материального баланса для всего аппарата в целом (в единицу времени):
Приход – Расход = 0
Пусть в условиях аппарата идеального перемешивания происходит реакция разложения первого порядка: k1; 1 по А A В
Материальный баланс по веществу А будет суммой составляющих:
где: 1 слагаемое – число молей вещества А, вносимое потоком в единицу времени; 2 слагаемое– унос вещества из аппарата в единицу времени; 3 слагаемое– масса вещества, израсходованного в химической реакции. Разделим обе части уравнения на величину объемного расхода Q≠0: , откуда .
Создадим для химических реакций одинаковые условия в том и другом аппарате (одинаковая температура, k1=k2). Допустим, что при определённой температуре k1=k2=1. зададим СА0 = 1 моль/м3. Vа = 1м3, Q1 = Q2 = 1м3/с. Тогда: .
Удивительно то, что результат одной и той же химической реакции оказывается в разных аппаратах разным. Более эффективным является аппарат идеального вытеснения, в котором выходная концентрация оказывается ниже. Причиной этого является не скорость химической реакции (она одинакова в обоих аппаратах), а наличие или отсутствие перемешивания элементов потока. В аппарате идеального перемешивания на выходе установится концентрация, являющаяся результатом перемешивания порций вещества, находившихся внутри аппарата в течение разного времени. Некоторые порции вещества проскакивают аппарат быстро, и продолжительность реакции в таких порциях мала, а концентрация вещества А, напротив, высока. Другие порции вещества находятся внутри аппарата достаточно долго, продолжительность химической реакции велика, а остаточная концентрация А - мала.
3. Ячеечная модель потока. Согласно этой модели, реальный технологический аппарат заменяется идеализированной схемой – последовательность ячеек идеального перемешивания. k1; 1 по А A В Пусть n=2, тогда на выходе 1-й ячейки:
Если n ячеек, то Учитывая, что – переходим к решению для аппарата идеального вытеснения. При n=1 имеем очевидное решение для аппарата идеального перемешивания. Покажем на графиках, как увеличение количества ячеек может позволить нам перейти с помощью ячеечной модели от аппарата идеального перемешивания к аппарату идеального вытеснения. Чтобы исключить продольное перемешивание в потоке, рабочий объём аппарата секционируют. Применяют также каскадирование аппаратов – последовательное соединение технологических аппаратов для выравнивания результатов химических реакций.
Моделирование кинетики в потоках химических реакций позволяет, учитывая особенности потока, рассчитать характеристики работы оборудования (выходной состав).
|
||
Последнее изменение этой страницы: 2018-04-12; просмотров: 437. stydopedya.ru не претендует на авторское право материалов, которые вылажены, но предоставляет бесплатный доступ к ним. В случае нарушения авторского права или персональных данных напишите сюда... |