снятие наиболее существенных возмущений,

заданное положение рабочей области колонны;

стабилизацию производительности установки.

• Стабилизация расхода греющего пара G_гр - обеспечивает:

• тепловой баланс установки;

• стабилизацию G_y0 .

• Регулирование θ_п⁰ по подаче G_т обеспечивает:

• заданное положение рабочей линии;

• эффективность процесса разделения;

• тепловой баланс

2. Контроль.

• Температуры и расходы всех исходных потоков.

• Температуры - θ_в, θ_н, θ_кв, θ_кн, θ_п0.

• Давление - Р_в, Р_н.

• Уровень - h_фл, h_к.

• Концентрации - с_д или с_к .

3. Сигнализация.

• существенные отклонения h_фл, h_к, θ_в от заданий:

• повышение ;

резкое снижение или прекращение подачи потока питания .

7. Материалы к лекции №15

Автоматизация реакторных процессов (ч.1)

Упрощенная структурная схема химического реактора.

Рис.1.1.

• 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 r_обм.

1. При :

• процесс идет в кинетической области;

• скорость процесса определяет химическое взаимодействие;

• массообмен не влияет на скорость химической реакции.

2. При :

• процесс идет в диффузионной области;

• процесс характеризуется массообменом;

• определяющей стадией является транспорт реагирующих веществ.

3. 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 U_n , представленная через мольные доли:

(1а),

где n₀ - число молей компонента в исходном потоке;

n - число молей компонента в реакционной смеси.

• Степень превращения U_m , 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;

• t_р - продолжительность химической реакции;

• С₀ - концентрации исходных веществ;

• подбор катализатора;

• величина потока рециркуляции.

2. Выход продукта.

• Определение выхода продукта Х:

(2),

где

m_ф - масса фактически полученного продукта;

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

• Факторы, влияющие на выход продукта Х:

θ - температура;

Р - давление;

С_i - состав реакционной смеси;

t_пр - 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.

3. 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.

4. 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.4.1.

• Показатель эффективности реакторного процесса в общем случае - концентрация целевого продукта в реакционной смеси С^В .

• Цель управления в общем случае:

• обеспечение в реакционной смеси .

• Цель управления для данного процесса:

• обеспечение в реакционной смеси .

• Обозначения на рис.4.1:

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

• c_p0 , c_p , c_pхл - 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;

• T_ср - 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,

Z_А и Z_В - эмпирические коэффициенты;

Е_А и Е_В - энергии активации.

• Кинетика для реактора типа рис.4.1:

• 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):