Підбір реактора для конкретного хімічного процесу

Властивості та технічні характеристики білої сажі. Її застосування, упаковка та транспортування. Конструкція і режим роботи хімічного реактора, структура математичної моделі. Схема типового проточного реактора з мішалкою. Моделювання системи управління.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык украинский
Дата добавления 17.03.2015
Размер файла 2,3 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

ВСТУП

Розвиток виробництва каучуку і широкого асортименту гумотехнічних виробів зажадало від промисловості у великій кількості світлих наповнювачів, необхідних для виготовлення гумових виробів різних кольорів і забарвлень. До таких наповнювачів відноситься біла сажа.

Сажа біла є гідратованим оксидом кремнію, має вигляд білого порошку або гранул. Широко застосовується в якості підсилюючого наповнювача синтетичних і полімерних матеріалів в шинній, гумотехнічній, хімічній та деяких галузях легкої промисловості. Використовується в якості активного наповнення для маси при виробництві переважно білих гумових виробів. Змінює фізико-механічні властивості і підвищує твердість отримуваних виробів. Застосовується як пігмент і активний наповнювач для маси, що надає в?язкість. Використовується в якості наповнювача для виробництва шпаклівки, грунтовки, герметика.

Також використовується як модифікатор адгезії для поліпшення міцностей зв?язку корду і текстилю з гумою. Сажа біла підвищує теплостійкість і вогнетривкість речовин, покращує механічні характеристики гуми. За підсилювальними властивостями вона не поступається вуглецевій сажі, однак перевершує її з малостійкості та додає опір ковзанню. Також можливе застосування сажі білої як наповнювача в лакофарбовій промисловості в якості замінника цинкових білил і при виготовленні автомобільних покришок.

Білоцерківський шинний завод, що сьогодні є закритим акціонерним товариством «Росава», працює з 1972 року і активно використовує білу сажу. І з кожним роком замовленнь на цей продукт стає дедалі більше.

Для України, що має динамічно зростаючу кількість автомобільного транспорту, а звідси і підвищений попит на автомобільні шини є вкрай важливо затрачати мінімум сировини та отримувати максимум продукту на виході, в даному випадку продуктом виступає біла сажа, а також пошук альтернативних підсилюючих наповнювачів синтетичних і полімерних матеріалів в шинній, гумотехнічній, хімічній та деяких галузях легкої промисловості.

1. ТЕХНОЛОГІЯ ПРОЦЕСУ ВИРОБНИЦТВА БІЛОЇ САЖІ

1.1 Властивості та технічні характеристики білої сажі

Біла сажа являє собою діоксид кремнію, який виходить осадженням з розчину силікату натрію - рідкого скла - кислотою, найчастіше сірчаної, з подальшою фільтрацією, промиванням і сушкою.

Хімічна формула - m SiO2 · n Н2О.

Біла сажа випускається трьох марок: А, Б і У-333. Сажа марки А дає можливість отримувати більш м?які гуми, що відрізняються підвищеним розривним подовженням і підвищену еластичність; гуми з сажею марки Б мають більшу міцність при розтягуванні, ніж гуми з білої сажі марки А, але вони менш еластичні. У-333 є найбільш активним наповнювачем у сумішах з силоксановим каучуком СК, застосовується для створення більш в?язкої маси [1].

Біла сажа надає продукту низьку відносну щільність, що, у свою чергу, допомагає знизити їх питому вартість. Однак такі наповнювачі дуже дорогі, і тому часто замінюються силікатом алюмінію або кальцію, які роблять меншою підсилюючу дію. Поряд з діоксидом кремнію і силікатами також застосовують білу глину, крейду або осаджений карбонат кальцію. Осаджений карбонат кальцію - це напівпідсилюючий наповнювач, що надає кращу оброблюваність сумішам мікропористих матеріалів. Біла глина та крейда зазвичай використовуються як наповнювачі для зниження вартості (здешевлюють добавки), але вони роблять продукт важчим за рахунок своєї більш високої відносної щільності і високої об?ємної щільності [2].

Біла сажа є основою для отримання великої кількості наповнювачів для полімерних композиційних матеріалів, які є продуктами модифікації білої сажі органічними модифікаторами, найчастіше полімерним воском. Залежно від призначення і показників якості, відповідно до Держстандарту 18307-78, біла сажа повинна випускатися чотирьох марок: БС-30, БС-50, БС-100 і БС-120.

Середній розмір часток білої сажі:

Ш для марки БС-30 становить 60-108 нм;

Ш для марки БС-50 становить 50-77 нм;

Ш для марки БС-100 становить 23-34 нм;

Ш для марки БС-120 становить 19-27 нм. 

Залежно від способу отримання та обробки продукт містить більше або менше зв?язаної води, причому змінюється і форма зв?язку води з SiO2 - від міцної хімічної та координаційної до слабкої адсорбційної.

Білу сажу отримують двома основними методами: рідкофазним і газофазним.

Рідкофазний метод полягає в осадженні аморфної кремнекислоти з розчинів силікату натрію кислими реагентами - соляною кислотою, вуглекислотою та іншими при 70-90 °С зазвичай у присутності солей металів II або III групи. Отриманий продукт фільтрують, промивають і сушать. Залежно від умов осадження і природи коагулянтів біла сажа виходить кислою, нейтральною або лужною. Сухий продукт піддають розмелюванню. Ступінь дисперсності і пористості частинок білої сажі залежить від природи агента розкладання - речовини, що розкладає силікат, і коагулянту, умов осадження, фільтрування та сушіння. При двох останніх операціях можливо агрегування частинок внаслідок подальшої конденсації полікремніевих кислот. Тому умови фільтрації та сушіння ретельно регламентуються.

Газофазний метод отримання білої сажі типу аеросил полягає в гідролізі чотирихлористого або чотирифтористого кремнію водяною парою - точніше гримучою сумішею при 1000-1100 °С. Виходить малогідратірованний і дуже чистий продукт високої дисперсності і незначної пористості. Однак цей спосіб відрізняється великими витратами енергії, високою вартістю сировини і утворенням великої кількості побічного продукту НСl, який необхідно раціонально використовувати. Різновидом методу є гідроліз чотирихлористого кремнію парами води при невисоких температурах - аерогельний спосіб. 

Крім отримання білої сажі рідкофазним і газофазним методами розроблено метод отримання так званих силікатних і силікатномасляних каучуків шляхом холодного осадження двоокису кремнію при коагуляції каучуку [6].

Основними недоліками білої сажі, що обмежують її застосування в гумовій промисловості, є: велика, ніж у вуглецевої сажі (240-242 кг/м3) щільність і гірша змочуваність каучуками. Для поліпшення змочуваності вуглеводнями, канчуками, сажу піддають карбофілізації (гідрофобізації) - обробці поверхнево-активними речовинами, які адсорбуються полярними групами на поверхні кремнезему. У якості поверхнево-активних речовин використовуються спирти, аліфатичні або циклоаліфатичний аміни, що містять більше шести атомів вуглецю, кремнійорганічні сполуки, наприклад, силіконове масло [1].

Дана хімічна продукція супроводжується паспортом якості із зазначенням основних технічних характеристик конкретної партії відповідно до вимог ГОСТ. Біла сажа має всі необхідні сертифікати та санітарно-гігієнічні висновки.

1.2 Опис процесу виробництва білої сажі

Технологія виробництва білої сажі включає кілька основних стадій (Рисунок 1.3):

1. приготування водних розчинів силікату кальцію

(CaО · тSiO2);

2. отримання суспензії напівпродукту - суспензія силікату кальцію

(СаО · тSiO2 · пН2О);

3. отримання суспензії білої сажі за рівнянням

СаО · тSiO2 · пН2О + 2НС1 = тSiО2 · пН2О + СаС12 + Н2О;

4. фільтрація і відмивання осаду білої сажі від іонів кальцію, натрію, хлору;

5. висушування білої сажі.

Суспензію силікату кальцію отримують у реакторі 1, у який через ротаметр надходить відфільтрований розчин силікату кальцію з густиною 1,1±0,01 г/см3 і вмістом 3,4 ± 0,2 % CaO за температури не нижчої за 50 °С. Через другий ротаметр 2б в реактор надходить відфільтрована дистилерна рідина із содового виробництва, яку заздалегідь розводять дистильованою водою до концентрації 3…5 % СаС12. Для поліпшення фільтраційних властивостей суспензії, що має утворитися, рідина минає установку омагнічування.

Рисунок 1.3 - Технологічна схема виробництва білої сажі:

1 - реактор для осадження силікату кальцію; 2 - ротаметри; 3 - реактор для осадження білої сажі; 4 - напірний бак для хлороводневої кислоти; 5 - збирач; 6 - насоси; 7 - напірний бак для суспензії білої сажі; 8 - вакуум-фільтр; 9 - напірний бак для водних розчинів ОП-10; 10 - репульпатори; 11 - збирач промивних вод; 12 - фільтр; 13 - репульпатор пасти білої сажі; 14 - розпилювальна сушарка; 15 - циклони; 16 - піч; 17 - бункер готової продукції; 18 - вентилятор

Отримана у реакторі суспензія силікату кальцію прямує самоплином у реактор розкладання 3. Одночасно з напірного бака 4 в реактор 3 подають розведену дистильованою водою до концентрації 15 ± 2 % хлороводневу кислоту. Значення рН процесу осадження в реакторі підтримують в діапазоні 4,0…6,0. Утворену суспензію білої сажі спрямовують у збирач 5, звідки насосами 6 перекачують у напірний бак 7, а далі вона надходить на фільтрацію в корито вакуум-фільтра 8 першого ступеня фільтрації (І). Для інтенсифікації процесу фільтрації в корито першого за ходом фільтра зі напірного бака 9 подають підігрітий до 70 °С розчин поверхнево-активної речовини ОП-10.

Утворену пасту білої сажі з поверхні барабана зрізують ножем і спрямовують у репульпатор 10, який заливають дистильованою водою або конденсатом. Після репульпатора суспензію передають на другий барабанний вакуум-фільтр (II) і т. д. - таким чином, вузол барабанних вакуум-фільтрів (І-IV) забезпечує промивання пасти діоксиду силіцію від хлориду кальцію та інших водорозчинних домішок.

Після вакуум-фільтрів пасту білої сажі спрямовують на висушування, промивні води з усіх вакуум-фільтрів - у збирач 11 і звідти - на фільтр 12, а відфільтровані води перемішують із дистилерною рідиною або використовують для осадження силікату кальцію.

Отриману на виході вузла барабанного вакуум-фільтра (IV) пасту білої сажі спрямовують у репульпатор 13, де її змішують із дистильованою водою або конденсатом. Отриману суміш подають у розпилювальну сушарку 14 з температурою 250 °С, де вона сушиться топковими газами з печі 16.

Для зниження температури газів із топки (1100 °С) їх розводять повітрям. Висушену білу сажу збирають в конічній частині сушарки 14, звідки вона надходить у бункер 17 для готової продукції. Маленькі частинки білої сажі з циклонів 15 також надходять у бункер 17, звідки спрямовується на пакувальний конвеєр. Повітря з апаратів 14 після проходження циклонів 15 видаляють вентилятором 18 в атмосферу [10].

1.3 Застосування, упаковка та транспортування білої сажі

Широко застосовується в якості підсилюючого наповнювача синтетичних і полімерних матеріалів в шинній, гумотехнічній, хімічній та деяких галузях легкої промисловості. Використовується в якості активного наповнення для маси при виробництві переважно білих гумових виробів. Змінює фізико-механічні властивості і підвищує твердість отримуваних виробів. Застосовується як пігмент і активний наповнювач для маси, що надає в'язкість. Використовується в якості наповнювача для виробництва шпаклівки, грунтовки, герметика.

У резинах на основі силоксанових каучуків біла сажа покращує механічні характеристики, підвищує теплостійкість і вогнестійкість. У резинах на основі хлоропренових, бутадієн-нітрильних і фторкаучуків біла сажа по підсилюючим властивостям рівноцінна вуглецевої, перевершує її за впливом на маслостійкість і теплостійкість і додає високий опір ковзанню. Білу сажу вводять разом з вуглецевою в протекторні гуми шин, що працюють у важких умовах. Введення невеликих кількостей білої сажі зменшує загальну зносостійкість протектора, збільшує опір елементів його малюнка сколювання. Біла сажа рекомендуються також як добавка в каркасні гуми для підвищення міцності зв?язку цих гум з кордом. Також можливе застосування сажі білої як наповнювача в лакофарбовій промисловості в якості замінника цинкових білил.

При застосуванні білої сажі, кількість прискорювачів і сірки повинні бути підвищені на 10-15 %, так як біла сажа адсорбує їх в значній мірі, особливо тіурам і каптакс. Суміші з білою сажею є жорсткими, тому при обробці вони схильні до підвулканізації. При введенні білої сажі в гумову суміш в невеликих кількостях (10-15%), вона значно підвищує технологічні властивості гумових сумішей, покращуючи їх каландруємність і шприцуємість, знижуючи усадку і зменшуючи прилипання гумових сумішей до валків [9].

Упаковують білу сажу в чотирьохшарові ламіновані мішки з одним шаром ламінованим поліетиленом мішкового паперу масою не більше 20 кг і м?які спеціалізовані контейнери разового використання типу МКР-1.0С масою до 400 кг. Зберігають у закритих складських приміщеннях. Не допускається зберігання продукту на складах із земляною підлогою на відкритих майданчиках [3].

Транспортують будь-яким видом транспорту у відповідність до правил перевезення вантажів, що діють на даному виді транспорту.

Гарантійний термін зберігання білої сажі - 6 місяців з дня виготовлення.

2. АНАЛІЗ ХІМІЧНОГО РЕАКТОРА

2.1 Вибір об'єкта

Реактор хімічний (РХ) - (Від лат. Rе - приставка, що означає зворотну дію, і actor - приводить в дію, діючий) - промислові апарати для здійснення хімічних реакцій. Конструкція і режим роботи реактора хімічного визначаються типом реакції, фазовим станом реагентів, характером протікання процесу в часі (періодичний, безперервний, зі змінною активністю каталізатора), режимом руху реакцій середовища (періодичний, напівпроточні, з рециклом), тепловим режимом роботи (адіабатичний, ізотермічний, з теплообміном), типом теплообміну, видом теплоносія.

За типом конструкції хімічний реактор підрозділяють на ємкісні, колонні, трубчасті.

Ємнісні РХ - порожнисті апарати, часто забезпечені перемішуючим пристроєм. Перемішування газо-рідинних систем може проводитися барботуванням газоподібного реагенту. Теплообмін здійснюється через повсть РХ або шляхом часткового випаровування рідкого компонента реакцій суміші. До реакторів цього типу відносять також апарати з нерухомим чи псевдозрідженим шаром (одним або декількома) каталізатора. У багатошарових реакторах теплообмін здійснюється шляхом змішування потоків реагентів або в теплообмінних елементах апарату. У ємнісних РХ проводять безперервні, періодичні і напівперіодичні процеси.

Колонні РХ можуть бути порожнистими або заповненими каталізатором або насадкою. Для поліпшення міжфазного масообміну застосовують диспергування за допомогою розпилювачів, барботером, хутрового впливу (вібрація тарілчастої насадки, пульсація потоків фаз) або насадки, що забезпечує високошвидкісний плівковий рух фаз. РХ даного типу використовують в основному для проведення безперервних процесів у двох- або трьохфазних системах.

Трубчасті РХ застосовують часто для каталітичних реакцій з теплообміном в реакційній зоні через стінки трубок і для здійснення високотемпературних процесів газифікації. При одночасному швидкісному русі фаз у таких реакторах досягається найбільш інтенсивний міжфазний масообмін.

При розрахунку РХ визначають необхідні для досягнення заданої продуктивності і селективності процесу обсяг апарату, швидкість потоку, збільшення теплообміну, гідравлічний опір, режим роботи, конструктивні параметри (уточнюються на підставі аеродинамічних випробувань). Розрахунок виконують на основі даних з термодинаміки і кінетики реакцій, швидкості тепло- і масообміну з урахуванням структури потоків в апаратах. Найбільш повний розрахунок, що проводиться методом моделювання з використанням ЕОМ, включає визначення полів і концентрації, оптимального режиму, схеми теплообміну і циркуляції, а також, поряд з вибором способу управління, аналіз стійкості режиму.

Динамічні режими хімічних реакторів характеризуються зміною в часі параметрів, що визначають стан процесу (концентрація, температура, тиск та інші). У динамічному режимі завжди функціонує реактор періодичної дії, в якому хід процесу змінюється від моменту завантаження сировини до вивантаження готового продукту. Реактор безперервної дії повинен працювати в стаціонарному, незмінному у часі режимі. Однак через неминучі зовнішні збурення, наприклад, зміни складу сировини, умов відведення або підведення теплоти, виникають відхилення від стаціонарного режиму. Вони можуть бути незначними і суттєвими, що приводять до помітних змін якості продукту, продуктивності реактора і навіть до аварій. Динамічні режими реакторів безперервної дії досліджують за допомогою їх математичних моделей у вигляді диференційованих рівнянь в звичайних або приватних похідних.

Динамічні режими безперервнодіючого реактора ідеального змішування, в якому протікає екзотермічна реакція першого порядку, описуються безрозмірною системою рівнянь, складеної на основі матеріального і теплового балансів.

2.2 Класифікація хімічних реакторів

За гідродинамічною обстановкою розрізняють:

- реактори змішування - ємкісні апарати з перемішуванням механічною мішалкою, або циркуляційним насосом;

- реактори витиснення - трубчаті апарати ( апарати, які мають вигляд подовженого каналу.

Реальні апарати в більшому, або меншому ступені наближуються до двох моделей:

- Реактор ідеального змішування (РІЗ);

- Реактор ідеального витиснення (РІВ).

За умовами теплового обміну виділяють такі типи реакторів:

- адіабатичні, для них характерна відсутність теплообміну із зовнішнім середовищем;

- ізотермічні - за рахунок теплового обміну із зовнішнім середовищем забезпечується постійне значення температури;

- з проміжним тепловим режимом - тепловий ефект реакції частково компенсується обміном тепла з оточуючим середовищем, а частково визиває зміну температури оточуючого середовища;

- авто термічні реактори - підтримка температури здійснюється за рахунок теплового ефекту реакції без використання зовнішніх джерел енергії.

За фазовим складом:

- гомогенні реактори (газофазні та рідиннофазні);

- гетерогенні реактори( для систем: Г-Р, Р-Т, Г-Т);

- гетерогенно-каталітичні реактори.

За способом організації процесу:

- періодичної дії - всі реагенти поміщуються в реактор до початку реакції, а вивантажуються після її закінчення;

- безперервної дії - всі окремі стадії процесу (подача реагентів, реакція, вивантаження продуктів реакції) здійснюються паралельно;

- полу періодичної дії - один з реагентів подається безперервно, а інший періодично.

За характером зміни параметрів процесу в часі:

- зі стаціонарним режимом роботи - параметри потоку (концентрація, температура, швидкість руху) не залежать від часу;

- нестаціонарні - всі періодичні процеси.

За конструктивними ознаками:

- ємкісні реактори;

- вертикальні і горизонтальні циліндричні конвертори;

- колонні реактори - насадкові та тарілкові;

- каталітичні реактори з нерухомим, рухомим та псевдозрідженим шаром каталізатору;

- поличні реактори;

- реактори типу «теплообмінник»;

- реактори типу «реакційна піч».

2.3 Структура математичної моделі хімічного реактора

Методи розрахунку і проектування хімічних реакторів засновані на моделюванні реакторів і процесів у них.

Моделювання - це метод вивчення різних об'єктів, при якому дослідження проводять на моделі, а результати кількісно поширюють на оригінал. Модель може являти собою зменшену по визначених законах (чи в деяких випадках збільшену) копію реального об'єкта. Але моделлю може бути і визначена система представлень про реальний об'єкт, що виражається як сукупність математичних структур, рівнянь, нерівностей, таблиць, графіків. Таку модель називають математичним описом об'єкта чи його математичною моделлю.

При розробці математичної моделі доцільно використовувати ієрархічний підхід до реактора як до складної системи. (Ієрархія - це розташування частин елементів цілого в порядку від вищого до нижчого). Суть цього підходу полягає в тому, що складна система розглядається як сукупність підсистем, зв'язаних між собою.

Реактор і реакційний вузол, будучи складними об'єктами, мають багатоступінчасту структуру і їхні математичні моделі будуються послідовно на основі попередньої побудови їхніх складових частин і введення співвідношень, що зв'язують перехід з одного рівня на іншій. Важливу роль математичного опису хімічного реактора грають балансові рівняння, що є вираженням загальних законів збереження маси й енергії.

де С0,j - початкова концентрація речовини j в матеріальному потоці;

v0 - об'ємна витрата потоку на вході в реактор;

Сj - концентрація речовини j на виході з реактору;

v - об'ємна витрата потоку на виході з реактору;

wr,j - швидкість хімічної реакції за реагентом j;

V - об'єм реактору.

Усі члени цього рівняння виміряються в одиницях кількості речовини (кмоль). Розділимо ліву і праву частину на dф

Права частина рівняння являє собою швидкість накопичення речовини j в реакторі. При постійному об'ємі V швидкість накопичення можна представити у вигляді .

2.4 Вибір хімічних реакторів

Основними факторами порівняння хімічних реакторів, які мають визначати вибір типу апарату, є кінетика хімічних реакцій, відношення порядків основної та побічної реакцій, а також розподіл часу перебування концентрацій реагентів та температур в реакційному об'ємі.

Ці фактори в різних типах реакторів можуть по-різному впливати на ступінь перетворення і селективність хімічного перетворення.

Загальне правило вибору реактора:

Якщо залежність між ступенем перетворення й вибірковістю падає, то варто вибирати реактор змішування періодичної дії або реактор витиснення, для реакцій зі зростаючою залежністю - реактор змішування безперервної дії.

За співвідношенням швидкостей прямої та побічної реакцій для вибору реактору можна користуватися рекомендаціями наведеними в таблиці.

Таблиця 2.1 - Типи реакцій у реакторах

Тип реакції

Співвідношення швидкостей

Реактор

РІЗ-П

РІВ

РІЗ-Б та каскад

wA1 ? wA2

wB1 > wB2

wA1 < wA2

wB1 < wB2

с рециркуляцією

одиночний

апарат

wA1 ? wA2

З багато точковою

подачею реагентів

каскад з паралельним живленням

3. МОДЕЛЮВАННЯ ТА СИСТЕМА КЕРУВАННЯ ХІМІЧНИМ РЕАКТОРОМ

3.1 Моделювання хімічного реактора

Цілі роботи: отримання практичних навичок математичного моделювання процесів, що відбуваються в хімічному реакторі; отримання за допомогою моделей налаштувань регулятора; моделювання системи управління реактором.

Вихідною базою для проектування будь-якої системи управління є математичні моделі типових технологічних процесів. Побудова математичної моделі завжди починається зі складання формалізованого опису процесів, що відбуваються в об'єкті моделювання. Основними процесами, що протікають в хімічному реакторі, є хімічні перетворення, що супроводжуються виділенням або поглинанням тепла (екзотермічні і ендотермічні реакції). Як правило, найбільш часто зустрічаються реакції наступних типів:

· лінійні, коли відбувається послідовне перетворення однієї речовини в іншу: А ? В ? С ? D (наприклад, реакції полімеризації);

· оборотні, коли відбувається одночасне протікання як прямого, так і зворотного перетворення: A ? B (більшість хімічних реакцій, наприклад, окислення сірчистого ангідриду у виробництві сірчаної кислоти);

· реакції синтезу, коли з двох або більше реагентів утворюється один цільовий продукт реакції: А ? В ? С (наприклад, отримання нітрогліцерину);

· реакції розкладання, коли з однієї речовини утворюються два або більше продукту: А ? В ? С (наприклад, процес кальцинації).

На практиці в чистому вигляді такі реакції, як правило, не зустрічаються. У промислових хімічних процесах зазвичай протікають реакції змішаних типів, наприклад:

Швидкість хімічної реакції являє собою функцію складу реакційної маси, температури, тиску та інших факторів. Вона визначається зміною концентрацій j-го компонента реагує суміші в одиницю часу:

, (1)

де - номер реакції;

- номер реагує компонента;

- константа швидкості -й реакції;

- концентрація -го компонента.

У диференціальної формі рівняння має вид

, , (2)

де- стехіометричні коефіцієнти;

- кількість реакцій;

- кількість реагуючих компонентів.

Наприклад, для складної хімічної реакції типу

вирази для швидкостей елементарних реакцій можна представити в наступному вигляді:

(3)

Для запису системи диференціальних рівнянь хімічної кінетики складемо матрицю стехіометричних коефіцієнтів, що характеризує дану складну хімічну реакцію:

. (4)

У матриці (4) 0 позначає, що реагент не бере участі в реакції; 

-1 - реагент витрачається в реакції; 

+1 - реагент накопичується в реакції.

Система диференціальних рівнянь (2) з урахуванням матриці стехіометричних коефіцієнтів (4) прийме вигляд:

(5)

Як зазначалося вище, швидкість хімічної реакції залежить від температури, що відбивається на вираженні константи швидкості реакції:

, (6)

де - температура суміші;

- універсальна газова стала;

- енергія активації;

- передекспоненціальний множник.

Для знаходження і складається система рівнянь для двох відомих температур , :

(7)

Прологарифмувавши ліві і праві частини рівнянь системи (7), отримаємо

(8)

Віднімаючи з першого рівняння системи (8) друге, одержимо

. (9)

З (9) знаходимо

. (10)

виражається з першого рівняння (7):

. (11)

Для розглянутої реакції система диференціальних рівнянь хімічної кінетики виглядає наступним чином:

(12)

Співвідношення обчислюється за формулою (10), а - за формулою (11).

Система диференціальних рівнянь (12) вирішується будь-яким з відомих способів чисельного або аналітичного методів вирішення систем диференціальних рівнянь за наявності початкових умов: .

Даний математичний опис відображає лише самі хімічні перетворення, що відбуваються в реакторі, без урахування теплового ефекту реакцій і конструктивних особливостей реактора.

Схема типового проточного реактора з мішалкою і теплообмінним пристроєм показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1 - Схема типового проточного реактора з мішалкою

Основними параметрами, що характеризують матеріальні та енергетичні потоки реакційного процесу в проточному реакторі з мішалкою, є:

- вектор концентрацій реагентів у вхідному потоці;

- температура вхідного потоку ;

- об'ємна витрата речовини;

- температура речовини на вході;

- об'ємна витрата реакційної маси;

- концентрація реагентів у вихідному потоці;

- температура реакційної маси;

При розробці математичного опису хімічного реактора використовують такі основні допущення:

· режим ідеального змішування реакційної маси;

· сталість обсягу реагуємої суміші в реакторі;

· сталість витрат реагуємої суміші.

Диференціальні рівняння, що описують матеріальний баланс хімічного реактора, будуть мати вигляд

, (13)

де - об'єм реактора, м3;

- інтенсивність джерел речовини: .

Враховуючи матрицю стехіометричних коефіцієнтів (4), складаємо систему диференціальних рівнянь виду (13).

Для розглянутої реакції система набирає наступний вигляд:

(14)

Підставами в (14) вирази для швидкостей реакцій (3):

(15)

Коефіцієнти знаходяться за формулою (6).

Хімічні реакції відрізняються виділенням або поглинанням тепла, тому система рівнянь матеріального балансу (15) доповнюється рівнянням теплового балансу:

, (16)

де - теплоємність суміші, ;

- площа теплообміну, ;

- коефіцієнт теплопередачі;

- інтенсивність джерела тепла за рахунок реакції.

, (17)

де - тепловий ефект i-ої реакції, .

Розділимо рівняння (16) на .

Для розглянутої реакції тепловий баланс (16) з урахуванням (17) буде виглядати наступним чином:

(18)

де ;

- умовна теплоємність, ;

- густина суміші, .

Підсумкова система диференціальних рівнянь, що описує хімічний реактор, прийме вигляд:

(19)

Температура речовини розраховується за формулою

, (20)

де - теплоємність речовини, .

Система (19) вирішується будь-яким з відомих способів чисельного або аналітичного методів вирішення систем диференціальних рівнянь за наявності початкових умов:

,

використовуючи дані про конструктивні характеристики апарата, фізичні властивості реагує суміші, тепловому ефекті реакції.

Для моделювання системи управління, в першу чергу, необхідно знати параметри настройки регулятора, коефіцієнт передачі регулюючого органу. Структурна схема САР представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2 - Структурна схема САР

Моделювання системи управління

Математичний опис САР хімічним реактором

Використовуючи отримані настройки, вирішуємо наступну систему:

реактор хімічний сажа моделювання

Температура речовини розраховується за формулою:

Об'ємна витрата речовини описується рівнянням:

Висновки по роботі

У ході виконання роботи були отримані практичні навички математичного моделювання процесів, що відбуваються в хімічному реакторі; змодельована система управління хімічним реактором; отримані настройки ПІ-регулятора.

Таким чином, підбір реактора для конкретного хімічного процесу, його розрахунок, оптимізація конструкції та умови проведення - завдання дуже складне, що вимагає глибоких знань у різних галузях фізики і хімії. Застосування ідеальних моделей хімічних реакторів, звичайно, значно спрощує розрахунки, однак вимагає уважного і обережного підходу, оскільки необхідно стежити за дотриманням умов ідеальності в кожному конкретному випадку. Особливі труднощі виникають при проведенні реакцій в сильно в'язких середовищах, де значно погіршуються умови масо- і теплообміну. Глибокий науковий підхід, з одного боку, і випадкові відкриття - з іншого, відіграють велику роль у розвитку сучасної хімічної технології.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Белозеров Н.В. «Технология резины». М.: Издательство "Химия" .1979.- 3-е изд.,перераб. и доп.-470с.

2. Амелин А.Г. «Теоретические основы образования тумана при конденсации пара».

3. Шерешевский А.И. «Химические товары справочник часть 1 часть 2 издание 2».

4. Книгавко И.П. «Физико-химические исследования и аналитический контроль в производстве неорганических веществ Т 42».

5. Семке А.В. «Автоматизация процессов содового производства».

6. Захарченко П.И. «Справочник резинщика».

7. Зеликин М.Б. «Технология синтетических минеральных наполнителей адсорбентов и коагулянтов Т 21».

8. Жеребков С.К. «Крепление резины к металлам. Издание 2».

9. Мартин Д.М. «Производство и применение резинотехнических изделий».

10. Лукінюк М.В. Автоматизація типових технологічних процесів: технологічні об'єкти керування та схеми автоматизації [Текст] : навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл., які навчаються за напрямом «Автоматизація і комп'ют.-інтегр. технології / М.В. Лукінюк. - К.: НТУУ «КПІ», 2008. - 236 с. : іл. - Бібліогр.: с. 230-231. - 200 пр. -ISBN 978-966-622-287-2.

11. Вікіпедія - вільна енциклопедія. (http://uk.wikipedia.org/wiki/Автоматизація_виробництва).

12. Іванов А.О. Теорія автоматичного керування: Підручник. -- Дніпропетровськ: Національний гірничий університет. -- 2003. -- 250 с.

13. Папушин Ю.Л., Білецький В.С. Основи автоматизації гірничого виробництва. -- Донецьк: Східний видавничий дім, 2007. -- 168 с. -- ISBN 978-966-317-004-6.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Призначення, конструкція і технічна характеристика реактора. Розрахунок взаємного впливу отворів на верхньому днищі. Технологія ремонту окремих збірних одиниць, деталей обладнання. Робота реактора, можливі несправності апарата та засоби їх усунення.

    дипломная работа [1,3 M], добавлен 10.10.2014

  • Химическое превращение сырья в нефтеперерабатывающей промышленности. Технические, монтажные и транспортные характеристики реактора. Разработка этапов подъема реактора и необходимых монтажных приспособлений. Монтаж скруббера методом наращивания.

    курсовая работа [748,4 K], добавлен 11.12.2010

  • Моделирование химического реактора емкостного типа, снабженного механической мешалкой, в которую подается теплоноситель или хладагент. Принципиальная схема реактора и стехиометрические уравнения реакции. Разработка математической модели аппарата.

    курсовая работа [3,2 M], добавлен 31.03.2015

  • Технологическая схема каталитического крекинга. Выбор и описание конструкции аппарата реактора для получения высокооктановых компонентов автобензинов из вакуумных газойлей. Количество катализатора и расход водяного пара. Параметры реактора и циклонов.

    курсовая работа [57,8 K], добавлен 24.04.2015

  • Расчет сферического днища корпуса химического реактора, нагруженного внутренним избыточным давлением: эллиптической крышки аппарата, сферического днища аппарата, цилиндрической обечаек реактора, конической обечайки реактора, массы аппарата и подбор опор.

    курсовая работа [349,3 K], добавлен 30.03.2008

  • Технологічна схема, технічні характеристики, принцип роботи і конструкція дозатора цукру. Розробка математичної моделі схеми управління та загального виду пульта. Характеристика схеми електричних з'єднань, розрахунок надійності системи автоматики.

    курсовая работа [1,5 M], добавлен 09.05.2011

  • Полиэтилен высокого, среднего и низкого давления. Общая структура модели реактора полимеризации. Математическое моделирование реактора полимеризации этилена. Исследование устойчивости системы и определение областей различных режимов работы реактора.

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 09.05.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.