Тәжірибелік сабақ №14. Бензолды гидрлеу процесін материалдық есептеу. Есептеу жүйелілігі.

Тапсырма:

1. Реакторларды математикалық үлгісі бойынша есептеу әдісіне реакциялық жүйе күйінің (гетерогенді, гетерофазалы) әсері.

 

Әдістемелік нұсқаулықтар:

Гетерогенді жүйелер үшін (әсіресе гетерогенді-каталитикалық жүйелерде) реактор таңдау негізінен процестің кинетикасы, реакцияның жылу эффектісі және жылуалмасу шарттарымен анықталады.

Диффузиялық және жылулық кедергілер ескерілмесе, катализатордың тұрақты қабаты бар реакторларды есептеу гомогенді процестерде қолданылған теңдеумен жүзеге асырылады. Бірақ бұл жағдайда реакция жылдамдығын қабат көлемінің бірлігіне емес, оның массасына [моль/(кг·сек)] есептейді және есептеу барысында көлем емес, каталитикалық қабаттың массасы алынады. Сәйкес қайта есептеуді толтырылған масса деп аталатын коэффициентті қолдана отырып, орындайды.

 

(1)

мұндағы m_к - катализатор массасы;

V_к – оның көлемі;

r_к - толтырылған масса.

Катализатордың ұсақ бөлшекті қабаты бар реакторларда қысымның бірден төмендеуі іші қуыс аппараттарға қарағанда жоғарырақ болады. Қысымның бірден төмендеуі процестің жылдамдығына әсер етеді, себебі, бу немесе газ фазасындағы заттардың концентрациясы жүйедегі жалпы қысыммен байланысты:

 

P _i = C _i ZRT және (2)

 

Катализатор қабатындағы қысым шығынын мына теңдеумен анықтайды:

 

(3)

 

 

мұндағы ω – катализатордың тұрақты қабатының өзегіндегі ағынның шын мәніндегі сызықты жылдамдығы;

d_экв – осы өзектердің эквиваленттік диаметрі;

λ – кедергі коэффициенті.

Эквиваленттік диаметр ε қабаты мен катализатор бөлшегінің меншікті бетінің σ (м²/м³) біртекті емес функциясы болып табылады:

(4)

 

Өз кезегінде:

 

(5)

 

мұндағы Ф – бөлшек үлгісінің факторы;

d_ч – көлемі бойынша тең бөлшек шарының диаметрі.

 

2-теңдеуді есептеу үшін ω емес, жалған сызықты жылдамдық ω^* қолданылады. Олардың байланысы қабаттың біртекті еместігімен жүзеге асырылады:

 

(5)

 

Гетерофазалы процестердің ерекшелігі: ондағы реагенттер әр түрлі фазада болады, сондықтан олардың біреуінің көлемінде жүзеге асатын химиялық реакция фазалар арасындағы зат және энергия алмасумен бірге жүреді.

Негізгі заттар бойынша материалдық балансты тұтас (әдетте сұйық фаза) және дисперсті (әдетте газ фазасы) екі фаза үшін құрайды. Мұнайхимиялық синтез технологиясында қолданылатын гетерофазалық процестерде химиялық реакцияның тұтас фаза көлемінде жүзеге асуы тән.

Газ-сұйық жүйесінің маңызды сипаттамалары біртексіздік ε (немесе газбен қанығу) пен фазааралық меншікті бет σ болып табылады:

 

(6)

 

мұндағы V_г, V – сәйкесінше газ фазасының көлемі және газ бен сұйық фазалардың жалпы көлемі, яғни, газ-сұйық қабатының көлемі.

(7)

мұндағы d _п – газ көпіршіктерінің орташа диаметрі.

 

Фазааралық бет құру әдісін ескере отырып, гетерофазалық реакторларды мынадай негізгі топтарға бөлуге болады:

a) газды сұйық қабатына барботер арқылы енгізгенде фаза әсерлесу беті түзілетін барботажды реакторлар;

b) аппаратқа енгізілетін газ сұйықта әр түрлі араластырғыш құрылғылармен диспергирленетін газды механикалық диспергирлеу реакторлары.

 

Негізгі әдебиет 4 [89-122]

Қосымша әдебиет 6[115-139]

Бақылау сұрақтары:

1. Мұнайхимиялық синтездің қандай процестерінде гетерогенді-каталитикалық реакциялар іске асырылады?

2. Гетерогенді процестер үшін реакторлардың конструкциялық үлгілері.

3. Изотермиялық процестерді қандай реакторларда жүргізеді?

4. Катализатордың тұрақты қабаты бар реакторларды есептеулер қалай жүргізіледі?

5. Гетерофазалық жүйелердің материалдық балансы қалай жасалады?