Неизотермический процесс в периодическом реакторе идеального смешения и реакторе идеального вытеснения с теплообменом

Сравнение изотермического реактора идеального вытеснения и реактора полного смешения в зависимости от степени превращения

 

Серная кислота является одним из крупнотоннажных продуктов химической технологии. Серная кислота относиться к числу сильных кислот и является самой дешёвой. Она реагирует почти со всеми металлами, вступает в реакции обменного разложения. Почти половину всей вырабатываемой кислоты используют для производства минеральных удобрений. Также серную кислоту применяют в нефтехимической, металлургической отраслях промышленности, для производства химических волокон, красителей, взрывчатых веществ и других продуктов.

Окисление оксида серы (IV) является второй стадией производства cерной кислоты. По методу окисления оксида серы (IV) различают контактный и нитрозный способы производства серной кислоты. В современных производствах окисление проводят в присутствии твердого катализатора, и способ производства называют контактным. При нитрозном способе катализатором служат оксиды азота. Окисление проводят в жидкой фазе с помощью нитрозы, выполняющей функции передатчика кислорода.

Окисление оксида серы (IV) в оксид серы (VI) - основной процесс в производстве серной кислоты. Окисление проводят после тщательной очистки газа от пыли, тумана серной кислоты, контактных ядов и осушки.

Равновесие реакции окисления SO2 в соответствии с принципом Ле-Шателье сдвигается в сторону образования SO3 при понижении температуры и повышении давления. Равновесная степень превращения реагентов зависит также от соотношения SO2 и O2 в газе. Некаталитическое окисление оксида серы (IV) протекает столь медленно, что в производственных масштабах его проводить нецелесообразно. Поэтому процесс проводят в присутствии катализаторов. В сернокислой промышленности в разное время применяли лишь три вида катализаторов, основу которых составляли металлическая платина, оксиды железа и оксид ванадия (V). Самыми активными катализаторами являются платиновые. Однако из-за высокой чувствительности к контактным ядам, в частности к мышьяковистым соединениям, эти катализаторы уже давно не применяются.

Катализаторы на основе оксидов железа практически не отравляются, но достаточную активность он проявляет лишь при температуре выше 625С. При такой температуре равновесная степень превращения не превышает 70%, и использование таких катализаторов возможно лишь для так называемого предварительного окисления сернистого газа со степенью превращения 50-60%.

Ванадиевые катализаторы в условиях работы представляют собой пористый носитель, внутренняя поверхность которого смочена пленкой раствора V2O5 в расплаве пиросульфата калия.

В рамках данной работы мы рассматриваем 2 типа реакторов: реактор идеального вытеснения и реактор полного смешения.

Реактор идеального вытеснения. При прохождении потока через данный реактор все частицы движутся с одной скоростью, не перемешиваясь друг с другом, то есть исходные реагенты не смешиваются с продуктами реакции. В каждом поперечном сечении потока концентрации их выровнены, но плавно изменяются по длине реакционной зоны. Аналогично изменяется скорость процесса.

По условию задания мы используем изотермический температурный режим, который характеризуется постоянством температуры по всей длине реакционной зоны. Данный режим в реакторе идеального вытеснения наблюдается в случае протекания химико-технологического процесса без теплового эффекта или когда скорость тепловыделения (теплопоглощения) мала, а теплопроводность среды в реакционной зоне высока.

Необходимое время пребывания реагентов в реакционной зоне рассчитывают по уравнению

называемому характеристическим уравнением реактора идеального вытеснения.

Реактор полного смешения. При прохождении потока через данный реактор частица, поступающая в реакционную зону, мгновенно смешиваются с частицами, уже находящимися в этой зоне, то есть равномерно распределяются по всей длине и во всем объёме зоны. В результате во всех точках реакционной зоны мгновенно выравниваются все параметры, характеризующие химико-технологический процесс.

Вследствие полного перемешивания выравнивается и температура во всём объёме реакционной зоны. Таким образом, химико-технологический процесс в потоке полного смешения может протекать только при изотермическом температурном режиме, независимо от значения теплового эффекта, концентрации и степени превращения исходных веществ.

Время пребывания частиц в реакционной зоне распределено не равномерно. Смешение исходных реагентов с продуктами реакции и неравномерность времени пребывания частиц в реакционной зоне приводит к уменьшению движущей силы процесса по сравнению с проведением его в потоке идеального вытеснения.

это выражение называют характеристическим уравнением реактора полного смешения. Целью данной работы является сравнение изотермического реактора идеального вытеснения и реактора полного смешения в зависимости от степени превращения, а также рассчитать производительность по исходному компоненту SO2.

Исходные данные

 

SO2 + 0,5O2 = SO3 -?H0

Исходные концентрации реагентов (мольная доля):

Скорость реакции рассчитывается по выражению:

константа равновесия:

Расчетная часть реактор идеальный вытеснение смешение

Вывод

 

В результате проделанной работы мы выяснили, что объём реактора идеального вытеснения меньше объёма реактора полного смешения при одной и той же степени превращения, то есть при одинаковой скорости реакции.

Производительность реакторов изменяется от 0 до 9 м3/с с шагом 0,5 при соответственном изменении степени превращения SO2 от 0 до 0,9 с шагом 0,05.

При увеличении степени превращения SO2 скорость реакции падает.

Стехиометрические независимые уравнения.

Стехиоме́трия (от др.-греч. στοιχεῖον «элемент» + μετρέω «измерять») — система законов, правил и терминов, обосновывающих расчеты состава веществ и количественных соотношений между массами (объёмами для газов) веществ в химических реакциях. Стехиометрия включает нахождение химических формул, составление уравнений химических реакций, расчёты, применяемые в препаративной химии и химическом анализе^[1][2][3].

Понятие стехиометрии относят как к химическим соединениям, так и к химическим реакциям. Соотношения, в которых, согласно законам стехиометрии, вступают в реакцию вещества, называют стехиометрическими, так же называют соответствующие этим законам соединения. В стехиометрических соединениях химические элементы присутствуют в строго определенных соотношениях (соединения постоянного стехиометрического состава, они же дальтониды). Примером стехиометрических соединений могут служить вода Н₂О, сахароза С₁₂Н₂₂О₁₁ и практически все другие органические, а также множество неорганических соединений.

В то же время многие неорганические соединения в силу разных причин могут иметь переменный состав (бертоллиды). Вещества, для которых наблюдаются отклонения от законов стехиометрии, называют нестехиометрическими ^[1]. Так, оксид титана(II) имеет переменный состав^[4], в котором на один атом титана может приходиться от 0,65 до 1,25 атомов кислорода. Натриевольфрамовая бронза^[5] (относящийся к оксидным бронзам вольфрамат натрия) по мере удаления из неенатрия меняет свой цвет от золотисто-желтого (NaWO₃) до темного сине-зеленого (NaO•3WO₃), проходя через промежуточные красный и фиолетовый цвета^[6]. И дажехлорид натрия может иметь нестехиометрический состав, приобретая синий цвет при избытке металла^[7]. Отклонения от законов стехиометрии наблюдаются дляконденсированных фаз и связаны с образованием твёрдых растворов (для кристаллических веществ), с растворением в жидкости избытка компонента реакции илитермической диссоциацией образующегося соединения (в жидкой фазе, в расплаве).

Если исходные вещества вступают в химическое взаимодействие в строго определенных соотношениях, а в результате реакции образуются продукты, количество которых поддается точному расчету, то такие реакции называются стехиометрическими, а описывающие их химические уравнения — стехиометрическими уравнениями. Зная относительные молекулярные массы различных соединений, можно рассчитать, в каких соотношениях эти соединения будут реагировать. Мольные соотношения между веществами — участниками реакции показывают коэффициенты, которые называют стехиометрическими (они же коэффициенты химических уравнений, они же коэффициенты уравнений химических реакций)^[8]. Если вещества реагируют в соотношении 1:1, то их стехиометрические количества называют эквимолярными.

Термин «стехиометрия» ввёл И. Рихтер в книге «Начала стехиометрии, или Искусство измерении химических элементов» (J. B. Richter. Anfangsgründe der Stöchyometrie oder Meßkunst chymischer Elemente. Erster, Zweyter und Dritter Theil. Breßlau und Hirschberg, 1792–93), обобщивший результаты своих определений масс кислот и оснований при образовании солей.

В основе стехиометрии лежат законы сохранения массы, эквивалентов, закон Авогадро, Гей-Люссака, закон постоянства состава, закон кратных отношений. Открытие законов стехиометрии, строго говоря, положило начало химии как точной науке. Правила стехиометрии лежат в основе всех расчётов, связанных с химическими уравнениями реакций и применяются в аналитической и препаративной химии, химической технологии и металлургии.

Законы стехиометрии используют в расчетах, связанных с формулами веществ и нахождением теоретически возможного выхода продуктов реакции. Рассмотрим реакцию горения термитной смеси:

Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe.

Сколько граммов алюминия нам необходимо для завершения реакции с 85,0 граммами оксида железа (III)?

Таким образом, для проведения реакции с 85,0 граммами оксида железа (III), необходимо 28,7 граммов алюминия.