Samarqand davlat
Download 4.13 Mb.
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- Nazorat savollari
- Reaktorlarning tasniflanishi
- Ideal aralashtiruvchi reaktorning matematik modeli
- Ideal siqib chiqarishning matematik modeli
- Ideal siqib chiqaruvchi gomogen reaktorda boruvchi kimyoviy jarayonni tadqiq etish
- Statsionar sharoitda ideal siqib chiqarish reaktorida boradigan kimyoviy jarayonni tadqiq etish
Grafda reaksiya mexanizmi har bir cho„qqi bir to„g„ri va bir qaytar karkaslardan va n-2 aralash karkasdan iborat n cho„qqidan tashkil topgan chiziqli bir tomonga yo„nalishli reaksiya.
Karkaslarning umumiy soni: 𝑁𝑘 = 2𝑛 + 𝑛(𝑛 − 2) = 𝑛2. Qaytar kimyoviy reaksiya berilgan bo„lsin: 𝐴 + 𝐵 ➀ 𝐶. Berilgan reaksiyaning mexanizmi grafi quyidagi ko„rinishda bo„ladi: Karkaslar vaznlari:
Umumiy holda graf yoyining salmog„i bosqich tezligining unda ishtirok etgan oraliq modda konsentratsiyasiga nisbati bilan aniqlanadi: 𝑠 𝑏+ = 𝑏− = + 𝖯 𝑠 ; 𝑧𝑠 𝖯 −𝑠 , 𝑠 𝑧𝑠+1 bunda 𝑏+, 𝑏− − mos ravishda to„g„ri va teskari yo„nalishdagi yoylar 𝑠 𝑠 salmog„i; 𝖯+, 𝖯− −to„g„ri va teskari yo„nalishdagi reaksiyalar tezliklari; 𝑠 𝑠 𝑧𝑠, 𝑧𝑠+1 −n yoki n+1 bosqichlarda oraliq moddaning konsentratsiyasi. Umumiy holda geterogen kimyoviy reaksiya tezligini quyidagicha ifodalash mumkin: ∏𝑛 𝑏+ − ∏𝑛 𝑏+ W = i=1 i i=1 i . (5.26) ∑ 𝑏𝑡𝑜′g′𝑟ii + ∑ 𝑏𝑡𝑒𝑠𝑘𝑎𝑟ii + ∑ 𝑏𝑎𝑟𝑎𝑙𝑎𝑠ℎi Kimyoviy reaksiya tezligi to„g„ri yo„nalishdagi yoylar salmoqlari yig„indisidan teskari yo„nalishdagi yoylar salmoqlari yig„indisining ayirmasini to„g„ri, teskari va aralash yo„nalishlardagi karkaslar salmoqlari yig„indisiga nisbatiga teng. Nazorat savollariFormal kinetikaning asosiy tamoyili nimadan iborat ? Kimyoviy reaksiya tezligi nima ? U qanday aniqlanadi ? Kimyoviy reaksiya tezligi temperaturaga qanday bog„liq ? Formal kinetikaning asosida qaysi qonun yotadi ? Unga ta‟rif bering. Kinetik tenglamalarni yechishda qaysi sonli usullar ishlatiladi ? Kinetik konstantalar va faollanish energiyasini baholash uchun qanday tajribaviy ma‟lumotlar kerak ? Geterogen kimyoviy reaksiyalarning ko„p bosqichli o„tishining fizik tabiati qanday ? Sirtlar ta‟siri qonunini qo„llanilishining o„ziga xos tomonlarini sanang va massalar ta‟siri qonunidan farqini ayting. Geterogen kimyoviy reaksiyalar kinetik modellarini tuzish usullariga harakteristika bering. Lengmyur izotermasini qzllashga asoslangan usulga harakteristika bering. Statsionar konsentratsiya usuliga harakteristika bering. Graflar nazariyasini qo„llash usuliga harakteristika bering. VI BOB. GOMOGEN KIMYOVIY REAKTORLARNI MODELLASH Har qanday kimyoviy-texnologik tizimning asosiy elementlaridan biri kimyoviy reaktordir. Kimyoviy reaktor deb ma‟lum modda olish maqsadida massa- va issiqlik almashinishi bilan kimyoviy reaksiyani o„zida mujassamlashtirgan kimyoviy jarayonni amalga oshirishga mo„ljallangan apparatga aytiladi. Tipik reaktorlar – bu kantakt apparatlari, mexanik, pnevmatik va oqimli aralashtirgichli reaktorlar, sanoat pechkalari va h.z. Reaktorning to„g„ri tanlanishi va takomillatirilganiga barcha texnologik jarayonning samaradarligi bog„liq. Kimyoviy reaktorda ko„plab turli hodisalar va ularning o„zaro ta‟siri sodir bo„ladi. Ularni bir vaqtda hisobga olish matematik modelning murakkablashuviga va undan foydalanish bilan bog„liq qiyinchiliklarga olib kelishi mumkin. Shuning uchun kimyoviy reaktorlarning matematik modellarini ishlab chiqishda reaktor modelini qurish uchun iyerarxik sxemada amalga oshiriladigan tizimli yondashuv qo„llaniladi. Bunda jarayonni tarkibiy qismlarga ajratish amalga oshiriladi. Past daraja boradigan jarayon yuqori darajada boradigan jarayonning tarkibiy qismlardan biridir. Shuning uchun jarayonning matematik modeli bir butun sifatida turli miqyosdagi hodisalar modellarining sintezidir. Haqiqiy kimyoviy reaktorlar bir-biridan sezilarli darajada farq qiladi, shuning uchun matematik modellarni tuzish vazifasi jarayonning o„ziga xos xususiyatlari va uning dizaynini hisobga olgan holda har bir aniq holat uchun hal qilinishi kerak. Reaktorlarning tasniflanishiKimyoviy texnologiyada sezilarli farqlarga yega bo„lgan har xil turdagi reaktorlardan foydalaniladi. Shunga qaramay, reaktorlarni ba‟zi xususiyatlarga ko„ra tasniflash mumkin: Reaksiyaga kirishuvchi moddalarning fazaviy holatiga qarab reaktorlar bir jinsli yoki geterogen bo„lishi mumkin. Yuklash va tushirish operatsiyalarining harakteriga ko„ra davriy, uzluksiz va yarim davriy reaktorlarga farqlanadi. Reaksiya muhitining harakat rejimi bo„yicha yoki modda oqimlarining tuzilishi bo„yicha: ideal aralashtirish reaktor; ideal siqib chiqarish reaktorlari; bo„ylama aralashtiruvchi reaktorlar; bo„ylama va radial aralashtirishli reaktorlar; kombinatsiyalangan oqim tuzilishiga ega bo„lgan reaktorlar. Issiqlik rejimiga ko„ra reaktorlar izotermik, adiabatik va politropiklarga bo„linadi. Izotermik reaktorlar reaksiya fazosining barcha nuqtalarida bir xil temperaturaga ega. Adiabatik reaktor atrof-muhit bilan issiqlik almashinuviga ega emas. Bunga yaxshi issiqlik izolyatsiyasi bilan erishiladi. Politropik reaktorda atrof-muhit bilan issiqlik almashinuvi sodir bo„ladi. Konstruksiya belgisi hajmli, trubkali va kombinatsiyali reaktorlarga farqlanadi. Yuqoridagi tasniflash shuni ko„rsatadiki, haqiqiy kimyoviy reaktorlar juda ko„p xususiyatlar bilan tavsiflanadi, shuning uchun kimyoviy reaktorning matematik modelini qurishda eng muhim xususiyatlarni aniqlash va hisobga olish kerak, chunki ayni paytda barcha xususiyatlarni hisobga olish mumkin emas. Ideal aralashtiruvchi reaktorning matematik modeliIdeal aralashtirish reaktori (2.11-rasm, a va b) oqim harakati (gidrodinamik omil) va kimyoviy o„zgarish (kinetik omil) oqibatida reaksion muhitdagi konsentratsiyalarning vaqt bo„yicha o„zgarishini harakterlaydi. Shuning uchun ideal aralashtiruvchi reaktorning modelini kimyoviy reaksiya tezligini hisobga olgan holda ideal aralashtiruvchi formulaning tipik modeli (2.2) asosida tuzish mumkin. Kinetik omilni hisobga olingan holda, ideal uzluksiz aralashtirish izotermik reaktorining dinamik modeli quyidagi ko„rinishda bo„ladi: 𝑑𝐶i =𝑑𝑡
𝑟 · (𝐶𝑘i𝑟i𝑠ℎ + 𝐶𝑐ℎi𝑞i𝑠ℎ) ± Wi. (2.82) bunda 𝐶i − i-moddaning konsentratsiyasi, kmol/m3; Wi − i-modda bo„yicha reaksiya tezligi, kmol/(m3·s). 6.1,a-rasm. Aralashtirgichli reaktor (5.26) tenglama reaksiyada ishtirok etayotgan komponentlarning har biri uchun yoziladi. Quyida keltirilgan material balansi tenglamalari sistemasi (5.26) ideal aralashtirgichli reaktorning matematik modelidir. 6.1,b-rasm. Ideal almashtirishli reaktor sxemasi Quyidagi berilgan reaksiya uchun ideal aralashtiruvchi reaktorning matematik modelini yozaylik: 𝑘 𝐴 →−−−−−→ 𝐵 𝑑𝐶𝐴 1 =𝑑𝑡
=𝑑𝑡
1 𝑟 · (𝐶𝐵0 − 𝐶𝐵) + 𝑘𝐶𝐴. (6.1)} Boshlang„ich shartlar: 𝑡 = 0 da 𝐶𝐴(0) = 𝐶𝐴0 ; 𝐶𝐵 = 0. Material balansning (6.1) dagi tenglamalar sistemasidagi dinamik rejimda ishlaydigan reaktor uchun. Apparat statsionar rejimda ishlaganda: 𝑑𝐶𝐴 𝑑𝑡 = 0; 𝑑𝐶𝐵 𝑑𝑡 = 0. Bu tenglamalarni yechishdan quyidagi asosiy parametrlarni topish mumkin: asbobning xajmini harakterlaydigan, kontakt vaqtini; o„zgarishlar darajasi va jarayon selektivligini; kontakt vaqtining vazifasi sifatida reaksiyaga kirishuvchi moddalar konsentratsiyalarining o„zgarishi: 1 𝑟 · (𝐶𝐴0 − 𝐶𝐴) − 𝑘𝐶𝐴 = 0; (𝐶𝐴0 − 𝐶𝐴) = 𝑟𝑘𝐶𝐴; 𝑟 = 𝐶𝐴0 − 𝐶𝐴 ; 𝑘𝐶𝐴 𝐶𝐴 = 𝐶𝐴0 ; 1 + 𝑟𝑘 𝑥𝐴 = 𝐶𝐴0 − 𝐶𝐴 ; 𝐶𝐴0 𝐶𝐴 = 𝐶𝐴0 (1 − 𝑥𝐴); 𝑟 = 𝐶𝐴0 − 𝐶𝐴0 (1 − 𝑥𝐴) ; 𝑘𝐶𝐴0 (1 − 𝑥𝐴) 𝑥𝐴 𝑟 = . 𝑘(1 − 𝑥𝐴) Ideal almashinish reaktorining material balansi tenglamasi (5.26) ga o„xshash issiqlik balansi tenglamasi yoziladi. Shunday qilib, adiabatik reaktor uchun quyidagi tenglama olinadi: 𝜌𝑎𝑟𝐶𝑎𝑟 𝑑 𝑇 = 𝜌𝑎𝑟𝐶𝑎𝑟 𝑝
· (𝑇 𝑁 − 𝑇) + ∑(±∆𝐻 ) · W , (6.2) 𝑝 𝑑𝑡 𝑟 𝑘i𝑟 i i j=1 politrop reaktor uchun esa: 𝐶𝑎𝑟 𝑑 𝑇 = 𝑎𝑟 𝐶 𝑝 · (𝑇 𝑁 − 𝑇) + ∑(±∆𝐻 ) · W + 𝐾𝐹∆𝑇. (6.3) 𝑝 𝑑𝑡 𝑟 𝑘i𝑟 i i j=1 𝑝 bunda Wi − i-chi kimyoviy reaksiyaning tezligi; ∆𝐻i − i chi kimyoviy reaksiyaning issiqlik effekti; 𝐶𝑎𝑟 − reaksion aralashmaning issiqlik sig„imi; 𝑇𝑘i𝑟 − reaktordagi kirishdagi temperatura; 𝑇 −temperaturaning joriy qiymati. i −chi moddaning issiqlik sig„imi temperaturaning funksiyasi sifatida quyidagi tenglama bilan ifodalanadi: 2 −2 𝐶𝑃i = (𝑎i + 𝑏i · 𝑇 + 𝑐i · 𝑇 + 𝑑i · 𝑇 ) · 4,1887. (6.4) Aralashmaning issiqlik sig„imi additivlik qoidasi bo„yicha hisoblanadi: 𝑁 𝐶𝑎𝑟 = ∑ 𝐶 · 𝐶 , (6.5) 𝑝 𝑃i i i=1 bunda 𝐶i −aralashmadagi i −chi moddanipng konsentratsiyasi, massa ulush. Kimyoviy reaksiya tezligining temperaturaga bog„liqligi Arrenius tenglama bo„yicha ifodalanadi. Reaksiyaga kirishadigan moddalar konsentratsiyasi va haroratning o„zgarishini vaqt o„tishi bilan va reaktordan chiqishda kuzatib borish uchun har bir komponent uchun issiqlik balansi tenglamasi bilan birgalikda material balansining differensial tenglamalari tizimini ham yechish kerak. Ideal siqib chiqarishning matematik modeliIdeal siqib chiqarish reaktorining matematik ifodasi reaksion muhitdagi konsentratsiyalarning vaqt o„tishi bilan oqim harakati (gidrodinamik omil) va kimyoviy o„zgarish (kinetik omil) dan kelib chiqadigan o„zgarishini harakterlaydi. Siqib chiqarish reaktorining modelini kimyoviy reaksiya tezligini hisobga olgan holda ideal siqib chiqarish formulasini (2.4) tipik gidrodinamik modeli asosida ifodalash mumkin. Kinetik omil hisobga olingan holda uzluksiz ishlovchi ideal siqib chiqarish izotermik reaktorining dinamik modeli quyidagi ko„rinishda bo„ladi: ∂𝐶i = −𝑢 ∂𝑡 ∂𝐶i ∂𝑙 ± Wi (6.6) bunda 𝐶i − i −chi moddaga mos keladigan konsentratsiya; Wi − i-chi modda bo„yicha reaksiya tezligi. Ideal siqib chiqaruvchi adiabatik reaktorning issiqlik balansi tenglamasi: 𝑁 𝜌𝑎𝑟 · 𝐶𝑎𝑟 · ∂𝑇 = −𝑈 · 𝜌𝑎𝑟 · 𝐶𝑎𝑟 · ∂𝑇 + ∑(±∆𝐻 ) · W (6.7) 𝑝 ∂𝑡 𝑝 ∂𝑙 i i i=1 (6.7) tenglama reaksiyada ishtirok etuvchi har bir komponent bo„yicha yoziladi. Masalan, ideal siqib chiqarish izotermik reaktorida 𝑘 boruvchi 𝐴 →−−→ 𝐵 reaksiya uchun matematik model (dinamik rejim) quyidagi ko„rinishda bo„ladi: ∂𝐶𝐴 = −𝑢 · ∂𝑡 ∂𝐶𝐵 = −𝑢 · ∂𝑡 ∂𝐶𝐴 ∂𝑙 − 𝑘 · 𝐶𝐴; ∂𝐶𝐵 ∂𝑙 + 𝑘 · 𝐶𝐴. (6.8) O„rnatilgan (statsionar) rejimda reaktorning ishi: ∂𝐶𝐴 ∂𝑡 ∂𝐶𝐵 ∂𝑡 = 0; = 0. (6.9) U holda (6.8) tenglama quyidagi ko„rinishni oladi: ∂𝐶𝐴 𝑢 ∂𝑙 = −𝑘 · 𝐶𝐴; ∂𝐶𝑒 𝑢 ∂𝑙 = 𝑘 · 𝐶𝐴. (6.10) 𝑙 = 𝑟 ekanligi hisobga olinsa, (6.10) tenglama quyidagi 𝑢 ko„rinishni oladi: ∂𝐶𝐴 ∂𝑟 = −𝑘 · 𝐶𝐴; ∂𝐶𝐵 ∂𝑟 = 𝑘 · 𝐶𝐴. (6.11)
bunda 𝑟 − kontakt vaqti, s. (6.11) tenglamaning yechilishidan quyidagi parametrlarni topish mumkin: kantak vaqtini; jarayonning o„tish darajasi va selektivligini; reaksiyaga kirishuvchi modda konsentratsiyaning kontakt vaqtining funksiyasi sifatida o„zgarishini, ya‟ni; 𝐶𝐴 𝑟 = − 1 ∫𝐾
1 𝑑𝐶𝐴 ;𝐶𝐴 𝑟 = − 𝐾 (𝑙𝑛𝐶𝐴𝑜); 1 𝐶𝐴 𝑟 = − 𝑙𝑛 ; 𝑟 = 1 𝑙𝑛 𝐶𝐴𝑜 ; 𝐾 𝐶𝐴𝑜 𝐾 𝐶𝐴 𝑜 𝐶𝐴 = 𝐶𝐴 𝑒−𝐾𝑐; 𝑟 = 1 𝑙𝑛 𝐶𝐴𝑜 ; 𝐾 𝐶𝐴𝑜(1 − 𝑥𝐴) 1 1 𝐴 𝑟 = 𝐾 𝑙𝑛 (1 − 𝑥 ) . Ushbu modelni qo„llab, kimyoviy-texnologik jarayonlarni ideal siqib chiqarish reaktorida tadqiq etishni bajarish uchun (2.93) differensial tenglamalar sistemasini yechish kerak. Ideal siqib chiqaruvchi gomogen reaktorda boruvchi kimyoviy jarayonni tadqiq etishIdeal siqib chiqaruvchi reaktorda n-oktanning i-oktan va kreking mahsulotlariga aylanish reaksiyasi amalga oshsin: 𝑛 − 𝐶8𝐻18 −∆𝐻1 𝑘1 +∆𝐻2 → i − 𝐶8𝐻18 →−−→ 𝐶4𝐻10 + 𝐶4𝐻8, bunda 700 K da ∆𝐻1 = −7,03 j/mol – ekzotermik reaksiya; ∆𝐻2 = +85,89 j/mol – endotermik reaksiya. Reaksiyani quyidagi ko„rinishda ifodalaymiz: 𝑘1 𝑘2 𝐴 →−−−→ 𝐵 →−−−→ 𝑆 + 𝑉. Jarayonning matematik modeli (5.26, 6.2) tenglamalar hisobga olingan holda quyidagi material va issiqlik tenglamalari sistemasi ko„rinishida yozilishi mumkin: 𝑑𝐶𝐵 𝑑𝐶 =𝑑𝑡
1
=𝑑𝑡
𝑟 (𝐶𝐵0 − 𝐶𝐵) + 𝑘1𝐶𝐴 − 𝑘2𝐶𝐵; 1
𝑑 𝑇 1 = 𝑑𝑡 𝑑𝐶𝐷 =𝑑𝑡
1 𝑟 (𝐶𝐷0 − 𝐶𝐷) + 𝑘2 · 𝐶𝐵; (𝑄1 · 𝑘1 · 𝐶𝐴 + 𝑄2·𝑘2 · 𝐶𝐵) · 𝑅 · 𝑇/𝑝 =𝑑𝑡
, 𝐶𝑝 bunda 𝑝 – reaktordagi bosim, MPa. Boshlang„ich shartlar: 𝑡 = 0 da 𝐶𝐴(0) = 𝐶𝐴,0; 𝐶𝐵(0) = 𝐶𝐶(0) = 𝐶𝐷 (0) = 0, R – universal gaz doimiysi, 𝑅 = 0,00845 𝑚3·𝑀𝑃𝑎. 𝑘𝑚𝑜𝑙·𝐾 Reaksiyaning issiqlik effekti (𝑄i) i-chi reaksiyaning entalpiyasi kattaligiga (∆𝐻i) teskari ishora bilan teng bo„lganligi uchun: 𝑄i = −∆𝐻i, u holda 𝑄1 = 7,03 j/mol, 𝑄2 = − 85,89 j/mol bo„ladi. Differensial tenglamalar sistemasini yechish uchun Eylerning sonli usulidan faydalanish mumkin. Hisoblash natijalari 6.1-6.2-rasmlarda keltirilgan. 6.1-rasm. Reaksiyaga kirishadigan moddalar konsentratsiyasining vaqtga bog„liqligi 6.2-rasm. Temperatura o„zgarishining vaqtga bog„liqligi Olingan natijalar asosida shuni qayd etish mumkinki, ideal almashinish reaktorida modda konsentratsiyasi va temperaturaning o„zgarishiga qarab komponentlarning o„zgarish darajasini hisoblash mumkin. Statsionar sharoitda ideal siqib chiqarish reaktorida boradigan kimyoviy jarayonni tadqiq etishIdeal siqib chiqarish reaktorida kimyoviy reaksiyaning borishini matematik modellash usulida tadqiq etishning mohiyati reaktorning chiqishida reaksiyaga kirishadigan moddalar konsentratsiyasi va oqim temperaturasini kantakt vaqtiga bog„liqligini aniqlashdan iborat. Ideal siqib chiqarish reaktorida quyidagi kimyoviy reaksiya borsin: 𝑘1 𝑘2 𝐴 →−−−→ 𝐵 →−−−→ 𝑆 + 𝑉. Ideal siqib chiqarish reaktorida reagentlar tarkibi va oqim temperaturasi apparat uzunligi (yoki kantakt vaqti) bo„yicha o„zgarganligi uchun unda boruvchi jarayon (6.6, 6.7) differensial tenglamalar sistemasi bilan ifodalanadi. U holda kimyoviy jarayonning matematik modeli quyidagi material va issiqlik balansi tenglamalari sistemasi bilan (reaktorning ish rejimi - statsionar) yozilishi mumkin: 𝑑𝐶𝐴 ∂𝑟 = −𝑘1 · 𝐶𝐴; 𝑑𝐶𝐵 ∂𝑟 = 𝑘1 · 𝐶𝐴 − 𝑘2𝐶𝐵; 𝑑𝐶𝐶 ∂𝑟 = 𝑘2𝐶𝐵; 𝑑𝐶𝐷 ∂𝑟 = 𝑘2𝐶𝐵; (6.13) 𝑑𝑇 ∂𝑟 (𝑄1 · 𝑘1 · 𝐶𝐴 − 𝑄2·𝑘2 · 𝐶𝐵) · 𝑅 · 𝑇/𝑝 = , 𝐶𝑝 bunda 𝑘1, 𝑘2 – reaksiya tezliklari konstantalari; 𝐶𝐴, 𝐶𝐵, 𝐶𝐶, 𝐶𝐷 – komponentlar konsentratsiyalari. Differensial tenglamalar sistemasini yechish uchun Eylerning sonli usulidan foydalanish mumkin. Hisoblash natijalari 6.3-6.5-rasmlarda keltirilgan. 6.3-rasm. Ideal siqib chiqarish reaktorida komponentlar konsentratsiyalarining kantakt vaqtiga bog„liq holda o„zgarishi 6.4-rasm. Ideal siqib chiqarish reaktorida temperaturaning kantakt vaqtiga bog„liq holda o„zgarishi 6.5-rasm. Ideal siqib chiqarish reaktorida o„tish darajasining kantakt vaqtiga bog„liqligi Nazorat savollariKimyoviy texnologiyada qanday gomogen reaktorlarning konstruksiyalari qo„llaniladi ? Kimyoviy reaktorlarning tasnifini bering. Gomogen kimyoviy jarayonlarga misollar keltiring. Kimyoviy reaktorlarni modellashtirishda qaysi gidrodinamik oqim modellari keng qo„llaniladi? Kimyoviy reaktorning matematik modelini iyerarxik qurilishining mohiyati nimada? Kimyoviy reaktorlarni matematik modellashtirish natijalarini amalda qo„llash nimadan iborat? Gomogen kimyoviy reaktorlarning matematik modellari qanday tenglamalar sistemalarida tasvirlaydi? Gomogen kimyoviy reaktorlarning matematik modellarini o„rganish uchun qanday sonli usullardan foydalaniladi? Izotermik reaktorlarning matematik modellarini qurish tamoyillari qanday: ideal aralashtirish, ideal siqib chiqarish. Reaktorlarning adiabatik va politropik ishlash rejimlarida issiqlik balanslari tenglamalarini tavsiflang. Download 4.13 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: |
ma'muriyatiga murojaat qiling