Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • По лабораторной работе №1






    Отчёт

    «Оптимизация температурного режима в реакторе идеального вытеснения»

     

     

    Студент Широкова Анна

    Преподаватель Егорова Е. В.

    Вариант №23

     

    Москва – 2012 г.

     

    Постановка задачи.

    В аппарате, который можно описать моделью идеального вытеснения происходит реакция превращения вещества А1 в вещество А2. Реакция обратимая экзотермическая, прямая реакция первого порядка по А1, обратная – по А2. Температура в зоне реакции регулируется теплообменом с поверхностью теплопередачи, температуру которой Тп можно считать постоянной по всей длине аппарата, а также температурой То жидкости, входящей в аппарат.

     

    Цель работы.

    Необходимо найти такое сочетание значений температуры на входе и температуры поверхности, при котором степень превращения реагента, (равная для этой реакции выходу продукта) окажется максимальной. При этом должно соблюдаться ограничение: ни в одной точке аппарата температура не должна превышать 110° С. (383 К) При этой температуре происходит вскипание растворителя, нарушающее нормальный ход процесса. Следует учесть, что в рассматриваемом процессе прирост выхода даже на 0, 1% даёт заметный эффект, и желательно, чтобы результат оказался как можно выше.

     

    Ход работы.

     

    Работа ведётся непосредственно с пульта ЭВМ, т.е. в диалоговом режиме. В ответ на вопрос машины задаются значения температуры на входе и температуры стенки. Обе управляющие температуры можно изменять в пределах от 20 до 110°С (293-383 К). После этого на экран выводится зависимость температуры внутри реактора от времени пребывания. Время отсчитывается от момента входа смеси в аппарат (10 точек, через каждую секунду). Зависимость выводится в виде таблицы и соответствующего ей графика.

    Математическое описание (модель) процесса с учётом того, что реакция проводится в аппарате идеального вытеснения, состоит из уравнений описывающих изменение во времени концентраций реагентов и температуры:

    dc1/dt = -k01*exp(-E1 /RT)*c1 – k02 *exp(-E2/RT)*c2

    c2 = c01 – c1

    dT/dt = ((E2 – E1)/(ρ *CT))*(- (dc1/dt)) – ((ά *fT)/(ρ *CT)*(T – Tп)

    С начальными условиями при t = 0: c1 = c01, T = T0.

     

    В процессе работы строится два графика. Один – ход температуры во времени. На этом графике -10 кривых, соответствующих моделируемым режимам. Второй график строится в координатах То – Тп. Каждая точка на этом графике соответствует одному из смоделированных режимов.

          Распределение температуры по времени
    № опыта То Тп                       выход
          60, 0 59, 6 59, 0 58, 2 57, 3 56, 3 55, 3 54, 2 53, 2 52, 2 51, 3 0, 436
          95, 0 93, 1 89, 1 84, 3 79, 5 74, 9 70, 6 66, 7 63, 1 59, 9 57, 0 0, 532
          100, 0 98, 2 93, 7 88, 3 83, 0 77, 9 73, 3 69, 1 65, 2 61, 8 58, 6 0, 537
          105, 0 102, 9 97, 3 90, 9 84, 6 78, 8 73, 6 68, 8 64, 5 60, 6 57, 0 0, 539
          105, 0 102, 4 96, 3 89, 5 82, 9 76, 8 71, 2 66, 2 61, 6 57, 5 53, 8 0, 539
          105, 0 105, 4 102, 2 97, 8 93, 3 89, 1 85, 3 81, 8 78, 7 75, 9 73, 3 0, 541
          108, 0 109, 0 105, 8 101, 4 97, 0 92, 9 89, 2 85, 8 82, 8 80, 0 77, 5 0, 541
          109, 0 108, 6 103, 8 98, 1 92, 5 87, 4 82, 7 78, 5 74, 7 71, 2 68, 1 0, 542
          109, 0 107, 6 101, 9 95, 3 89, 0 83, 3 78, 0 73, 3 69, 0 65, 1 61, 6 0, 542
          80, 0 79, 1 77, 2 74, 8 72, 2 69, 6 67, 1 64, 7 62, 4 60, 4 58, 5 0, 512

    Полученные результаты:

     

     

     

     

    Примечание: около каждой точки обозначен номер соответствующего ей опыта и значение степени превращения, полученного в этом режиме.

     

     

    Обсуждение результатов.

     

    Таким образом, было смоделировано 10 различных режимов работы. В процессе выполнения работы температура реакционной смеси и стенки постепенно поднималась от минимальных значений к максимальным. В рассматриваемом реакторе протекает обратимая экзотермическая реакция, то есть реакция, протекающая с выделением тепла (Δ Н< 0). С точки зрения термодинамики, константа скорости прямой реакции в нашем случае будет падать с ростом температуры:

     

    dlnk/dt = Δ H°/(RT2);

     

    dlnk/dt < 0, k=f(T) ↓

     

    Аналогично, в соответствии с принципом Ле-Шателье равновесие процесса смещается в сторону образования исходных веществ.

    Рассмотрим систему с точки зрения разности энергий активации прямой и обратной реакции. Энергия активации есть минимальная энергия, которой должны обладать молекулы, чтобы их столкновение могло привести к химическому взаимодействию. Так как протекающая в системе реакция экзотермическая, энергия активации прямой реакции меньше, чем энергия активации обратной. Это видно из энергетической диаграммы:

     

    Повышение температуры приводит к увеличению кинетической энергии всех частиц в системе, следовательно увеличивается число активных столкновений, увеличиваются скорости как прямой, так и обратной реакции. Зависимость скорости реакции от температуры выражается уравнением Аррениуса:

    k = A*exp (-E/R*T)

    k – константа скорости реакции; А – Предэкспоненциальный множитель; Е – энергия активации; R – универсальная газовая постоянная Т – температура.

    Чем больше значение энергии активации, тем больше скорость реакции зависит от температуры. Так как а нашем случае Е2> Е1, с ростом температуры k2 растёт быстрее k1, следовательно скорость обратной реакции возрастает сильнее, чем прямой. Равновесие смещается в нежелательную сторону.

    Скорость реакции также зависит от концентраций исходного вещества и продукта. Эта зависимость выражается кинетическими уравнениями:

    r1= k1CA1

    r2= k2CA2

    Скорость прямой реакции тем выше, чем больше концентрация исходного компонента. Аналогично и для обратной реакции.

    Рост выхода продукта при повышении температуры исходной смеси и при понижении температуры стенки можно объяснить следующим образом. В первые секунды реакции в системе ещё не накопилось большого количества продукта, скорость обратной реакции мала из-за малой концентрации продукта (скорость реакции определяет концентрация, а не температура). Когда в системе накопится достаточное количество продукта, скорость обратной реакции будет преобладать.

    Вывод: пока еще не накопилось достаточное количество конечного продукта, процесс выгодно вести при высокой температуре, чтобы увеличить скорость прямой реакции, а затем температуру следует снижать, чтобы сместив равновесие в нужную сторону, добиться максимального выхода продукта.

     






    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.