Законы сохранения в закрытой системе Закон сохранения массы Закон сохранения энергии
 Скачать 419.5 Kb.
|
|
2.Непрерывный процесс – процесс, в котором поступление сырья в реактор и выпуск продукции происходит непрерывным потоком в течение длительного времени. Основные свойства 1) Технологическая переменная является функцией пространства и не является функцией времени.   Г = f(L) = f (x,y,z)   Определение непрерывного процесса совпадает с определением стационарного процесса, но понятие непрерывного процесса шире, чем понятие стационарного, поскольку может быть непрерывным и нестационарный процесс. В непрерывном процессе стационарным является только установившийся режим. Если говорить о реальных непрерывных процессах в промышленных условиях от различных факторов (изменение состава сырья, изменение атмосферных условий, изменение активности катализатора) непрерывный процесс не всегда является установившимся стационарным процессом.   I – пуск установки или процесса II – установившийся режим – стационарный режим III – остановка процесса В зависимости от производства I – стадия может проходить в течение 1-3ч. Особенность: II – стадия протекает в десятки или сотни раз дольше, чем суммарно I,II и IV. 2) Отсутствие цикличности. Особенность непрерывного процесса является то, что для него характерен как стационарный, так и нестационарный процесс (периоды пуска, остановок, отклонений от установившегося режима за счет изменения внешних факторов). Примеры непрерывных производств: Хлорирование углеводородов, хлорирование неорганических веществ в печах КИПЯЩЕГО СЛОЯ, крекинг нефтепродуктов, производства кислот, солей, удобрений. В ряде случаев может быть специально задан непрерывный режим с изменяющимся потоком сырья во времени. Такой процесс является и нестационарным. Существуют полунепрерывные или полупериодические процессы. Это такие процессы, в которых одна из операций осуществляется непрерывно, а другая периодически. Такие процессы являются нестационарными. Пример: доменный процесс, производство алюминия, магния и так далее. Достоинства непрерывных процессов
Достоинства непрерывных процессов являются недостатками периодических. Поэтому во многих случаях целесообразен перевод периодических процессов на непрерывные процессы. Причины существования периодических процессов
3. Стационарные системы Стационарной называется поточная система, в которой потоки постоянны во времени. и  В стационарной системе не происходит изменения плотности потока во времени. Параметры состояния и состав потока являются только внутренней характеристикой системы. P = I(L) ; T = f(L) ; Ci = Ф(L) L – линейный размер системы. Допуская существование только конвективного потока, имеем из уравнения Дамкелера:  Если движущийся поток несжимаем,  ,тогда:  .Это уравнение характеризует систему, свободную от источников, причем вещество, в ней не образуется и не теряется. Рассмотрим стационарный конвективный поток вещества только в одном направлении вдоль оси «х» и проведем расчет не по плотности потока, а по потоку, протекающему через рассматриваемое сечение «F». Для оси «х»:  . Умножим на «F» и получим поток: . Значит:  или  Поскольку  ,то в векторной форме: VF=Const или  Это уравнение представляет собой простейшую и наиболее употребляемую форму уравнения неразрывности. Рассматривая поток, протекающий в объеме, то есть количество вещества, имеем:  , pVR = m – масса вещества mVx = const, mV = const, m1V1 = m2V2 Это простейшее выражение закона сохранения количества движения. 4.Нестационарные системы (процессы) Нестационарными называют поточные системы, в которых потоки являются переменными во времени.  - частная производная от обобщенной плотности по времени.Тогда:  Следовательно, параметры состояния зависят от времени и место своего измерения. Это означает, что любое местное изменение в системе характеризуется изменением плотности потока. Для нестационарных процессов в уравнении Дамкелера всегда присутствуют пятый член, характеризующий локальные (местные) изменения в системе. Пример: нестационарная система, в которой протекает периодический процесс. Уравнение Дамкелера для потока компонента с учетом того, что: - гомогенная система, следовательно, при описании не будет в уравнении переходящего потока. - Диффузионным потоком можно пренебречь примет следующий вид:  (1) В условиях интенсивного перемешивания реакционной среды, когда диффузионным потоком можно пренебречь. Все изменения реагирующих веществ в такой системе будут происходить только в результате расходования или образования за счет протекающих химических реакций. Выразим dCi через начальную концентрацию и степень превращения.    (2) выразим время: (3) – выражение для времени пребыванияПроинтегрируем (3) : в процессе.  (4)  - время пребывания, необходимое для достижения нужной степени превращения при определенных условиях процесса.Уравнение (4) описывает нестационарный процесс для потока компонента. Примером нестационарного процесса может быть химический реактор периодического действия. В общем случае:  Для потока теплоты:  λ- коэффициент теплопроводности; λ=a*p*Cp a- коэффициент температуропроводности.  Поделим на р*Ср Тогда при   Получим:  Для потока компонента:  или  5. Открытые системы Открытыми называют такие системы, в которых процесс проводится в условиях непрерывного ввода в реакционное пространство исходных веществ при непрерывном выводе из реакционного пространства продуктов реакции и непрореагировавших исходных веществ. Поскольку организованное перемещение вещества – это конвективный поток, поэтому первый член уравнения Дамкелера обязательно будет выражением конвективного потока. Изменение конвективной плотности потока будет являться отличительной особенностью открытой системы.  - уравнение Дамкелера для открытой системы.Исходя из этого выражения и определения открытой системы следует, что определение открытой поточной системы полностью совпадает с определением непрерывного процесса без всяких ограничений. Закрытые системы Закрытыми называют системы, в которых процесс происходит при отсутствии обмена веществом, энергией или импульсом с окружающим пространством. По определению закона сохранения, закрытыми системами называются такие системы, в которых отсутствует конвективный поток. Уравнение Дамкелера для закрытой системы будет иметь вид.  Определение закрытой системы совпадает с определением периодического процесса без каких-либо ограничений. Совместимые понятия 1. Стационарный процесс непрерывный открытый 2. Нестационарный процесс периодический закрытый Несовместимые понятия Стационарный Периодический Стационарный Закрытый Открытый Периодический Классификация систем по фазовому состоянию реагента
1. Гомогенная система – система, в которой процессы протекают в одной фазе, чаще всего в газовой и жидкой фазах. Реже твердофазные процессы. Газовая фаза:- окисление серы, сероводорода и др. В органическом синтезе большой объем процессов, протекающих в газовой фазе: Δ сжигание природного газа Δ сжигание жидкого топлива Δ процессы хлорирования В жидкой фазе – как в органическом так и в неорганическом синтезе: Δ Обменные реакции между кислотой и щелочью Δ Получение адипиновой кислоты. Исходя из определения гомогенного процесса или гомогенной системы, можно сказать, что гомогенные процессы могут быть охарактеризованы или описаны уравнениями Дамкелера, в которых будет отсутствовать выражение переходящего потока. e*w*ΔΓ = 0 Для открытой гомогенной системы:  (1)Для закрытой системы:  (2)В условиях все возрастающей интенсификации химико-технологических процессов диффузионным переносом вещества, энергии или импульса можно пренебречь, поскольку концентрация вещества, поток теплоты и количество движения внутри фазы устанавливаются практически мгновенно. gradГ→0 Для открытой системы:  (3)Для закрытой системы:  (4)В случае только потока компонента уравнение (4) можно выразить следующим образом:  (5)Анализируя уравнение (5), которое описывает закрытую гомогенную систему для потока компонента, следует вывод: изменение концентрации реагирующих веществ происходит только в результате их расходования или образуется за счет протекающих химических реакций. Гомогенные процессы протекают, как правило, в кинетической области, и общая скорость процесса будет определяться скоростью химической реакции. A→R n=1 2A→R n=2 Запишем выражение скорости для уравнения 1-го порядка   для n=1 Для реакции 2-го порядка:  при n=2Если эти уравнения проинтегрировать в пределах  , получим:   Если хА,0 = 0, эти выражения примут вид:   Эти выражения позволяют определить время, необходимое для достижения заданной степени превращения при протекании гомогенного процесса. 2.Способы повышения скорости гомогенных процессов.
4. Перемешивание – в случае мгновенно протекающих реакций, когда gradCi ≠ 0 3. Гетерогенные системы Гетерогенные системы – это системы, состоящие из двух и более фаз, представляющие собой совокупность целого ряда параллельных и последовательных стадий, включающих и гомогенную химическую реакцию. В гетерогенных системах реагирующие вещества, которые могут находиться в разных фазах, и образовывать двух, трех и четырех фазные системы. В химической технологии наиболее часто встречаются двух фазные системы - газ – жидкость - газ – твердое - жидкость – твердое Из трех фазных: - газ – жидкость – твердое - газ –Ж1 – Ж2 Имеют место реже четырех фазные: - газ – Ж – Тв1 – Тв2 За отдельную фазу принимают только основные компоненты и не учитывают фазовое состояние примесей. Гетерогенные процессы являются более сложными по механизму протекания, по сравнению с гомогенными, поскольку реагирующие вещества находятся в разных фазах и подвод их к поверхности раздела фаз, где и происходит само химическое взаимодействие, осуществляется в результате молекулярной или конвективной диффузии. В любом гетерогенном процессе можно выделить 3 основные стадии одновременно протекающие: 1. Диффузия реагента в границе раздела фаз 2. Химическое превращение сырья в конечные продукты 3. Диффузия продуктов реакции из зоны реакции. Скорость гетерогенного процесса будет определяться несколькими факторами. Ее можно выразить: W = K*F*ΔC, где К – константа скорости химической реакции F – поверхность контакта фаз ΔС – движущая сила процесса. В зависимости от того, какая из стадий будет протекать наиболее медленно, можно выделить 3 случая: 1.Скорость химической реакции значительно меньше, чем скорость диффузионных процессов. Суммарная скорость будет определяться только скоростью химической реакции. Гетерогенный процесс протекает в кинетической области. 2. Скорость диффузии значительно меньше, чем скорость химической реакции. Суммарная скорость будет определяться скоростью диффузионных процессов. Такой процесс будет протекать в диффузионной области.
|