Расчет непрерывных процессов

Исходные данные: а) время (продолжительность) контакта фаз, ; б) объ­емная скорость процесса и или удельная производительность q, т.е. количе­ство целевого продукта или перерабатываемого сырья в единицу времени в единице объема или массы гетерогенного катализатора.

Для непрерывных жидкофазных процессов объемный расход определя­ют по массовому расходу:

Для газофазных процессов объемный расход определяют по уравнению состояния идеальных газов:

Z - коэффициент сжимаемости j -го компонента.

, Т₀ - параметры на входе в реактор.

Если объем смеси при проведении процесса не изменяется, то пользуют­ся истинным временем контакта фаз т. Если объем изменяется, то вводят ус­ловное время контакта, которое определяется по исходному объемному по­току. Тогда рабочий объем аппарата находится как:

 

Удельная производительность часто задается по целевому продукту.

 

 

В этом случае рассчитывают объем реактора

G_ВВ - поток

Или определяют массу катализатора:

Зная насыпную плотность катализатора, рассчитывают

Зная эти величины, подбирают стандартный аппарат или рассчитывают число аппаратов, или конструируют специальный аппарат. Диаметр аппарата

и площадь сечения определяют, задаваясь допустимой скоростью потока, ко­торую выбирают из рекомендуемого ряда.

Для газовых потоков расчет ведут по условиям на входе в аппарат:

S=W/w

W - объемный расход

w - скорость

S - площадь сечения

Если аппарат заполнен насадкой или зернистым материалом, то опреде­ляют фиктивную скорость процесса:

w — линейная скорость

— доля свободного объема (порозность слоя материала).

Расчет сечения аппарата ведут по этой скорости.

Определяют высоту аппарата:

Н = V/S

Полученную величину делят на коэффициент заполнения аппарата Н_пол = Н/ . Н_пол - полная высота аппарата.

Затем эту высоту увеличивают для установки встроенных устройств (распределительные и перераспределительные тарелки, теплообменники, форсунки и т.д.).

Затем определяют количество параллельно работающих раекторов, зная площадь сечения стандартного раектора: n=S/S_станд

_.

Тема: Эксергический анализ

Выбор оптимального способа производства продукта и технологическо­го оформления процесса осуществляется в соответствии с критерием, кото­рый должен учитывать затраты энергии и потерю способности энергии, со­вершать работу. При этом необходимо обеспечить оптимальный выход про­дукта.

Эксергический анализ проводится для того, чтобы учесть качество энер­гии, выявить каналы и пути снижения потерь, оценить альтернативные вари­анты процесса.

В эксергическом анализе уровнем отсчёта состояния системы является окружающая среда. В данном случае окружающая среда - это абстрактное понятие бесконечно большой среды по отношению к рассматриваемой сис­теме. Поэтому любое воздействие со стороны системы вызывает пренебре­жимо малые отклики в окружающей среде. Все компоненты окружающей среды находятся в термодинамическом равновесии, а сама среда является не­исчерпаемым и бесплатным источником содержащихся в ней веществ и теп­ла. Желательно, чтобы используемая в эксергическом анализе окружающая среда была максимально приближена к природе, например, атмосфера, миро­вой океан, космос. Параметры окружающей среды считаются постоянными.

Для полной характеристики достаточно знать Р среды, Т среды и химический состав, т. е. потенциал.

Любая система может совершать работу до тех пор, пока её параметры не сравняются с параметрами окружающей среды, т. е. наступает термодина­мическое равновесие.

Т. о., любая система обладает некоторым запасом работоспособной энергии, которую называют эксергией. Величина эксергии определяется со­стоянием системы и состоянием окружающей среды.

Эксергия системы в некотором состоянии - максимальная работа, кото­рую способна совершить система в процессе перехода от данного состояния к равновесию с окружающей средой.

 

Работа открытой системы.

Большинство ТД систем, в том числе и химических аппаратов, являются открытыми, т. е. обмениваются с окружающей средой энергией и веществом.

 

 

Рассмотрим открытую ТД систему и определим её работу. В трубу сече­нием S поступает поток газа с давлением Р₁ и скоростью W₁ . Двигаясь по трубе, газ может расширяться, участвовать в химических процессах, нагре­ваться или охлаждаться, т. е. газ совершает внешнюю работу. Параметры на выходе газа Р₂, W₂.

Считаем, что параметры потока однородны по сечению и определим внешнюю работу, которую может совершить поток газа в стац. режиме в единицу времени.

Рассмотрим в ТД системе элемент трубы объёмом ΔV, шириной ΔХ — >О и определим работу газа по перемещению ΔV за Δτ— > 0.

На левое сечение объема действует сила Р_ХS, на правое Р_(х+Δх)S.

Работу определим как произведение силы на перемещение, т.е. за время Δτ левое сечение переместится на расстояниеw_хΔτ, правое сечение на w_(х+Δх)Δτ. Тогда работа силы давления:

в левом сечении: Р_хSw_хΔτ;

в правом сечении: -Р _(x+Δх)Sw _(Х+Δх) Δτ

Суммарная работа:

-[Р_х+ΔхW_х+Δх-Р_хw_х]SΔτ = -Δ(рw)SΔτ

Т.к. величина Δх и Δτ— > 0, то Δ(рw) заменим на dpw

dpw=pdw+wdp

wS=W (м³/с) - объемный расход.

Элементарная работа на участке трубы dх:

-(рdw+ wdp)Δτ

Работа по всей длине трубы за время Δτ определяется как:

Этот интеграл криволинейный. Выражение является работой газа, который в данный момент времени находится в трубе. Однако система открытая и за промежуток времени Δτ в трубу поступило количество газа w₁τ, а вышло из трубы w₂Δτ.

Т.к. режим стационарный, т.е. состояние газа в трубе не меняется, вышедший объем газа можно рассматривать как расширение вошедшего от W₁ до W₂ , что привело к изменению давления от р₁ до р₂. Тогда данный объем произвёл работу: . Эта величина характеризует разницу в работоспособности вошедшего газа, поэтому эту величину прибавляем к выражению для работы системы (а).

Величина (а) характеризует работу отрытой системы. Суммарная работа, которую производит поток газа в отрытой системе определяется как:

(В)

Так как режим стационарный, то можно рассматривать работу в единицу времени (Δτ убираем)

Эта работа, затраченная на преодоление сил сопротивления потока – полезная механическая работа. Силы сопротивления могут быть вызваны как вредными, так и специальными устройствами для съёма работы, например, лопатками турбины.