Практическая часть. 
Реакция дегидрирования н-бутана

Математическая модель — это система уравнений, которая устанавливает взаимосвязь между входными и выходными параметрами реактора. Математическая модель реактора должна содержать минимальное количество уравнений при сохранении качественных и количественных характеристик реактора. Математическую модель реактора рассматривают по четырём уровням:

Уравнение материального баланса.

Уравнение теплового баланса.

Кинетическое уравнение (или уравнения, если в реакторе протекает несколько реакций).

Уравнение, описывающее гидродинамическую обстановку в реакторе.

Для упрощения математической модели вводят допущения, которые существенно упрощают математический аппарат, при этом не изменяют сущность рассматриваемого объекта. Применительно к химическому реактору, наибольшую сложность представляют уравнения, описывающие гидродинамическую обстановку в реакторе. Поэтому были созданы модели идеализированных реакторов, в которых характер движения реагентов ограничивается двумя режимами: полного смешения и идеального вытеснения.

Модель идеального вытеснения предполагает, что реактор представляет собой вытянутый канал, то есть один из геометрических размеров которого (длина или высота) много больше другого геометрического размера (диаметра): L>>D или H>>D. Модель идеального вытеснения предполагает «поршневой» режим движения реагентов. То есть поток реагентов можно разбить на N слоёв бесконечно малой длины, каждый из которых продвигается в направлении от входа в реактор к выходу, выталкивая впереди идущий слой. Таким образом, в модели идеального вытеснения запрещено перемешивание в направлении оси потока, но разрешено радиальное перемешивание. В отличие от модели полного смешения, в реакторе идеального вытеснения (РИВ) изменение всех параметров происходит плавно по длине реактора. По модели РИВ могут рассматриваться только проточные реактора.

Дегидрирование бутана проводят в адиабатическом реакторе полного смешения.

Кинетическое уравнение:

U=k+*(PC4H10/PC4H8)*(1-P C4H8*PH2/(PC4H10*Kp)).

(м3С4H10/м3*с) Зависимость константы скорости прямой реакции от температуры:

Lg (K+)=9,6−9050/T.

Зависимость константы равновесия от температуры:

lgKp=-6700/T +7.574.

Определить наилучший температурный режим реактора полного смешения и производительность по бутену, если исходный состав (мольные доли): бутан 0,1−0,3, бутен 0,01, водород 0,02, остальное — азот, расход смеси 10 000−20 000 м3/ч, температура смеси на входе в реактор 800−1200 К, давление 0,5 -2 Мпа.

С4H10 >C4H8 + H2.

Так как адиабатический коэффициент нашей задачи имеет отрицательный знак то температура в адиабатическом реакторе будет ниже, а значит константа реакции будет меньше при адиабатическом, чем при изотермическом режиме реактора. Следовательно при одинаковом объёме реактора степень превращения при изотермическом режиме будет выше. Таким образом, выгоднее будет использовать изотермический режим.

Построим график для производительности:

бутилен химический реакция дегидрирование.

На данной графической зависимости видно, что производительность изотермического реактора выше, чем адиабатического реактора. Это обусловлено тем, что степень превращения в изотермическом выше, чем в адиабатическом реакторе. Следовательно, максимальная производительность н-бутилена обеспечивается при использовании изотермического температурного режима. [3].

Рассмотрим изменения производительности в температурном интервале 800−1200:

Приведем и рассмотрим три графических зависимости для производительности, меняя температуру реактора на входе.

T= 800 K.

T= 1000 K.

T=1200 K.

Как мы видим, увеличение исходной температуры приводит к незначительному увеличению производительности, точнее её максимального порога, но на достижение одинаковой производительности требуется гораздо меньший объем реактора.

Теперь рассмотрим как влияет на производительность увеличение давления в реакторе. Приведем соответствующие графические зависимости.

P = 0,5 атм.

Р= 1 атм.

P= 2 атм.

Мы видим что наиболее оптимальные значения давления — ниже атмосферного. Именно при этих давлениях для достижения заданного значения производительности потребуется наименьший по объему реактор.

Рассмотри влияние на производительность увеличение объемного расхода реагентов:

VNS = 10 000.

VNS=15 000.

VNS = 20 000.

Мы видим, что увеличение объемного расхода приводит к увеличению максимального значения производительности, и мы видим что при одном и том же объеме реактора значение производительности с увеличением расхода реагентов увеличивается.

Рассмотрим, как будет влиять на производительность изменение начальной концентрации н-бутана.

ZNA = 0,1.

ZNA = 0,2.

ZNA = 0,3.

Мы видим что увеличение начальной концентрации н-бутана приведет к увеличению как максимального значения производительности, так и приведет к уменьшению объема реактора необходимого для достижения одинакового значения производительности.