VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Настоящая работа является продолжением исследований по влиянию перемешивания на протекание химических реакций [1-7]. В серии предыдущих работ было показано, что в случае проведения в аппарате с мешалкой быстрых реакций наблюдается локализация зоны химической реакции вблизи зоны дозирования, размеры этой зоны малы по сравнению с объемом всего реактора и зависят от величины энергии рассеиваемой в единице массы перемешиваемой жидкости [5-6]. В том случае когда в реакторе осуществляются конкурирующие реакции сильно отличающиеся константами скоростей на продолжительность процесса химического превращения существенное влияние оказывают процессы массопереноса. Несмотря на существенное различие в константах скоростей количество реагента, дозируемого в реактор, расходуемого в параллельных реакциях одного порядка. Время в течение которого существуют глобулы содержащие дозируемый реагент исчисляется долями секунды [7]. Это означает, что весь дозируемый в реактор реагент расходуется в пределах зоны реакции.

Все вышесказанное позволяет представить весь объем реактора в виде двух зон. Первая зона – это зона дозирования, которую можно представить как трубы, в которой движется жидкость с диспергированными в ней глобулами дозируемого реагента. Предварительно растворенные в сплошной фазе реагенты за счет массопереноса транспортируются к внешней поверхности глобул. Реагенты быстрой реакции реагируют между собой в зоне близкой к этой поверхности. Реагент медленной реакции попадает во внутрь глобулы и в ее объеме реагирует с дозируемым реагентом. Весь дозируемый реагент расходуется в пределах зоны дозирования.

Вторая зона представляется как своеобразный усреднитель. В его объеме происходит выравнивание концентраций предварительно растворенных реагентов и продуктов реакций. Общение между зонами обеспечивается за счет циркуляционного потока создаваемого перемешивающим устройством. В первую зону поступается не весь циркуляционный поток создаваемый мешалкой, но только его часть. Величина циркуляционного потока поступающего в зону реакции определяется площадью поперечного сечения зоны реакции местной скоростью движения перемешиваемой жидкости через сечение.

Была разработана математическая модель реактора, представляющая собой систему уравнение по каждому участнику событий, вида:

.

Эта система формируется на основе использования законов сохранения субстанции и с применением блочного принципа построения моделей. В эти уравнения в обязательном порядке входят причинно-следственные связи, влияние которых на поведение объекта необходимо исследовать. Система уравнений сохранения дополняется начальными и граничными условиями, набором ограничений на пределы изменения параметром:

.

Подсистема базовых уравнений сохранения дополняется подсистемой уравнений для расчета различных кинетических коэффициентов, входящих в подсистему базовых уравнений, в граничные и начальные условия (константы скоростей химических реакций, коэффициенты массообмена на границе раздела фаз и др.)[9].

Исследуемая система представляет собой химические реакции нейтрализации и омыления этилхлорацетата (ЭХА). Кинетическая схема реакций[8]:

Константы скоростей реакции нейтрализации: , м³/моль с, и реакции омыления ЭХА: , м³/моль с.

Результаты расчетов показали, что значительное влияние на выход в сложной реакции влияют условия перемешивания. Скорость вращения мешалки оказывает сильной влияние на долю щелочи расходуемой в реакции омыления. Изменение скорости вращения мешалки существенно изменяет величину циркуляционного потока создаваемого перемешивающим устройством. Результаты расчетов показали, что соотношение величины τ представляющей отношение циркуляционного потока к потоку дозирования тоже влияет на выход спирта ψ (см. рисунок). Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными работ [8].

Рис. Влияние соотношения расходов τ на выход спирта ψ.

Литература:

1. Тишин, О.А. К вопросу об изучении кинетики химических реакций в проточных аппаратах / О.А. Тишин, Н.В. Тябин, А.П. Дарманян // Журнал прикладной химии, 1985, VIII, №9, стр.2046-2050

2 .Тишин, О.А. Исследование качества перемешивания жидких сред в статических смесителях / О.А. Тишин, Н.В. Тябин, А.П. Дарманян, С.Н. Романов // Журнал прикладной химии, 1988, т.61, №9, стр.2028-2032

3.Тишин, О.А. Экспериментальное исследование микроперемешивания в центробежных статических смесителях и интенсификация перемешивания с их помощью 6-ая Европейская конференция по перемешиванию, / О.А. Тишин, Н.В. Тябин, А.П. Дарманян, С.Н. Романов // Павия, Италия, 1988, стр183-190

4. Тишин, О.А. Определение условий предварительной смешанности в аппаратах с мешалками / О.А. Тишин, И.Н. Дорохов // Журнал прикладной химии, 2002, т.75, № 11, стр.-1877-1880

5. Тишин, О.А. Определение условий обеспечивающих в аппаратах с мешалками распределение времени пребывания, соответствующее модели идеального перемешивания / О.А. Тишин, И.Н. Дорохов, А.Ф. Качегин // Известия ВУЗов Химия и химическая технология, 2002, т.45, вып.5, стр.-70-73

6. Тишин, О.А. Выбор числа оборотов перемешивающего устройства в аппарате с мешалкой / О.А. Тишин, А.В. Девкин // Известия Волгограского государственного технического университета. Серия «реология, процессы и аппараты химических технологий» 2010. т.№ 1(61). 89-92

7. Тишин, О.А. Экспериментальное исследование процесса перемешивания в аппарате с мешалкой / О.А. Тишин, Т.В. Островская, А.В Девкин // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Реология, процессы и аппараты химических технологий» Вып. 5 Сб. научн. ст./ ВолгГТУ.-Волгоград, 2012 т. №1, С.- 88-90

8. Verschuren, I.L.M, J.G. Wijers, and J.T.F. Keurentjes “Effect of mixing on the product quality in semi-batch stirred tank reactors”, A.I.Ch.E. J. (2001), v47, (6), p.661-665

9. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш М.В. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета. Л.: Химия, 1984 г. 336 с.

Код для цитирования: Скопировать