Исходные величины и физический смысл
Для исходного примера заданы Объём реактора (л) — 18 л; Расход жидкости (л/с) — 1.3 л/с; Исходная концентрация A (моль/л) — 0.55 моль/л; Объёмная константа реакции (1/с) — 0.25 1/с. Значения относятся к одному расчётному режиму и должны быть согласованы по температуре, составу и единицам измерения. Увеличение объёма обычно меняет время контакта, но математический эффект зависит от схемы перемешивания и порядка химического превращения.
Дополнительные параметры в этой модели: Объёмный коэффициент массопередачи (1/с) (1/с). Пользователь задаёт только параметры, которые участвуют в вычислении. Измеренная кинетическая константа должна соответствовать конкретной реакции и её закону скорости: одинаковые числа при первом и втором порядке означают разные физические скорости. Для задачи «Скорость реакции и внешнего массопереноса в реакторе вытеснения» учитывают именно указанную схему потоков и реакции, а не усреднённый реактор.
Материальный баланс и математическая модель
Формула расчёта: 1/kэфф=1/kпов+1/kплён; X=1−e^(−kэффτ). Она описывает принятую схему движения вещества и служит связью между входной подачей, превращением и составом выхода. Катализатор может работать медленнее не из-за химического механизма, а из-за подвода вещества к поверхности. Сопротивления плёнки и реакции складываются последовательно. Для проверки полезно убедиться, что вычисленный расход израсходованного реагента не превышает количество, поступающее с внешним свежим потоком.
При расчёте «Скорость реакции и внешнего массопереноса в реакторе вытеснения» концентрации приводятся к моль/л, а объёмные расходы — к л/с. Для проточной аппаратуры поток вещества равен произведению концентрации на объёмный расход. Там, где присутствует возврат или промежуточная подача, необходим отдельный баланс смешения: нельзя механически подставлять объёмный расход внешнего питания вместо фактического внутреннего расхода.
Контрольные числа и сравнение двух режимов
В первом контрольном опыте вычислено «Конверсия, %» = 71.1368 и «Эффективная константа, 1/с» = 0.0897436. Эти значения получены из полного набора полей формы; отдельное изменение только одного исходного числа позволяет проследить чувствительность результата без смешения нескольких причин.
Во втором контрольном опыте параметр «Объём реактора (л)» меняется с 18 на 37.26. Тогда показатель «Конверсия, %» становится равным 92.3632. Остальные данные оставлены неизменными. Такое сравнение особенно полезно для подбора режима, но не учитывает возможную одновременную перестройку температуры, гидродинамики или свойств катализатора в настоящем аппарате.
Границы применимости и контроль достоверности
Для этой постановки приняты следующие ограничения: Линейная скорость и два последовательных сопротивления, приведённых к объёмным коэффициентам. В промышленных реакторах могут возникать застойные зоны, обратное перемешивание, неодинаковая температура и побочные реакции. Калькулятор не выводит подобные явления из одних только концентрации, объёма и расхода. При выходе за область допущений модель следует расширить или заменить.
Проверка решения начинается с материального баланса: вещество не должно возникать из ничего, отрицательные концентрации недопустимы, а конверсия необратимого пути находится между нулём и ста процентами. Для реакций с несколькими продуктами сумма их молярных потоков должна соответствовать использованной стехиометрии. Отдельно проверяйте ограничения равновесия и не путайте суммарную конверсию с выходом нужного продукта. В модели «Скорость реакции и внешнего массопереноса в реакторе вытеснения» дополнительно сверяют расчётный показатель «Конверсия, %» с технологическим балансом.
Формула расчёта
1/kэфф=1/kпов+1/kплён; X=1−e^(−kэффτ)
Проверенные примеры
Объём реактора (л) = 18 л; Расход жидкости (л/с) = 1.3 л/с; Исходная концентрация A (моль/л) = 0.55 моль/л; Объёмная константа реакции (1/с) = 0.25 1/с; Объёмный коэффициент массопередачи (1/с) = 0.14 1/с
Конверсия, % = 71.1368; Эффективная константа, 1/с = 0.0897436; Выходная концентрация, моль/л = 0.158747; Расход превращённого реагента, моль/с = 0.508628; Доля сопротивления плёнки, % = 64.1026
Объём реактора (л) = 37.26 л; Расход жидкости (л/с) = 1.3 л/с; Исходная концентрация A (моль/л) = 0.55 моль/л; Объёмная константа реакции (1/с) = 0.25 1/с; Объёмный коэффициент массопередачи (1/с) = 0.14 1/с
Конверсия, % = 92.3632; Эффективная константа, 1/с = 0.0897436; Выходная концентрация, моль/л = 0.0420025; Расход превращённого реагента, моль/с = 0.660397; Доля сопротивления плёнки, % = 64.1026
Объём реактора (л) = 18 л; Расход жидкости (л/с) = 2.691 л/с; Исходная концентрация A (моль/л) = 0.55 моль/л; Объёмная константа реакции (1/с) = 0.25 1/с; Объёмный коэффициент массопередачи (1/с) = 0.14 1/с
Конверсия, % = 45.1348; Эффективная константа, 1/с = 0.0897436; Выходная концентрация, моль/л = 0.301758; Расход превращённого реагента, моль/с = 0.668018; Доля сопротивления плёнки, % = 64.1026
Как пользоваться онлайн-калькулятором
- Введите «Объём реактора» (л) в допустимом диапазоне.
- Введите «Расход жидкости» (л/с) в допустимом диапазоне.
- Введите «Исходная концентрация A» (моль/л) в допустимом диапазоне.
- Введите «Объёмная константа реакции» (1/с) в допустимом диапазоне.
- Введите «Объёмный коэффициент массопередачи» (1/с) в допустимом диапазоне.
- Проверьте физические допущения и выходные показатели.