Выбор реактора идеального вытеснения или полного смешения в адиабатическом режиме работы для синтеза аммиака

37

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)

Кафедра технологии катализаторов Факультет: химическая технология

органических веществ и

полимерных материалов

Курс 3

Группа 442

Учебная дисциплина: Общая химическая технология

Курсовая работа

Тема: Выбор реактора идеального вытеснения или полного смешения в адиабатическом режиме работы для синтеза аммиака

Введение

Соединения азота играют исключительно важную роль на земле поскольку они являются составной частью всех белковых соединений и находят мировое применение во всех областях деятельности человека . Азот - один из наиболее распространенных элементов в земной коре (около 0,04%), а содержание его в воздухе составляет около 78%. Однако ввиду большой прочности связи в молекуле азота проблема получения его соединений искусственным путем была решена сравнительно недавно.

В настоящее время основным промежуточным продуктом для получения огромного числа различных азотсодержащих соединений являетяся аммиак, а синтех его из водорода и азота - единстваенным крупномасштабным методом производства этого важнейшего продукта.

Аммиак -- ключевой продукт различных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности и сельском хозяйстве; на нем полностью базируется азотно-туковая отрасль

Состав аммиака был установлен К. Бертолле в 1784 г. Аммиак NH₃ -- основание, умеренно сильный восстановительный агент и эффективный комплексообразователь по отношению к катионам, обладающим вакантными связывающими орбиталями.

1. Краткие сведения о технологическом процессе

Физико-химические основы процесса. Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению реакции:

,

?Н<0

Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется большим отрицательным энтальпийным эффектом (?Н₂₉₈ = -91,96 кДж/моль) и при высоких температурах становится еще более экзотермической (?Н₇₂₅=-112,86 кДж/моль). Согласно принципу Ле Шателье при нагревании равновесие смещается влево, в сторону уменьшения выхода аммиака,а при повышение давления реакция и неперывном отводе тепла - сдвигается вправо. В зависимости от условий процесса она может протекать слева направо и наоборот. При определенных условиях скорости образования аммиака и его разложения становятся равными друг другу. Такое состояние, при котором в газе устанавливается определенный и неизменяющийся процент аммиака, соответствующий данной температуре и давлению, называется состоянием равновесия. Реакция синтеза аммиака протекает с уменьшением объема. Основываясь на принципе Ле Шателье, можно сделать вывод, что в условиях равновесия содержание аммиака в смеси будет больше при высоком давлении, чем при низком.

В промышленных условиях синтез аммиака возможно осуществить только при высоких давлениях и температурах и в присутствии катализатора. Эти условия обеспечивают большую скорость реакции и достаточно высокие выходы аммика.

Использование константы равновесия позволяет количественно оценить степень предсказываемых изменений. Для реакции синтеза константа равновесия рассчитана по равновесным данным, определенным экспериментально. Если провести расчет констант для разных температур и давлений можно сделать вывод что, с увеличением температуры константа равновесия будет падать, а с увеличением давления - расти.

(1)

Зная числовые значения константы равновесия, можно вычислить равновесную концентрацию аммиака при любых температурах и давлениях. Обозначив через z молярную долю аммиака в равновесной смеси, согласно уравнению реакции будем иметь в момент равновесия 1/2(1-z) моль N₂, 3/2 (1-z) моль Н₂, z моль NH₃. Всего в равновесной смеси будет находиться моль 1/2(1-z)+ 3/2 (1-z)+z=2-z. Парциальные давления отдельных компонентов смеси:

,

где р -- общее давление равновесной смеси.

После подстановки значений парциальных давлений в уравнение (1) получим

(2)

Решив уравнение (2) относительно z, получим расчетное уравнение для определения равновесной концентрации аммиака при различных температурах и давлениях:

(3)

Итак, качественная и количественная оценки условий термодинамического равновесия позволяют сделать вывод, что максимального выхода аммиака можно достичь, проводя процесс при высоком давлении и низких температурах. Однако даже при очень высоких температурах (выше 1000°С) процесс синтеза в гомогенной газовой фазе практически неосуществим.

Синтез аммиака протекает с заметной скоростью только в присутствии катализатора, причем катализаторами данной реакции служат твердые вещества. Гетерогенно-каталитический процесс синтеза аммиака имеет сложный механизм, который может быть описан следующими стадиями:

1) диффузия молекул азота и водорода к поверхности катализатора;

2) хемосорбция молекул реагентов (адсорбатов) на поверхности катализатора;

3) поверхностная химическая реакция с образованием неустойчивых промежуточных комплексов и взаимодействие между ними;

4) десорбция продукта;

5) диффузия продукта реакции (аммиака) от поверхности катализатора в газовую фазу.

Исследование кинетики и механизма реакции синтеза позволило сделать вывод, что лимитирующей стадией процесса является хемосорбция азота. Этот вывод дает возможность описать механизм синтеза аммиака сокращенной схемой:



где Z -- свободный центр поверхности катализатора; ZN₂ -- хемо-сорбированная частица (адсорбат).

Скорость обратимой реакции получения аммиака из элементов на большинстве известных катализаторов описывается уравнением Темкина--Пыжева

(4)

где k₁ и k₂ -- константы скоростей соответственно образования и разложения аммиака; р - парциальные давления, б-- постоянная, удовлетворяющая неравенству 0 < б < 1 и характеризующая степень покрытия поверхности катализатора азотом.

При проведении процесса при атмосферном давлении и температуре от 400 до 500⁰С для промышленных катализаторов величина б = 0,5.

Скорость реакции синтеза аммиака зависит от температуры, давления и состава реакционной смеси. Оптимальными считают такие значения указанных параметров, при которых скорость процесса максимальна. Чтобы определить оптимальную температуру синтеза Тm, надо продифференцировать по температуре кинетическое уравнение (4), приравнять полученное выражение нулю и найти Тm. Выполнив эти действия, получим формулу

(5)

Из формулы (5) следует, что с увеличением содержания в циркуляционном газе аммиака и уменьшением содержания азотоводородной смеси оптимальная температура падает.

Из уравнения Темкина--Пыжева видно, что скорость прямой реакции синтеза пропорциональна р^1,5, а скорость обратной реакции -- р^0,5. Отсюда очевидно, что с ростом давления наблюдаемая скорость процесса увеличивается.

И термодинамические, и кинетические факторы свидетельствуют в пользу проведения процесса при высоких давлениях (увеличивается равновесный выход, повышается скорость синтеза). Конденсация аммиака также улучшается при высоком давлении. Вместе с тем рост давления увеличивает расход электроэнергии на компрессию, повышает требования к машинам и аппаратам. При понижении давления упрощается аппаратурное оформление процесса, снижается расход энергии, но при этом увеличиваются размеры аппаратов, возрастают энергозатраты на циркуляцию газа и выделение аммиака, повышаются требования к чистоте синтез-газа.

Для определения оптимального давления синтеза была использована комплексная математическая модель агрегата синтеза аммиака. В качестве критерия оптимизации в ней приняты приведенные затраты, руб./т

3= С+ ЕК/П, (6)

где

С-- себестоимость аммиака, руб./т;

Е-- нормативный коэффициент эффективности, год^-1;

К -- капитальные затраты, руб.;

П-- производительность агрегата по аммиаку, т/год.

Расчеты показали, что приведенные удельные энергоматериальные и капитальные затраты с повышением давления уменьшаются. На основании проведенного анализа определено, что для современных схем наиболее эффективным является давление приблизительно 30 МПа.

Поскольку присутствие инертных примесей в реакционной смеси равносильно снижению общего давления, то с увеличением содержания метана, аргона и гелия в смеси скорость реакции синтеза уменьшается.

Анализируя кинетическое уравнение (3), видим, что скорость прямой реакции обратно пропорциональна парциальному давлению аммиака, а для обратной реакции характерна прямая пропорциональность. Таким образом, с повышением содержания аммиака общая скорость реакции падает. Увеличение объемной скорости смеси приводит к уменьшению прироста содержания аммиака и, тем самым к росту средней скорости и повышению производительности процесса.

Реакция синтеза аммиака обратима, поэтому полного превращения азота и водорода в аммиак за время их однократного прохождения через аппарат не происходит. Условия равновесия процесса и кинетические закономерности его протекания на железных катализаторах обусловливают возможность превращения в аммиак только 20--40% исходной реакционной смеси. Для более полного использования реагентов необходима их многократная циркуляция через колонну синтеза. Все современные схемы синтеза аммиака являются циркуляционными, предусматривающими выделение возвращение непрореагировавшей азотоводородной смеси в цикл синтеза.

Чтобы выделить аммиак, азотоводородную смесь вместе с аммиаком охлаждают до температуры сжижения аммиака. Достичь полной конденсации аммиака не удается; наибольшая часть его остается в азотоводородной смеси. Концентрация аммиака (объемные доли, %) в азотоводородной смеси, содержащей инертные газы, в состоянии насыщения при давлении 30 МПа и различных температурах приведена ниже:

t,°C	-20	-10	0	5	10	15	20	25
сNH3 ,%	1,5	2,15	3,2	4,0	4,75	5,5	6,2	7,3

Приведенные данные показывают, что при давлении 30 МПа газ необходимо охлаждать до -5-0°С. Для этого помимо водяного или воздушного охлаждения азотоводородную смесь охлаждают кипящим жидким аммиаком. В системах, работающих при более высоком давлении (например, 60--100 МПа), для выделения аммиака из азотоводородной смеси можно ограничиться воздушным или водяным охлаждением. Непрореагировавшая азотоводородная смесь с остаточным аммиаком вновь возвращается на синтез аммиака.

Катализаторы синтеза аммиака. Высокую каталитическую активность в процессе синтеза аммиака проявляют металлы VI, VII и VIII групп периодической системы. Наибольшей активностью обладают Fe, Ru, Re, Os. В промышленности нашли применение железные катализаторы, получаемые сплавлением оксидов железа с активаторами (промоторами) и последующим восстановлением оксидов железа. В качестве активаторов применяют оксиды кислотного и амфотерного характера - А1₂О₃, SiO₂, TiO₂ и др., а также оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов -- К₂О, Na₂O, CaO, MgO и др.

Процесс восстановления катализатора можно описать суммарным уравнением

,

?Н>0

Катализаторы синтеза аммиака необратимо отравляются сернистыми соединениями и хлором. Их концентрация в газе в сумме не должна превышать 5•10⁵ %.

Кислородсодержащие соединения (Н₂О, СО, СО₂) и кислород, присутствующие в азотоводородной смеси, являются сильными каталитическими ядами, снижающими активность катализатора обратимо. Их отравляющее действие пропорционально содержанию в них кислорода. Если в составе свежего газа имеются кислородсодержащие примеси или масло, газ следует вводить в цикл перед вторичной конденсацией для удаления вредных соединений конденсирующимся NH₃.

Технологическое оформление процесса синтеза аммиака. Агрегаты синтеза аммиака в зависимости от применяемого давления можно разделить на три группы: низкого (10,0-16,0 МПа), высокого (80,0-100,0 МПа), среднего (20,0-50,0 МПа) давлений.

Раньше на установках низкого давления процесс проводили под давлением 10,0 МПа и при низкой температуре (400°С). Благодаря применению активного катализатора, состоящего из комплексной соли, содержащей цианид железа, получали 8-13% аммиака. В настоящее время схемы синтеза под низким давлением связывают с перспективой снижения энергозатрат, так как одной из главных статей расхода в производстве аммиака является компрессия технологического газа и его рециркуляция. В ряде новых схем синтез аммиака предусматривается вести при том же давлении, что и получение технологического газа (ниже 10 МПа).

Установки высокого давления имели широкое распространение в 30-40-е годы XX в. Процесс вели под давлением 90-100 МПа, что позволило получить высокую степень превращения азотоводородной смеси в аммиак (40%). Системы высокого давления сейчас не строятся.

В мировой азотной промышленности наибольшее распространение получили установки среднего давления. В России эксплуатируются системы, работающие под давлением 30--36 МПа, а также нескольео агрегатов под давлением 45 МПа. Строящиеся системы расчитаны преимущественно на давление 32 МПа.

В современных агрегатах синтеза амиака большой единичной мощности процесс ведут на плавленных железных катализаторах при температуре 420-500°С, давлении 25-32 МПа, объемной скорости 15-25 тыс.ч.^-1. Съем аммиака с 1 м³ катализатора составляет 20-40 т/сут.

При синтезе аммиака в агрегате мощностью 1360 т/сут. на отечественном оборудовании (рис.1) свежая азотводородная смесь после очистки метанированием сжимается в центробежном компрессоре до давления 32 МПа и после охлаждения в воздушном холодильнике (на схеме не показан) поступает в нижнюю часть конденсационной колонны 8 для очистки от остаточных примесей СО₂, Н₂О и следов масла. Свежий газ барботирует через слой скорденсировавшегося жидкого аммика, освобождается от водяных паров и следов СО₂ и масла, насыщается аммиаком до 3-5% и смешивается с циркуляционным газом ЦГ. Полученная смесь проходит по трубкам теплообменника конденсационной колонны и направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника 4 , где нагревается до 185-195°С теплотой газа, выходящего из колонны синтеза 2. Для дополнительного нагрева газа, поступающего в колонну синтеза 2, может использоваться подогреватель газа 1.

В колонне синтеза шаз проходит снизу вверх по кольцевой щели между корпусом колонны и кожухом насадки и поступает в межтрубное пространство внутреннего теплообменника, размещенного в горловине корпуса колонны синтеза. В теплообменнике циркуляционный газ нагревается до температуры начала реакции 400-440°С теплотой конвертированного газа и затем последовательно проходит четыре слоя катализатора, в результате чего концентрация аммиака в газе повышается до 15%. Пройдя через центральную трубу, при температуре 500-515°С азотоводородно-аммиачная смесь направляется во внутренний теплообменник, где охлаждается до300°С. Дальнейшее охлаждение газовой смеси до 215°С происходит в трубном пространстве подогревателя питательной водой 3, в трубном пространстве выносного теплообменника 4 до 65°С холодным циркулирующим газом, идущим по межтрубному пространству , и затем в аппаратах воздушного охлаждения 7 до 40°С, при этом часть аммиака конденсируется. Жидкий аммиак, сконденсировавшийся при охлаждении, отделяется в сепараторе 6, а затем смесь, содержащая 10-12% аммиака, идет на циркуляционное колесо компрессора 5 азотоводородной смеси, где сжимается до 32 МПа.

Рис. 1. Принципиальная схема блока синтеза аммиака агрегата мощностью 1360 т/сут:

1- подогреватель газа; 2 - колонна синтеза аммиака; 3 - подогреватель воды; 4 - выносной теплообменник; 5 - циркуляционное колесо компрессора;6- сепаратор жидкого аммиака; 7- блок аппаратов воздушного охлаждения; 8- конденсационная колонна; 9 - конденсационная колонна продувочных тазов; 10 - испаритель жидкого аммиака на линии продувочных газов; 11 - сборник жидкого аммиака; 12 - испаритель жидкого аммиака на линии танковых газов; 13 - сепаратор; 14 - промежуточная дренажная емкость; 15 - испарители жидкого аммиака; 16 - магнитный фильтр; ПрГ - природный газ; ДГ - дымовой газ; ПГ - продувочный газ; СГ - свежий газ; ИГ - циркуляционный газ; ТПГ - смесь танковых и продувочных газов.

Циркуляционный газ при температуре 50°С поступает в систему вторичной конденсации, включающую в себя конденсационную колонну 8 и испарители жидкого аммиака 15. В конденсационной колонне газ охлаждается до 18°С и в испарителях вследствие кипения аммиака в межтрубном пространстве до -5°С. Из трубного пространства испарителей смесь охлажденного циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где происходят отделение жидкого аммиака от газа и смешение свежей азотоводородной смеси с циркуляционным газом. Далее газовая смесь проходит корзину с фарфоровыми кольцами Рашига, где отделяется от капель жидкого аммиака, поднимается по трубкам теплообменника и направляется в выносной теплообменник 4, а затем в колонну синтеза 2.

Жидкий аммиак из первичного сепаратора 6 проходит магнитный фильтр 16, где из него выделяется катализаторная пыль, и смешивается с жидким аммиаком из конденсационной колонны 8. Затем его дросселируют до давления 4 МПа и отводят в сборник жидкого аммиака 11. Жидкий аммиак как продукт выводится частично непосредственно из сборника 11, частично через промежуточную дренажную емкость 14. В результате дросселирования жидкого аммиака до 4 МПа происходит выделение растворенных в нем газов Н₂, N₂, О₂, СН₄. Эти газы, называемые танковыми, содержат 16-18% NH₃. Поэтому танковые газы направляют в испаритель 12 для утилизации аммиака конденсацией его при -25°С. Из испарителя танковые газы и сконденсировавшийся аммиак поступают в сепаратор 13 для отделения жидкого аммиака, направляемого в сборник жидкого аммиака 11.

Для поддержания в циркуляционном газе постоянного содержания инертных газов, не превышающего 10%, проводят продувку газа после первичной конденсации аммиака (после сепаратора 6). Продувочные газы содержат 8-9% NH₃, который выделяется при температуре -25-30°С в конденсационной колонне 9 и испарителе 10 продувочных газов. Смесь танковых и продувочных газов после выделения аммиака используют как топливный газ.

Оборудование агрегата. В агрегатах мощностью 1360 т/сут получили распространение колонны синтеза с аксиальными четырехполочными насадками с предварительным теплообменником и трехполочные с выносным теплообменником.

В четырехполочной колонне синтеза с аксиальными насадками (рис. 2) основной поток газа подается в колонну снизу, проходит по кольцевой щели между корпусом колонны 15 и кожухом катализаторной коробки 3 и поступает в межтрубное пространство теплообменника 6.Здесь синтез-газ нагревается конвертированным газом до 420-440°С и проходит последовательно четыре слоя 8, 10, 12 ,14 катализатора, между которыми подается холодный байпасный газ через вводы 7, 9, 11, 13. После четвертого слоя катализатора газовая смесь при 500-515°С поднимается по центральной трубе 2, проходит по трубкам теплообменника 6, охлаждаясь до 320-350°С, и выходит из колонны. Свежий катализатор загружают в люк 5, отработанный выгружают через люк 1. Для контроля температурного режима служат термопары, опущенные в термопарный чехол 4.

Корпус катализаторной коробки изготовлен из хромоникелевомолибде-новой стали 10Х18Н12М2Т, теплообменник - из стали 12Х18Н10Т. Ниже приведена технологическая характеристика колонны:

Давление, МПа......................................................31,5

Рабочая температура, °С................................300-520

Диаметр (внутренний), мм..................................2400

Высота, м..................................................................32

Толщина стенки, мм..............................................250

Объем катализатора по полкам I-IV, м³ ............................7; 8,4; 12,8; 14,7



Рис. 2. Четырехполочная колонна синтеза аммиака агрегата мощностью 1360 т/сут:

1 - люк для выгрузки катализатора; 2 - центральная труба; 3 - корпус катализаторной коробки; 4 - термопарный чехол; 5 - загрузочный люк; 6 - теплообменник; 7, 9, 11, 13 - вводы байпасного газа; 8, 10, 12, 14 - катализа-торные слои; 15- корпус колонны

Конденсационная колонна - вертикальный цилиндрический аппарат внутренним диаметром 2м и высотой 18,89 м (рис.3) состоит из теплообменника 2 м и высотой сепаратора, размещенного под теплообменником. Число теплообменных трубок 7808, диаметр 14x2 мм, высота 7,21 м, поверхность теплообмена 2120 м² (по среднему диаметру). В межтрубном пространстве размещены перегородки. Охлаждаемый газ идет по межтрубному пространству, а газ после сепарации аммиака - по трубкам.

Газ, охлажденный в испарителе, через нижний штуцер поступает в сепарационное устройство 4, в котором создается вращательное движение; частицы жидкости отделяются от газового потока, собираются в нижней части аппарата и непрерывно выводятся. Газ поднимается вверх, проходит отбойник 3, состоящий из слоя колец Рашига, и, проходя трубное пространство, отдает свой холод. Свежий газ, входящий через боковой штуцер в нижней части аппарата, барботирует через слой жидкого аммиака, освобождаясь от паров воды и СО₂.

Охрана окружающей среды в производстве аммиака. Крупнотоннажное производство аммиака характеризуют следующие выбросы в окружающую среду:

1) газовые, содержащие в своем составе аммиак, оксиды азота и углерода и другие примеси;

2) сточные воды, состоящие из конденсата, продуктов промывки реакторов и систем охлаждения;

3) низкопотенциальная теплота.

Относительная концентрация токсичных примесей производства аммиака в виде оксида углерода и оксидов азота в отходящих газах невысока, но для устранения даже незначительных выбросов разрабатываются специальные мероприятия.



Рис. 3. Конденсационная колонна: 1- корпус; 2 - теплообменник; 3 - отбойник; 4- сепарационное устройство

Полное исключение токсичных выбросов возможно при использовании каталитической очистки в присутствии газа-восстановителя, когда происходит восстановление оксидов азота до элементарного азота.

В результате воздушного охлаждения и замены поршневых компрессоров турбокомпрессорами значительно уменьшилось потребление воды на 1 т NH₃, что привело к существенному снижению количества сточных вод (примерно в 50 раз).

Низкопотенциальную теплоту удается утилизировать повышением ее потенциала, что достигается вводом некоторого количества высокопотенциальной теплоты. Но этот путь получения механической энергии связан с увеличением загрязненности воздушного бассейна дымовыми газами.

Одним из способов уменьшения выбросов и повышения эффективности производства аммиака является применение схемы с парогазовым циклом, в котором в качестве рабочей теплоты используется не только теплота водяного пара, но и продуктов сгорания топлива.[4]

2. Математические модели химических реакторов

Центральным аппаратом в любой химико-технологической системе, включающей целый ряд машин и аппаратов, соединенных между собой различными связями, я вляется химический реактор - аппарат, в котором протекает химический процесс. Выбор типа, конструкции и расчет химического реактора, создание системы управление его работой - одна из важных задач хиимической технологии.

Как и в случае других аппаратов, испльзуемых в химической промышленности (теплообменных, массообменных и др.), для изучения, расчета и проектирования химических реакторов применяется метод моделирования.

Под математической моделью понимается некоторое упрощенное изображение процесса в реакторе, которое сохраняется наиболее существенные свойства реального объекта и передает их в математической форме. В зависимости от постановленной задачи математическая модель учитывает разное число признаков объекта и поэтому модель может быть широкой и узкой.

2.1 Модель реактора идеального вытеснения

Реакторы вытеснения - трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала. В трубчатых реакторах перемещение имеет локальный характери вызывается неравномерностью распределения скорости потока и ее флуктуациями, а также завихрениями. Реакторы вытеснения бывают двух видов: идеального и полного вытеснения, более подробно рассмотрим реактор идеального вытеснения.

Идеально вытеснение предполагает, что любое количество реагентов и продуктов через реактор перемещается как твердый поршень, и по длине реактора (в пространстве) в соответствии с особенностями реакции и сопровождающих ее физических явлений устанавливается определенное распределение концентраций участников реакции, температуры и других параметров. К реакторам идеального вытеснения относятся те аппараты, в которых отсутствует радиальное и продольное перемешивание.

Материальный баланс - вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому по всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших во взаимодействие, равна массе веществ, образовавшихся в результате взаимодействия. Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию - приход, равна массе полученных веществ - расходу. Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций.

Материальный баланс непрерывно действующих проточных реакторов составляется, как правило, для установившегося (стационарного) режима, при котором общая масса веществ, поступивших в аппарат за данный период времени, равна массе веществ, вышедших из аппарата. Количество же всех веществ в аппарате постоянно, т. е. накопления или убыли суммарного количества веществ не происходит.[3]

Реактор представляет собой длинный канал, через который реакционная смесь движется в поршневом режиме. Изменение концентрации происходит по длине. Выделим элементарный объем dV, для которого считается материальный баланс, где ZNA-концентрация ключевого реагента.

[кг/c]=[(м³/с)•(м³/кмоль)•(кг/кмоль)]

- расход

-массовый расход химической реакции

[кг/с]=[(кмоль/м³•с)•(м³)•(кг/кмоль)

-массовый расход на убыль

- объем реактора

[м³]=[(м³/c)•(c)]

Уравнение материального баланса для реактора, работающего в режиме идеального вытеснения.

Время пребывания реакционной смеси в реакторе для получения заданной степени превращения x.

Из этого уравнения можно рассчитать объем реактора.

-теплота физического прихода,

где Cp-теплоемкость. [кДж/с]=[(м³/c)•(кДж/м³/град)•(град)]

 - теплота физического расхода.

[кДж/с]=[(м³/c)•(кДж/м³/град)•(град)]

- теплота химической реакции.

[кДж/c]=[(кмоль/м³•c)•(кДж/кмоль)•(м³)]

-теплота теплообменника,

[кДж/c]=[(кДж/м²•град•с)•(м²/м³)•(град)•(м³)]

где

К-коэффициент теплопередачи, определяющийся по следующей формуле

,

где

d-толщина стенки;

б₁, б₂ - коэффициент теплоотдачи с наружной и внутренней поверхностях соответственно;

л - коэффициент теплопроводности

Приход:

Расход:

По закону сохранения энергии:

Уравнение политермы, в котором учитывается часть теплоты химической реакции, которая идет на изменение температур в химической реакции, и часть, которая уходит на теплоту, которую уводит теплообменник.

В адиабатическом режиме теплообменник отсутствует:

- уравнение адиабаты.

- адиабатический коэффициент.

Физический смысл адиабатического коэффициента: на столько градусов изменится температура реакционной смеси, если степень превращения будет равна 1, то есть, если ключевой реагент прореагировал полностью.

2.2 Модель реактора полного смешения

Реакторы смешения - это емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом. Реактор полного смешения характеризуется тем, что любой элемент объема реагирующей смеси мгновенно перемешивается со всей средой, содержащейся в реакторе, така как скорость циркуляционных движений по сечению и оси аппарата во много раз больше, чем линейная скорость по оси. [2]

Материальный баланс

GAFP

GAFR GAch

Приход:

массовый расход ключевого реагента, пришедшего в реактор. [кг/c]=[(м³/c)·(м³/кмоль)·(кг/кмоль)]

Расход:

массовый расход ключевого реагента, ушедшего из реактора.

массовый расход ключевого реагента в химической реакции. [кг/c]=[(кмоль/м³·c)·(м³)·(кг/кмоль)]



По закону сохранения материи:

уравнение материального баланса для реактора полного смешения.

Тепловой баланс

Hfp Hch

Hfr Hт/о

Приход:

теплота физического прихода, где Cp-теплоемкость [кДж/с]=[(м³/c)·(кДж/м³/град)·град)]

теплота химической реакции. [кДж/c]=[(кмоль/м³·c)·(кДж/кмоль)·(м³)]

Расход:

теплота физического расхода [кДж/с]=[(м³/c)·(кДж/м³/град)·(град)]

теплота теплообменника, где К-коэффициент теплопередачи [кДж/c]=[(кДж/м²·c·град)·(м²)·(град)]

По закону сохранения энергии:

- уравнение политермы

уравнение адиабаты, то есть теплообмен с окружающей среды отсутствует

уравнение изотермы.[1]

3. Программные расчеты

Выбор реактора.

3H2+N2=2NH3

График №1

Зависимость U=f(x)

График №2

Зависимость U=f(P)

График №3

Зависимость U=f(TN)

График №4

Зависимость U=f(ZNA)

График №5

4. Обсуждение результатов

Сравнение по выбору реактора

Вывод по выбору реактора (график №1).

Как видно из графика №1, зависимость степени превращения от времени и в реакторе полного смешения, и в реакторе вытеснения имеет возрастающий характер, так как чем дольше время пребывания реакционной смеси в реакторе, тем более вещества образуется.

Рассмотрим как изменяется время ф при постоянной степени превращения х. Допустим x=0,4, тогда из графика №1 видно, что при одной степени превращения ф_riv< ф_rps, следовательно за меньшее время РИВ быстрей достигает степени превращения равной 0,4 и объем реактора при этом будет меньше, что экономичней. Таким образом, для синтеза аммиака применяют реактор идеального вытеснения. (Проанализировать Через ДС????????)

Вывод по графику зависимости U=f(x) (график №2)

С увеличением степени превращения скорость химической реакции возрастает, т.к константа скорость химической реакции растет быстрее, чем уменьшается движущая сила. Скорость достигает своего максимального значения и резко падает, т.к движущая сила уменьшается быстрее, чем растет константа скорости химической реакции.

Вывод по графику зависимости U=f(Р) (график №3)

С увеличение давления скорость химической реакции растет, т.к. повышается парциальное давление компонентов реакции, что эквивалентно росту концентрации, т.е. увеличение движущей силе.

Вывод по графику зависимости U=f(TN) (график №4)

С увеличением начальной температуры смеси на входе в реактор, растет температура самой реакции, а значит, растет и скорость химической реакции, т.к. константа скорость химической реакции растет быстрее, чем уменьшается движущая сила. Скорость достигает своего максимального значения и резко падает, т.к движущая сила уменьшается быстрее, чем растет константа скорости химической реакции.

Вывод по графику зависимости U=f(ZNA) (график №5)

Выводы

В промышленности синтезе аммиака осуществляется, как правило, при высоких линейных скоростях потока, соответствующих области развитой турбулентности. В этих условиях можно принять режим идеального вытеснения (поршневой режим), т.е:

1) в каждой плоскости, перпендикулярной к направлению потока, линейная скорость, температурв и состав веществ смеси постоянны;

2) перенос веществ (а также тепла) осуществляется только гидродинамическим потоком. Продольное перемещение при этом можно не учитывать.

Как видно из графика №1, зависимость степени превращения от времени и в реакторе полного смешения, и в реакторе вытеснения имеет возрастающий характер, при одинаковой степени превращения 0.4 реактор полного смешения достигает за время 1,8, а реактор идеального вытеснения за 1,1 секунды. Так как время достижения определенной степени превращения меньше, то значит можно использовать реактор с меньшими габаритами, что экономически выгодно. С повышением начальной температуры исходной смеси от 430є до 480є степень превращения увеличивается с 0,0035 до 0,008,так как растет скорость химической реакции и требуется меньшее время.

С увеличение давления от 460 до 800 скорость химической реакции возрастает от 0,036 до 0,0384, т.к. повышается парциальное давление компонентов реакции, что эквивалентно росту концентрации, т.е. увеличение движущей силе.

С увеличением начальной температуры смеси на входе в реактор от 50є, растет скорость химической реакции затем после достижения максимального значения при начальной температуре равной 5100 начинает падать, т.к. константа скорость химической реакции растет быстрее, чем уменьшается движущая сила. Скорость достигает своего максимального значения и резко падает, т.к движущая сила уменьшается быстрее, чем растет константа скорости химической реакции.

С увеличением начальной концентрации от 0.03 скорость химической реакции растет,

Список использованной литература

1. Власов Е.А.Основы химической технологии. Курс лекций, 2006.

2. Расчеты химико-технологических процессов: Учебное пособие для вузов/Туболкин А. Ф., Тумаркина Е.С, Тарат Э. Я. и др.;под ред. И.П. Мухленова - 2-е изд.,перераб. и доп. - Л.: Химия, 1982.-248 с.,ил

3. Общая химическая технология: Учеб. для вузов/ А. М. Кутепова, Т. И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. - 3-е изд., перераб. - М.:ИКЦ «Академкнига», 2003.-528 с.

4. Теоретические основы и технология синтеза аммиака С.Н. Ганз / под общей ред. А. М. Николаева/ изд. «Вища школа», Киев - 1969. - 260с.