Проектирование химического реактора идеального смешения

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Тобольский индустриальный институт

Кафедра химии и химической технологии

РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту на тему:

Проектирование химического реактора идеального смешения

Выполнил:

студент Шевелев Е.В.

Тобольск 2015

Содержание

Введение

1. Технологическая часть

1.1 Теоретические основы процесса

1.2 Исходные данные для расчета реакторов

1.3 Устройство и принцип действия основного аппарата. Описание технологической схемы

2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс производства

2.2 Тепловой расчет аппарата

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Промышленный химический процесс - это экономически и экологически целесообразное производство требуемого продукта из исходного сырья. Химико-технологический процесс включает в себя ряд последовательных стадий: физические операции, подготавливающие исходные вещества для химической реакции (например, измельчение, нагревание и т.п.); собственно химическое превращение; далее продукты реакции и непрореагировавшие реагенты перерабатывают, применяя различные способы разделения, очистки и т.п. В большинстве случаев химическая стадия является самой важной частью процесса. Поэтому «сердцем» процесса является химический реактор. Выбор типа и конструкции химического реактора, его расчет, создание системы управления его работой являются важными задачами химической технологии.

Химический реактор - основной элемент аппаратурного оформления любой технологической схемы. В нем протекают как химические, так и физические процессы; вместе с тем при его расчете и конструировании необходимо учитывать механические факторы. Поэтому искусство проектирования, конструирования и экономичного управления реактором сводится к синтезу принципов химии, физики, механики и экономики.

Физические процессы достаточно полно охватываются сложившимися разделами химической технологии; в отличие от систематизации химических реакторов, систематизация физических процессов близка к совершенству. Классификация процессов по чисто химическим признакам (окисление, гидрирование и т.п.) имеет некоторые преимущества для технологии органических веществ. Она, однако, неудобна для систематического изучения химических реакторов, поскольку другие факторы, такие, как тепловые эффекты и усло- вия перемешивания и диспергирования, в равной степени определяют работу реактора. Для процесса, который предстоит внедрить в промышленность или усовершенствовать в ходе эксплуатации, химические исследования дают информацию об условиях равновесия, скоростях основных и побочных реакций, влиянии тепла и примесей на результат процесса, поведении катализаторов и т.п.

Когда такие сведения уже собраны в более или менее полной форме, инженеру необходимо получить ответ на следующие вопросы:

1. Какой способ производства следует принять?

2. Какой тип реактора наиболее удобен?

3. Каковы должны быть размеры реактора?

Для получения ответов на эти вопросы разрабатывают стратегию управления, при которой целевые продукты производятся с заданной скоростью и наименьшими затратами и осуществляют расчет реактора. Такие вопросы можно решать не частными, а общими методами, рассматривая процессы с учетом движения потоков в реакторах, тепловых эффектов реакции, условий перемешивания реакционной смеси и экономических требований. Вместе с тем, для проектирования или усовершенствования промышленного реактора необходимо получить дополнительную информацию более конкретного характера. Речь идет не только о химических и физико-химических данных, но и о данных по конструкционным материалам: их коррозии, прочности и стоимости.

1. Технологическая часть

1.1 Теоретические основы процесса

Реакторы смешения - это емкостные аппараты с мешалкой или циркуляционным насосом. Человечество давно пользуется искусственными химическими веществами и материалами, для получения которых применяют специальные аппараты и оборудование. Конструкции химических реакторов весьма разнообразны и должны отвечать определенным требованиям для того, чтобы продукт получался с максимальной производительностью, высокого качества, минимальными затратами исходных веществ, энергии и труда.

Для создания реактора оптимальной конструкции необходимы исходные данные. В первую очередь следует знать кинетику химической реакции, то есть информацию об основной реакции, приводящей к целевому продукту, и о побочных процессах, приводящих к нерациональному расходу сырья и образованию ненужных, а иногда и вредных веществ (кинетика - наука о скоростях химических реакций). Далее требуются данные о теплоте, выделяющейся или поглощаемой в ходе реакции, и о предельной, возможной степени превращения исходных веществ в продукты. На эти вопросы отвечает химическая термодинамика. Поскольку для осуществления реакции молекулы исходных реагентов должны встретиться друг с другом, реакционную систему необходимо хорошо перемешивать. Эффективность смешения зависит от вязкостей компонентов, взаимной растворимости исходных веществ и продуктов, скоростей потоков, геометрии реактора и различного рода устройств ввода реагентов. Этими вопросами занимается наука, называемая гидродинамикой. Протекание химической реакции также влияет на смешение. Это изучает химическая гидродинамика. Наконец, температурный режим в реакторе следует поддерживать в соответствии с требованиями кинетики, чтобы оптимизировать скорости реакции и выход целевого и побочных продуктов. Наука, которая занимается описанием химических реакций с учетом процессов массо- и теплопереноса, получила название макрокинетика (макроскопическая кинетика).

Работа реактора полного смешения осуществляется вследствие быстроты перемешивания происходящей химической реакции, и компоненты мгновенно меняются до конца.

Для модели полного смешения принимается ряд допущений. Допускается, что в результате интенсивного перемешивания устанавливаются абсолютно одинаковые условия в любой точке реактора: концентрации реагентов и продуктов, степени превращения реагентов, температура, скорость химической реакции и т. д.

В проточном реакторе идеального смешения концентрации участников реакции в выходном потоке в рассматриваемый момент времени строго равны концентрациям тех же веществ в реакторе.

1.2 Исходные данные для расчета реакторов

При выборе конструкции и определении размеров реактора необходимо принимать во внимание различные факторы и, прежде всего, располагать данными о скорости протекающих химических реакций, а также о скорости массо- и теплопередачи. Обычно задаются производительностью установки и степенью превращения, а концентрацию реагентов, температурный режим и другие показатели технологического процесса рассчитывают на основе опытных и теоретических данных. Наиболее важным показателем, отражающим совершенство химического реактора, является интенсивность протекающего в нем процесса. Но интенсивность тем выше, чем меньше время, затраченное на получение единицы заданного продукта, поэтому главной задачей при изучении химических процессов, протекающих в реакторах любого типа, является установление функциональной зависимости времени пребывания реагентов в реакторе от разных факторов:

ф = f (X , C, r), (1.1)

где X - степень превращения исходного реагента; C - начальная концентрация исходного реагента; r - скорость химической реакции. Уравнение, связывающее четыре указанных параметра, является математическим описанием модели реактора или уравнением реактора (характеристическим уравнением).

1.3 Устройство и принцип действия основного аппарата. Описание технологической схемы

Реакторами идеального (полного) смешения называются реакторы непрерывного действия, в которых осуществляется турбулентный гидродинамический режим. В них потоки реагентов смешиваются друг с другом и с продуктами химического превращения.

Реактор идеального смешения непрерывного действия (РИСНД). Схема РИСНД приведена на рис. 1. В реактор непрерывно вводятся реагенты, а реакционная смесь, содержащая продукты и исходные вещества, интенсивно перемешивается и постоянно выводится из реактора.

Рис. 1 Схема реактора идеального смешения непрерывного действия

Среднее время пребывания реакционной смеси в таком реакторе равно V/W, где V -- объем реактора, a W -- суммарная объемная скорость подачи всех реагентов.

Существует широкое распределение по временам пребывания, то есть одни молекулы, попав в реактор, находятся в нем длительное время, а другие быстро его покидают. Концентрации всех веществ в этом реакторе постоянны.

Интересно проиллюстрировать различие реакторов на примере так называемой живущей полимеризации. В раствор с мономером вводится инициатор, к которому последовательно присоединяются молекулы мономера, образуя полимерную цепь. Если такую реакцию проводить в РИСПД, в РИВ или обычной лабораторной колбе с мешалкой, то все макромолекулы будут иметь практически одну и ту же длину (молекулярную массу). Если тот же самый процесс проводить в РИСНД, то полимерный продукт будет состоять из набора молекул различной молекулярной массы. Другими словами, структура и свойства полимера зависят от того, в каком реакторе он получен.

Существенное значение для производительности реактора и особенно для качества продукта имеют тепловой режим работы реактора, температура и температурные поля в нем.

Для РИСПД можно выделить два предельных режима. Первый изотермический, когда все тепло реакции (если реакция экзотермическая) отводится от реакционной смеси. Второй адиабатический, при котором все тепло, выделяющееся в ходе реакции, расходуется на нагрев реагирующей массы. Возможны и любые промежуточные режимы, когда часть тепла отводится, а часть идет на нагрев или когда температуру в реакторе принудительно изменяют во времени для РИСПД или по длине реактора (для РИВ).

Рассмотрим установившийся тепловой режим в РИСНД. Установившимся или стационарным называется такой режим работы РИСНД, когда концентрации всех веществ и температура в реакторе постоянны по объему и не меняются во времени. Такой режим обычно наступает спустя некоторое время после начала его работы. Для определения температуры в РИСНД следует рассмотреть тепловой баланс. Скорость выделения тепла за счет химической реакции равна:

(1.1)

где V - объем реактора, Q - теплота реакции, щхим - скорость реакции, k - константа скорости, k0 и Е - предэкспоненциальный множитель и энергия активации, [A] и [B] - концентрации реагентов.

Выражение для скорости реакции записано в предположении бимолекулярного процесса A + B > C. Тепло расходуется на нагрев исходных реагентов от начальной температуры T0 до температуры T в реакторе. Скорость расхода тепла на нагрев равна Wcр(T - T0), где cр - средняя теплоемкость реакционной массы. Кроме того, часть тепла отводится из реактора через стенки к теплоносителю со скоростью Sч(T - T1), где ч - коэффициент теплопередачи через стенку, T1 - температура теплоносителя. Приравнивая приход и расход тепла и разделив на V, имеем

(1.2)

В этом случае работа реактора совершенно устойчива при различных температурах T0 и T1. Если прямая 2 касается кривой 1, то реактор может устойчиво работать только при высоких температурах. Если теплоотвод через стенки отсутствует и все тепло реакции идет на нагрев реакционной смеси (ч = 0), то такой режим работы РИСНД называется автотермическим.

Часто используют каскады реакторов, например два или три последовательно соединенных РИСНД. В таком каскаде удобно проводить многоступенчатый химический процесс, подбирая оптимальные условия проведения каждой стадии.

Однако реальные реакторы отличаются от идеальных моделей. Так, в реакторах смешения существуют застойные зоны, в которых время пребывания, температура и концентрации веществ отличаются от средних. В трубчатых реакторах вытеснения профиль скоростей может быть неплоским, распределение по временам пребывания расширяется и т.д.

Конструктивно химические реакторы могут иметь различную форму и устройство, т. к. в них осуществляется разнообразные химические и физические процессы, протекающие в сложных условиях массо-и теплопередачи.

По назначению химические реакторы делят на реакторы для гомогенных процессов, реакторы для гетерогенных процессов и реакторы для гетерогенно-каталитических процессов.

Реакторы для гомогенных периодических процессов выполняют в виде резервуаров, кубов или автоклавов, а для непрерывных, в виде трубчатых реакторов вытеснения, реакторов типа РИС - Н и РИП-Н различных конфигураций.

2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс производства

Основанием для получения уравнения реактора любого типа является материальный баланс, составленный по одному из компонентов реакционной смеси. Составим такой баланс по исходному реагенту A при проведении простой необратимой реакции A > R. В общем виде уравнение материального баланса

BA(пр) = BA(расх),

где ВА(пр) - количество реагента А, поступающего в единицу времени в тот реакционный объем, для которого составляется баланс; ВА(расх) - количество реагента А, расходуемого в единицу времени в реакционном объеме. Учитывая, что поступивший в реактор реагент А расходуется в трех направлениях, можно записать

ВА( ) ( ) () ( ) расх = ВА х.р + ВА ст + ВА нак,(1.3)

где ВА( ) х.р - количество реагента А, вступающее в реакционном объеме в химическую реакцию в единицу времени; ВА( ) ст - сток реагента А, т.е. количество реагента А, выходящее из реакционного объема в единицу времени; ВА( ) нак - накопление реагента А, т.е. количество реагента А, остающееся в реакционном объеме в неизмененном виде в единицу времени. С учетом уравнения (1.3) уравнение (1.2) записывается в виде

ВА( ) ( ) () ( ) пр = ВА х.р + ВА ст + ВА нак . (1.4)

Разность между ВА( ) пр и ВА( ) ст представляет собой количество реагента А, переносимое конвективным по- током ВА( ) конв :

ВА( ) ( ) () конв = ВА пр ? ВА ст . (1.5)

Принимая это во внимание, уравнение (1.4) можно записать

ВА( ) ( ) () нак = ВА конв ? ВА х.р . (1.6)

В каждом конкретном случае уравнение материального баланса принимает различную форму. Баланс может быть составлен для единицы объема реакционной массы, для бесконечно малого (элементарного) объема, а также реактора в целом. При этом можно рассчитывать материальные потоки, проходящие через объем за единицу времени, либо относить эти потоки к 1 моль исходного реагента или продукта. В общем случае, когда концентрация реагента непостоянна в различных точках реактора или непостоянна во времени, материальный баланс составляют в дифференциальной форме для элементарного объема реактора: где CA - концентрация реагента А в реакционной смеси; x, y, z - пространственные координаты; щx щy щz , , - составляющие скорости потока; D - коэффициент молекулярной и конвективной диффузии; Ar - скорость хи- мической реакции. Левая часть уравнения характеризует общее изменение концентрации исходного вещества во времени в элементарном объеме, для которого составляется материальный баланс. Это - накопление вещества А, кото- рому соответствует величина ВА( ) нак в уравнении (1.6). Первая группа членов правой части уравнения отражает изменение концентрации реагента А вследствие переноса его реакционной массой в направлении, совпадающем с направлением потока. Вторая группа членов правой части уравнения отражает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме в результате переноса его путем диффузии. Указанные две группы правой части уравнения характеризуют суммарный перенос вещества в движущейся среде путем конвекции и диффузии, в уравнении (1.6) им соответствует величина ВА( ) конв (такой суммарный перенос вещества называют конвективным массообменом, или конвективной диффузией). И, наконец, член Ar показывает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме за счет химической реакции. Ему в уравнении (1.6) соответствует величина ВА( ) х.р . Применительно к типу реактора и режиму его работы дифференциальное уравнение материального баланса может быть преобразовано, что облегчает его решение. В том случае, когда параметры процесса постоянны во всем объеме реактора и во времени, нет необходи- мости составлять баланс в дифференциальной форме. Баланс составляют в конечных величинах, взяв разность значений параметров на входе в реактор и на выходе из него.

Все процессы, протекающие в химических реакторах, подразделяют на стационарные (установившиеся) и на нестационарные (неустановившиеся). К первым относят процессы, при которых в системе или в рассматриваемом элементарном объеме реакционной смеси параметры процесса (например, концентрация реагента А, температура и т.д.) не изменяются во времени, поэтому в реакторах отсутствует накопление вещества (или тепла) и производная от параметра по времени равна нулю. При нестационарных режимах параметры непостоянны во времени и всегда происходит накопление вещества (тепла).

Реактор полного смешения характеризуется тем, что любой элемент объема реагирующей смеси мгновенно перемешивается со всей средой, содержащейся в реакторе, так как скорость циркуляционных движений по сечению и оси аппарата во много раз больше, чем линейная скорость по оси. [2]

полный смешение реактор конструкция

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.

2.2 Тепловой расчет аппарата

Тепловой баланс

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]

Заключение

Таким образом, подбор реактора для конкретного химического процесса, его расчет, оптимизация конструкции и условий проведения -- задача очень сложная, требующая глубоких знаний в различных областях физики и химии. Применение идеальных моделей химических реакторов, конечно, значительно упрощает расчеты, однако требует внимательного и осторожного подхода, поскольку необходимо следить за соблюдением условий идеальности в каждом конкретном случае. Особые трудности возникают при проведении реакций в сильно вязких средах, где значительно ухудшаются условия массо- и теплообмена. Глубокий научный подход, с одной стороны, и случайные открытия -- с другой, играют большую роль в развитии современной химической технологии.

Список использованной литературы

1. Амелин А. Г. Технология серной кислоты. - М.: Химия, 1971.

2. Берлин Ал.Ал., Вольфеон С.А. Кинетический метод в синтезе полимеров. М.: Химия, 1973 - 360 с.

3. Денбиг К.Г. Теория химических реакторов. М.: Наука, 1968 - 120 с.

4. Крамере X., Веетертеп К. Химические реакторы. М.: Химия, 1967 - 264 с.

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

6. Общая химическая технология: Учеб. для химико-техн. спец. вузов. В 2-х т. Т. 1: Теоретические основы химической технологии/Под ред. И. П. Мухленова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1984.

7. Гершуни Г.З. Гидродинамическая неустойчивость: Изотермические течения//Там же. 1997. № 2. С. 99 -106.

Размещено на Allbest.ru