Химические реакторы

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Химические реакторы

1. Общие сведения о реакторах. Требования, предъявляемые к ним

Реактор - аппарат, в котором осуществляют химические реакции

Химические реакторы - самый важный вид химической аппаратуры; главное, центральное звено ХТС. В них не только совершаются химические превращения, но и протекают сопутствующие процессы массо- и теплообмена и интенсивное движение среды.

От правильности выбора типа и конструкции реактора и режима его работы в наибольшей степени зависит эффективность и безопасность процесса в целом. Требования к реакторам и показатели эффективности работы - те же, что и к остальному оборудованию; отличаются наибольшей жёсткостью.

2. Основные конструктивные типы промышленных реакторов

Многолетний опыт и научные изыскания позволили к настоящему времени разработать несколько основных конструктивных типов химических реакторов. Эти базовые конструкции также лежат в основе устройства более сложных реакторов.

Принципиальная общность конструктивных решений в реакторах каждого класса определяется их назначением, т.е. в первую очередь фазовым состоянием реакционной системы и температурным режимом ХП. В каждом классе существует много конкретных вариантов конструктивного исполнения аппарата.

Выбор типа реактора производится с учётом всей полноты действующих факторов.

Таблица 2

Основные конструктивные типы реакторов, применяемых в производствах ТОС

Конструктивный тип реактора	Область и условия применения
	Фазовое состояние систем	Температура и давление (конструктивные)	Тип процесса
1. Реакторы-котлы. (Ёмкостные с перемешивающими устройствами). В отраслях ТОС ? 95% всего парка реакторов	Ж Ж-Ж Г-Ж Ж-Т Г-Ж-Т	T = [(-80)…400]OC P = [(-0,001)…40] МПа	Разнообразные каталитические и некаталитические процессы в конденсированных средах с интенсивным перемешиванием и теплообменом при различных температурах и режимах движения реакционной среды в периодических и непрерывных процессах.
2. Ёмкостные барботажные А. без с перемешивающх устройств	Г:Ж	T =[ (-20)…300]OC P=[(-0,01)…1] МПа	Ряд процессов сульфирования, галогенирования, дедиазонирования с азеотропной отгонкой воды из продуктов
3. Трубчатые. «труба-в-трубе» в т.ч. пульсационные	Г, Ж Ж-Ж Г-Ж Ж-Т Г-Ж-Т	T =[(-100)…1000]OC P=[(-0,001)…50] Мпа	Разнообразные каталитические и нека-талитические непрерывные процессы с интенсивным перемешиванием и теплообменом при различных температурах.
4. Кожухотрубчатые	Г, Ж Ж-Ж Г-Ж Ж-Т Г-Ж-Т	T =[(-100)…1000]OC P=[(-0,001)…10] Мпа	Разнообразные каталитические и некаталити-ческие непрерывные процессы с интенсивным перемешиванием и теплообменом при различных температурах.
5. Колонны (насадочные и тарельчатые)	Г-Ж	T = [(-20)…500]OC P = [(-0,001)…50] МПа	Процессы в условиях кипения реакционной среды или с интенсивным барботажем газа
6. Полочные	Г Г-Т Г-Ж	T = [(-50)…200]OC P = [(-0,001)…1] Мпа	Обжиг твёрдых продуктов. Каталитические процессы в условиях неподвижного, движущегося и псевдоожиженного слоя катализатора. Абсорбционно-химические процессы
7. Многозонные контактные аппараты со встроенными теплообменными устройствами	Г-Т Г-Ж-Т	T = [(-100)…1300]OC P = [(-0,001)…10] Мпа	Каталитические процессы в услових не-подвижного, движущегося и псевдоожи-женного слоя катализатора с организацией интенсивного теплообмена
8. Ванные	Ж	T =[(-10)…100]OC P:= атмосферное	Процессы электрохимического синтеза
9. Камерные	Г, Г-Т, Г-Ж	T =[500…2500]OC P=[0,1…1] Мпа	Печи обжига. Коксовые печи. Камеры сгорания тепловых двигателей и энергоустановок

3. Макрокинетика химических процессов и динамика химических реакторов

Постановка задачи. Элементы теории подобия для реакторов

Главная задача, решаемая технологом при использовании реакторов: определение типа, конструктивных и технических параметров аппарата; оптимизация условий ведения процесса и работы (эксплуатации) аппарата; принятие необходимых мер по обеспечению безопасности и устойчивости работы реактора. Успешное решение её невозможно без правильного по существу и полного по содержанию понимания сути и механизма протекающих в реакторе процессов и явлений.

Здесь необходимо сделать ряд ссылок на ранее изучавшиеся курсы. Классическая теория ПАХТ изучает все процессы, кроме химических. С другой стороны химия - неорганическая, органическая, в меньшей степени физическая - изучают именно химические процессы, мало занимаясь явлениями переноса. В реальных же процессах (осуществляемых в реакторах) одновременно протекают и химические реакции и явления переноса. Химические превращения изменяют состав среды, что изменяет все её физические свойства - плотность, теплоёмкость, вязкость, теплопроводность, диффузию, упругость; с другой стороны (что яснее видно из курса ПАХТ) теплопередача и диффузия в огромной степени влияют на температуру и концентрации всех реагентов в реакторе - т.е., на протекание химических реакций.

Поэтому строгие расчёты, выполняемые технологами - как при проектировании (проверке правильности выбора реактора), так и при оптимизации технологических режимов работы уже функционирующих в реальных процессах реакторов, - должны учитывать все характерные для реакторов явления. Задача эта решается путем исследования макрокинетики ХП и динамики реакторов.

Def. Макрокинетика: кинетика реальных сложных химических процессов с учётом явлений переноса массы, количества вещества, теплоты, импульса, поглощения и испускания излучений.

Def. Динамика: реальные изменения состояния реактора и хода ХП, обусловленные внутренним механизмом процесса, условиями его проведения и влиянием различных возмущений, возникающих в ходе работы.

В основе описания макрокинетики и динамики ХП лежат дифференциальные уравнения движения вещества, импульса, энергии (и иных свойств материи) в физико-химическом процессе с учётом конвективного и турбулентного переноса вещества - уравнения Умова (Умова-Пойнтинга). Это уравнение, в отличие от уравнений Навье-Стокса, Рейнольдса, Фурье-Кирхгофа и Фика, учитывает то, что химические превращения, а также межфазный перенос, загрузки в реактор реагентов и отвод продуктов из реактора приводят к образованию и исчезновению веществ внутри реактора - такие эффекты в теоретической физике называют источниками и стоками субстанций. Под «субстанцией» понимают как вещество, так и присущие ему свойства (наиболее общее свойство - химический потенциал). Общая форма этого уравнения

= У I_OS - У I_CS - div (J + S w) (1)

S - субстанция (свойство);

I_OS - мощность источников субстанции;

I_CS - мощность стоков субстанции;

J - конвективный поток;

w - линейная скорость.

Для прояснения физико-химической сущности явлений достаточно рассмотреть задачу в одномерном представлении. Рассмотрим элемент объёма реактора dV. Движение среды будем считать одномерным. Изменением удельного объёма среды пренебрежём.

В отсутствие внешних полей динамика процесса в элементе объёма реактора dV выражается системой уравнений Умова - Пойнтинга для переноса массы, количества вещества, тепла и импульса - т.н., характеристической системой уравнений

Перенос массы (материальный баланс) - выражается уравнением сплошности

(2)

Перенос количества вещества - макрокинетика

= У I_OS - У I_CS W_r (1 - С ) - w_l + D (3)

где D - коэффициент перемешивания, м²/с.

Перенос тепла

сС_Р= У I_OSН_0S - У I_CSН_СS - У W_R ДН_R + W_r сС_Р Т - w_l сС_Р +

+ л (4)

Перенос импульса (течение среды)

с = с w_l (W_R ДV - ) - + Ю (5)

Где У I_OS - интенсивность физических источников вещества, кмоль/м³с;

У I_CS- интенсивность физических стоков вещества, кмоль/м³с;

Н_0S, Н_СS - энтальпии вносимых и уносимых веществ, Дж/кмоль;

ДН_R - тепловой эффект реакции, Дж/кмоль;

ДV - изменение молярного объёма в результате реакции, м³/кмоль;

D - коэффициент перемешивания (турбулентно-молекулярной диффузии), м²/с;.

Ю - динамический коэффициент турбулентно-молекулярной вязкости, Па.с.

Знак «» зависит от того, рассматривается ли концентрация реагента или продукта реакции.

Для полной характеристики задачи требуется также формулирование начальных и граничных условий. В целом это требует проведения большого объёма экспериментальных работ и вычислений. Сложность уравнений Умова приводит к тому, что в подавляющем большинстве случаев для практических целей прибегают к их упрощению на основе теории подобия. Т.е., упрощают задачу путём осреднения ряда параметров. Это позволяет перейти от уравнений математической физики к обыкновенным дифференциальным уравнениям, и в ряде случаев получить аналитические выражения, хорошо приближающиеся к эксперименту.

В качестве примера рассмотрим уравнение переноса количества вещества (5).

Преобразование формулы (5) в соответствии с теорией подобия даёт выражение (членом III обычно пренебрегают)

С/ф = У I_OS - У I_CS W_r - w_l С/L + D С/ L², (8)

где L - определяющий линейный размер, м.

Из этого выражения получают основные критерии подобия.

Делением членов (III): (IV) - критерий Боденштайна (иногда называют критерием Пекле для реакторов) - выражающий соотношение конвективного и турбулентного переноса вещества.

Во = , (9)

Делением членов (II): (III) - первый критерий Дамкелера - выражающий соотношение скорости реакции и конвективного переноса вещества.

Da_I =, (10)

где = L/ w_l - среднее время пребывания потока в реакторе, с.

Делением членов (II): (IV) - второй критерий Дамкелера

Da_II = , (11)

Da_II выражает соотношение скорости реакции и интенсивности турбулентного переноса вещества.

Аналогично из уравнения (6) выводят третий и четвёртый критерии Дамкелера

Делением членов (II): (III) - третий критерий Дамкелера, выражающий соотношение тепловой мощности реакции и конвективного переноса тепла.

Da_III = , (12)

где = L/ w_l - среднее время пребывания потока в реакторе, с.

Делением членов (II): (IV) - четвёртый критерий Дамкелера, выражающий соотношение тепловой мощности реакции и турбулентного переноса тепла.

Da_IV = , (13)

На основании вышеприведённых соотношений выводят т.н. характеристическое уравнение реактора, а точнее -характеристическую систему уравнений, выражающих связь между степенью превращения, скоростью и временем протекания ХП. Характеристическое уравнение - основа технологического расчёта реакторного процесса.

Def. Характеристическое уравнение - уравнение, связывающее скорость процесса, концентрации (и степени превращения) реагентов и необходимое время.

Применение преобразований подобия (9)-(13) обычно позволяет заменить систему уравнений математической физики (5)-(8) системой обыкновенных дифференциальных, критериальных и алгебраических уравнений вида.

С/= F_C(W_R; Da_I; Da_II; Da_III ; Da_IV; Re; Bo; I_C; I_S ) (14)

сС_Р= F_T(W_R; Da_I; Da_II; Da_III ; Da_IV; Re; Bo; I_C; I_S Gr; Ki; Bi… ) (15)

Eu = F_P (W_R; Da_I; Da_II; Da_III ; Da_IV; Re; Bo; I_C; I_S ; Fr; Gr; Ki; Bi…) (16)

Где Eu, Re, Fr, Gr; Ki; Bi, - соответственно критерии (числа) Эйлера, Рейнольдса, Фруда, Грасгофа, Кирпичёва, Био и т.д.

Как правило, на практике идут по пути дальнейших упрощений уравнений (14)-(16), основанных на следствиях, вытекающих из существования определённых областей качественно своеобразных условий протекания, выражаемых «граничными» значений критериев Во, Da_II; Da_IV. Эти упрощения позволили вывести основные группы моделей движения среды, определяющих тип макрокинетики процессов в реакторах.

К таковым базовым моделям относятся следующие: идеального/полного смешения (РИС); идеального/полного вытеснения (РИВ);. диффузионная (ДРВ) и ячеечная (КРИС-Н).

Сложные модели реальных аппаратов строят на основе комбинации вышеприведённых базовых моделей. Характеристика этих моделей и область их применения к реальным аппаратам приведены в таблице

4. Модели процессов в реакторах основных типов

Реакторы с мешалками (аппараты-котлы)

Основная модель для описания процессов в аппаратах этого типа - модель идеального/полного смешения (РИС). В основе её лежит допущение, что интенсивное перемешивание практически обеспечивает выравнивание концентраций и температуры по всему объёму реактора. Математически это отражается следующим образом.

(17а)

(17б)

(17в)

(17г)

Bo<<1 (17д)

Da_II<<1 (17е)

Da_IV<<1 (17ж)

В большинстве случаев в средах невысокой вязкости относительная неоднородность концентраций действительно не превышает (1…2) %, а перепады температуры не превышают (1…2) градуса (и приходятся на пограничный слой). Для этих условий модель РИС вполне корректна. Модель применяют и к периодическим и к непрерывным процессам.

Реакторы периодического действия - РИС-П

Эта модель применяется к периодическим процессам, при осуществлении которых все реагенты загружают за время, пренебрежимо малое по сравнению с общей продолжительностью реакционного цикла, т.е., практически единовременно. До окончания процесса продукты реакции из реактора не отводят. Поэтому все изменения концентраций и температуры обусловлены только происходящими в реакторе процессами.

Математическое описание процесса

Реакция a_IA_I = b_IB_I

Масса веществ неизменна

М = М₀ = Const (18а)

Скорость реакции (макрокинетика процесса)

= W_R + W_R - C (18б)

Температура (дифференциальный тепловой баланс определяется тепловыми эффектами химических и массообменных процессов; организованным теплообменом; мощностью, диссипируемой мешалкой и теплообменом с окружающей средой).

MC_р*+ M_AC_A = - ДН_R | W_R | - ДН_m | W_m | - КF Д - К_ПF_П(Т-) +

+ N_Ж (18в)

Где С - концентрации веществ, моль/м³;

- изменение плотности, вызываемое изменением состава среды, кг/кмоль;

=

M = V - масса реакционной среды, кг;

M_A - масса корпуса реактора, кг;

- плотность среды, кг/м³;

Т - температура в среде, К;

ДН_m - тепловой эффект химических процессов, Дж/моль;

W_m - скорость химических процессов, моль/с;

ДН_m - тепловой эффект массообменных процессов, Дж/моль;

W_m - скорость массообменных процессов, моль/с;

Т_А - средняя температура корпуса реактора, К;

- коэффициент объёмного расширения, К^-1;

C_р*- удельная теплоёмкость среды, Дж/(кг.К);

C_A - удельная теплоёмкость материала корпуса реактора, Дж/(кг.К);

К- коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К );

F - поверхность теплопередачи, м²;

Д =

средняя разность температур, отсчитываемая от температуры среды, К; (18г)

К_П - коэффициент тепловых потерь, Вт/(м²К );

F_П - поверхность тепловых потерь, м²;

T₁, t₂, t_CP - начальная, конечная и средняя температура теплоносителя, К;

- температура окружающей среды.

Гидродинамика (течение среды определяется перемешиванием)

- мощность, диссипируемая (рассеиваемая мешалкой) в среде, Вт;

N_Ж = К_N n³ d (19а)

- критерий мощности (критерий Эйлера для мешалок).

К_N = F(Re; Fr; Г) (19б)

Интегрированием системы уравнений (18а)-(18г) получают зависимость концентраций и температур от времени; результаты представляют графически или в виде таблиц.

Особую роль играют изотермические РИС-П, для которых

 = 0 (20а)

Постоянство температуры обеспечивается за счёт её регулирования

КF Д = - ДН_R W_R - К_ПF_П(Т-) + N_Ж (20б)

Постоянство температуры исключает влияние объёмного расширения на концентрации веществ. Вследствие этого для И-РИС-П характеристическая система упрощается.

= W_R (1+) (20а)

Довольно часто влиянием состава среды на плотность - особенно в случае реакций в разбавленных растворах - можно пренебречь, т.е

<<1 (20б)

Тогда характеристическое уравнение упрощается

W_R (20в)

Уравнение (20в) имеет общее интегральное решение

= С₀ (21)

где Х - степень превращения.

Возможность практически обеспечить выполнение условий (19)-(21) [например, в разбавленных растворах] делает И-РИС-П чрезвычайно важными для кинетических исследований. По существу, это основной тип т.н. кинетических ячеек. Уравнения (20в) и (21) используют для вычисления кинетических параметров реакций.

Достоинство РИС-П в том, что этот тип режима характеризуется максимальной средней концентрацией реактантов в среде, т.е., максимальной движущей силой процесса. Поэтому время, необходимое для достижения заданной степени превращения при прочих равных условиях для РИС-П минимально из всех типов реакторов периодического действия.

Нужно отметить однако, что обеспечить возможность вести процессы в режиме РИС-П достаточно сложно. Как правило, тепловые эффекты химических и массообменных процессов приводят к тому, что при высоких концентрациях реактантов - и высоких скоростях процессов - очень трудно удержать температуру в реакторе в безопасных пределах; также трудно бывает предотвратить массовую лавинную кристаллизацию, выбросы реакционной массы и другие негативные явления. Кроме того, для сложных процессов с последовательно-параллельными реакциями максимальная концентрация не всегда позволяет достичь высокой селективности процесса и максимального выхода целевого продукта - что гораздо важнее высокой скорости процесса. Поэтому процессы РИС-П сравнительно редки в практике химической технологии БАВ.

Для поддержания безопасных и рациональных режимов ведения процессов, как правило, приходится ограничивать концентрации реактантов. Для этого необходимо загружать реагенты постепенно - в течение времени, сопоставимого с временем протекания процесса.

Кроме того, довольно часто из реактора необходимо отводить продукты, могущие вызвать побочные реакции, или сдвинуть равновесие в нежелательную сторону, или снизить температуру и тем самым замедлить процесс. Как правило, это делают отгонкой, экстракцией или кристаллизацией.

Реализация этих технологических приёмов формирует два основных режима ведения периодических процессов:

- реакторы полупериодического действия - РИС-ПП;

- реакторы полупериодически-непрерывного действия - РИС-ППН.

Реакторы полупериодического действия - РИС-ПП

Эта модель применяется к периодическим процессам, при осуществлении которых часть реагентов изначально находится в реакторе, а другие загружают в течение времени, сопоставимого с временем протекания процесса. По окончании загрузки проводят выдержку, необходимую для достижения требуемого выхода целевого продукта. До окончания процесса продукты реакции из реактора не отводят. Поэтому все изменения концентраций и температуры обусловлены только происходящими в реакторе процессами.

Технологический цикл т.о. распадается на две фазы: дозирование и выдержка.

Рассмотрим осуществляемую в РИС-ПП необратимую реакцию

A + В D + E (III)

Будем считать, что раствор реагента В находится в реакторе, а раствор реагента А из мерника равномерно - т.е. с постоянным расходом - дозируют (сливают) в реактор. Будем также считать, что изначально продукты реакции D и Е в среде отсутствуют

промышленный химический технологический реактор

5. Математическое описание процесса в фазе дозирования

Масса веществ

Унос отсутствует: = G_s = 0

= G_A=_АV_A (22а)

Объёмный и массовый расходы постоянны

G_A = Const (22б)

V_A = Const (22в)

Отсюда

М = М_О + G_A= М_О + V_A (22г)

Скорость реакции (макрокинетика процесса)

Концентрация А возрастает за счёт дозирования и убывает вследствие протекания реакции и увеличения объёма реакционной среды

= - W_R (1- ) - C_А (23а)

Концентрация В только убывает вследствие протекания реакции и увеличения объёма реакционной среды

= - - W_R (1- ) - C_В (23б)

где - т.н. коэффициент контракции, отражающий отклонение объёма раствора от аддитивности.

Температура (дифференциальный тепловой баланс определяется тепловыми эффектами химических и массо-обменных процессов; энтальпией загружаемых продуктов; организованным теплообменом; мощностью диссипируемой мешалкой и теплообменом с окружающей средой).

MC_р*+ M_AC_A = G_A H - (V₀+V_A ) {ДН_R W_R - ДН_m W_m}-КF

Д - К_ПF_П(Т-) + N_Ж (23в)

Где H= m_XIH_IN - удельная энтальпия раствора реагента А, Дж/кг;

H_IN- удельная энтальпия компонента I в растворе реагента А, Дж/кг;

m_XI - массовая доля компонента I в растворе реагента А;

Гидродинамика (течение среды определяется перемешиванием)

- мощность, диссипируемая (рассеиваемая мешалкой) в среде, Вт;

N_Ж = К_N n³ d (23г)

В фазе выдержки РИС-ПП идентичен РИС-П; процесс также описывется системой уравнений (18а) - (18г). Очевидно, что характеристическая система уравнений (23а) - (23г) весьма сложна; аналитические решения возможны только для реакций первого порядка и изотермических режимов.

Численное интегрирование системы уравнений (23а)- (23г) для фазы дозирования и системы уравнений (18а)- (18г) для фазы выдержки при задании различных условий ведения процесса (начальной температуры - Т₀; расхода реагента А - G_A; температуры теплоносителя - t₀; температуры окружающей среды - ) получают зависимость концентраций и температур от времени; результаты представляют графически или в виде таблиц.

Реакторы полупериодически-непрерывного действия - РИС-ППН

Эта модель применяется к любым периодическим процессам, при осуществлении которых часть реагентов изначально находится в реакторе, а другие загружают в течение времени, сопоставимого с временем протекания процесса. По окончании загрузки проводят выдержку, необходимую для достижения требуемого выхода целевого продукта. При этом как в фазе дозирования, так и в фазе выдержки часть продуктов реакции или избыток растворителя отводят из реактора.

Это наиболее сложный из всех режимов периодических процессов. Изменения концентраций и температуры обусловлены всей совокупностью происходящих в реакторе процессов. Для РИС-ППН не всегда даже возможно однозначно разделить цикл на фазы дозирования и выдержки.

Рассмотрим осуществляемую в РИС-ППН необратимую реакцию

A + В D + E (III)

Будем считать, что раствор реагента В находится в реакторе, а раствор реагента А из мерника равномерно - т.е. с постоянным расходом - дозируют (сливают) в реактор. Будем также считать, что изначально продукты реакции D и Е в среде отсутствуют

Математическое описание процесса

Масса веществ

G_s = 0

= G_I - G_s = _IV_I - _SV_S (24а)

где М - масса веществ в аппарате, кг;

G_I - суммарный массовый расход загружаемых веществ, кг/с;

G_s- суммарный массовый расход отводимых веществ, кг/с;

Объёмные и массовые расходы постоянны

{G_I; G_s} = Const (24б)

{V_I; V_s} = Const (24в)

Отсюда

М = М_О + (G_I - G_s )= М_О + ( _IV_I - _SV_S) (24г)

Объём среды в аппарате

V = M/ (24д)

Скорость реакции (макрокинетика процесса)

Концентрация А возрастает за счёт дозирования и убывает вследствие протекания реакции, возможного уноса с отводимыми компонентами и увеличения объёма реакционной среды

= - W_R (1- ) - C_А (24е)

Концентрация В только убывает вследствие протекания реакции, возможного уноса с отводимыми компонентами и увеличения объёма реакционной среды

= - - W_R (1- ) - C_В (24ж)

где - т.н. коэффициент контракции, отражающий отклонение объёма раствора от аддитивности.

Температура (дифференциальный тепловой баланс определяется тепловыми эффектами химических и массо-обменных процессов; энтальпией загружаемых и отводимых продуктов; организованным теплообменом; мощностью диссипируемой мешалкой и теплообменом с окружающей средой).

MC_р*+ M_AC_A = G_AH- G_SH*_S - V{ДН_R | W_R | - ДН_m | W_m | }-

- КF Д- К_ПF_П(Т-) +N_Ж (24з)

Где H_S *= m_XIH_IN - удельная энтальпия отводимого продукта S, Дж/кг;

Гидродинамика (течение среды определяется перемешиванием)

- мощность, диссипируемая (рассеиваемая мешалкой) в среде, Вт;

N_Ж = К_N n³ d (24и)

Численным интегрированием системы уравнений (24а)- (24и) при задании различных условий ведения процесса (начальной температуры - Т₀; расхода реагента А - G_A; температуры теплоносителя - t₀; температуры окружающей среды - ) получают зависимость концентраций и температур от времени; результаты представляют графически или в виде таблиц.

На основании полученных результатов делают вывод о соответствии типов и технических характеристик реакторов задачам проекта и производят выбор рациональных условий ведения процесса.

Критерии выбора.

1. Параметры процесса: температура, давление, расходы сред - должны находиться в пределах норм безопасности.

2. Достигаемый выход целевого продукта должен высоким, а количество побочных продуктов, отходов и потерь - минимальным.

3. Расход энергоносителей и их параметры должны быть минимально достаточными для гарантии управления процессом.

4. Скорости изменения температуры и давления не должны превышать пределов быстродействия современных средств КИПСА (dT/d < 2 K/c; dP/d<1 Бар/с). 5. Трудоёмкость процесса должна быть минимальной.

6. Непрерывные процессы

Непрерывные процессы, несмотря на их относительную малораспространённость, важны для технологии БАВ. Для оценки их особенностей мы рассмотрим два вида аппаратов: аппараты с мешалками и трубчатые реакторы.

Аппараты с мешалками

К непрерывным процессам в аппаратах с мешалками (как и к периодическим) - в случае маловязких и умеренно-вязких сред применима модель идеального смешения, формулируемая соотношениями (17а)-(17з). В данном случае её называют РИС-Н. РИС-Н имеют ряд существенных особенностей сравнительно с периодическими процессами.

Внутренний рабочий объём такого аппарата жёстко задан установкой переливного штуцера (температурные изменения не превосходят 1%). Поэтому объём реакционной массы также практически постоянен.

Вследствие «идеальности» смешения концентрации всех веществ и температура практически постоянны и соответствуют конечным, достигаемым на выходе из реактора.

Макрокинетика (скорость процесса)

= = (25а)

== (25б)

где Т_О = v/V - среднее время пребывания реакционной массы в реакторе, с; - основной характеристический параметр продолжительности непрерывных процессов.

MC_р*+ M_AC_A = G_A H - G_SH*_S - V {ДН_R W_R - ДН_m W_m} -

- КF Д- К_ПF_П(Т-) + N_Ж (25в)

Где H_S * = m_XIH_IN - удельная энтальпия отводимого продукта S, Дж/кг;

Т.о. выражения дифференциального теплового баланса непрерывного и периодического процессов идентичны.

В РИС-Н после пуска существует довольно непродолжительный период стабилизации режима

Т_СТАБ 7Т_О (26)

По истечении этого периода устанавливается стационарный режим

===0 (27)

Для стационарного режима справедливы основные соотношения

Концентрации

С_A = С_A0 - W_R Т_О (28а)

С_В = С_В0 - W_R Т_О (28б)

Температура может быть найдена из условия

G_SH*_S = G_A H- V {ДН_R | W_R | - ДН_m | W_m | } - КF Д- К_ПF_П(Т-) +

+ N_Ж (28в)

РИС-Н являются аппаратами с т.н. ступенчатым или дискретным контактом.

Выражения (28а) - (28в) иллюстрируют сказанное выше о скачкообразном характере изменения параметров в РИС-Н. Т.о., РИС-Н характеризуются наименьшими из всех типов реакторов концентрациями реагентов - соответственно - наименьшей движущей силой процесса.

С одной стороны, это недостаток - поскольку для достижения одинаковой степени превращения требуется максимальное время пребывания Т_О - и соответственно - наиболее громоздкий аппарат (при прочих равных условиях).

С другой стороны, это достоинство. В случае реакций с большим тепловым эффектом снижение скорости процесса уменьшает тепловые нагрузки и облегчает стабилизацию безопасных и оптимальных температурных режимов. Кроме того, если порядок целевой реакции ниже порядка побочных реакций - снижение концентраций приводит к росту выхода целевого продукта.

Трубчатые реакторы

Трубчатые реакторы, в отличие от РИС-Н, являются аппаратами с т.н. непрерывным контактом. В них имеет место радиальный и осевой (обратный) конвективный и турбулентный перенос массы и импульса - т.н. обратная диффузия. При этом, конечно, основное направление переноса - соответствует координате процесса. В соответствии с этой особенностью физико-химии и гидродинамики процесса к трубчатым реакторам применяется в основном т.н. модель диффузионного реактора вытеснения - ДРВ-Н.

Обычно решения модели приводят (так же, как для РИС-Н) для стационарного режима. Путём критериальных преобразований (осреднения параметров процесса) получают следующие выражения.

Макрокинетика

- + W_R Т_О = 0 (29а)

Температура

- + Da_III + = 0 (29б)

7. Материальный и тепловой балансы ХТП

Представленные выше модели процессов позволяют расчётным путём находить очень многие важные закономерности протекания ХТП: определять допустимые температурные режимы; рассчитывать реальную продолжительность процедур загрузки реагентов и выдержек; находить параметры и расход энергоносителей; вычислять выходы целевых и побочных продуктов; находить оптимальные режимы.

Однако очевидно, что такие расчёты весьма сложны. Кроме того - что гораздо важнее - их корректная реализация требует выполнения большого объёма экспериментальных исследований; поскольку без соответствующих данных о свойствах веществ; о механизмах, кинетике и термодинамике процессов (и многих других) любые расчёты будут недостоверны. Наконец, очень многие задачи проектирования можно решить более простыми методами. Главнейший из таких методов - метод материального и теплового балансов.

Материальный баланс выражает закон сохранения массы и закон сохранения количества вещества применительно к ХТП. Тепловой баланс соответственно - закон сохранения энергии. Оба баланса теснейшим образом связаны с динамикой процесса, поскольку, выражаясь языком теоретической физики - являются интегралами ХТП.

Для объективности и полноты анализа рассмотрим наиболее сложный процесс: РИС-ППН.

Произведём некоторые преобразования уравнений (24а)-(24з).

1. Перейдём от концентраций к количеству вещества:

VdC = dN. (30а)

2. Для продуктов реакции справедливо:

W_RI d = d_I (30б)

где _I - выход продукта I.

3. Наконец, для исходных реагентов справедливо:

_I^-1 W_RI d = _I^-1 d_I = dX_А (30в)

где _I - стехиометрический коэффициент для реакции образования продукта I из главного субстрата А;

X_А - степень превращения А.

Подстановкой условий (25а)-(25в) модифицируем уравнения (24а), (24е), (24ж), (24з).

dM_I = dM + dM_s (31а)

dN_A= dN_B = N₀(1-dX) =- _I^-1 d_I (31б)

MС_рdT + M_AС_АdT_А = HdM_I - H*_S dM_S - ДН_{R I}^-1 d_I - ДН_m | W_m -

- КF Дd - К_ПF_П(Т-)d + N_Жd (31в)

Систему уравнений (26а)- (26в) можно проинтегрировать с получением следующих соотношений баланса.

1. Масса веществ

M_I = M + M_s (32а)

2. Количество вещества

Исходные реагенты

Главный субстрат - А

N_A = N_A0(1-X) (32б)

Где N_A0 - исходное (загруженное) количество субстрата А, кмоль.

Второй субстрат - В

N_В = N_В0 - N_A0 X (32в)

Где N_В0 - исходное (загруженное) количество субстрата В, кмоль.

Продукты реакции

Количество любого полученного продукта I, кмоль, даётся выражением

N_I = N_I0 + N_{A0 I}^-1_IХ (32г)

_IХ - химический выход продукта I.

Где N_I0 - исходное (загруженное) количество продукта I, кмоль;

Соответственно, масса любого полученного продукта, кг, I даётся выражением

M_I = M_mI N_I (32д)

Где M_mI - молярная масса продукта I, кг/кмоль.

3. Тепловой баланс ХТП

Тепловой баланс удобно привести к виду

Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₉ = Q₅ + Q₆+ Q₇+ Q₈ (33)

При этом

- теплота, внесённая с исходными реагентами, Дж;

Q₁ = M_IЗ H_IЗ* = N_IЗ H_З (28б)

Где H_IЗ, H_IЗ* - соответственно, молярная и удельная энтальпия загруженных веществ.

- теплота, подведённая в теплообменном устройстве, Дж

Q₂ = -КF Дd - КF Д (28в)

- суммарная теплота химических реакций, Дж;

Q₃ = (-N_A0) _I^-1_IХ ДН_RI (28г)

где ДН_RI - тепловой эффект реакции I, Дж/кмоль

- суммарная теплота массообменных процессов, Дж;

Q₄ = (-N_A0) _I^-1_Im ДН_Rm (28д)

где ДН_{Rm Im} - тепловой эффект массообменного процесса I, Дж/кмоль;

_Im- выход массообменного процесса I на главный исходный субстрат А.

- теплота, накопленная в нагретом/охлаждённом корпусе реактора, Дж

Q₅ = M_AС_А (t_АК - t_А0) (28е)

где M_A - масса корпуса аппарата, кг;

t_АК, t_А0 - конечная и начальная средняя температура корпуса, ^ОС;

- теплота, накопленная продуктами в реакторе, Дж;

Q₆ = M_I H_I* = N_I H_I (28ж)

Где H_I, H_I* - соответственно, молярная и удельная энтальпия накопленных веществ, Дж/кмоль.

- теплота продуктов, отведённых из реактора, Дж;

Q₇ = M_S H_S* = N_S H_S (28з)

Где H_IЗ, H_IЗ* - соответственно, молярная и удельная энтальпия отведённых веществ, Дж/кмоль.

- теплота, потерянная в окружающую среду, Дж

Q₈ = К_ПF_П(Т-)d К_ПF_П(Т_СР -) (28и)

где Т_СР - средняя температура в аппарате

- теплота, выделенная в среду работающей мешалкой

Q₉ = N_ЖСР (28к)

где N_ЖСР - средняя мощность, диссипируемая мешалкой в среде, Вт.

Энтальпии веществ (молярные или удельные) выражают по термохимической шкале относительно стандартной (опорной) температуры Т = 298,15 К (25,00^ОС).

Таблица 3

Выражение энтальпии веществ

Состояние при t = 25 ОС	Состояние при температуре t
	Твёрдое	Жидкое	Газообразное
Твёрдое	Ср ТВ (t-25)	Ср ТВ (tПЛ -25)+ ДНПЛ + Ср Ж (t- tПЛ)	Ср ТВ (tПЛ -25)+ ДНПЛ + Ср Ж (tКИП - tПЛ) +ДН ИСП + Ср Г (t - tКИП)
Жидкое	Ср Ж (tПЛ -25)- ДНПЛ + Ср Ж (t- tПЛ)	Ср Ж (t -25)	Ср Ж (tКИП - 25) +ДНИСП + Ср Г (t - tКИП)
Газообразное	Ср Г (tКИП -25)- ДНИСП - Ср Ж (tКИП - tПЛ) - ДНПЛ + Ср ТВ (t - tПЛ)	Ср Г (tКИП -25)- ДНИСП - Ср Ж (tКИП - t)	Ср Г (t -25)
В случаях, когда процесс протекает в разбавленных средах, а фазовое состояние реагентов и продуктов не меняется - все выражения упрощаются до: Н = СPt

Размещено на allbest.ru