Факторы, влияющие на конструкцию ректора

1. Физические свойства и агрегатное состояние реагентов и продуктов.

2. Требуемая интенсивность перемешивания.

3. Тепловой эффект ХР и требуемая интенсивность теплообмена.

4. Температура и давление - параметры процесса.

5. Агрессивность, токсичность реакционной массы.

6. Взрыво- и пожароопасность производства.

Для промышленности важной задачей является получение определенного количества продукта за определенный промежуток времени, т.е. необходимо рассчитать время пребывания реагентов в реакторе для достижения заданной степени превращения. Для этого должна быть известна кинетическая модель данной реакции. Для приблизительного расчета времени пребывания пользуются математическим моделированием.

Математическая модель – это система уравнений, которая связывает определенные параметры процесса наиболее важные.

Физическая модель – рисунок, образец, который отображает наиболее существенные стороны объекта.

Для получения более простых зависимостей при математическом моделировании некоторыми параметрами пренебрегают.

Рассмотрим химические реакторы, работающие в изотермическом режиме. Так как в таких реакторах внутри их объема отсутствует движущая сила теплообмена (∆ Т = 0), то из математической модели реактора первоначально можно исключить уравнение теплового баланса и она (мат.модель) сводится к уравнению материального баланса, учитывающее химическую реакцию, массообмен и перенос импульса. Для дальнейшего упрощения математической модели можно выделить в самостоятельную группу РЕАКТОРЫ С ИДЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ ПОТОКА идеального смешения и идеального вытеснения .Допущения об идеальной структуре потока позволяют исключить ряд операторов из общего уравнения материального баланса и тем самым существенно упростить расчеты на основе этого уравнения.

МОДЕЛИ ИДЕАЛЬНЫХ РЕАКТОРОВ

I. Реактор идеального смешения (РИС)

РИС-Н {непрерывный) = РПС-Н (полного смешения непрерывный)

В такой реактор непрерывно поступает в потоке реагент и непрерывно выводится в потоке продукт вместе с непревратившейся частью реагента. В реакторе протекает непрерывная химическая реакция.+

Вновь поступающие частицы вещества мгновенно смешиваются с находящимися внутри, равномерно распределяясь в объеме ректора. Перемешивающие устройства работают очень интенсивно. Скорость подачи сырья и отвод из реактора реакционной массы одинаковы. В результате в каждой точке реактора мгновенно выравниваются параметры: концентрация С_А, степень превращения X_А, температура Т'и др.:

Рис.1 – Графики зависимостей:

а) С_А=f (τ или V ) б) w= f (τ или V) в) Х_А= f (τ или V)

В объеме реактора параметры постоянны, но меняются скачкообразно при входе в пространство реактора.

- скорость процесса к единице объема

Пусть в реакторе протекает простая необратимая реакция:

реагент продукт

А → R.

Материальный баланс процесса: G_прих = G_расх = G_уб + G_х.р.

(приход) (убыль) (прореагировало) где С_А0 , С_А - соответственно начальная и текущая концентрации ;

υ - объемный расход

V- объем реактора (м³).

Поскольку . , выразим

Время пребывания реагента в РИС и РПС

Рассчитать можно только τ _ср, так как τ может колебаться от 0 до ∞.

Раскроем скобки:

отсюда

← Характеристическое уравнение РИС-Н.

Или, т.к.

Уравнение позволяет (если известна кинетика процесса) рассчитать время, необходимое для достижения требуемой степени превращения.

Для реакции п -го порядка:

,

отсюда ,

где п - порядок реакции.

При n = 0:

При n = 1:

- зависит только от степени превращения Х_А и не зависит от начальной концентрации

При n = 2:

По модели РИС рассчитывают:

1) реакторы с мешалками при не очень большой вязкости η среды и не очень большом объеме υ реактора;

2) проточно-циркуляционные аппараты - при большой кратности циркуляции;

3 ) реакторы с " кипящим слоем'¹.

П. Реактор идеального вытеснения (РИВ)

В РИС все параметры по объему постоянны.

Физическая модель РИВ-Н– длинная узкая труба, в которой все частицы движутся в заданном направлении, не перемешиваясь и вытесняя, подобно поршню, находящиеся впереди частицы потока и постепенно потоки вещества претерпевают превращение по высоте реактора. Время пребывания всех частиц в гаком реакторе постоянно:

Все характеристики (концентрация С_A, степень превращения Х_А, температура Т и др.) изменяются плавно по объему реактора, поэтому материальный баланс для всего объема реактора составить нельзя.

Рис. 2. Графики зависимостей:

а) С_А=f (τ или H) б) w= f (τ или H) в) Х_А= f (τ или H)

- скорость процесса к единице объема

Выбирают бесконечно малый объем реактора dVи для него составляют материальный баланс. Затем проводят интегрирование этих бесконечно малых объемов по всему объему реактора.

Пусть простая необратимая реакция протекает в реакторе без изменения объема υ:

реагент продукт А → R. C_Aпонижается, Х_А увеличивается. Материальный баланс процесса: G_прих.=G_расх., G_расх.=G_{улетевш.частиц} +G_{частиц.прореагр., в ХР}

где , С _А - соответственно начальная и текущая концентрации ;

υ - объемный расход

где V- объем реактора (м³);

dV- элементарный объем реактора (м³).

Просуммируем:

;

(Приход)

- Уравнение мат. баланса

элементарного объема РИВ-Н

Для получения уравнения мат. баланса всего реактора полученное уравнение после разделения переменных проинтегрируем (по объему всего реактора):

- Характеристическое уравнение РИВ-Н.

где w_A находим, зная кинетику процесса.

Характеристическое уравнение РИВ-Н позволяет, зная кинетику процесса

(для нахождения w_А), определить время τ пребывания реагентов в реакторе доля достижения заданной степени превращения Х_А, а затем - и размеры реактора.

Для реакции п -го порядка:

отсюда

где п - порядок реакции.

При n=0:

При n=1:

- зависит только от степени превращения Х_А и не зависит от начальной концентрации ;

При n=2:

В некоторых производственных реакторах степень превращения Х_Астоль незначительна, что для расчета можно применить модель РИВ - это трубчатые контактные аппараты с катализатором в трубах или межтрубном пространстве («кожухотрубчатые»), служащие для гетерогенных газофазных реакций.

Модель вытеснения также применяется при проектировании жидкофазных трубчатых реакторов с большим отношением длины трубы к ее диаметру.

При одинаковых условиях проведения одной и той же реакции для достижения равной глубины превращения среднее время пребывания реагентов в проточном реакторе идеального смешения больше, чем в реакторе идеального вытеснения. В РИС концентрации во всех точках равны конечной концентрации, а в РИВ в 2-х соседних точках концентрации реагентов отличаются. Скорость реакции, согласно ЗДМ пропорциональна концентрации реагентов. Следовательно в РИВ она всегда выше, чем в РИС. Т.е. требуется меньшее время пребывания для достижения той же глубины превращения.

III. Каскад реакторов (РИС)

Если по условиям проведения процесса требуется именно конструкция РИС, то для достижения высоких степеней превращения за небольшой промежуток времени требуются реакторы большого объема.

В этих случаях более целесообразна установка ряда последовательно соединенных реакторов (секций) – каскада реакторов . Реакционная смесь проходит через все секции. Можно рассматривать в качестве примера такой модели не только систему последовательно расположенных отдельных аппаратов, но и проточный реактор, тем или иным образом разделенный внутри на секции, в каждой из которых осуществляется перемешивание реакционной смеси.

Например, близка к такому типу аппарата тарельчатая барботажная колонна.

Движущая сила ∆ С:

Δ С_РИС< Δ С_{Каскад РИС} < Δ С_РИВ

В единичном РИС-Н концентрация ключевого реагента А меняется скачкообразно до С_{А (финальное)}, это предполагает, что скорость реакции в РИС-Н значительно уменьшается. Вследствие того, что каждый реактор каскада имеет малый объем, скачкообразное изменение концентрации гораздо меньше, чем в единичном РИС-Н большого объема, поэтому скорость процесса в каждой ступени каскада гораздо выше.

Каскад реакторов РИС-Н, т. о., приближается к РИВ-Н (реактор РИВ оказывается более выгодным, чем РИС, т.к. движущая сила в нем, равная (градиенту концентраций) Δ С = С_равн.- С_раб., больше, чем в РИС).

Средняя движущая сила Δ С_РИС< Δ С_{Каскад РИС} < Δ С_РИВ

При протекании химической реакции наибольшая скорость процесса достигается в РИВ-Н благодаря более высокой движущей силе процесса. РИВ-Н имеет наибольшую производительность. Производительность каскада РИС-Н меньше чем производительность РИВ-Н, но больше, чем производительность единичного РИС-Н. Чем больше число реакторов в каскаде, тем меньше скачок концентраций, тем больше движущая сила процесса, тем больше скорость процесса и соответственно, выше его производительность.

Расчет числа ступеней каскада

Расчет каскада реакторов идеального смешения обычно сводится к определению числа секций заданного объема, необходимых для достижения определенной глубины превращения.

Различают аналитический и численные методы расчета каскада. Применение аналитического метода возможно в том случае, если уравнения материального баланса могут быть аналитически решены относительно концентрации С_i. Это можно сделать, например, если протекающие реакции описываются кинетическими уравнениями первого или второго порядка.

Для расчета числа ступеней каскада, необходимых для достижения необходимой степени превращения реагента, применяют 2 метода:

1) алгебраический;

2) графический.

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒