IV. химические реакторы

В РИС все параметры по объему постоянны.

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:

где ,С А - соответственно начальная и текущая концентрации ;

υ- объемный расход

где V- объем реактора (м 3);

dV- элементарный объем реактора (м 3).

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 :

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 А столь 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.

Химические реакторы üПонятие о химическом реакторе. Классификация химических реакторов и режимов их работы. üМатериальный и тепловые балансы реакторов. üМатематические модели процессов в идеальных реакторах. -Реактор идеального смешения периодический (РИС-П). üРеактор непрерывного действия (проточные реакторы). - Реактор идеального вытеснения (РИВ). - Реактор идеального смешения непрерывный (РИС-Н). - Каскад реакторов идеального смешения (К-РИС). üСравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения. üСравнение селективности проточных реакторов. üТемпературные режимы работы реакторов. üСравнение реакторов по температурному режиму.

Химическим реактором называется аппарат, в котором осуществляются химические процессы, сочетающие химические реакции с массо и теплопереносом. Основные требования к промышленным реакторам: 1. Максимальная производительность и интенсивность работы 2. Высокий выход продукта и наибольшая селективность процесса. Они обеспечиваются оптимальным режимом работы реактора: температурой, давлением, концентрацией исходных веществ и продуктов реакции. Каталитический реактор должен так же обеспечить эффективное применение катализатора. 3. Минимальные энергетические затраты на перемешивание и транспортировку материалов через реактор, а также наилучшее использование теплоты экзотермических реакций или теплоты, подводимой в реактор для нагрева реагирующих веществ до оп тимальных температур. 4. Легкая управляемость и безопасность работы. Эти условия обеспечиваются рациональной конструкцией реактора и малыми колебаниями параметров технологического режима, позволяющими легко автоматизировать работу реактора. 5. Низкая стоимость изготовления реактора и ремонта его. 6. Устойчивость работы реактора при значительных изменениях основных параметров режима (С, Т, Р, Ак. ω).

Химические реакторы Для выбора конструкции и определения размеров любого реактора необходимо располагать следующими данными: – величинами, характеризующими скорость протекания химических реакций, а также скорость массо и теплопередачи; – внешними ограничениями, накладываемыми технологическим оборудованием, такими как модель реактора, определяющая его гидродинамическую характеристику и скорость процессов переноса вещества и тепла. Главной задачей при изучении процессов, протекающих в реакторах любого типа, является установление функциональной зависимости времени пребывания реагентов в реакторе от различных факторов: = f [х, C, v], где х – заданная степень превращения реагента; С – начальная концентрация реагента; v – скорость химической реакции. Уравнение, связывающее четыре названные величины, называется характеристическим уравнением реактора.

Химические реакторы Классификация химических реакторов и режимов их работы Наиболее часто употребляются следующие признаки классификации химических реакторов и режимов их работы: 1) режим движения реакционной среды (гидродинамическая обстановка в реакторе); 2) условия теплообмена в реакторе; 3) фазовый состав реакционной смеси; 4) способ организации процесса; 5) характер изменения параметров процесса во времени; 6) конструктивные характеристики. 1) Классификация реакторов по гидродинамической обстановке. В зависимости от гидродинамической обстановки все реакторы можно разделить на реакторы смешения и вытеснения. Реакторы смешения – это емкостные аппараты с пере мешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом. Реакторы вытеснения – трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала.

Химические реакторы 2) Классификация по условиям теплообмена. При отсутствии теплообмена с окружающей средой химический реактор является адиабатическим. В нем вся теплота, выделяющаяся или поглощающаяся в результате химических процессов, расходуется на «внутренний» теплообмен – на нагрев или охлаждение реакционной смеси. Реактор называется изотермическим, если за счет теплообмена с окружающей средой в нем обеспечивается постоянство температуры. В этом случае в любой точке реактора за счет теплообмена полностью компенсируется выделение или поглощение теплоты. В реакторах с промежуточным тепловым режимом тепловой эффект химической реакции частично компенсируется за счет теплообмена с окружающей средой, а частично вызывает изменение температуры реакционной смеси. (политермический реактор)

Химические реакторы 3) Классификация по фазовому составу реакционной смеси. Для проведения гомогенных процессов применяют реакторы для газофазных и жидкофазных реакций, для проведения гетерогенных процессов – газожидкостные реакторы, реакторы для процессов в системах газ – твердое вещество, жидкость – твердое вещество и др. Особо следует выделить реакторы для проведения гетерогенно каталитических процессов. 4) Классификация по способу организации процесса. По способу организации процесса (способу подвода реагентов и отвода продуктов) реакторы подразделяют на периодические, непрерывно действующие (проточные) и полунепрерывные (полупериодические) 5) Классификация по характеру изменения параметров процесса во времени. В зависимости от характера изменения параметров процесса во времени одни и те же реакторы могут работать в стационарном и нестационарном режимах.

Химические реакторы Режим работы реактора называют стационарным, если протекание химической реакции в произвольно выбранной точке характеризуется одинаковыми значениями концентраций реагентов или продуктов, температуры и других параметров процесса в любой момент времени. В стационарном режиме параметры потока на выходе из реактора не зависят от времени. Если в произвольно выбранной точке происходят изменения параметров химического процесса во времени по тому или иному закону, режим работы реактора называют нестационарным. Нестационарный режим является более общим. Стационарный режим возможен для непрерывно действующих проточных реакторов. Но и эти реакторы работают в нестационарном режиме в моменты их пуска и остановки. Нестационарными являются все периодические процессы.

Химические реакторы 6) Классификация по конструктивным характеристикам. Химические реакторы отличаются друг от друга и по ряду конструктивных характеристик, оказывающих влияние на их расчет и изготовление. По этому принципу классификации можно выделить следующие типы реакторов: емкостные реакторы (автоклавы; реакторы камеры; вертикальные и горизонтальные цилиндрические конверторы и т. п.); колонные реакторы (реакторы колонны насадочного и тарельчатого типа; каталитические реакторы с неподвижным, движущимся и псевдоожиженным слоем катализатора; полочные реакторы); реакторы типа теплообменника; реакторы типа реакционной печи (шахтные, полочные, камерные, вращающиеся печи и т. п.)

Материальный и тепловой балансы реакторов Составим материальный баланс по исходному веществу А при проведении простой необратимой реакции А → R. В общем виде уравнение материального баланса записывается так где – массовый расход Учитывая, что поступившее в реактор вещество А расходуется в трех направлениях, можно записать где – масса вещества А, вступившего в реакционном объеме в химическую реакцию в единицу времени; – сток вещества А – масса вещества А, выходящего из реакционного объема в единицу времени; – накопление вещества А – масса вещества А, остающегося в реакционном объеме в неизменном виде в единицу времени.

Материальный и тепловой балансы реакторов Разность между массой вещества А, поступающего в единицу времени в реактор и выходящего из него – это масса вещества А, переносимого конвективным потоком Принимая это во внимание, полученное уравнение можно записать в такой форме В каждом конкретном случае уравнение материального баланса принимает различную форму.

Материальный и тепловой балансы реакторов z CA (внутри реактора) x wx y Основой кинетического расчета реактора является уравнение мгновенного материального баланса называемое характеристическим уравнением, полученное для бесконечно малого объема (элементарного) реактора за бесконечно малое время. В этом случае материальный баланс будет выражен дифференциальным уравнением

Материальный и тепловой балансы реакторов В результате получают уравнение конвективного массообмена, дополненное членом r. А, который учитывает протекание химической реакции. Составленное по исходному реагенту А, оно имеет вид где СА – концентрация вещества А в реакционной смеси; x, y, z – пространственные координаты; D – коэффициент молекулярной и турбулентной диффузии; r. А – скорость химической реакции. Член в левой части уравнения отражает общее изменение концентрации исходного вещества во времени в элементарном объеме, для которого составляется материальный баланс. Это накопление вещества А.

Материальный и тепловой балансы реакторов где: скорость накопления концентрации внутри элементарного объема, конвективный поток реагента А в элементарном объеме реактора диффузионный поток реагента А в элементарном объеме реактора. скорость химического превращения внутри элементарного объема

Материальный и тепловой балансы реакторов Тепловой баланс в общем виде можно представить уравнением Qприх = Qрасх, где Qприх – количество теплоты, поступающей в реактор в единицу времени; Qрасх – количество теплоты, расходуемое в единицу времени. Рассмотрим случай, когда простая необратимая реакция А → R протекает с выделением теплоты: А → R + Q, тогда приход теплоты можно записать в виде Qприх = Qх. р + Qреаг, где Qх. р – количество теплоты, выделяющееся в результате химического превращения вещества А в единицу времени; Qреаг – количество теплоты, вносимое исходными реагентами, поступающими в реактор в единицу времени. Расход теплоты может быть представлен уравнением Qрасх = Qпрод + Qнак + Qт, где Qпрод – количество теплоты, уносимое из реактора продуктами реакции в единицу времени; Qнак – количество теплоты, накапливающееся в реакторе в единицу времени; Qт – количество теплоты, расходуемое в единицу времени в результате теплообмена с окружающей средой.

Материальный и тепловой балансы реакторов Qх. р + Qреаг = Qпрод + Qнак + Qт В общем случае имеет место изменение параметров процесса (температуры, концентрации и т. п.) по объему реактора или во времени, в связи с чем тепловой баланс так же, как и материальный, составляют в дифференциальной форме. Для этой цели используют дифференциальное уравнение конвективного теплообмена, в которое вводят дополнительные члены, учитывающие отвод теплоты в результате теплообмена и теплоту реакции. где ρ – плотность реакционной смеси; Ср – удельная теплоемкость реакционной смеси; х, y, z – пространственные координаты; Wx, Wy, Wz – составляющие скорости движения потока в направлении осей Х, Y, Z; λ – коэффициент молекулярной и турбулентной теплопроводности реакционной смеси; Fуд – удельная поверхность теплообмена; K – коэффициент теплопередачи; ΔТ = Т – Тт, где Т – температура реакционной смеси; Тт – температура в теплообменнике; r – скорость химической реакции; ΔН – изменение энтальпии реакции

Математические модели процессов в идеальных реакторах Рассмотрим 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. В таком случае математическая модель сводится к уравнению материального баланса, учитывающему химическую реакцию и массообмен. Реакторы периодические характеризуются одновременной загрузкой реагентов. При этом процесс складывается из трех стадий: загрузки сырья, его обработки (химического превращения) и выгрузки продукта. После проведения этих операций они повторяются вновь, т. е. работа реактора осуществляется циклически. Время одного цикла, проводимого в периодическом реакторе, определяется уравнением = + Где – полное время цикла; – рабочее время, затрачиваемое на проведение химической реакции; – вспомогательное время, затрачиваемое на загрузку реагентов и выгрузку продукта.

Математические модели процессов в идеальных реакторах Реактор идеального смешения периодический (РИС-П) СА 0 СА СА = 0 СА 1 = Распределение концентрации реагента А в РИС П: а – по времени; б – по объему: СА 0, СА 1 – концентрация реагента А в реакционной смеси соответственно в начале и конце процесса; – время Периодические процессы по своей природе всегда являются нестационарными, так как в них за счет химической реакции происходит изменение во времени параметров процесса, например концентрации веществ, участвующих в реакции, т. е. имеет место накопление вещества.

Реактор идеального смешения периодический (РИС-П) (7 1) С учетом полученных значений уравнение (7 1) упрощается и может быть записано не в частных производных, а в виде обыкновенного дифференциального уравнения: (7 2)

Реактор идеального смешения периодический (РИС-П) Все реакции протекают либо без изменения, либо с изменением объема реакционной смеси. Для реакций первого типа (V = const) текущая концентрация реагента А составляет где NА – начальное химическое количество исходного вещества А в реакционной смеси; V – объем реакционной смеси. Подставив полученное выражение для СА в уравнение (7 2), находим или (7 3)

Реактор идеального смешения периодический (РИС-П) Интегрируя уравнение (7 3) в пределах изменения времени от 0 до и степени превращения от 0 до х. А, получаем характеристическое уравнение РИС-П для условий, когда объем реакционной смеси не изменяется в течение процесса: (7 4) Рассмотрим некоторые частные случаи этого уравнения Для необратимой реакции нулевого порядка Для необратимой реакции первого порядка

Реактор идеального смешения периодический (РИС-П) Для необратимой реакции n-го порядка В тех случаях, когда интегрирование уравнения (7 4) связано с трудностями, определение времени производят методом графического интегрирования. Для этого строят графическую зависимость 1/(– r. А) от х. А и вычисляют площадь под кривой между начальным х. А 0 и конечным х. А значениями степени превращения. Для х. А 0 = 0 искомая площадь выражается уравнением Подставив полученное значение для S в уравнение (7 4), находим

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Реактор идеального вытеснения (РИВ) Для непрерывных реакторов удобней пользоваться понятием условного времени пребывания реагентов в системе (времени контакта), которое определяется уравнением = где – время пребывания; Vр – объем реактора; V 0 – объем реакционной смеси, поступающей в реактор в единицу времени (объемный расход реагентов), измеренный при определенных условиях. Проточные реакторы отличаются различным характером перемещения в них вещества (гидродинамической обстановкой). По этому признаку непрерывные реакторы разделяют на: ü реакторы идеального вытеснения (РИВ) ü реакторы идеального смешения (РИС).

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Реактор идеального вытеснения (РИВ) Реактор идеального вытеснения представляет собой трубчатый реактор с отношением длины трубки L к ее диаметру d большим 20, в который подаются исходные реагенты, превращающиеся по мере перемещения их по длине реактора в продукты реакции d. V СА 0, х. А СА Изменение концентрации и степени превращения реагента А по длине реактора L СА 0 СА х. А l L х. А 0 0 L l

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Реактор идеального вытеснения (РИВ) Поскольку в РИВ реакционная смесь двигается только в одном направлении (по длине l), то для первой группы членов правой части уравнения (7 1) можно записать (выбрав за направление оси Х направление движения потока реагентов в реакторе): где W – линейная скорость движения реакционной смеси в реакторе; l – длина пути, пройденного элементом объема реакционной смеси в реакторе. Так каждый элемент объема реакционной смеси в реакторе не смешивается ни с предыдущим, ни с последующим объемами, а также отсутствует радиальное перемешивание (т. е. нет ни продольной, ни радиальной диффузии), то

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Реактор идеального вытеснения (РИВ) С учетом вышесказанного уравнение (7 1) для реакторов идеального вытеснения принимает вид (7 5) Это уравнение материального баланса является математическим описанием потоков реагентов в РИВ при нестационарном режиме (таком, когда параметры процесса меняются не только по длине реактора, но и непостоянны во времени) Стационарный режим характеризуется тем, что параметры в данной точке реакционного объема не меняются во времени, т. е. Тогда уравнение (7 5) примет вид (7 6)

Если объем реакционной смеси не изменяется в процессе, то справедливо уравнение после дифференцирования которого получим Длину пути l можно выразить как произведение (W), откуда при постоянной линейной скорости потока dl = W d (7 7) После интегрирования уравнения (7 7) в пределах изменения степени превращения от 0 до х. А получаем характеристическое уравнение РИВ: (7 8)

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Реактор идеального вытеснения (РИВ) Уравнение (7 8) для РИВ аналогично уравнению (7 4), полученному для РИС П. В уравнении (7 4) время есть время проведения реакции в периодическом реакторе (от загрузки сырья до выгрузки продуктов), а в уравнении (7 8) – время, в течение которого реакционная смесь проходит через РИВ от входа в реактор до выхода из него (при условии, что реакция идет без изменения объема). Уравнение (7 8) для необратимой реакции n-го порядка примет вид: или Для реакции нулевого порядка формула имеет вид Для необратимой реакции первого порядка

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Реактор идеального вытеснения (РИВ) Для реакций более высоких порядков целесообразно для определения времени пребывания использовать метод графического интегрирования. Для этого строят графическую зависимость 1 / (– r. А) от х. А и вычисляют площадь под кривой Sвыт между начальным и конечным значениями степени превращения х. А 0 и х. А: 0 х. А

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Реактор идеального смешения непрерывный (РИС-Н) СА 0 СА Непрерывный реактор идеального смешения (РИС-Н) – это реактор с мешалкой, в который непрерывно подают реагенты и выводят из него продукты реакции. Благодаря интенсивному перемешиванию потоков мгновенно устанавливается одинаковая по всему объему реактора концентрация реагента А, равная его концентрации на выходе из реактора. Резкое изменение концентрации при входе реагентов в реактор происходит за счет мгновенного смешения поступающих реагентов с реакционной массой, уже находящейся в реакторе, где концентрация компонента А значительно ниже, чем в подаваемой реакционной смеси.

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Реактор идеального смешения непрерывный (РИС-Н) СА 0 СА Величина перепада между начальной СА 0 и конечной СА концентрациями исходного реагента зависит при прочих равных условиях от величины скорости химической реакции. Чем она выше, тем меньше концентрация реагента А в реакторе и больше перепад (СА 0 – СА). С другой стороны, при одной и той же скорости реакции величина перепада зависит от времени пребывания () реагентов в реакторе. Чем выше, тем полнее проходит реакция и тем ниже концентрация реагента СА в реакционной смеси. СА 0 СА 1 СА 2 СА Концентрация реагента А в РИС Н при различном времени пребывания реагентов в реакторе (1

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Реактор идеального смешения непрерывный (РИС-Н) –r. A XА –r. A 0 XАк –r. Aк XА 0 V 0 а) V V б) Изменение параметров в РИС-Н: а – степени превращения х. А; б – скорость процесса r. A

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Реактор идеального смешения непрерывный (РИС-Н) Исходя из уравнения материального баланса: СА 0 СА где Vр – объем реактора; V – объемный расход реагентов

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Реактор идеального смешения непрерывный (РИС-Н) Условием стационарности процесса в РИС Н является равенство скорости конвективного переноса вещества А и скорости его химического превращения СА 0 СА где Vр – объем реактора; V – объемный расход реагентов Отношение Vp / V – это условное время пребывания. Тогда (7 9) Это характеристическое уравнение реактора идеального смешения. Для более общего случая, когда начальная степень превращения х. А 0 не равна нулю, оно записывается

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Реактор идеального смешения непрерывный (РИС-Н) Для простой необратимой реакции n-го порядка уравнение (7 9) примет вид СА 0 СА Для реакции нулевого порядка Для реакции первого порядка

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Каскад реакторов идеального смешения (К-РИС) Каскад представляет собой несколько последовательно соединенных проточных реакторов (секций) идеального смешения. Реакционная смесь последовательно проходит через все секции. СА 0 В последнем реакторе каскада концентрации, а следовательно, и скорость реакции те же, что и в единичном реакторе, но в каждом из предыдущих аппаратов каскада концентрации реагирующих веществ выше поэтому скорости реакции будут выше, чем в последующем аппарате. В результате средняя скорость реакции в каскаде превысит среднюю скорость реакции в одиночном реакторе СА 1 СА 2 СА 3

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Каскад реакторов идеального смешения (К-РИС) СА Задача расчета каскада реакторов заключается в определении числа ступеней (числа реакторов) N, необходимых для достижения заданной степени превращения х. А. СА 0 СА 1 СА 2 СА 3 1 2 3 N Изменение концентрации реагента А в каскаде реакторов идеального смешения

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Каскад реакторов идеального смешения (К-РИС) Существует аналитический и графический методы расчета каскада реакторов Для расчета каскада реакторов необходимо иметь сведения о кинетике процесса , знать концентрацию исходного реагента А на входе в первый реактор СА 0 и на выходе из последнего реактора САN (т. е. общую степень превращения х. А), необходимо также задать объем единичного реактора (т. е. время пребывания в единичном реакторе смешения τсм), при этом предполагается, что объемы единичных реакторов в каскаде равны. Для единичного N-го реактора идеального смешения (7 10) где, − концентрации компонента А соответственно на входе в N й реактор и на выходе из него. Для расчета скорость процесса в реакторе уравнение 7 10 представим в следующем виде: (7 11)

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Каскад реакторов идеального смешения (К-РИС) Из уравнения (7 11) следует, что скорость реакции r. А линейно зависит только от концентрации на выходе. Если эту зависимость выразить графически, то прямая, описываемая уравнением (7 11), пересекает ось абсцисс в точке и имеет тангенс угла наклона α, равный – 1 / τсм. Для нахождения концентрации в Nм реакторе необходимо уравнение (7 11) решать совместно с кинетическим уравнением r. A = f (CA) М для определения концентрации реагента на выходе из первого CА CА реактора СА 1 необходимо из точки СА 0, лежащей на оси абсцисс, Графический способ расчета каскада провести прямую с тангенсом угла реакторов наклона – 1 / τсм до пересечения с кривой r. A = f(CA) в точке М.

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Каскад реакторов идеального смешения (К-РИС) В аналитическом расчете каскада для каждой ступени используется уравнение материального баланса одиночного реактора смешения непрерывного действия. Используя характеристическое уравнение для РИС Н в виде последовательно для расчета отдельных ступеней каскада, получаем: … где – среднее время пребывания реагентов в отдельных ступенях каскада …

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Каскад реакторов идеального смешения (К-РИС) Для реакции первого порядка (n=1) Vp=const; V=const Среднее время пребывания реагентов в каскаде равно сумме времени пребывания в отдельных ступенях, которое одинаково во всех реакторах

Реакторы непрерывного действия (проточные реакторы) Каскад реакторов идеального смешения (К-РИС) Число реакторов в каскаде рассчитывается по уравнению

Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения CА CА 0 2 1 CА 1 0 L l При одинаковых условиях проведения одной и той же реакции для достижения равной глубины превращения среднее время пребывания реагентов в проточном реакторе идеального смешения (1) больше, чем в реакторе идеального вытеснения (2).

Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения Так как текущая концентрация в РИВ выше, то следовательно: выше скорость превращения, поэтому времени необходимо меньше CА CА 0 1 2 CА 1 0 L l Исходя из этого размер реактора меньше, следовательно, у РИВ выше интенсивность чем у РИС-Н. Для реакции первого порядка n=1: Х=10% а = 1, 06 Х=58% а = 1, 44 Х=90% а = 3, 9 Следовательно объём реактора РИС-Н должен быть в 4 раза больше РИВ

Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения 1 / ra CА 1 CА 0 CА Площади криволинейных трапеций, соответствующие среднему времени пребывания в РИВ меньше площадей прямоугольников, соответствующих времени пребывания в РИС, причем разница тем больше, чем больше достигаемая а реакторе степень превращения исходного реагента. Следовательно, при равном объёмном расходе для достижения одинаковых результатов РИВ должен иметь меньший объём, чем РИС-Н.

Сравнение селективности проточных реакторов Соотношение k 1, n 1 A φ R k 2, n 2 S В данном случае дифференциальная селективность будет зависеть от разности порядков целевой и побочной реакций. n 1>n 2 РИВ РИС CА 1 CА 0 CА Если n 1>n 2 то значение дифференциальной селективности возрастает с увеличением концентрации реагента СА. В этом случае для достижения высокой селективности можно использовать РИВ, так как именно в нем больше текущая концентрация, также можно использовать каскад реакторов.

Сравнение селективности проточных реакторов φ φ n 1

Температурные режимы работы реакторов В зависимости от теплового режима реакторы разделяют на три группы: адиабатические, изотермические и политермические Адиабатический и изотермический реакторы представляют предельные случаи, которых на практике не бывает, но режим работы многих промышленных реакторов приближается к этим крайним моделям, поэтому с достаточной для практических целей точностью реакторы могут рассчитываться по уравнениям, полученным для адиабатических и изотермических режимов. Исходным уравнением для расчета реакторов с учетом переноса тепла является уравнение теплового баланса, которое обычно составляют по одному из компонентов реакционной смеси. Форма уравнения теплового баланса определяется также тепловым режимом в реакторе Qх. р + Qреаг = Qпрод + Qнак + Qт

Температурные режимы работы реакторов Адиабатический режим В адиабатических реакторах отсутствует теплообмен с окружающей средой (Qт = 0), для стационарных условий не происходит также накопление теплоты (Qнак = 0), поэтому уравнение теплового баланса принимает вид Qх. р + Qреаг = Qпрод Gисх. Cp. Tн ± Gисх. CAx. Aq = Gпрод. Cp. Tк

Width:="" auto="">

Температурные режимы работы реакторов Адиабатический режим При стационарном режиме скорость тепловыделения в результате химического превращения () и скорость уноса теплоты с конвективным потоком равны между собой, что обеспечивает неизменность температуры во времени для любой точки реактора. Изменение температуры имеет место только по длине реактора l. Для получения полных тепловых потоков дифференциальные уравнения интегрируют либо по времени (для РИС П), либо по объему или длине (для РИВ). Реакторы идеального смешения непрерывного действия (РИС Н) в стационарном режиме характеризуются отсутствием градиента параметров как во времени, так и по объему, в связи с чем уравнение теплового баланса (так же, как и материального) составляют сразу для всего реактора в целом, пользуясь конечными значениями параметров на входе в реактор и на выходе из него.

Температурные режимы работы реакторов Адиабатический режим в РИС Н благодаря интенсивному перемешиванию все параметры процесса, имеющие на входе в реактор значения CА 0, х. А 0, Т 0, мгновенно изменяются до CА, х. А, Т, имеющих одинаковые значения по всему объему реактора и отличающихся от выходных параметров (7 12) Уравнение теплового баланса (7 12) показывает, что в адиабатическом реакторе идеального смешения непрерывного действия вся теплота химической реакции расходуется на нагревание реагентов от температуры Т 0 до Т и уносится из реактора конвективным потоком. Для любой степени превращения х. А вещества А температура в реакторе может быть рассчитана по формуле

Температурные режимы работы реакторов Изотермический режим В изотермическом реакторе идеального смешения непрерывном отвод (или подвод) теплоты осуществляется через стенку, которая охлаждается каким либо хладагентом или с помощью теплообменных элементов, расположенных внутри реактора. Так как в изотермических условиях температура реакционной среды не изменяется (Т = const) Qх. р + Qреаг = Qпрод ± Q Gисх. Cp. Tн ± Gисх. CA 0 x. Aq = Gпрод. Cp. Tк ±KFΔT

Width:="" auto="">

Температурные режимы работы реакторов Политермический режим уравнение теплового баланса для политермического РИС-Н Н х. А = Сравнение реакторов по температурному режиму (экзотермическая реакция) x ΔH

Сравнение реакторов по температурному режиму T 2 1 1 – РИВ А – адиабатический режим 2 – РИС А – адиабатический режим

Тема 6. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Современный химический реактор -

2) теплообменники;

3) перемешивающие устройства,

2. Высокий выход продукта Ф φ- Р, X.

производительности (посырью) и высокойстепенью превращения Х А (реагента):

в схемах с открытым циклом предпочтение отдают высокой степени превращения Х А реагентов;

в закрытых системах предпочтение отдают высокой производительности.

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 иидеального 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

Время пребывания реагента в РИС и РПС

Раскроем скобки:

←Характеристическое уравнение РИС-Н.

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.

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

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

где ,С А - соответственно начальная и текущая концентрации ;

υ- объемный расход

где V- объем реактора (м 3);

dV- элементарный объем реактора (м 3).

Просуммируем:

(Приход)

- Уравнение мат. баланса

элементарного объема РИВ-Н

- Характеристическое уравнение РИВ-Н.

где w A находим, зная кинетику процесса.

Характеристическое уравнение РИВ-Н позволяет, зная кинетику процесса

Для реакции п -го порядка :

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:

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:

ΔС РИС < ΔС Каскад РИС < ΔС 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) ΔС = С равн.- С раб., больше, чем в РИС).

Средняя движущая сила ΔС РИС <ΔС Каскад РИС < ΔС 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.

Пример

Дана реакция второго порядка

2А →R , или 2А → R + S ,

кинетическое уравнение w A = 2,5 (к = 2,5), конечная степень превращения Х А =0,8, . . Определить, сколько времени потребуется для проведения реакции в:

а) РИВ-Н;

б) РИС-Н;

в) каскаде РИС-Н, где все секции каскада имеют одинаковый объем

(V 1 = V 2 = ... = V n), подобранный таким образом, что среднее время пребывание в каждой из них равно .

Рис. 4 – Зависимость скорости реакции от концентрации дня расчета числа секций каскада реакторов идеального смешения.

Из рисунка 4 видим, что для достижения указанной степени превращения необходимо четыре секции. Оказывается, чю на выходе из 4-й секции степень превращения даже выше, чем задана по условию, но в трех секциях степень превращения не достигается).

Таким образом, суммарное среднее время пребывания реагентов в каскаде реакторов идеального смешения составляет

Для расчета каскада РИС-Н аналитическим методом составляем

для каждой ступени каскада уравнение материального баланса:

IV. Реактор периодического действия (РПД)

В РПД единовременно загружаются определенные количества реагентов, которые находятся в нем до тех пор, пока не будет достигнута желаемая степень превращения. После этого реактор выгружают.

Распределение концентрации С А реагента при любой степени смешивания реагентов аналогично РИВ:

Однако производительность РИВ выше:

заданная степень превращения Х А достигается вРИВ за меньшее время τ:

в РПД заданная степень превращения Х А достигается за время

τ хим. реакции +τ вспом.операций (Загрузки и выгрузки) по этому производительность РПД ниже:

Так как τ РИВ < τ РПД => П РИВ >П РПД, поэтому обычно:

для малотоннажных производств (напр., фармацевтика) применяют РПД;

для крупнотоннажных – максимальную производительность дают РИВ-Н.

Политермические

Реакторы, характеризующиеся частичным отводом тепла реакции или подводом тепла извне в соответствии с заданной программой изменения температуры T° по высоте реактора ("программно-регулируемые реакторы").

Пример: Реакторы смешения РИС - периодического действия.

При изучении и количественной оценке процессов в реакторе для вывода расчетных формул температурного режима используют тепловые балансы.

Тепловой баланс основан на законе сохранения энергии Е :

Приход тепла в данной производственной реакции должен быть равен его расходу в той же операции: Q прих. =Q расх.

Тепловые балансы составляют по данным материального баланса процесса и тепловых эффектов химических реакций, а также физических превращений, происходящих в реакторе, с учетом подвода тепла извне, а также отвода тепла с продуктами реакции и через стенки реактора.

I. Адиабатический реактор (чаще РИВ)

По идеальной модели в адиабатическом реакторе отсутствует теплообмен с окружающей средой. В реальных условиях приближение к отсутствию теплообмена достигается за счет хорошей изоляции стенок реактора от окружающей среды (двойные стенки, изоляционный материал)

Изменение температуры Т 0 в адиабатическом реакторе ΔT° = T° кон. - T° нач. пропорционально

- степени превращения реагента Х А

- концентрации основного реагента ,

- тепловому эффекту Q r реакции

и обратно пропорционально

- средней теплоемкости реакционной смеси.

Для экзотермической реакции ΔН< 0 ΔT° = T° кон. - T° нач > О (знак+)

Для эндотермической реакции ΔН> 0 ΔT° = T° кон. - T° нач < О (знак-)

Применение

По модели адиабатического реактора РИВ рассчитывают контактные аппараты с фильтрующим слоем катализатора.

Эта модель применима также для расчета камерных реакторов для гомогенных реакций, для прямоточных абсорбентов с изолирующей футеровкой (облицовкой), в которых газ движется навстречу разбрызгиваемой жидкости.

Адиабатический РИВ-Н целесообразны для проведения экзотермических реакций. Если не подводить тепло из вне, то процесс идет в автотермическом режиме (за счет тепла самой химической реакции).

В адиабатическом режиме проводят и эндотермические реакции, но в этом случае реакционную массу подают вместе с паром.

II. Изотермический реактор

Анализ уравнения адиабаты

ΔT° = T° кон. - T° нач =

показывает, что к изотермическим реакторам

могут приближаться реакторы с малыми значениями:

Q х.р. - удельного теплового эффекта (на единицу вещества);

- - начальной концентрации реагента;

- X А - степени превращения

при больших значениях

- - теплопроводности реакционной смеси.

Применение

Практически изотермичны реакторы :

Для переработки низко концентрированных(↓ С А) газов ( → 0), и

Реакторы, в которых экзо- и эндо термическиеэффекты практически

уравновешиваются (q х.р →0). Т.е. изотермический режим наблюдается в том случае, когда тепловой эффект основного процесса компенсируется равным по величине, но противоположным по знаку тепловыми эффектами побочных реакций, либо физических процессов (испарение, растворение)

При моделировании к полностью изотермическим реакторам относят жидкостные реакторы

- (Ж - Ж) - эмульсия

- (Ж - Т) - суспензия

с механическими, пневматическими и струйно-циркуляционными перемешивающими устройствами.

Изотермический режим наблюдается на полках пенного и барботажного аппаратов не больших размеров, в некоторых контактных аппаратах с неподвижным катализатором.

Близким к изотермическому может быть режим аДсорбционных и аБсорбционных аппаратов, в которых тепло, выделяемое при аДсорбции или аБсорбции, расходуется на испарение воды или другого растворителя.

Изотермического режима можно достичь за счет теплообменных устройств подводя или отводя тепло из реактора. Отвод тепла для экзотермической реакции пропорционален тому сколько должно выделится. Подвод для эндо – поглотиться.

П Р И М Е Н Е И И Е

Политермический режим наблюдается в реакторах, в которых тепловой эффект Q x . p . основной химической реакции лишь частично компенсируется за счет тепловых эффектов побочных реакций или физических процессов, по знаку противоположных основному процессу.

К таким реакторам относятся многие шахтные и доменные печи.

Способы его осуществления

Оптимальный температурный режим – это температурный режим, обеспечивающий экономически целесообразную максимальную производительность П по целевому продукту (при МАХ возможной скорости w r проведения процесса), при этом необходимо достижение высокой конверсии – для простых реакций и высокую селективность – для сложных реакций.

Решение практической задачи проведения процесса в промышленном реакторе в соответствии с оптимальным температурным режимом зависит от многих факторов и прежде всего от теплового эффекта и кинетики реакции.

Анализируя это уравнение скорости реакции, заключаем, что к увеличению скорости реакции приведет:

Повышение температуры;

Снижение степени превращения.

Чтобы скомпенсировать снижение скорости w r реакции с ростом степени превращения Ха целесообразно увеличивать температуру Т°. Поэтому экзотермические (ΔН<0) простые (A→R) необратимые (→) реакции целесообразно проводить в адиабатическом РИВ (нет теплообмена с окружающей средой - реакторы, работающие без подвода или отвода тепла Qв окружающую среду через стенки реактора. Т.о. все тепло, выделяемое или поглощаемое в ходе реакции, аккумулируется (поглощается) реакционной смесью)

В этом случае можно обеспечить высокую скорость w r реакции и высокую производительность П реактора без использования посторонних источников тепла Q.

Температура повышается с увеличением конверсии, следовательно, повышается и константа скорости, с значит, повышается и скорость процесса.

Наилучшая организация процесса достигается, если теплота Q продуктов, выходящих из реактора, служит для нагревания реагентов при входе в реактор.

Реакции эндотермические (ΔH>0) простые (A→R) необратимые (→) невыгодно проводить в адиабатическом РИВ, а более целесообразно - в реакторах с подводом тепла Q, поддерживая определенную температуру T 0 максимально возможную по конструкционным и технологическим соображениям (изотермическом, политермическом). (с повышением конверсии температура понижается, а значит понижается и константа скорости, и сама скорость). Эндотермические процессы все0же проводят в адиабатическом РИВ-Н, но подачу сырья производят совместно с паром.

Простые обратимые реакции

(↔ )

Анализируя это уравнение скорости реакции, заключаем, что к увеличению скорости w r реакции приведет повышение температуры:

T 0 => w r

На скорость w r реакции оказывает также влияние знак теплового эффекта Q r (или энтальпии ΔН):

1) Если прямая реакция - эндотермическая ΔН>0 (споглощением тепла)

то повышение температуры T 0 также благоприятно повлияет и на положение химического равновесия ↔ (сместит его именно в сторону прямой реакции →).

Поэтому такие реакции проводят в реакторах с подводом тепла так же, как и необратимые (→) эндотермические (ΔН >0) реакции.

2) Если прямая реакция - экзотермическая (ΔН < 0) (с выделением тепла)

то вступают в противоречие КИНЕТИКА и ТЕРМОДИНАМИКА процесса: повышение температуры T 0 неблагоприятно повлияет на положение химического равновесия ↔ (сместит егов сторону обратной реакции ← ).

Поэтому применяют следующий режим:

- в начале процесса когда концентрация продукта С R еще невелика,

температуру увеличивают T 0 до тех пор, пока скорость процесса w r не станет достаточно высокой;

- в конце процесса - температуру постепенно снижают T 0 ↓ по линии

оптимальных температур (ЛОТ) таким образом, чтобы скорость процесса w r оставалась как можно более высокой при данных условиях.

Такой режим не осуществим ни в адиабатическом, ни в изотермическом реакторе. Приближением к данному режиму является РИВ, находящийся внутри теплообменной трубки, внутри которой проходит охлаждающий реагент.

Другой способ – проведение процесса в многосекционном реакторе, в котором каждая секция работает в адиабатическом режиме, но между секциями имеется охлаждение.

Для эндотермических (обратимых и необратимых) реакций целесообразно химический процесс проводить в реакторах с подводом теплоты, причем желательно обеспечить достаточно равномерное распределение температуры по объему реактора. Распространенным типом аппаратов для проведения эндотермических реакций являются трубчатые реакторы, похожие по конструкции на кожухотрубные теплообменники. В этих аппаратах трубное пространство представляет собой собственно реактор, в котором реагенты движутся в режиме вытеснения, а по межтрубному пространству проходит теплоноситель, например топочные газы. Трубчатый реактор для проведения каталитических реакций, обогреваемый топочными газами, применяют, в частности, для паровой конверсии природного газа. Аналогичную конструкцию имеет ретортная печь для синтеза бутадиена из этилового спирта, в которой

Топочные

Рис. Трубчатый реактор газы

для проведения эндотермической

катализатор вместо труб располагают в ретортах - узких каналах с прямоугольным сечением. В таких реакторах ширина поперечного сечения каналов, по которым движется реакционная смесь, должна быть невелика, чтобы получить достаточно равномерное распределение температуры по сечению. Так как в реальных реакторах гидродинамический режим отклоняется от режима идеального вытеснения, при котором в любом поперечном сечении условия выровнены, то температура в центре канала отличается от температуры у стенки. В трубах большого диаметра температура на оси трубы существенно ниже температуры у стенки. Следовательно, и скорость реакции в той части реакционного потока, которая движется близко к оси трубы, ниже средней скорости в аппарате. При проведении каталитических процессов можно наносить катализатор только на внутреннюю поверхность труб, что обеспечит примерно одинаковую температуру по всему реактору.

Гомогенные эндотермические реакции можно также осуществлять в реакторах с интенсивным перемешиванием и теплообменной поверхностью, так как и в этом случае будет обеспечено равномерное распределение температуры по реактору.

Экзотермические реакции проводят, как правило, либо в адиабатических условиях, либо в аппаратах с отводом теплоты.

При осуществлении необратимых экзотермических реакций рост температуры приводит однозначно лишь к увеличению скорости процесса. Для снижения энергетических затрат такие реакции выгодно проводить в автотермическом режиме, когда требуемая температура обеспечивается исключительно выделяющейся теплотой химической реакции без подвода энергии извне. Существуют две предельные температуры (нижняя и верхняя), между которыми целесообразно проводить процесс.

Нижней предельной является температура, при которой скорость экзотермической реакции (а следовательно, и скорость выделения теплоты) достаточна для обеспечения автотермического режима. Ниже этой теплоты скорость тепловыделения меньше скорости отвода теплоты с реакционным потоком, выходящим из реактора, и температура в проточном адиабатическом аппарате будет падать.

Верхнее предельное значение температуры связано с побочными процессами (побочными химическими реакциями или побочными физическими явлениями), а также с жаропрочностью конструкционных материалов. Например, при проведении гетерогенных процессов обжига зернистого твердого материала повышение температуры выше некоторого предельного значения приводит к спеканию твердых частиц, а следовательно, к увеличению времени их полного превращения и уменьшению производительности реактора. Часто рост температуры ограничен прочностью конструкционных материалов и нецелесообразностью применения дорогостоящих жаропрочных материалов.

При проведении экзотермических процессов микробиологического синтеза повышение температуры ограничено жизнестойкостью микроорганизмов. Поэтому такие процессы целесообразно осуществлять в реакторах с отводом теплоты, а во избежание локальных перегревов лучше использовать реакторы, гидродинамический режим в которых приближается к идеальному смешению. Интенсивное перемешивание в таких процессах не только обеспечивает равномерное распределение температуры, но и интенсифицирует стадии массопередачи кислорода из газовой фазы в жидкую.

Обратимые экзотермические реакции нужно проводить в соответствии с линией оптимальных температур, т. е. понижая температуру в аппарате по мере роста степени превращения реагентов. Такой режим неосуществим ни в адиабатических, ни в изотермических реакторах: при адиабатическом режиме рост степени превращения сопровождается выделением теплоты и разогревом, а не охлаждением реакционной смеси; при изотермическом режиме температура остается постоянной и не меняется с ростом степени превращения.

Осуществить процесс строго по линии оптимальных температур чрезвычайно сложно. Это можно было бы сделать в реакторе с теплообменной поверхностью, работающем в режиме вытеснения, при условии, что количество теплоты, отводимое через стенку реактора, будет разным на различных участках аппарата. Реагенты перед началом реакции следовало бы нагреть до высокой температуры, а сразу же после их поступления в аппарат предусмотреть отвод теплоты. Если реактор разбить по длине на несколько участков, то, чтобы обеспечить движение по линии оптимальных температур, на каждом из них количество отводимой теплоты должно быть немного больше количества теплоты, выделяющейся в ходе реакции. Следует иметь в виду, что по мере увеличения степени превращения падает скорость реакции и, следовательно, уменьшается скорость тепловыделения. Поэтому на участках реактора, где реакция завершается, нужно отводить меньше теплоты, чем на начальных участках.

Тема 6. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Любой ХТП невозможен без химического реактора, в котором протекают как химические, так и физические процессы.

РЕАКТОРЫ ХИМИЧЕСКИЕ (от лат. rе- приставка, означающая обратное действие, и actor - приводящий в действие, действующий), промышленные аппараты для осуществления химических реакций. Конструкция и режим работы химического реактора определяются типом реакции, фазовым состоянием реагентов, характером протекания процесса во времени (периодический, непрерывный, с изменяющейся активностью катализатора), режимом движения реакционной среды (периодический, полупроточный, с рециклом), тепловым режимом работы (адиабатический, изотермический, с теплообменом), типом теплообмена, видом теплоносителя.

Современный химический реактор - это сложный аппарат, имеющий специальные устройства, например:

1) загрузочно-разгрузочные устройства (насосы);

2) теплообменники;

3) перемешивающие устройства,

предназначенные для получения целевого продукта, оборудованный сложной системой контрольно-измерительных приборов КИП.

Требования к промышленным реакторам

1. МАХ производительность и интенсивность работы.

2. Высокий выход продукта Ф и наибольшая селективность процесса φ- это обеспечивается оптимальным режимом работы реактора (Т, Р, С), высокая степень превращения X.

3. Оптимальные энергозатраты на массообмен в реакторе

Существует противоречие между требованием к высокой производительности (посырью) и высокойстепенью превращения Х А (реагента):

в схемах с открытым циклом предпочтение отдают высокой степени превращения Х А реагентов;

в закрытых системах предпочтение отдают высокой производительности.

При производстве продукта высокого качества, реактор должен обеспечивать его минимальную себестоимость.

Классификация химических реакторов

1) По конструктивным признакам:

Рис. 1 – Основные типы хим. реакторов: а – проточный емкостный реактор с мешалкой и теплообменной рубашкой; б – многослойный каталитический реактор с промежуточными и теплообменными элементами; в – колонный реактор с насадкой для двухфазного процесса; г – трубчатый реактор; И-исходные вещества; П – продукты реакции; Т – теплоноситель; К – катализатор; Н – насадка; ТЭ – теплообменные элементы.

Материальный баланс – это равенство прихода и расхода вещества в реакторе или в процессе. Теоретической основой составления материальных балансов является закон сохранения материи М.И. Ломоносова.

Составим материальный баланс реактора, в котором протекает простая необратимая реакция А → С.

Масса реагента, поступающего в реактор, в единицу времени, равно массе реагента А, расходуемому в реакторе в единицу времени.

m А приход = m Арасход

Реагент А расходуется на химическую реакцию, часть реагента выходит из реактора, часть – остается в реакционном объеме в неизменном виде (накапливается).

m Арасход = m А хим.р. + m А сток + m А накопл.

m А приход = m А хим.р. + m А сток + m А накопл.

m А приход - m А сток = m А хим.р. + m А накопл.

Обозначим m А приход -m А сток =m А конвек. – масса реагента А, переносимого за счет конвекции (потоком реакционной массы).

Тогда m А накопл. =m А конвек. -m А хим.р.

Масса реагента А, остающееся неизменным в реакционном потоке, равно разнице между массой вещества А, переносимым конвективным потоком, и массой вещества А, израсходованным на химическую реакцию. Это есть уравнение материального баланса в общем виде .

Когда концентрация реагента непостоянна в различных точках объема реактора или во времени, нельзя составлять материальный баланс в общем виде, для всего объема реактора. В этом случае составляют материальный баланс для элементарного объема реактора.

Основой этого материального баланса является уравнение конвективного переноса (см. Амелин и др. с.71-73).

где С А – концентрация реагента А в реакционной смеси;

x,y,z – пространственные координаты;

W x , W y , W z – составляющие скорости потока;

D – коэффициент диффузии;

r A – скорость химической реакции.

Член характеризует изменение концентрации реагента А во времени в элементарном объеме и соответствуетm А накопл. в общем уравнении материального баланса.

Член
отражает изменение концентрации реагента вследствие переноса его в направлении, совпадающим с направлением общего потока.

Член
отражает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме в результате переноса его путем диффузии. Вместе эти члены характеризуют суммарный перенос вещества в движущейся среде путем конвекции и диффузии; в общем уравнение материального баланса им соответствует членm А конвек. .

Член r A показывает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме за счет химической реакции. Ему соответствует член m А хим.р. в общем уравнении материального баланса.

Полученное дифференциальное уравнение очень сложно в решении. В зависимости от типа реактора и режима его работы оно может быть преобразовано и упрощено.

Лекция № 12 Гидродинамические модели реакторов. Вывод характеристических уравнений.

Ранее мы рассмотрели основные модели химических процессов и их математическое описание. Усложним модель химико-технологического процесса за счет учета гидродинамических процессов, то есть способов направленного движения потоков реакционной смеси в реакторе.

Любой реактор, используемый в химическом производстве. В большем или меньшем приближении можно описать одной из следующих моделей:

реактор идеального смешения периодического действия РИС-П;

реактор идеального смешения непрерывного действия РИС-Н;

реактор идеального вытеснения непрерывного действия РИВ-Н;

каскад реакторов идеального смешения непрерывного действия К-РИВ-Н (ячеечная модель).

Для каждой модели выведено характеристическое уравнение , которое выражает зависимость времени пребывания реагентов в реакторе о, начальной концентрации реагента, величины конверсии и скорости химической реакции.

τ = f (C A 0 , α A , r A)

Это уравнение является математическим описанием модели реактора . Оно дает возможность, задав С А0 (состав исходной смеси) и r A (тип химической реакции, температуру, давление, катализатор и т.п.) рассчитать время пребывания реагентов в реакторе, необходимое для достижения заданной конверсии (α A), а значит, и объем реактора, его габаритные размеры и производительность. Сравнивая полученные значения для реакторов разного типа, можно выбрать самый оптимальный вариант для проведения данной химической реакции.

Основанием для вывода характеристического уравнения является материальный баланс реактора, составленный по одному их компонентов реакционной смеси.

Реактор идеального смешения периодического действия

РИС-П представляет собой аппарат с мешалкой, в который периодически загружают исходные реагенты и также периодически выгружают продукты.

В таком реакторе создается такое интенсивное перемешивание, что в каждый момент времени концентрация реагентов одинакова по всему объему реактора и изменяется лишь во времени, по мере протекания химической реакции.

Исходным уравнением для получения характеристического уравнения является уравнение материального баланса в дифференциальной форме:

Так как вследствие интенсивного перемешивания все параметры одинаковы по всему объему реактора, в любой момент времени производная любого порядка от концентрации по осям x,y,z равна нулю.

Тогда

При V реакци.смеси = const C A = C A 0 (1-α А).

- характеристическое уравнение РИС-П

Если в реакторе протекает простая необратимая реакция «n»-го порядка, то

При n = 0
,

n = 1
.

При n ≠ 0 и 1 определение τ производят методом графического интегрирования. Для этого строят графическую зависимость

вычисляют площадь под кривой между начальным и конечным значением степени превращения.

Химические реактора

Химическим реактором называют аппарат, в котором осуществляются химико-технологические процессы, сочетающие химические реакции с массообменном.

Требования к реакторам:

1. Обеспечивать наибольшую производительность и интенсивность процесса

2. Давать максимальную степень превращения при максимальной селективности процесса

3. Иметь малые энергетические затраты на транспортировку и перемешивание исходных реагентов

4. Быть достаточно простыми в устройстве и дешёвыми

5. Наиболее полно использовать теплоту экзотермических реакций и теплоту, подводимую извне

6. Быть надёжными в работе, наиболее полно механизированными и обеспечивать автоматическое регулирование процесса

Некоторые из вышеперечисленных требований часто противоречат друг другу (при увеличении степени превращения падает скорость технологического процесса и производительность)

Производительность аппарата рассчитывается по уравнению:

где v – реакционный объём аппарата

V к и V н – соответственно объёмная скорость, рассчитываемая на конечный или начальный объём
реакционной смеси

С n и C u – объёмная концентрация продукта или исходного вещества

r n – плотность продукта

G – масса продукта

t - время работы

a - коэффициент пересчёта объёмов исходного вещества

Тогда эффективность работы реактора:

Классификация реакторов:

1. По гидродинамической обстановке

а) реактор смешения (емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом)

б) реактор вытеснения (трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала)

2. По условиям теплообмена

а) адиабатические реактора (отсутствие теплообмена с окружающей средой)

б) изотермические реактора

в) с промежуточным тепловым режимом. Тепловой эффект химической реакции частично компенсируется за счёт теплообмена с окружающей средой, а частично вызывает изменение температуры реакционной смеси

г) автотермические реактора – реактора, в которых поддержание необходимой температуры осуществляется только за счёт теплоты химического процесса без использования внешних источников энергии

3. По фазовому составу реакционной смеси

3.1. Для проведения гомогенных процессов

а) реактора для газо-фазных реакций

б) реактора для жидко-фазных реакций

3.2. Для проведения гетерогенных процессов

а) газо-жидкостные растворы

б) реакторы для процессов газ - твёрдое вещество

в) реакторы для процессов жидкость – твёрдое вещество

3.3. Для гетерогенных каталитических процессов

4. По организации каталитических процессов

а) периодические

б) непрерывно – действующие

в) полупериодические (1 компонент вводится постоянно, а другой - периодически или ввод исходных реагентов постоянный, а отгрузка продукта – периодический процесс

5. По характеру изменения параметров процесса во времени

а) стационарные

б) нестационарные

6. По конструктивным характеристикам

а) емкостные

б) колонные

в) типа теплообменника

г) типа реакционной печи

Модели идеальных реакторов

Реактор идеального вытеснения

Все частицы движутся в одном направлении, не перемешиваясь с частицами впереди и сзади элементарного объёма

Время пребывания любого элемента объёма равно среднеквадратическому времени

где Н – высота

w - фиктивная рассчитанная на полное
сечение скорость потока

Вывод характеристического уравнения

Запишем материальный баланс для данной реакции

G прих = G убыв + G хр (1)

G прих = V c × C A 0 × (1-x A);

G убыв = V c × C A 0 × ;

G хр = w А × dV

V c × C A 0 × (1-x A) = V c × C A 0 × + w А × dV

w А × dV = V c × C A 0 × dx A

(2)

Уравнение 2 является характеристическим уравнением для реактора идеального вытеснения и позволяет определить среднее время пребывания t, если известны кинетика процесса (скорость химической реакции) размеры аппарата (реактора) при заданных расходах реагентов и степени превращения

I для реакции 1 го порядка