книги / Теория химических реакторов. Введение в основные разделы курса

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

Н.П. Углев

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

ВВЕДЕНИЕ В ОСНОВНЫЕ РАЗДЕЛЫ КУРСА

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2008

УДК 66.023(075.8) ББК 34.7я73

У25

Рецензенты:

канд. техн. наук В.А. Крылов (ООО «Пермнефтеоргсинтез»); д-р хим. наук, профессор Ю.С. Чекрышкин (Институт технической химии УрО РАН РФ)

Углев, Н.П.

У25 Теория химических реакторов: введение в основные разделы курса: учеб. пособие / Н.П. Углев. – Пермь: Изд-во Перм.

гос. техн. ун-та, 2008. – 184 с.

ISBN 978-5-88151-894-3

Рассмотрены теоретические вопросы, связанные с описанием работы химических реакторов различного типа, в том числе расчет материального и теплового балансов, математическое моделирование реакторов. Достаточно подробно рассмотрены методы изучения структуры потока сырья через реактор. В рамках теории реакторов рассмотрены особенности работы однороднопористого катализатора и работа реактора с аксиальным движением сырья. Уделено внимание особенностям дезактивации катализатора. Приведена подробная математическая модель работы регенератора катализатора установки каталитического крекинга КК-1 ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез».

Описаны методы составления кинетических уравнений, приведено большое количество примеров расчета реакторов.

Предназначено для первоначального ознакомления с теорией реакторов студентов специальности ТТУМ и может быть полезным для инженеров и специалистов соответствующего профиля.

УДК 66.023(075.8) ББК 34.7я73

Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного технического университета «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технического университета»

ВВЕДЕНИЕ

Современная нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность на 90 % основана на процессах, протекающих в реакторах различного типа. Разделение и смешение компонентов в данном случае выступают либо как промежуточные этапы технологии, либо как заключительные, при компаундировании товарных продуктов. В связи с этим качество продуктов и производительность установок в наибольшей степени определяются именно параметрами работы реакторного оборудования.

Реактор – главный аппарат технологической установки, поэтому ясные и четкие представления о его работе являются необходимым

иобязательным условием для обслуживающего персонала. Это возможно только на основе достаточно глубокого изучения математических моделей этих аппаратов.

Имеющиеся литературные источники исчерпывающе охватывают все аспекты, касающиеся работы реакторов, однако практически все они требуют повышенной математической подготовки читателя

ичасто малодоступны по уровню изложения рядовым инженерамхимикам или студентам. Чаще всего это связано с очень большим объемом рассматриваемого материала, что не позволяет достаточно подробно и последовательно представить все промежуточные выкладки при выводе математических соотношений. В связи с этим существует потребность в пособии промежуточного уровня, позволяющем ознакомиться с основными идеями и методами, описываемыми в имеющихся монографиях и учебниках, таким образом, чтобы дальнейшее углубление знаний не вызывало серьезных затруднений.

Предлагаемое пособие подготовлено на основе курса установочных лекций, прочитанных автором студентам вечерне-заочного от-

деления Пермского государственного технического университета в 2002–2004 гг. Пособие охватывает практически все основные разделы науки о реакторах.

3

Рассмотрены основные типы реакторов и основы составления материального и теплового баланса их работы, приведены инженерные методы расчета и расчеты реакторов на основе функции распределения времени пребывания микрочастиц. Значительное внимание уделено вопросам изучения гидродинамики реакторов по функциям отклика. Рассмотрены особенности работы пористого катализатора и реактора с неподвижным слоем катализатора. Уделено внимание эффектам, связанным с «отравлением» активной поверхности пористого катализатора.

Приведены многочисленные примеры решения задач, подробно описана математическая модель работы регенератора установки каталитического крекинга.

Рассмотрены вопросы учета теплового эффекта химических реакций и тепловой устойчивости химических реакторов.

Приведен редко встречающийся реальный пример обработки кинетических данных сложной системы реакций изомеризации n-гексана.

Для удобства работы с пособием введен подраздел «Составление кинетических уравнений», приведены варианты индивидуальных контрольных заданий для студентов-заочников.

Специально для читателей, изучающих вопрос впервые, приведено детальное изложение выводов всех уравнений, что особенно полезно, если математические навыки и знания давно не использовались.

Автор выражает искреннюю надежду, что после подробного изучения предложенного материала у читателя не возникнет серьезных затруднений при расширении знаний за счет первоисточников, указанных в списке рекомендуемой литературы.

Автор с благодарностью примет все замечания и предложения, направленные на дальнейшее улучшение методики изложения материала.

1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РЕАКТОРОВ

Конструкция и условия эксплуатации реакторов непосредственно связаны с физико-химическими и механическими свойствами реагирующих веществ и конструкционных материалов, характером протекающих реакций и требованиями, предъявляемыми к получаемым веществам или их смесям.

Основными факторами, влияющими на выбор реакторного оборудования, являются следующие:

1.Требуемая производительность реактора.

2.Агрегатное состояние реагентов и продуктов (твердое, жидкое, газообразное).

3.Наличие или отсутствие катализатора. Вид применяемого катализатора (твердый, жидкий, газообразный) и особенности его регенерации.

4.Термодинамические и кинетические характеристики реакций.

5.Требования по селективности реакций и химической устойчивости реагентов и продуктов. С учетом этих требований разработаны сотни вариантов конструкций реакторов, что в какой-то степени отражает разнообразие химических веществ (миллионы), и в частности – разнообразие химических веществ, используемых человеком (десятки тысяч).

В связи с этим общая классификация всех существующих типов реакторов, созданная по многим параметрам, получается достаточно громоздкой и не позволяет выявить какие-то особенности их расчета.

В настоящее время общепризнанная укрупненная классификация реакторов строится исключительно на гидродинамических особенностях движения потока реагентов в реакционном объеме. Различают два основных типа реакторов: реакторы идеального перемешивания

иреакторы идеального вытеснения.

5

сложными комбинациями этих двух идеализированных вариантов.

Моделью аппарата идеального перемешивания может служить емкость с перемешивающим устройством, в которую подаются реагенты и из которой отводится смесь реагентов и продуктов. Для этой модели принимается, что в аппарате отсутствуют градиенты концентрации всех без исключения веществ, участвующих в процессе, а также отсутствуют градиенты температуры.

Это означает, что в объеме аппарата происходит мгновенное перемешивание всех компонентов таким образом, что их концентрация и температура в любых двух точках реакционного объема одинаковы. Различают два варианта реактора идеального перемешивания: проточного типа и периодического действия. В последнем реакция проводится с периодической загрузкой и выгрузкой реагентов. Аппарат такого типа моделирует также застойную зону в реакторе с протекающими в ней реакциями, но без массообмена с основным потоком. (В застойной зоне перемешивание может и отсутствовать.)

Моделью аппарата идеального вытеснения может служить тру-

ба с движущимися и реагирующими компонентами. Принимается, что эпюра скоростей продольного перемещения смеси соответствует прямоугольнику, иначе говоря, объем реакционной смеси может быть представлен в виде независимых параллельных слоев, перпендикулярных центральной оси трубы, которые двигаются вдоль нее с одинаковой скоростью, вытесняя последовательно друг друга из любого сечения реактора. Таким образом, любой выделенный объем реагентов проходит реакционный объем за одно и то же время, в результате чего при установившемся режиме зависимость концентрации компонентов от пути, пройденного в реакторе, остается постоянной. При очень большой скорости потока или при отсутствии реакций такой аппарат моделирует также байпасирование (проскок без реакции) реакционной зоны частью реагентов.

Степень приближения к идеальности для обоих типов реакторов связанасгидродинамическимирежимамидвиженияпотокаваппаратах.

6

При достаточно интенсивном перемешивании, проходящем в режиме турбулентности, аппараты объемного типа с перемешивающими устройствами могут достаточно точно соответствовать реактору идеального перемешивания.

Рис. 1. Реактор с перемешивающим устройством

В структуре потока реактора перемешивания (рис. 1) можно отметить наличие следующих особенностей:

7

1.Проскок части входящего потока по минимальному пути.

2.Формирование нескольких контуров циркуляции с различным временем пребывания реагентов в реакционном объеме.

3.Образование вихревых застойных зон (с внутренним перемешиванием или без перемешивания), характеризующихся замедленным массообменом с основным потоком реагентов.

Очевидно, что при наличии этих особенностей в реальном реакторе с перемешивающим устройством длительности пребывания отдельных порций реагентов в реакционном объеме будут различаться.

Всвязи с этим вводится понятие так называемой функции распределения времени пребывания, которая будет описана ниже.

Таким образом, реальный реактор с перемешивающим устройством (см. рис. 1) может быть представлен комбинацией идеальных аппаратов, как это показано на рис. 2, а или на рис. 2, б. В принципе, могут быть составлены и другие варианты эквивалентных схем. Только проверка адекватности рассчитанных и измеренных на реальном реакторе параметров процесса позволит отдать предпочтение той или иной эквивалентной схеме.

В структуре потока реального аппарата идеального вытеснения также есть особенности, вносящие существенные поправки в систему математических уравнений, моделирующих такой реактор.

Прежде всего, это вид поперечной эпюры скоростей, имеющей криволинейный профиль – у стенок аппарата скорость движения мала, а в центре потока она максимальна. Поэтому длительность пребывания выделенных микрообъемов веществ в реакционной зоне зависит от их расположения: близкие к центру пройдут реактор за минимальное время, а находящиеся у стенок будут проходить его значительно дольше. Следовательно, концентрации веществ, при наличии химических процессов, уже не будут постоянными для любого выделенного сечения потока. Наличие гранулированного катализатора многократно усложняет характер движения потока, как за счет неравномерного гидродинамического сопротивления, так и за счет образования микровихрей (застойных зон) перед каждым зерном ка-

8

тализатора и за ним. Поэтому полная модель реального аппарата должна включать элементы как идеального вытеснения, так и идеального перемешивания (рис. 3, 4).

Рис. 2. Эквивалентные схемы реактора с перемешивающим устройством

9

Рис. 3. Реактор вытеснительного типа: а – схема потока; б – распределение концентрации по длине реактора; в – изменение концентрации по сечению реактора

Рис. 4. Вариант эквивалентной схемы реактора вытеснительного типа

10