1.3. Матеріальний та тепловий баланс складових апаратів технологічного процесу риформінгу

Хімічний реактор є одним із основних апаратів у технологічних схемах нафтохімічного синтезу[2].

Процеси, що відбуваються у реакторах, умовно поділяються на три групи:

1. гідродинамічні та масообмінні;

2. теплові;

3. хімічні.

Кожній з цих груп притаманні свої технологічні параметри, за якими можна керувати реактором в цілому. Крім того, існує їх взаємний вплив, що характеризує реактор як об’єкт керування з багатьма входами і виходами та перехресними зв’язками.

Запишемо рівняння матеріального та теплового балансів для одного з реакторів каталітичного риформінгу.

Матеріальний баланс:

, (1.1)

де C – концентрація реакційної суміші на виході з реактора; C₀ – вхідна концентрація реагента; V – об’єм реактора; G – об’ємна швидкість подачі та виходу реагента відповідно; r – швидкість хімічної реакції.

Тепловий баланс:

(1.2)

де с_р – питома теплоємність реакційної суміші; – густина; Т – температура реакційної суміші в реакторі; Т₀ – температура суміші на вході в реактор; – тепловий ефект хімічної реакції; – коефіцієнт теплопередачі; – поверхня теплообміну; Т_хл – температура охолоджуючої суміші (холодоагента).

Швидкість хімічної реакції r, згідно зі законом діючих мас, залежить від концентрації реагентів, температури реакції та енергії активації за законом Арреніуса. Якщо реакції першого порядку, то

(1.3)

де k – константа швидкості хімічної реакції; E – енергія активації; R – універсальна газова стала.

Для одержання високих техніко-економічних показників процес часом доцільного проводити у режимі, близькому до критичного, що характеризує нестійку роботу реактора.Тоді систему автоматизації доповнюють системою автоматичного захисту, що зупиняє процес або викидає реакційну суміш із реактора при аварійний ситуаціях.

Передача теплової енергії є основою функціонування більшості хіміко- технологічних процесів.

У кожухотрубних теплообмінниках контакту речовин немає, тому властивості такого апарата, як керованого об’єкта, визначаються рівняннями:

1. теплового балансу

(1.4)

2. теплопередачі через стінку труби

(1.5)

де - витрата продукту, - теплоємністьпродукту, - температура продукту і теплоносія на виході та вході теплообмінника відповідно, - витрата теплоносія, - теплоємність теплоносія, - температура теплоносія на виході та вході теплообмінника відповідно; - тепловий потік через стінку; - коефіцієнт теплопередачі; - температура теплоносія та продукту на контакті елементарної площі ; - теплові втрати.

З рівняння для теплового балансу випливає, що вихідна температура продукту пов’язана лінійною залежністю з вхідною температурою , витратою теплоносія , тепловими втратами і обернено пропорційна до витрати . Тому, розв’язуючи задачі стабілізації , доцільно забезпечити при відсутності інших збурень.

У трубчастих печах, для нагрівання технологічного потоку до високих температур тепло одержують за рахунок спалювання палива.

Запишемо рівняння теплового балансу для потоку:

(1.6)

і для процесу горіння:

(1.7)

де - питома теплота згорання палива; , , , - витрата продукту, димових газів, палива, повітря; , - температура продукту на вході та виході відповідно; , , - температура горіння, повітря та димових газів; , , , - питомі теплоємності продукту, димових газів, палива і повітря відповідно.