Модуль 3

ПРОЦЕССЫ В ХИМИЧЕСКОМ АГРЕГАТЕ

ИРЕАКТОРЕ

1.Общие представления о химическом агрегате и реакторе.

Модели реакторов

На практике химический процесс осуществляют в химических реакторах и агрегатах.

Химический реактор - устройство, аппарат для проведения хи­ мических превращений (химических реакций). Виды некоторых из них представлены на рис. 3.1.

Реактор 1 - емкостной. Реагенты (чаще жидкость, суспензия) за­ гружают в начале рабочего цикла. Перемешивание реагентов обеспе­ чивается с помощью механического перемешивающего устройства. Температурный режим поддерживают с помощью теплоносителя, циркулирующего в рубашке или во встроенном теплообменнике. По­ сле проведения реакции продукты выгружают, и после очистки реак­ тора цикл повторяется. Процесс периодический.

Реактор 2 - емкостной, проточный. Реагенты (газ, жидкость, сус­ пензия) непрерывно проходят через реактор. Газ барботирует через жидкость.

Реактор 3 - колонный. Характерное для промышленных колон­ ных реакторов отношение высоты к диаметру составляет 4-6 (в ем­ костных реакторах это отношение около 1). Взаимодействие газа и жидкости подобно процессу, протекающему в реакторе 2.

Реактор 4 - насадочный. Взаимодействуют газ и жидкость. Объ­ ем реактора заполнен насадкой, например керамическими кольцами Рашига. Жидкость стекает по насадке. Газ движется между элемен­ тами насадки.

Реакторы 5-8 используют в основном для взаимодействия газа с твердым реагентом.

Рис. 3.1. Виды химических реакторов:

Г - газ; Ж - жидкость; Т - теплоноситель; Н - насадка; Те - твердый реагент; К - катализатор; Хг - холодный газ

В реакторе 5 твердый реагент неподвижен, газообразный (или жидкий) реагент непрерывно проходит через реактор. Процесс пе­ риодический по твердому веществу. В реакторах 6—8 процесс по твердому реагенту непрерывный. Твердый реагент продвигается вдоль вращающегося наклонно установленного круглого реактора 6 или просыпается через реактор 7. В реакторе 8 газ подается снизу, и при достаточно большой скорости подачи газа твердые частицы оказываются во взвешенном состоянии. Это реактор с псевдоожи­ женным, или кипящим слоем. Можно организовать непрерывный поток твердого материала через аппарат.

Реакторы 5, 9 используют также для проведения процессов на твердом катализаторе.

Для описания процессов в химическом реакторе применяют

методы системного анализа и математического моделирования.

Основными этапами системного анализа являются анализ объек­ та на различных уровнях (химические реакции, физические явления, физико-химические взаимодействия), синтез, разработка модели, ин­ терпретация полученной модели, создание промышленного реактора.

Важным этапом моделирования является анализ процесса, проте­ кающего в реакторе, в результате которого выявляют основные со­ ставляющие процесса и их взаимодействия. Затем определяют тер­ модинамические и кинетические закономерности протекания хими­ ческого процесса, явлений переноса, массообмена, используя данные экспериментальных исследований. На этапе синтеза создается мате­ матическая модель процесса. При изучении модели применительно к реактору используется метод декомпозиции - выделение состав­ ляющих сложного процесса и их изучение.

Существенной особенностью математических моделей процесса в реакторах является их иерархическое строение. Можно выделить следующие уровни процесса, протекающего в реакционной зоне, в порядке возрастания:

Молекулярный уровень. На этом уровне рассматривается хими­ ческая реакция, ее стадии. Разрабатывается кинетическая модель ре­ акции —зависимость скорости реакции от концентрации, температу­ ры, давления.

Уровень малого объема: выделяется некоторый элемент реакци­ онного объема известного размера (мм, см) и описывается химиче­ ский процесс - совокупность реакций и явлений переноса; на этом уровне модель дополняется описанием молекулярных процессов те­ пло- и массопереноса;

Уровень реакционной зоны аппарата описывается совокупно­ стью элементов малого объема. При моделировании учитывают ха­ рактер движения потока реакционной массы.

Уровень аппарата или агрегата. Осуществляется моделирова­ ние прямых и обратных связей между отдельными частями аппарата или агрегата; конструктивные особенности расположения различных зон в реакционном аппарате, учитывается использование теплооб­ менных аппаратов, смесителей, усреднителей и т. п.

Таким образом, математическая модель процесса в реакторе представляет систему математических моделей разного масштаба.

Классификация химических реакторов. Наиболее рациональ­ ные признаки классификации химических реакторов следующие:

•фазовый состав реакционной смеси (однофазный, многофазный);

•способ организации процесса в химическом реакторе (РХ) - пе­ риодический, полунепрерывный, непрерывный;

•режим движения реакционной смеси (идеальное смешение, иде­ альное вытеснение, неидеальный);

•тепловой режим в реакторе (изотермический, адиабатический,

степлообменом, автотермический);

•способ теплообмена (в реакционной зоне, вне реакционной зоны);

•конструктивные характеристики реактора (с байпасом).

В зависимости от гидродинамического режима реакторы подраз­ деляют на реакторы смешения и реакторы вытеснения. В полной ме­ ре практически невозможно исключить в реакторах вытеснения не­ которое смешение реагирующих компонентов по длине (высоте) ре­ актора. В реакторах смешения также нельзя полностью исключить небольшие зоны неравенства концентраций. Поэтому модели таких реакторов принято называть реакторами идеального смешения (РИС) и реакторами идеального вытеснения (РИВ). С внесением

необходимых поправок модели РИС и РИВ можно использовать на практике.

Обычно выделяют три типа моделей реакторов:

•периодический идеального смешения (РИС-п);

•проточный идеального вытеснения (РИВ);

•проточный идеального смешения непрерывного действия (РИС-н).

В соответствии с рассмотренной схемой моделирования реакто­ ров можно выделить следующую последовательность построения модели:

1.Определить макроструктуру потоков в реакционной зоне.

2.Выделить элементарный объем, в котором протекает химиче­ ская реакция.

3.Для элементарного объема необходимо определить кинетиче­ ское уравнение.

4.Установить явления переноса между элементарными объемами.

5.Исходя из представлений о структуре потоков и схеме процесса, построить математическую модель, которая в общем виде включает

всебя материальный и тепловой балансы процессов, представленные

ввиде дифференциальных уравнений, отнесенных к единице объема:

Шт, Qm - материальные и тепловые потоки, входящие в объем;

Шка, Ебист - источники вещества и тепла внутри объема - измене­

ние количества вещества и тепла в результате протекания химиче­ ской реакции и теплообмена.

6. Для решения полученных дифференциальных уравнений необ­ ходимо задать начальные и граничные условия. Они определяются на основе условий проведения процесса в реакторе.

Рассмотрим основные модели реакторов.

Модель реактора идеального смешения периодического дейст­ вия РИС-п (реактор 1 на рис. 3.1). Реактор представляет собой ем­ кость с перемешивающим устройством.

Процесс смешения в РИС организован таким образом, что в лю­ бой точке аппарата создаются абсолютно одинаковые условия по концентрации реагентов, продуктов реакции, степени превращения, температуре, скорости химического или физико-химического пре­ вращения. Элементарным в этом случае будет весь объем реакцион­ ной зоны (Рр - объем реактора). Возможен теплообмен с теплоноси­ телем. Процесс протекает нестационарно и со временем концентра­ ция внутри реактора уменьшается (рис. 3.2), но в каждой его точке остается постоянной. Количество вещества в реакторе не изменяется:

елг,х= о, m Kcr=wA-vp.

Источник тепла в реакторе - тепловой эффект реакции и тепло­ обмен с теплоносителем. Уравнение теплового баланса имеет вид

где со - скорость реакции; Кт- коэффициент теплопередачи; FT - площадь теплообмена; Тх - температура теплоносителя.

Рис. 3.2. Изменение концентрации от времени и по длине ректоров РИС-п (а) и РИВ (б)

Модель реактора идеального вытеснения (РИВ). Непрерывные процессы в реакторах 4-7 и 9-11 (см. рис. 3.1) можно описать, ис­ пользуя модель реактора идеального вытеснения.

Реактор можно представить в виде трубки - поршня, через кото­ рую проходит поток объемом D0 (рис. 3.3).

где ср - средняя теплоемкость реагента.

Реактор идеального смешения проточный (РИС-н). Процессы в реакторах типа 2, 3, 8 (см. рис. 3.1) можно описать, используя модель реактора идеального смешения непрерывного действия.

В реактор постоянно подаются исходные вещества со скоростью т>0, концентрацией С° при температуре 7° и выводятся из аппарата со ско­ ростью ц0, концентрацией САи температурой Т. В реакторе компонент равномерно распределен по всему реакционному объему.

Материальный баланс процесса

VoC°A+WA.Vp=%CA. (3.12)

— = т - условное время. «о

После преобразований получим

Если выразить концентрацию через степень превращения, то ус­ ловное время пребывания в зоне реакции можно будет определить по формуле

-W k

Уравнение теплового баланса в РИС-н имеет вид

Q = ъ0срТ0“ Щ Т + Qp-a>-Vp + KT-FT(Tx - Т).

Пусть в каскаде протекает реакция первого порядка, тогда мо­ дель процесса в каждом реакторе РИС-н имеет вид

(С, -С оУ т^-Л С , (С2 - Cj)/ т2 = -кС2

(С ,-С м)/т,=-ЛС, Концентрация реагента в реакторе

Если известна конечная концентрация, то можно рассчитать чис­ ло реакторов в каскаде:

Время проведения процесса в каскаде реакторов т определяется по полному объему всех i реакторов:

2. Изотермические процессы в химических реакторах

Модель изотермического процесса в проточном реакторе идеаль­ ного смешения (РИС-н):

Модели процесса и определение текущей концентрации для про­ стых реакций первого и второго порядков, обратимой реакции пер­ вого порядка и сложных реакций представлены в табл. 3.1.

Модель изотермического процесса в реакторе идеального вытес­ нения (РИВ) и реакторе идеального смешения периодического дей­ ствия (РИС-п) описывается уравнениями:

т =

Модели изотермического процесса для основных простых и слож­ ных реакций в реакторе идеального вытеснения (РИВ) и реакторе иде­ ального смешения периодического действия (РИС-п) представлены в табл. 3.2.

Сопоставление процессов в реакторах идеального вытеснения и идеального смешения непрерывного действия. Сравним процес­ сы, протекающие в РИВ и РИС-н по интенсивности. Для достижения одинаковой степени превращения условное время в режиме РИВ меньше той же величины для РИС, соответственно, и объем РИВ бу­ дет меньше, чем объем РИС-н.

Для подтверждения этого результата воспользуемся графическим методом решения уравнений математических моделей реакторов:

чительно меньше, чем в РИС.

Влияние порядка реакции на эффективность проведения процес­ са в режиме ИВ или ИС рассмотрим на примере расчета условного времени пребывания в реакционной зоне при протекании реакций первого, второго, третьего порядков.

Пусть степень превращения равна 0,8, исходная концентрация компонента А - 2 кмоль/м3, константа скорости реакции - 4 ч"1.

В проточном РИС скорость процесса определяется скоростью химической реакции (кинетическая область). Использование РИС-Н наиболее эффективно при протекании медленных реакций. Для дос­ тижения необходимой степени превращения используют каскад ре­ акторов РИС-н.

В РИВ скорость процесса определяется скоростью диффузии (процесс протекает в диффузионной области).

3. Неизотермический процесс в химических реакторах

При протекании ХТП температура в реакторе может изменяться

врезультате выделения (поглощения) тепла реакции, отвода тепла

спомощью теплообменной аппаратуры и т.д.

Рассмотрим основные расчетные формулы, описывающие неизотермический процесс в химических реакторах идеального смешения и идеального вытеснения.

Режим идеального смешения (периодический) и идеального вытеснения с теплообменом. Процесс описывается системой диф­ ференциальных уравнений:

dC_ = со, dt

4 T ^ tia _ K , . - F T

(3.19)

*s V

t=0 СА=С°, T=f,

где Кт~ коэффициент теплопередачи; ^ -п л о щ ад ь теплообмена. Уравнения являются нелинейными дифференциальными уравне­

ниями и решаются численными графическими методами.

При проведении процесса в адиабатическом режиме можно уста­ новить зависимость между температурой и степенью превращения исходного вещества:

C P

В адиабатическом режиме уравнения примут вид dx/dt =(i>,

dT/dt =АТал-со, при / = 0 Т =Т0, х =х0.

Разделив второе уравнение на первое и проинтегрировав его в пре­

Режим идеального смешения проточный с теплообменом РИС-н. Математически процесс в РИС-н описывается уравнениями:

(с -с°)А = о > ,

В обоих режимах величины разогрева равны при одинаковой степени превращения.

При протекании реакции первого порядка и хй = 0 уравнения примут вид

x/t =k(1-х),

(3.24)

(T - T 0)/t = ATn -k-(}-x).

После преобразований получим

kt

(3.25)

l + kt

Возможно одно или три решения уравнения, следовательно, воз­ можно существование одного или трех стационарных режимов в РИС-п при одинаковых условиях. Из трех режимов - два устойчи­ вых и один - неустойчивый.

4. Процессы в каталитическом реакторе

Каталитические процессы в промышленности осуществляются в каталитических реакторах.

Классификация каталитических реакторов.

По гидродинамике взаимодействия катализатора с потоком га­ за можно выделить:

•Реакторы с неподвижным слоем катализатора. Чаще всего реак­ торы описываются моделью ИВ и представляют многополочные ап­ параты (см. реакторы 5,9,11 на рис.3.1).

•Реакторы со взвешенным слоем катализатора. Реакторы описы­ ваются моделью ИС (см. реакторы 8 на рис. 3.1).

•Реакторы с движущимся слоем катализатора.

По температурному режиму можно выделить адиабатические, изотермические и политермические реакторы. Реакторы ИВ чаще всего эксплуатируются в адиабатическом или политермическом ре­ жимах, реакторы ИС - в изотермическом режиме.

Основные технологические параметры, необходимые для рас­ чета каталитического реактора:

X - степень превращения;

А - активность катализатора:

где Кк, К - константы скорости реакции, протекающей в присутствии

где и0 - объемная скорость газа; С° - исходная концентрация компо­ нента; р - плотность продукта; р - коэффициент, учитывающий из­ менение объема реакционной смеси; а - отравляемость катализатора; Н - высота слоя; Тот- оптимальная температура.

Рассмотрим алгоритм расчета многополочного каталитического реактора при протекании обратимой экзотермической реакции.

Для экзотермической реакции, как было показано выше (см. мо­ дуль 2, подразд. 3.2), для достижения заданной степени превращения необходимо поддерживать оптимальную температуру на каждом слое катализатора, что возможно в многослойном реакторе с проме­ жуточным охлаждением реакционной смеси (с промежуточным от­ водом тепла).

1. Вычисление Кр, Хр в зависимости от температуры, расчет Гопт. Построение зависимости Хр- Т (рис. 3.5).

На рис. 3.5 прямыми наклонными линиями отображен ход адиа­ батического процесса в слоях катализатора, между которыми темпе­ ратура реакционной смеси уменьшается за счет теплоотвода, но сте­ пень превращения не меняется (прямые горизонтальные линии на рисунке). Для достижения заданной степени превращения при из­ вестной начальной температуре необходим 4-полочный аппарат.

Рис. 3.5. Х -Тдиаграм м а

2.Составление материального баланса для каждого слоя катали­ затора с применением X - Т диаграммы.

3.Расчет константы скорости реакции по заданному кинетиче­ скому уравнению или по известному значению величины энергии активации.

4.Расчет времени контакта на каждом слое с использованием ки­ нетических уравнений модели реакторов (РИС или РИВ).

5.Расчет объем катализатора на каждом слое на основании рас-

считанного времени контакта и известного расхода газа76(К ■= т

6.Расчет основных размеров аппарата (Н с, площадь, диаметр).

7.Расчет гидравлического сопротивления слоя (АР) проводится по соотношению