Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химические реакторы. Учебное пособие
.pdf
Есть реакторы, в которых катализатор движется в режиме пневмотранспорта. К этому типу можно отнести реакторы с дисперсным
слоем катализатора. Размер частиц дисперсного катализатора составляет
десятки и сотни нанометров, частицы катализатора движутся вместе
с реакционной средой. После прохождения реактора продукты отделяются от катализатора каким-либо способом (например, выпариванием).
Существует ряд реакторов для проведения газожидкостных процессов.
Пленочный реактор
Жидкость в таком реакторе движется в виде пленки по плоским
или цилиндрическим поверхностям. Движение жидкости может быть
под действием силы тяжести или газового потока.
Барботажный реактор
В этих реакторах газ проходит через слой жидкости в виде пузырей, которые всплывают под
действием силы Архимеда. Пузырьковый
режим наблюдается, если среднерасходная скорость газа меньше 1 м/с
(для системы «вода – воздух»).
Пенный реактор
При среднерасходной скорости газа больше 1 м/с барботажный режим сменяется на пенный, в котором структура газожидкостного слоя
представляет пену и нельзя выделить отдельные пузыри.
При скорости выше 2 м/с начинается
интенсивный унос жидкости
из аппарата. Рабочую скорость газа в аппарате можно увеличить до
3–4 м/с, если расположить в слое жидкости специальные насадки.
Центробежно-барботажный реактор
В таком аппарате барботаж осуществляется в центробежном поле,
за счет этого можно увеличить рабочую скорость газа в аппарате.
Центробежно-барботажные реакторы могут быть с вращающимся
корпусом и с неподвижным корпусом. Последние представляют собой
вихревые камеры, в которых вертикальный вращающийся слой жидкости создается за счет закрутки газового потока.
Отдельный вид реакторов составляют развиваемые в последнее
время микрореакторы. В них диаметр каналов составляет доли миллиметра. Коэффициенты теплообмена в таких реакторах на порядок
выше по
сравнению с трубчатыми реакторами. Недостаток: необходи-
мо очищать газ от пыли, иначе каналы могут забиться.
11
В конце лекции вспомним некоторые понятия и уравнения, кото-
A
R
A
R
рые понадобятся на первой практике.
Конверсия (х) – доля реагента, вступившего в реакцию.
Селективность (S
) – доля реагента, вступившего в реакцию и пе-
A
решедшего в продукт A.
Выход
выполняется соотношение R
()
– доля реагента, перешедшая в продукт А. Для
= SAx.
A
Уравнения для идеализированных моделей реакторов при проведении реакции A → B.
Принятые обозначения:
РИП – реактор идеального перемешивания,
РИВ – реактор идеального вытеснения,
Q – объемный расход реакционной смеси,
с – концентрация реагента на входе в реактор,
0
с – концентрация реагента внутри реактора,
с – концентрация реагента на выходе реактора,
1
V – объем реактора,
0
V – продольная координата реактора, объем между входным и те-
кущим сечениями реактора,
r(c) – удельная скорость реакции,
m
– масса катализатора в реакторе,
0
m – продольная координата реактора, масса катализатора между
входным и текущим сечениями реактора,
t – время.
Для гомогенного процесса справедливы следующие уравнения.
Проточный РИП:
()();Qc c Vrc
01 01
РИВ:
dc
Qrccc
dV
(), (0) ;
0
непроточный РИП:
dc
12
(), ( .0)
rc c cdt
0
Для каталитического процесса уравнения имеют следующий вид.
А
В
Проточный РИП:
()();Qc c mrc
01 01
РИВ:
dc
Qrccc
dm
(), () ;0
0
непроточный РИП:
dc
Vmrccc
dt
(), (0) .
00
Контрольные вопросы
1. Что такое химический реактор?
2. Какие известные конструкции химических реакторов использу-
ются для проведения химических процессов с применением гетерогенного катализатора
?
3. Какие известные конструкции химических реакторов используются
для проведения химических процессов между жидкостью и газом?
Задачи
1. В проточном реакторе проводят необратимую реакцию первого
порядка А → В.
Дано: концентрация реагента А на входе
,с время контакта τ, кон-
0
станта скорости реакции k. Найти концентрацию реагента А на выходе
и его конверсию для РИП и РИВ.
В проточном РИП проводят необратимую реакцию второго по-
2.
рядка А → В с использованием гетерогенного катализатора.
Дано: концентрация реагента А на входе
,с объемный расход ре-
0
акционной смеси Q, константа скорости реакции k, требуемая конверсия реагента А х. Найти массу катализатора в реакторе.
В непроточном РИП проводят две параллельные необратимые
3.
реакции первого порядка А → В и А → С.
Дано: концентрации компонент в начальный момент
сс, константы скорости реакции 1k и 2.k Найти зависи-
000() ()
С
()0,
сс
0
мость концентрации компонент от времени.
13
Лекция 2. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ
В ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ
(РИП, РИВ, РЕАКТОР
С ЧАСТИЧНЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ)
От того, как организован гидродинамический режим в реакторе, зависит и эффективность реактора. Например, неравномерность газового
потока, наличие застойных зон в реакторе, неравномерность загрузки
катализатора могут отрицательно сказываться на эффективности работы реактора.
С некоторыми моделями реакторов с различным гидродинамическим режимом мы уже знакомы. Это реактор идеального перемешивания (РИП
ные свойства проточных реакторов РИП и РИВ.
шивается. Поэтому схематично его изображают в виде емкости
с мешалкой (рис. 1).
) и реактор идеального вытеснения (РИВ). Напомню основ-
РИП – это реактор, в котором реакционная смесь хорошо переме-
c = c0 c
Рис. 1. Схема реактора идеального перемешивания
c
1
14
1
Основные свойства РИП:
1) внутри реактора нет градиентов концентраций и температуры.
В каждой точке реактора параметры смеси одинаковы;
2) состав смеси на выходе реактора совпадает с составом смеси
внутри реактора.
На примере гомогенной изотермической
реакции А → В вспомним,
какими уравнениями описывается процесс в РИП.
Пусть в реактор объемом
дом Q и концентрацией реагента
V подается реакционная смесь с расхо-
0
.c Скорость реакции зависит от
0
концентрации реагента и описывается известной функцией r(с).
Концентрация реагента на выходе реактора
с находится из урав-
1
нения баланса по реагенту:
()().Qc c Vrc
01 01
Используя время контакта
/,VQ уравнение можно записать
0
в виде
01 1
().cc rc
В частном случае для реакции первого порядка уравнение решается
аналитически:
c
0
1
,cc kc
,
k
.
01 1
ck
1
1
cc
01
x
ck
0
В РИВ реакционная смесь движется без перемешивания. Параметры процесса (концентрация, температура) меняются и зависят от продольной координаты реактора. Обычно схематично РИВ изображают
в виде трубы (рис. 2).
Для гомогенной реакции в качестве продольной координаты можно
выбрать объем реактора между входным и текущим сечениями или
время, за которое реакционная смесь
15
доходит до выбранного сечения
реактора. Уравнение и начальное условие для РИВ выглядит следующим образом:
dc
Qrccc
dV
(), (0) .
0
c0 c
c(V)
0 V V
1
V
0
Рис. 2. Схема реактора идеального вытеснения
При использовании в качестве продольной переменной t = V/Q
уравнение запишем в виде
dc
().
rc
dt
Для изотермической реакции первого порядка А → В уравнение
и решение выглядят следующим образом:
,dckc
dt
kt k
cce x e
, 1 .
0
Уравнение для РИВ записывают и в другом виде. Учитывая, что
Q = uS и V = xS, где u – скорость потока, S – площадь поперечного сечения реактора, x – продольная координата (расстояние от входа до
текущего сечения реактора), после подстановки получим
dc
urc
().
dx
16
С точки зрения гидродинамического режима РИП и РИВ являются
предельными случаями моделей реактора. В РИП происходит полное
перемешивание, а в РИВ перемешивания нет. В реальных реакторах за
счет турбулентной или ламинарной диффузии наблюдается частичное
перемешивание.
Наиболее простой моделью реактора с частичным перемешиванием
является каскад последовательно расположенных реакторов идеального перемешивания (рис
. 3).
Пусть имеется реактор с временем контакта τ. Представим его
в виде каскада n последовательно расположенных реакторов идеального
перемешивания с временем контакта
/.n Можно заметить, что
1
чем больше n, тем сильнее такая система реакторов приближается
в РИВ.
с0
с1
с2
n–1
cn c
1 2 n
Рис. 3. Каскад последовательно расположенных реакторов идеального
перемешивания
…
Концентрация реагента на выходе из первого реактора
с
0
.
1
сk
1
1
Концентрация реагента на выходе из второго реактора
с
1
с
2
k
1
1
с
0
k
(1 )
1
.
2
Концентрация реагента на выходе из последнего реактора
сс
с
n
17
00
(1 )
nn
k
1
⎛⎞
1
⎜⎟
⎝⎠
.
k
n
Если устремить n → ∞ и использовать одно из определений экспо-
ненты, то получим
РИВ. Если
n = 1, то имеем РИП.
с ce
10
k
. То есть в этом случае мы получаем
Таким образом, каскадная модель охватывает и предельные случаи –
РИП и РИВ.
Варьируя число реакторов, можно изменять степень перемешивания
и добиться удовлетворительного описания экспериментальных данных.
Другой моделью реактора с частичным перемешиванием является
диффузионная модель, в которой используется закон Фика с эффективным коэффициентом диффузии:
dc
jD
,
dx
где j – удельный поток реагента.
Выведем уравнения для реактора с учетом диффузии реагента.
Пусть
Удельный поток реагента
u – скорость реакционной смеси, x – продольная координата.
j состоит из конвективной и диффузионной
составляющих:
dc
jucD
.
dx
Выделим элемент реактора с
S = 1 м
2
и координатами x и x + dx
и запишем для него уравнение баланса по реагенту:
() ( ) () .j x j x dx r c dx
Перенося
dx влево в знаменатель и устремляя dx к нулю, получим
уравнение
dj
().
rc
dx
Подставим в это уравнение выражение для j, предполагая, что
u = const:
dc d c
uD rc
dx
18
2
dx
().
2
Для реактора с продольным перемешиванием, так как он описыва-
D
x
ется уравнением второго порядка, граничные условия ставятся иначе,
чем для РИВ. Выведем эти уравнения.
Представим, что слева в реактор поступает смесь, характеризующаяся коэффициентом диффузии
концентрация слева
с подчиняется уравнению
1
uD
D
. Так как при х ˂ 0 реакции нет, то
1
dc d c
11
dx
2
1
dx
0.
2
Общее решение ищем в виде
exp ( ).cC x
1
Подставляя выражение для
с в уравнение и сокращая константу
1
и экспоненту, получим
2
0, uD
1
откуда следует
0 и
1
u
.
2
1
В результате общее решение уравнения запишется в виде
⎛⎞
cA xB xAB x
11 2
Из условия
exp ( ) exp ( ) exp .
()сс следует А = 0с и
10
⎛⎞
u
cc B xD
10
exp .
⎜⎟
1
⎝⎠
u
⎜⎟
⎝⎠
D
1
Нам понадобится еще одно соотношение, получаемое прямым
дифференцированием выражения для
dc
Bu u
1
dx D D
Запишем условия сшивки двух решений
с :
1
⎛⎞
exp .
⎜⎟
11
⎝⎠
1
()cx
и c(x) в точке х = 0.
19
Под сшивкой понимается непрерывность концентраций и потоков
реагента при х = 0
1
0(0) ( ),с c
0 (0) (0) (0).()
uс DucD
11
Подставляя решение для
() (0) (0)
u с BD uc D
01
dс
1
dx dx
,с получим
1
0
(0),cBc
Bu dc
Ddx
1
dc
.
Из последнего уравнения следует
uс uc D
uc с D
(0) (0),
0
(0) (0).
0
dc
dx
dc
dx
Это есть граничное условие на входе в реактор.
Аналогично выводится граничное условие на выходе из реактора
при x = b, где b – длина реактора.
Пусть
решение для
()сх – концентрация реагента при x > b. Уравнение и общее
2
с такие же, как для 1:с
2
dc d c
22
uD
dx
2
1
dx
0,
2
⎛⎞
u
D
1
Но из условия
cAB x
2
exp .
⎜⎟
⎝⎠
(<)с следует В = 0, а 2с = A.
2
Условия сшивки на выходе из реактора такие же, как на входе в реактор:
2
dc
uc b D b uc b D b
20
21
2
dx dx
(()),cb cb
() () ().()
dc
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]