18. Расчет изотермических реакторов для проведения процессов в системах г-ж, ж-ж(н), аппараты колонного типа, система смеситель-сепаратор, модели смещения фаз в реакторах полупериодического действия.

Расчет аппаратов для этих систем Г-Ж, Ж-Ж(н) включает в себя:

- выбор устройства, обеспечивающий хороший контакт между фазами;

- нахождение допустимой скорости движения жидкости или газа (для аппаратов колонного типа);

- определение необходимого диаметра колонны.

Для многих аппаратов характерен режим идеального вытеснения с параллельными потоками и противотоком фаз. Другие системы, например одиночный аппарат с мешалками, система смеситель-сепаратор и каскады таких аппаратов также широко распространены в схемах технологических процессов. Методы расчета всех указанных систем различны и зависят от выбранной модели, отражающей режимы движения жидкости в аппарате, относительной скорости движения.

Конструкции реакторов

При выборе газожидкостных реакторов необходимо учитывать возможность создания высокой поверхности контакта фаз. Это условие может соблюдаться как для газа, так и для жидкой фазы. В первом случае используют различные газораспределительные устройства (барботеры, тарелки и т.д). Во втором случае для создания тонкодисперсной эмульсии можно использовать высокоэффективные перемешивающие устройства(ж=ж(н)) а также устройства для получения пленочного режима(г-ж).

Для осуществления реакций используют колонны с различной конструкцией тарелок. Тарелка служит для распределения газового потока. Химическая реакция протекает на каждой тарелке, поэтому колонный аппарат можно рассматривать как каскад реакторов смешения. К этим аппаратам относятся различные насадочные колонны и колонны, работающие в пленочном режиме. Для систем ж-ж(н) используют аппараты емкостного типа с эффективным перемешивающим устройством.

Аппараты колонного типа (диффузионная область)

Для того, чтобы рассчитать высоту колонны во всех случаях необходимо совместно проанализировать выражение, описывающее скорость процесса и уравнение его мат баланса.

Рассмотрим гетерофазные процессы в системе газ-жидкость, жидкость-жидкость, протекающие в диффузионной области и стационарном режиме противотока компонентов для реакции:

Аг+Вж=продукты

Схема мат потоков газа и жидкости на входе и выходе из колонны.

Поскольку зона реакции ограничена поверхностью раздела фаз, примем для анализа двухпленочную модель и соответствующую этой модели уравнение скорости. Мат баланс для реагентов А и В составим из предположения, что:

- вещество А находится в основном потоке газовой фазы, а вещество В - в основном потоке жидкой фазы.

- с каждым b молей вещества А взаимодействует 1 моль вещества В

Т.о. обращаясь к данному рисунку мат баланс для элементарного объема колонны можно записать

G_АГ=G_ВЖ/в

G_АГ – количество вещества А, потерянное газом; G_ВЖ – количество вещества В, потерянное жидкостью.

где - мольная скорость поднимающегося инертного компонента в газовой фазе, отнесенного к поперечному сечению колонны.

- мольная скорость нисходящего инертного компонента в жидкой фазе, отнесенная к поперечному сечению колонны.

- количество вещества А, отнесенное к количеству инертного компонента в газовой фазе.

- количество вещества В, отнесенное к количеству инертного компонента в жидкой фазе.

Р=Р_А+Р_В+…+P_u

C_T=C_А+С_В+…+С_И

Состав исходной смеси после реакции равен:

Это выражение позволяет определить содержание реагентов А и В по всей колонне.

Для разбавленных растворов:

Расчет высоты колонны. Для определения высоты колонны решим совместно уравнение скорости процесса и уравнение материального баланса, написанные для элементарного объема.

При исчезновении компонента А:

f- удельная поверхность контакта фаз;

H – высота реакционной зоны колонного аппарата;

V – скорость гетерофазного процесса, отнесенная к поверхности раздела фаз.

После перегруппировки и интегрирования:

Для разбавленных растворов:

Аппарат колонного типа (кинетическая область)

вАг+Вж=продукты

Допущения:

- вещество В не растворимо в газе;

- количество непрореагировавшего вещества А в жидкости мало по сравнению с содержанием А в газовой фазе.

- не вступившая в реакцию часть вещества В уносится сверху вниз потоком жидкости, а непрореагировавшая часть вещества А – восходящем потоком газа.

Мат баланс может быть представлен уравнением:

Расчет высоты колонны. Учитывая, что 1 моль вещества А, прореаг. в жидкости заменяется на 1 моль свежего вещества из газовой фазы и комбинируя уравнение мат баланса и уравнения скорости получаем:

Т.к концентрация вещества А в газе примерно одинакова во всех точках объема, то уравнение имеет вид:

- константа Генри.

С_т - концентрация всех веществ в жидкой фазе.

Аппараты типа смеситель-сепаратор

Применяются для систем ж-ж(н) и очень редко для систем г-ж.

Обычно в реакторные узлы такого типа входят 2 устройства:

- смеситель, т.е реактор, в котором осуществляется химическое превращение.

- сепаратор, в котором происходит разделение продуктов.

Аж+Вж=Сж+Дж

Эффективность разделения С и Д будет зависеть от разности плотностей этих веществ.

Смеситель предполагает наличие эффективного перемешивающего устройства.

Если реакция протекает в смесителе, то при условии высокой гомогенности системы расчет можно вести аналогично РИС-Н.

Если происходит последовательное взаимодействие реагентов, то расчет ведут аналогично РИС-Н-К.

Модели смешения фаз в реакторе полупериодического действия.

Аг+Вж=продукты

В таких реакторах газ непрерывно подается в жидкость в течение времени, за которое жидкий реагент В полностью вступает в реакцию.

При этом концентрация вещества А в газовом потоке не изменяетсяв ходе процесса.

Вещество В медленно реагирует с веществом А и его концентрация постепенно снижается.

Если при этом протекает реакция второго порядка, представленная уравнением:

После преобразования получим:

Откуда:

19. Основы расчета реакторов для проведения топохимических процессов, реакторы с псевдоожиженным слоем при наличии уноса и возврата твердых частиц, расчет основных геометрических размеров реакторов для проведения топохимических процессов.

При проектировании реакторов, в которых осуществляются топохимические процессы между газообразной (жидкой) и твердой фазами необходимо учитывать следующие факторы:

1. Гидродинамический режим движения твердой фазы;

2. Тепловой режим реактора;

3. Область протекания топохимического процесса (внешне- и внутридиффузионная область, кинетическая область);

4. Время пребывания частиц в реакторе;

5. Изменение размеров и характеристик твердой фазы.

В реакторах с кипящем слоем, а также с движущейся твердой фазой, возможно изменение частиц твердой фазы во время протекания реакции, из-за механических повреждений.

6. Распределение частиц по размерам. Если не удается достигнуть постоянства размеров твердой фазы, в расчете используют распределение частиц по размерам. Для нахождения функции распределения частиц по размерам используют «ситовой метод». Согласно этому методу всю используемую твердую фазу фракционируют (разделяют) на ситах с заданными размерами ячеек, отдельные фракции взвешивают и относят к общей массе твердой фазы. По полученным данным строят кривую распределения.

Для упрощения расчетов используют различные методы:

- большой избыток газовой (жидкой) фазы, при этом ее степень превращения будет практически ничтожно мала, что приведет к постоянству концентрации этой фазы;

- считают, что реакторы с движущейся твердой фазой и с кипящим слоем близки к идеальным моделям;

- принимают размеры частиц постоянными и неизменяющимися в ходе химических превращений;

- изотермический режим реактора.

Расчет реакторов сводится к определению геометрических размеров реактора (диаметр и высота).

Для расчета используют критериальное уравнение, отвечающее режиму идеального смешения (кипящий слой) из которых находят рабочую скорость.

Для осуществления топохимических процессов используют реактора такой же конструкции как и для гетерогенно-каталитических процессов:

- с неподвижной твердой фазой;

- реактора с кипящим слоем твердой фазы;

- реактора с движущейся твердой фазой (прямоток, противоток).

Наибольшее распространение получили реактора с кипящим слоем и движущейся твердой фазой.

где - порозность кипящего слоя (0,35 – 0,6);

Далее определяют рабочую скорость из уравнения:

, где - рабочая скорость;

После определения рабочей скорости газа, рассчитывают диаметр реактора:

Высоту псевдоожиженного слоя рассчитывают по массе твердого реагента:

, где W – масса твердой фазы;

Для реакторов с прямоточным движением исходных реагентов в режиме вытеснения рабочая скорость равна:

Высота реактора равна:

Для реактора с противоточным движением исходных реагентов расчетные уравнения будут следующими:

Высота рассчитывается по уравнению:

Наиболее трудной задачей при расчете геометрических размеров реактора является нахождение времени реакции.

Технологический расчет времени контакта по средней степени превращения твердого реагента.

При известном среднем радиусе твердой частицы и известной кинетики топохимического процесса расчет реактора сводится к определению средней степени превращения твердой фазы и уточнения времени контакта исходных веществ для последующего определения геометрических размеров реактора.

Смесь частиц с различными, но постоянными размерами в режиме идеального вытеснения.

Уравнение материального баланса для данной смеси можно записать:

Каждая частица с размером при заданном времени пребывания твердого реагента в реакторе будет иметь строго определенную степень превращения.

Следовательно, среднюю степень превращения твердой фазы можно рассчитать по уравнению:

Как известно, частицы меньших размеров взаимодействуют с газом быстрее, чем крупные частицы.

Однако поскольку время пребывания частиц в реакторе одинаково, некоторые частицы с размерами успевают полностью прореагировать за меньшее время.

Тогда для таких частиц рассчитанная степень превращения составит величину больше 1, что не имеет физического смысла.

После определения средней степени превращения определяют время контакта с газовой фазой исходя из области протекания топохимического процесса.

- кинетическая область;

- внутридиффузионная область;

- внешнедиффузионная область.

Твердый реагент состоит из частиц равных и неизменяющихся размеров и находящихся в режиме идеального смешения.

Для расчета реактора используют дифференциальную функцию распределения времени пребывания твердой фазы в кипящем слое.

Для потока твердых частиц в режиме идеального смешения со средним временем пребывания:

Для частиц одинакового размера полностью превращающихся за время уравнение будет следующим:

В зависимости от области протекания процесса конечное уравнение для расчета средней степени превращения твердой фазы будет иметь вид:

- внешнедиффузионная область:

- кинетическая область

Если лимитирующей стадией является химическая реакция

то подставляя уравнение:

получим

- внутридиффузионная область

Если лимитирующей стадией является диффузия газа через слой золы

Исходное вещество представляет собой смесь частиц с различными, но постоянными размерами и находящимися в режиме идеального смешения

Так как размеры частиц в ходе реакции не изменяются, то можно предположить, что распределение по размерам в исходном потоке, в кипящем слое и выходном потоке одинаковы, таким образом:

где G – относится к входящему и выходящему потоку твердой фазы;

W – масса твердой фазы, находящейся в кипящем слое.

Время пребывания частиц с размером Ri равно времени пребывания твердого вещества в псевдоожиженном слое

Обозначая через - степень превращения твердой фазы с размерамиRi в псевдоожиженном слое можно записать:

Комбинируя эти уравнения с учетом области протекания можно получить:

- для внешнедиффузионной области:

- для кинетической области:

- для внутридиффузионной области: