Реферат: IV. химические реакторы

IV. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ.

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕАКТОРАХ. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ.

Def. Реактор - аппарат, в котором осуществляют химические реакции.

Химические реакторы – самый важный вид химической аппаратуры; главное, центральное звено ХТС. В них не только совершаются химические превращения, но и протекают сопутствующие процессы массо- и теплообмена и интенсивное движение среды.

От правильности выбора типа и конструкции реактора и режима его работы в наибольшей степени зависит эффективность и безопасность процесса в целом. Требования к реакторам и показатели эффективно-

сти работы - те же, что и к остальному оборудованию (§ 2.4.2.); отличаются наибольщей жёсткостью.

4.2. Основные конструктивные типы промышленных реакторов.

Многолетний опыт и научные изыскания позволили к настоящему времени разработать несколько основных конструктивных типов химических реакторов. Эти базовые конструкции также лежат в основе устройства более сложных реакторов.

Принципиальная общность конструктивных решений в реакторах каждого класса определяется их назначением, т.е. в первую очередь фазовым состоянием реакционной системы и температурным режимом ХП. В каждом классе существует много конкретных вариантов конструктивного исполнения аппарата.
^ Таблица 2- Основные конструктивные типы реакторов, применяемых в производствах ТОС


Конструктивный

тип реактора


Область и условия применения

Фазовое

состояние

систем

Температура

и давление

(конструктивные)

Тип процесса

1. Реактгоры-котлы. (Ёмкостные с перемешивающими устройствами).

В отраслях ТОС

≈ 95% всего парка реакторов

Ж

Ж-Ж

Г-Ж

Ж-Т

Г-Ж-Т

T =[ (-80)…400]OC

P=[(-0,001)…40] МПа

Разнообразные каталитические и нека-талитические процессы в конденсированных средах с интенсивным перемешиванием и теплообменом при различных температурах и режимах движения реакционной среды в периодических и непрерывных процессах.

2. Ёмкостные барботажные А. без с перемешивающх устройств

Г:Ж

T =[ (-20)…300]OC

P=[(-0,01)…1] МПа

Ряд процессов сульфирования, галогенирования, дедиазонирования с азеотропной отгонкой воды из продуктов

3. Трубчатые.

«труба-в-трубе»

В т.ч. пульсационные

Г, Ж

Ж-Ж

Г-Ж

Ж-Т

Г-Ж-Т

T =[(-100)…1000] OC

P=[(-0,001)…50] Мпа

Разнообразные каталитические и нека-талитические непрерывные процессы с интенсивным перемешиванием и теплообменом при различных температурах.

4. Кожухотрубчатые

Г, Ж

Ж-Ж

Г-Ж

Ж-Т

Г-Ж-Т

T =[(-100)…1000] OC

P=[(-0,001)…10] Мпа

Разнообразные каталитические и некаталити-ческие непрерывные процессы с интенсивным перемешиванием и теплообменом при различных температурах.

5. Колонны (насадочные и тарельчатые)

Г-Ж


T =[(-20)…500] OC

P=[(-0,001)…50] МПа

Процессы в условиях кипения реакционной среды или с интенсивным барботажем газа

6. Полочные

Г

Г-Т

Г-Ж

T =[(-50)…200] OC

P=[(-0,001)…1] Мпа

Обжиг твёрдых продуктов. Каталитические процессы в условиях неподвижного, движущегося и псевдоожиженного слоя катализатора. Абсорбционно-химические процессы

7. Многозонные контактные аппараты со встроенными теплообменными

устройствами

Г-Т

Г-Ж-Т

T =[(-100)…1300] OC

P=[(-0,001)…10] Мпа

Каталитические процессы в услових не-подвижного, движущегося и псевдоожи-женного слоя катализатора с организацией интенсивного теплообмена

8. Ванные

Ж

T =[(-10)…100] OC

P:= атмосферное

Процессы электрохимического синтеза

9. Камерные

Г, Г-Т

Г-Ж

T =[500…2500] OC

P=[0,1…1] Мпа

Печи обжига. Коксовые печи. Камеры сгорания тепловых двигателей и энергоустановок


Выбор типа реактора производится с учётом всей полноты действующих факторов.


3.3. Макрокинетика ХП и динамика химических реакторов.

^ 3.3.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ ДЛЯ РЕАКТОРОВ.

Главная задача, решаемая технологом при использовании реакторов: определение типа, конструктивных и технических параметров аппарата; оптимизация условий ведения процесса и работы (эксплуатации) аппарата; принятие необходимых мер по обеспечению безопасности и устойчивости работы реактора. Успешное решение её невозможно без правильного по существу и полного по содержанию понимания сути и механизма протекающих в реакторе процессов и явлений.

Здесь необходимо сделать ряд ссылок на ранее изучавшиеся курсы. Классическая теория ПАХТ изучает все процессы, кроме химических. С другой стороны химия – неорганическая, органическая, в меньшей степени физическая – изучают именно химические процессы, мало занимаясь явлениями переноса. В реальных же процессах (осуществляемых в реакторах) одновременно протекают и химические реакции и явления переноса. Химические превращения изменяют состав среды, что изменяет все её физические свойства – плотность, теплоёмкость, вязкость, теплопроводность, диффузию, упругость; с другой стороны (что яснее видно из курса ПАХТ) теплопередача и диффузия в огромной степени влияют на температуру и концентрации всех реагентов в реакторе – т.е., на протекание химических реакций.

Поэтому строгие расчёты, выполняемые технологами – как при проектировании (проверке правильности выбора реактора), так и при оптимизации технологических режимов работы уже функционирующих в реальных процессах реакторов, - должны учитывать все характерные для реакторов явления. Задача эта решается путем исследования макрокинетики ХП и динамики реакторов.

Def. Макрокинетика: кинетика реальных сложных химических процессов с учётом явлений переноса массы, количества вещества, теплоты, импульса, поглощения и испускания излучений.

Def. Динамика: реальные изменения состояния реактора и хода ХП, обусловленные внутренним механизмом процесса, условиями его проведения и влиянием различных возмущений, возникающих в ходе работы.

В основе описания макрокинетики и динамики ХП лежат дифференциальные уравнения движения вещества, импульса, энергии (и иных свойств материи) в физико-химическом процессе с учётом конвективного и турбулентного переноса вещества – уравнения Умова (Умова-Пойнтинга). Это уравнение, в отличие от уравнений Навье-Стокса, Рейнольдса, Фурье-Кирхгофа и Фика, учитывает то, что химические превращения, а также межфазный перенос, загрузки в реактор реагентов и отвод продуктов из реактора приводят к образованию и исчезновению веществ внутри реактора – такие эффекты в теоретической физике называют источниками и стоками субстанций. Под «субстанцией» понимают как вещество, так и присущие ему свойства (наиболее общее свойство – химический потенциал).

Общая форма этого уравнения

= Σ IOS - Σ ICS - div (J + S w) (1)

S – субстанция (свойство);

IOS – мощность источников субстанции;

ICS – мощность стоков субстанции;

J - конвективный поток;

w – линейная скорость.

Для прояснения физико-химической сущности явлений достаточно рассмотреть задачу в одномерном представлении. Рассмотрим элемент объёма реактора dV. Движение среды будем считать одномерным. Изменением удельного объёма среды пренебрежём.


_________

| Wr | Wr - векторная сумма скоростей химических реакций, кмоль/с;

| IO IC |wl wl - линейная скорость потока, м/с;

|_________ | (ρλην) С - концентрация в сечении l, кмоль/м3

| | C+dC - концентрация в сечении l+dl, кмоль/м3

l l+dl ρ – плотность среды, кг/м3

C C+dC λ – теплопроводность среды, Вт/м К

ή - обобщённый динамический коэффициент вязкости среды, Па.с

ΰ- обобщённый кинематический коэффициент вязкости среды, м2/с

СР – теплоёмкость среды, Дж/кг.К;

ά= λ/ ρСР - – температуропроводность среды, м2/с

IO – мощность физических источников вещества, кмоль/с;

IC– мощность физических стоков вещества, кмоль/с;

Рисунок 2. ^ Схема элемента реакционного объёма.

В отсутствие внешних полей динамика процесса в элементе объёма реактора dV выражается системой уравнений Умова – Пойнтинга для переноса массы, количества вещества, тепла и импульса – т.н., характеристической системой уравнений


Перенос массы (материальный баланс) – выражается уравнением сплошности

(2)


^ Перенос количества вещества - макрокинетика

= Σ IOS - Σ ICS Wr (1 - С ) - wl + D (3)

I II III IV V

где D - коэффициент перемешивания, м2/с.

^ Перенос тепла

ρСР= Σ IOSН0S - Σ ICSНСS- Σ WR ΔНR + Wr ρСР Т - wl ρСР + λ (4)

VI VII VIII IX X XI XII

Перенос импульса (течение среды)

ρ = ρ wl (WRΔV - ) - + ή (5)

XIII XIV XV XVI XVII

Где Σ IOS – интенсивность физических источников вещества, кмоль/м3с;

Σ ICS– интенсивность физических стоков вещества, кмоль/м3с;

Н0S, НСS – энтальпии вносимых и уносимых веществ, Дж/кмоль;

ΔНR – тепловой эффект реакции, Дж/кмоль;

ΔV – изменение молярного объёма в результате реакции, м3/кмоль;

D - коэффициент перемешивания (турбулентно-молекулярной диффузии), м2/с;.

ή – динамический коэффициент турбулентно-молекулярной вязкости, Па.с.

Знак «» зависит от того, рассматривается ли концентрация реагента или продукта реакции.

Для полной характеристики задачи требуется также формулирование начальных и граничных условий. В целом это требует проведения большого объёма экспериментальных работ и вычислений. Сложность уравнений Умова приводит к тому, что в подавляющем большинстве случаев для практических целей прибегают к их упрощению на основе теории подобия. Т.е., упрощают задачу путём осреднения ряда параметров. Это позволяет перейти от уравнений математической физики к обыкновенным дифференциальным уравнениям, и в ряде случаев получить аналитические выражения, хорошо приближающиеся к эксперименту.

В качестве примера рассмотрим уравнение переноса количества вещества (5).

Преобразование формулы (5) в соответствии с теорией подобия даёт выражение (членом III обычно пренебрегают)

С/τ = Σ IOS - Σ ICS Wr - wl С/L + D С/ L2, (8)

Iа IIа IIIа IVа

где L - определяющий линейный размер, м.

^ Из этого выражения получают основные критерии подобия.

Делением членов (III) : (IV) - критерий Боденштайна (иногда называют критерием Пекле для реакторов) - выражающий соотношение конвективного и турбулентного переноса вещества.

Во = , (9)

Делением членов (II): (III) - первый критерий Дамкелера - выражающий соотношение скорости реакции и конвективного переноса вещества.

DaI =, (10)

где = L/ wl - среднее время пребывания потока в реакторе, с.

Делением членов (II): (IV) - второй критерий Дамкелера

DaII = , (11)

DaII выражает соотношение скорости реакции и интенсивности турбулентного переноса вещества.

^ Аналогично из уравнения (6) выводят третий и четвёртый критерии Дамкелера.

Делением членов (II): (III) - третий критерий Дамкелера, выражающий соотношение тепловой мощности реакции и конвективного переноса тепла.

DaIII= , (12)

где = L/ wl - среднее время пребывания потока в реакторе, с.

Делением членов (II): (IV) - четвёртый критерий Дамкелера, выражающий соотношение тепловой мощности реакции и турбулентного переноса тепла.

DaIV= , (13)

На основании вышеприведённых соотношений выводят т.н. характеристическое уравнение реактора, а точнее –характеристическую систему уравнений, выражающих связь между степенью превращения, скоростью и временем протекания ХП. Характеристическое уравнение - основа технологического расчёта реакторного процесса.

^ Def. Характеристическое уравнени