Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Физико-химические основы технологических процессов

..pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
15.67 Mб
Скачать

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:

dN,

 

 

(3.1)

dt

 

 

 

 

 

=Q +ZQ

(3.2)

dt

^

^

 

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.

 

Материальный баланс процесса можно представить в виде

 

 

 

= K - V 0,

 

(3.3)

 

 

dt

А

р

 

 

где

t - время пребывания в реакторе (мин, ч).

 

 

 

После преобразований получим

 

 

 

 

J L ^

A =w>

или

dC± = W

(3.4)

 

Vp

dt

 

dt

" A >

 

 

 

 

 

где

WA = -k C An

 

 

 

 

 

 

В интегральной форме модель реактора РИС-п принимает вид

 

 

t

 

 

 

(3.5)

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

^ =Qp-(o-Vp+KT-Fr(Tx - T ),

(3.6)

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).

^О, Co, TQ

г)о, С, Т

 

Рис. 3.3. Схема реактора идеального вытеснения

В режиме идеального вытеснения процесс протекает стационарно

dN.А = 0 . Концентрация СА и температура Т меняется по длине dt

реактора Ь0, но в каждом сечении реактора и элементарном объеме концентрация остается постоянной (см. рис. 3.2). Элементарный объ­

ем в этом случае - dVp = Sdl В него входит поток вещества количе­

ством ъ0Сд и выходит - о 0(Сд+dCA) .

Материальный баланс процесса, протекающего в реакторе:

v0Cl=Vo{C°A+dCA) + WA-dVp.

(3.7)

Соотношение — = т примем за условное время

реакции. Его

можно выразить так же, как т = — , где L0 - длина реактора; а - ско-

а

 

рость потока.

 

После преобразований получим

 

dCA = WAdx или WA = dC

(3.8)

dx

Условное время пребывания в реакционной зоне

(3.9)

J ш

с° ™ А

Уравнение теплового баланса в РИВ имеет вид

 

Q = V0cpT - V0cp(T +dT) + бР • со• dVv + Кт■dFT(Tx - T).

(3.10)

После преобразований получим

 

 

с ———=Q • со Кт

—Ту),

(3.11)

v dx

т dVp

х

 

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 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

СА-Сд =WA- т или х = — —— .

(3.13)

W A

 

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

т = С? -

(3.14)

-W k

Уравнение теплового баланса в РИС-н имеет вид

Q = ъ0срТ0Щ Т + Qp-a>-Vp + KT-FT(Tx - Т).

Используя определение условного времени реакции и удельной поверхности теплообмена Fyn = F/Vp, получим

(3.15)

Каскад реакторов идеального смешения (РИС-н). Для эффек­ тивного использования РИС-н создают каскад реакторов. Использо­ вание каскада реакторов позволяет достичь необходимой степени превращения при меньшем объеме реакторов.

Для работы каскада реакторов идеального смешения должны вы­ полняться следующие два условия:

1)мгновенное изменение параметров процесса в каждой секции каскада, равенство параметров во всех точках реактора и в потоке, выходящем из него;

2)отсутствие влияния каждого последующего реактора на пре­ дыдущий.

Изменение концентрации компонента в каскаде РИС-н показано на рис. 3.4.

С "

г

О ^1 ^2

^3

t

Рис. 3.4. Изменение концентрации компонента в каскаде РИС-н

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

С,=

Со

(3.16)

(1+ кх)‘

 

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

ig(C,/C/)

(3.17)

lg(l + Ax)

 

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

т = IX

(С°-Скон)

(3.18)

«о

C°-W

 

2. Изотермические процессы в химических реакторах

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

(C -C °)/t = W ,

т = С°

т = гр/о 0.

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.

Соседние файлы в папке книги