книги / Физико-химические основы технологических процессов

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