Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Другое / Конспекты / Основные конструктивные типы промышленных реакторов.

Основные конструктивные типы промышленных реакторов.

  • Другое

Поделитесь материалом с коллегами:


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

hello_html_424ee075.gif= 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;

hello_html_m6ec21ba1.gif| IOIC |hello_html_m6ec21ba1.gifwl 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

СР – теплоёмкость среды, Дж/кг.К;

ά= λ/ ρСР - – температуропроводность среды, м2

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

hello_html_764a3d2b.gif(2)


Перенос количества вещества - макрокинетика

hello_html_4fd5113c.gif= Σ IOS - Σ ICS hello_html_46743718.gif Wr (1 - С hello_html_57284ea9.gif) - wlhello_html_7a10fe7a.gif + Dhello_html_m22cd9d28.gif (3)

I II III IV V

где D - коэффициент перемешивания, м2/с.

Перенос тепла

ρСРhello_html_m1f9dfde9.gif= Σ IOSН0S - Σ ICSНСS- Σ WR ΔНR + Wr ρСР Тhello_html_mb23856.gif - wl ρСРhello_html_7a10fe7a.gif + λ hello_html_2c3c4404.gif (4)

VI VII VIII IX X XI XII

Перенос импульса (течение среды)

ρ hello_html_mf2208df.gif= ρ wl (WRΔV - hello_html_m51712f7b.gif) - hello_html_m7d8f2997.gif + ή hello_html_577501f1.gif (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 «hello_html_46743718.gif» 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 ICShello_html_46743718.gif 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 = hello_html_1a6e54f8.gif , (9)

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

DaI =hello_html_m2d9e8b02.gif, (10)

где hello_html_m160d5dab.gif= L/ wl - среднее время пребывания потока в реакторе, с.

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

DaII = hello_html_m3863193.gif , (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= hello_html_19ef5313.gif , (12)

где hello_html_m160d5dab.gif= 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= hello_html_m5bd350fd.gif, (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 уравнение - уравнение, связывающее скорость процесса, концентрации (и степени превращения) реагентов и необходимое время.

Применение преобразований подобия (9)-(13) обычно позволяет заменить систему уравнений математической физики (5)-(8) системой обыкновенных дифференциальных, критериальных и алгебраических уравнений вида.

hello_html_m22d27f4f.gifС/hello_html_m22d27f4f.gifhello_html_312e10f5.gif= FC(WR; DaI; DaII; DaIII ; DaIV; Re; Bo; IC; IS ) (14)

ρСРhello_html_m1f9dfde9.gif= FT(WR; DaI; DaII; DaIII ; DaIV; Re; Bo; IC; IS Gr; Ki; Bi… ) (15)

Eu = FP (WR; DaI; DaII; DaIII ; DaIV; Re; Bo; IC; IS ; Fr; Gr; Ki; Bi…) (16)

Где Eu, Re, Fr, Gr; Ki; Bi, – соответственно критерии (числа) Эйлера, Рейнольдса, Фруда,

Грасгофа, Кирпичёва, Био и т.д.


Как правило, на практике идут по пути дальнейших упрощений уравнений (14) -(16), основанных на следствиях, вытекающих из существования определённых областей качественно своеобразных условий протекания, выражаемых «граничными» значений критериев Во, DaII; DaIV. Эти упрощения позволили вывести основные группы моделей движения среды, определяющих тип макрокинетики процессов в реакторах.

К таковым базовым моделям относятся следующие: идеального/полного смешения (РИС); идеального/полного вытеснения (РИВ);. диффузионная (ДРВ) и ячеечная (КРИС-Н).

Сложные модели реальных аппаратов строят на основе комбинации вышеприведённых базовых моделей. Характеристика этих моделей и область их применения к реальным аппаратам приведены в таблице


МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ В РЕАКТОРАХ ОСНОВНЫХ ТИПОВ

1. РЕАКТОРЫ С МЕШАЛКАМИ (АППАРАТЫ-КОТЛЫ)

Основная модель для описания процессов в аппаратах этого типа – модель идеального/полного смешения (РИС). В основе её лежит допущение, что интенсивное перемешивание практически обеспечивает выравнивание концентраций и температуры по всему объёму реактора. Математически это отражается следующим образом.


hello_html_6356d378.gif(17а)

hello_html_m2c5d7e95.gif(17б)

hello_html_36b0d365.gif(17в)

hello_html_m500e3a7a.gif(17г)

Bo<<1 (17д)

DaII<<1 (17е)

DaIV<<1 (17ж)

В большинстве случаев в средах невысокой вязкости относительная неоднородность концентраций действительно не превышает (1…2) %, а перепады температуры не превышают (1…2) градуса (и приходятся на пограничный слой). Для этих условий модель РИС вполне корректна. Модель применяют и к периодическим и к непрерывным процессам.


1.1 Реакторы периодического действия – РИС-П.

Эта модель применяется к периодическим процессам, при осуществлении которых все реагенты загружают за время, пренебрежимо малое по сравнению с общей продолжительностью реакционного цикла, т.е., практически единовременно. До окончания процесса продукты реакции из реактора не отводят. Поэтому все изменения концентраций и температуры обусловлены только происходящими в реакторе процессами.




Рисунок . Схема РИС-П




Математическое описание процесса.

Реакция aIAI = bIBI

Масса веществ неизменна

М = М0 = Const (18а)

Скорость реакции (макрокинетика процесса)

hello_html_m39ee186f.gif= WR + WR hello_html_m5c3798f4.gif - Chello_html_27c79210.gif (18б)

Температура (дифференциальный тепловой баланс определяется тепловыми эффектами химических и массообменных процессов; организованным теплообменом; мощностью, диссипируемой мешалкой и теплообменом с окружающей средой).

MCр*hello_html_27c79210.gif+ MACAhello_html_m7e7be3c1.gif = - ΔНR | WR | - ΔНm | Wm | - КF Δhello_html_m3f963da0.gif - КПFП(Т-) + NЖ (18в)

Где С – концентрации веществ, моль/м3;

hello_html_m5c3798f4.gif=hello_html_m693ad452.gifизменение плотности, вызываемое изменением состава среды, кг/кмоль;

M = V – масса реакционной среды, кг;

MA – масса корпуса реактора, кг;

- плотность среды, кг/м3;

Т- температура в среде, К;

ΔНm – тепловой эффект химических процессов, Дж/моль;

Wm - скорость химических процессов, моль/с;

ΔНm – тепловой эффект массообменных процессов, Дж/моль;

Wm - скорость массообменных процессов, моль/с;

ТА – средняя температура корпуса реактора, К;

- коэффициент объёмного расширения, К-1;

Cр*- удельная теплоёмкость среды, Дж/(кг.К);

CA - удельная теплоёмкость материала корпуса реактора, Дж/(кг.К);

К– коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К );

F - поверхность теплопередачи, м2;

Δhello_html_m3f963da0.gif = hello_html_6bfadc5a.gif средняя разность температур, отсчитываемая от температуры среды, К; (18г)

КП – коэффициент тепловых потерь, Вт/(м2К );

FП – поверхность тепловых потерь, м2;

T1, t2, tCP – начальная, конечная и средняя температура теплоносителя, К;

- температура окружающей среды.

Гидродинамика (течение среды определяется перемешиванием)

NЖ = КN n3 dhello_html_4c8debf7.gif - мощность, диссипируемая (рассеиваемая мешалкой) в среде, Вт; (19а)

КN = F(Re; Fr; Г) – критерий мощности (критерий Эйлера для мешалок). (19б)


Интегрированием системы уравнений (18а)- (18г) получают зависимость концентраций и температур от времени; результаты представляют графически или в виде таблиц.


Рисунок Графическая зависимость

концентраций и температуры











Особую роль играют изотермические РИС-П, для которых

hello_html_27c79210.gif=0 (20а)

Постоянство температуры обеспечивается за счёт её регулирования

КF Δhello_html_m3f963da0.gif = - ΔНR | WR | - КПFП(Т-) + NЖ (20б)


Постоянство температуры исключает влияние объёмного расширения на концентрации веществ. Вследствие этого для И-РИС-П характеристическая система упрощается.

hello_html_m39ee186f.gif= WR (1+hello_html_m5c3798f4.gif) (20а)

Довольно часто влиянием состава среды на плотность – особенно в случае реакций в разбавленных растворах – можно пренебречь, т.е

hello_html_m5c3798f4.gif<<1 (20б)

Тогда характеристическое уравнение упрощается

hello_html_m39ee186f.gif   WR (20в)

Уравнение (20в) имеет общее интегральное решение


= hello_html_166bc492.gif С0 hello_html_m6389d2e.gif (21)

где Х –степень превращения.


Возможность практически обеспечить выполнение условий (19)-(21) [например, в разбавленных растворах] делает И-РИС-П чрезвычайно важными для кинетических исследований. По существу, это основной тип т.н. кинетических ячеек. Уравнения (20в) и (21) используют для вычисления кинетических параметров реакций.

Достоинство РИС-П в том, что этот тип режима характеризуется максимальной средней концентрацией реактантов в среде, т.е., максимальной движущей силой процесса. Поэтому время, необходимое для достижения заданной степени превращения при прочих равных условиях для РИС-П минимально из всех типов реакторов периодического действия.

Нужно отметить однако, что обеспечить возможность вести процессы в режиме РИС-П достаточно сложно. Как правило, тепловые эффекты химических и массообменных процессов приводят к тому, что при высоких концентрациях реактантов – и высоких скоростях процессов – очень трудно удержать температуру в реакторе в безопасных пределах; также трудно бывает предотвратить массовую лавинную кристаллизацию, выбросы реакционной массы и другие негативные явления. Кроме того, для сложных процессов с последовательно-параллельными реакциями максимальная концентрация не всегда позволяет достичь высокой селективности процесса и максимального выхода целевого продукта – что гораздо важнее высокой скорости процесса. Поэтому процессы РИС-П сравнительно редки в практике химической технологии БАВ.

Для поддержания безопасных и рациональных режимов ведения процессов, как правило, приходится ограничивать концентрации реактантов. Для этого необходимо загружать реагенты постепенно - в течение времени, сопоставимого с временем протекания процесса.

Кроме того, довольно часто из реактора необходимо отводить продукты, могущие вызвать побочные реакции, или сдвинуть равновесие в нежелательную сторону, или снизить температуру и тем самым замедлить процесс. Как правило, это делают отгонкой, экстракцией или кристаллизацией.

Реализация этих технологических приёмов формирует два основных режима ведения периодических процессов: - - реакторы полупериодического действия – РИС-ПП;

- реакторы полупериодически-непрерывного действия – РИС-ППН.


1.2 Реакторы полупериодического действия – РИС-ПП.

Эта модель применяется к периодическим процессам, при осуществлении которых часть реагентов изначально находится в реакторе, а другие загружают в течение времени, сопоставимого с временем протекания процесса. По окончании загрузки проводят выдержку, необходимую для достижения требуемого выхода целевого продукта. До окончания процесса продукты реакции из реактора не отводят. Поэтому все изменения концентраций и температуры обусловлены только происходящими в реакторе процессами.

Технологический цикл т.о. распадается на две фазы: дозирование и выдержка.

Рисунок . Схема РИС-ПП









Рассмотрим осуществляемую в РИС-ПП необратимую реакцию

A+ В D + E (III)

Будем считать, что раствор реагента В находится в реакторе, а раствор реагента А из мерника равномерно – т.е. с постоянным расходом - дозируют (сливают ) в реактор. Будем также считать, что изначально продукты реакции D и Е в среде отсутствуют


Математическое описание процесса в фазе дозирования.

Масса веществ

Унос отсутствует:= Gs =0

hello_html_m51e14199.gif= GA=АVA (22а)

Объёмный и массовый расходы постоянны

GA=Const (22б)

VA =Const (22в)

Отсюда

М = МО + GA= МО + VA (22г)

Скорость реакции (макрокинетика процесса)

Концентрация А возрастает за счёт дозирования и убывает вследствие протекания реакции и увеличения объёма

реакционной среды

hello_html_260e35a6.gif= hello_html_6f3e662a.gif - WR (1- hello_html_m5c3798f4.gif) - CАhello_html_27c79210.gif (23а)

Концентрация В только убывает вследствие протекания реакции и увеличения объёма реакционной среды


hello_html_m102d0561.gif= - hello_html_m1bd59bbf.gif - WR (1- hello_html_m5c3798f4.gif) - CВhello_html_27c79210.gif (23б)

где - т.н. коэффициент контракции, отражающий отклонение объёма раствора от аддитивности.

Температура (дифференциальный тепловой баланс определяется тепловыми эффектами химических и массо-обменных процессов; энтальпией загружаемых продуктов; организованным теплообменом; мощностью диссипируе-

мой мешалкой и теплообменом с окружающей средой).

MCр*hello_html_27c79210.gif+ MACAhello_html_m7e7be3c1.gif = GAHhello_html_c384e1e.gif - (V0+VA ) {ΔНR | WR | - ΔНm | Wm | }-КF Δhello_html_m3f963da0.gif - КПFП(Т-) + NЖ (23в)

Где Hhello_html_c384e1e.gif= mXIHIN - удельная энтальпия раствора реагента А, Дж/кг;

HIN- удельная энтальпия компонента I в растворе реагента А, Дж/кг;

mXI – массовая доля компонента I в растворе реагента А;

Гидродинамика (течение среды определяется перемешиванием)

NЖ = КN n3 dhello_html_4c8debf7.gif - мощность, диссипируемая (рассеиваемая мешалкой) в среде, Вт; (23г)


В фазе выдержки РИС-ПП идентичен РИС-П; процесс также описывется системой уравнений (18а)- (18г). Очевидно, что характеристическая система уравнений (23а)- (23г) весьма сложна; аналитические решения возможны только для реакций первого порядка и изотермических режимов.

Численное интегрирование системы уравнений (23а)- (23г) для фазы дозирования и системы уравнений (18а)- (18г) для фазы выдержки при задании различных условий ведения процесса (начальной температуры – Т0; расхода реагента А - GA; температуры теплоносителя - t0; температуры окружающей среды - ) получают зависимость концентраций и температур от времени; результаты представляют графически или в виде таблиц.













Рисунок Графическая зависимость концентраций и температуры для РИС-ПП


1.3 Реакторы полупериодически-непрерывного действия – РИС-ППН.

Эта модель применяется к любым периодическим процессам, при осуществлении которых часть реагентов изначально находится в реакторе, а другие загружают в течение времени, сопоставимого с временем протекания процесса. По окончании загрузки проводят выдержку, необходимую для достижения требуемого выхода целевого продукта. При этом как в фазе дозирования, так и в фазе выдержки часть продуктов реакции или избыток растворителя отводят из реактора.

Это наиболее сложный из всех режимов периодических процессов. Изменения концентраций и температуры обусловлены всей совокупностью происходящих в реакторе процессов. Для РИС-ППН не всегда даже возможно однозначно разделить цикл на фазы дозирования и выдержки.


Рисунок . Схема РИС-ППН









Рассмотрим осуществляемую в РИС-ППН необратимую реакцию

A+ В D + E (III)

Будем считать, что раствор реагента В находится в реакторе, а раствор реагента А из мерника равномерно – т.е. с постоянным расходом - дозируют (сливают ) в реактор. Будем также считать, что изначально продукты реакции D и Е в среде отсутствуют


Математическое описание процесса

Масса веществ

Gs =0

hello_html_m51e14199.gif= GI - Gs = IVI - SVS (24а)

где М – масса веществ в аппарате, кг;

GI – суммарный массовый расход загружаемых веществ, кг/с;

Gs– суммарный массовый расход отводимых веществ, кг/с;


Объёмные и массовые расходы постоянны

{GI; Gs }=Const (24б)

{VI; Vs }=Const (24в)

Отсюда

М = МО + (GI- Gs)= МО + ( IVI - SVS) (24г)

Объём среды в аппарате

V= M/ (24д)

Скорость реакции (макрокинетика процесса)

Концентрация А возрастает за счёт дозирования и убывает вследствие протекания реакции, возможного уноса с отводимыми компонентами и увеличения объёма реакционной среды

hello_html_260e35a6.gif= hello_html_m5bea5dc6.gif - WR (1- hello_html_m5c3798f4.gif) - CАhello_html_27c79210.gif (24е)

Концентрация В только убывает вследствие протекания реакции, возможного уноса с отводимыми компонентами и увеличения объёма реакционной среды


hello_html_m102d0561.gif= - hello_html_m69f51089.gif - WR (1- hello_html_m5c3798f4.gif) - CВhello_html_27c79210.gif (24ж)

где - т.н. коэффициент контракции, отражающий отклонение объёма раствора от аддитивности.

Температура (дифференциальный тепловой баланс определяется тепловыми эффектами химических и массо-обменных процессов; энтальпией загружаемых и отводимых продуктов; организованным теплообменом; мощностью диссипируемой мешалкой и теплообменом с окружающей средой).

MCр*hello_html_27c79210.gif+ MACAhello_html_m7e7be3c1.gif = GAHhello_html_c384e1e.gif- GSH*S- V{ΔНR | WR | - ΔНm | Wm | }- КF Δhello_html_m3f963da0.gif- КПFП(Т-) +NЖ (24з)

Где HS*= mXIHIN - удельная энтальпия отводимого продукта S, Дж/кг;

Гидродинамика (течение среды определяется перемешиванием)

NЖ = КN n3 dhello_html_4c8debf7.gif - мощность, диссипируемая (рассеиваемая мешалкой) в среде, Вт; (24и)


Численным интегрированием системы уравнений (24а)- (24и) при задании различных условий ведения процесса (начальной температуры – Т0; расхода реагента А - GA; температуры теплоносителя - t0; температуры окружающей среды - ) получают зависимость концентраций и температур от времени; результаты представляют графически или в виде таблиц.

На основании полученных результатов делают вывод о соответствии типов и технических характеристик реакторов задачам проекта и производят выбор рациональных условий ведения процесса.

Критерии выбора.

1. Параметры процесса: температура, давление, расходы сред – должны находиться в пределах норм безопасности.

2. Достигаемый выход целевого продукта должен высоким, а количество побочных продуктов, отходов и потерь – минимальным.

3. Расход энергоносителей и их параметры должны быть минимально достаточными для гарантии управления процессом.

4. Скорости изменения температуры и давления не должны превышать пределов быстродействия современных средств КИПСА (dT/d < 2 K/c; dP/d<1 Бар/с).

5. Трудоёмкость процесса должна быть минимальной.



Выберите курс повышения квалификации со скидкой 50%:

Автор
Дата добавления 02.11.2015
Раздел Другое
Подраздел Конспекты
Просмотров199
Номер материала ДВ-116544
Получить свидетельство о публикации
Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх