Характеристично уравнение на химически реактор. Реактор на идеално периодично смесване фиг.-p

Реагентите се зареждат в началото на операцията. В този случай процесът се състои от три етапа: зареждане на суровини, тяхната обработка (химическа трансформация) и разтоварване на готовия продукт. След извършване на всички тези операции те се повтарят отново. Продължителността на един цикъл, извършван в периодичен реактор, се определя от уравнението

τ p \u003d τ + τ об.,

където τ p е общото време на цикъла;

τ е работното време, изразходвано за химическата реакция;

τ ср - спомагателно време

Реакторът за периодично идеално смесване, съкратено RIS - P, е апарат с бъркалка, в която периодично се зареждат реактиви. В такъв реактор се създава много интензивно смесване, поради което по всяко време концентрацията на реагентите е еднаква в целия обем на апарата и се променя само във времето, докато протича химичната реакция. Такова смесване може да се счита за идеално, откъдето идва и името на реактора.

Идеален смесен периодичен реактор

Промяна на концентрацията на изходния реагент А във времето и обема в RIS - P

Тук N A,0 е първоначалното количество на първоначалния реагент А;

X A,0 е началната степен на превръщане на реагент А;

C A,0 е началната концентрация на реагент А в първоначалната смес.

N A , C A , X A - същото в края на процеса;

τ е времето;

y - пространствена координата (координата на местоположението).

Периодичните химични процеси по своята същност винаги са нестационарни (т.е. нестационарни), тъй като по време на химическа реакция параметрите на процеса се променят във времето (например концентрацията на вещества), тъй като натрупването на реакционни продукти възниква.

За да изчислите реактора, трябва да знаете неговото уравнение, което ви позволява да определите работното време τ, необходимо за постигане на дадена степен на преобразуване X A, с известна начална концентрация на веществото C A,0 и известна кинетика на процеса, т.е. с известна скорост на химична реакция ω A.

Основата за получаване на уравнението на реактора от всякакъв тип е материалният баланс, съставен за един от компонентите на реакционната смес.

В общия случай, когато концентрацията на даден компонент не е постоянна в различни точки на реактора или не е постоянна във времето, материалният баланс се съставя в диференциална форма за елементарния обем на реактора. В този случай те изхождат от уравнението на конвективния масов пренос, в което се въвежда допълнителен термин ω A, като се отчита хода на химическа реакция.

където СА е концентрацията на реагента в реакционната смес;

x, y, z са пространствени координати;

D е коефициентът на молекулярна и конвективна дифузия;

ω A е скоростта на химическа реакция.

Въз основа на факта, че в RIS - P, поради интензивно смесване, всички параметри са еднакви в целия обем на реактора по всяко време. В този случай производната от всеки порядък на концентрацията по осите x, y, z е равна на 0, тогава

Така че уравнението може да бъде написано

Ако реакцията протича без промяна в обема, тогава текущата концентрация на изходния материал ще бъде изразена като

C A \u003d C A,0 (1 - X A)

или

където знакът "-" показва намаляването на вещество А.

Интегрирайки този израз в рамките на промяната на времето от 0 до τ и степента на трансформация от 0 до X, получаваме уравнението RIS - P

RIS-P е апарат с бъркалка, в който непрекъснато се подават реагенти и непрекъснато се отстраняват продукти от него.

В такъв реактор се създава интензивно смесване, следователно същата концентрация на реагента се установява моментално в целия реактор, равна на концентрацията на изхода. Възниква рязка (скокообразна) промяна в концентрацията поради мигновеното смесване на постъпващите реагенти с реакционната маса, която вече е в реактора.

Разликата между началната и крайната концентрация зависи при равни други условия от скоростта на химичната реакция и от времето на престой на реакционната смес в реактора. Колкото по-висока е скоростта и колкото по-дълго е времето, толкова по-голям е скокът в концентрацията.

RIS-N се характеризира с липсата на градиенти на параметрите както във времето, така и в обема на реактора, следователно за извеждане на характеристичното уравнение се използва уравнението на материалния баланс в обща форма.

N A натрупани = N A конв. - Н А хим.р.

В стационарен режим N A натрупани. = 0.

N A \u003d N A доход - N A мивка

N A пристигане \u003d N A0 \u003d C A0 v об. , където v об. е обемната скорост на потока на реагента.

N A източване \u003d N A0 (1-α A) \u003d C A0 v об. (1-α A)

N A = C A0 v об. - C A0 v том. (1-α A) \u003d C A0 v об. α А.

N A chem. =(-r A) V p , където V p е обемът на реактора.

C A0 v том. α A \u003d \u003d (-r A) V p, V p \u003d v около τ

C A0 v том. α A \u003d (-r A) v около τ

C A0 α A \u003d (-r A) τ

Характеристично уравнение за фиг.

За проста необратима реакция от порядъка "n".

За n = 0, за n = 1 .

Сравнение на RIS и RIV

Характеристичните уравнения за RIS-P и RIV-N са еднакви и времето за достигане на дадена степен на превръщане на реагента в тези реактори е еднакво. Но във FIG-P общото време на процеса е сумата от работното време, изчислено съгласно характеристичното уравнение, и спомагателното време за товарене и разтоварване. В RIV-N няма спомагателни операции, следователно интензивността на RIV-N е по-висока, отколкото в RIS-P.

В RIS-N също няма спомагателни операции, но хидродинамичната ситуация в него се различава от ситуацията в RIV-N, следователно, за да се постигне същата степен на преобразуване на реагента, при равни други условия, е необходимо повече време от по делото РИВ-Н.

Нека сравним концентрационните режими в RIS-N и RIV-N. При RIV-N се наблюдава постепенно намаляване на концентрацията на реагента по дължината на реактора, а при RIS-N се наблюдава рязко спадане на концентрацията до крайна стойност.

Промяната в скоростта на реакцията има същия характер за тези реактори. Следователно средната скорост на реакция в RIS-N винаги е по-ниска, отколкото в RIV.

Нека сравним характеристичните уравнения на реакторите в случай на реакции от различен порядък.

При n = 0 характеристичното уравнение на RIS-N и RIV-N има формата . Следователно времето, необходимо за достигане на дадено преобразуване на реагента, е същото; типът на реактора в този случай не влияе върху интензивността на процеса. Това се дължи на факта, че при n = 0 скоростта на реакцията не зависи от концентрацията на реагента.

За n > 0 типът на реактора ще има силно влияние върху интензивността на процеса.

> , т.е. .

Неравенството е толкова по-голямо, колкото по-голямо е превръщането на реагента.

За сложните процеси ефективността се оценява не само от размера на реактора, но и от степента на селективност. За процеси, чиято селективност зависи от концентрацията на реагента (ред на целевата реакция ≠ ред на странична реакция), селективността може да бъде повлияна чрез избор на правилния тип реактор. Например, за сложно-паралелен процес, при който редът на целевата реакция е по-висок от реда на страничната реакция, е необходимо да се поддържа висока концентрация на реагента, за да се осигури висока селективност. В този случай е по-добре да изберете RIV-N. Ако редът на целевата реакция е по-малък от реда на страничната реакция, концентрацията на реагента трябва да се поддържа ниска, така че се предпочита RIS-H.

Добивът на целевия продукт също зависи от вида на реактора. За комплексно-паралелен необратим процес, добивът може да бъде свързан със селективността чрез следните отношения:

ФИГ.-Nβ = S α A ; РИВ-Н .

Като α A

S намалява, ако n е цяло число. > n страна-r. ; S нараства, ако n е цяло число.< n побоч.р. .

β RIV -N > β RIS -N β RIS -N > β RIV -N

Лекция No13

Каскада от непрекъснати идеално смесени реактори

В един RIS-H не може да се постигне висока степен на преобразуване, тъй като концентрацията на първоначалния регент моментално пада и целият процес протича с ниска скорост. Но при провеждане на реакции, в които участват два или повече реагента, смесването на участниците в реакцията е необходимо условие за нейното осъществяване. В този случай могат да се използват реактори, които описват клетъченмодел или модел K-RIS-N. Каскадата се състои от няколко перфектно смесени проточни реактора, свързани последователно.

Концентрацията на първоначалния реагент в такава система не намалява веднага до крайната стойност, а постепенно от реактор към реактор. Във всеки реактор концентрацията на реагента в обема е постоянна и равна на концентрацията му на изхода на реактора; промяната в концентрацията настъпва рязко. Въпреки това, работната концентрация в каскадата се поддържа по-висока, отколкото в единичен RIS-N, и с увеличаването на броя на реакторите тя се доближава до концентрацията в RIM. При n= 8 - 10, K-RIS-N ≡ RIV-N.

Изчисляването на K-RIS-N се свежда до изчисляването на броя стъпки "n", необходими за постигане на дадена степен на превръщане на реагента. Има графични и аналитични методи за изчисляване на каскада от реактори.

Графичен метод на изчисление K-RIS-N

Нека в каскада от реактори протича проста необратима реакция от порядък n A. Скоростта на тази реакция може да се опише с уравнението; зависимост –r A = f (C A) е крива.

Нека изведем зависимостта –r A = f (C A) за единичен каскаден реактор.

RIS-N има характеристично уравнение от формата .

C A \u003d C A0 (1-α A) C A = C A0 - C A0 α A C A0 α A \u003d C A0 - C A

Така зависимостта на скоростта от концентрацията за всеки реактор в каскадата е права линия с ъгъл на наклон, чийто тангенс е равен на –1/τ.

Пресечна точка на крива и права характеризират концентрацията на реагента в реактора.

За графично изчисляване на K-RIS-N е необходимо:

o начертайте крива;

o начертайте права линия от точката C A0 с тангенса на ъгъла на наклон –1/τ 1 , където τ 1 е времето на престой на реагента в първия реактор (набор);

o от точката на пресичане на кривата и правата линия, спуснете перпендикуляра към оста x. Получената стойност C A1 е концентрацията на реагента на изхода на първия реактор и на входа на втория реактор;

o за да намерите концентрацията на реагента на изхода на втория реактор, повторете операцията;

o повторете операцията, докато се достигне крайната концентрация на реагента C A final. , съответстващ на даденото преобразуване на реагента.

Броят на повторните операции за изграждане на права линия е равен на броя на реакторите в каскадата.

Най-често времето на престой на реагента в отделните реактори на каскадата се приема за еднакво, т.е. успоредни прави се изграждат с еднаква тангенс на наклон. Но графичният метод може да се използва и за различни стойности на τ, тоест за различни обеми на отделните реактори в каскадата.

Аналитичен изчислителен метод K-RIS-N

Възможностите на аналитичния метод са ограничени от сложността на получените уравнения, така че той се използва в най-простите случаи.

Нека проста необратима реакция от първи ред протича в каскада от реактори.

Характеристични уравнения на идеални типове изотермични реактори

от "Реактори в химическата промишленост"

Основният технологичен елемент на инсталацията за провеждане на химичен процес е апарат, в който протича химична реакция. Химическите реактори се считат за устройства, в които се извършват химични процеси, за да се получи определено вещество в рамките на един технологичен процес.
В широк смисъл, много други устройства за провеждане на химични реакции могат да бъдат приписани на химически реактори, които обаче не се използват за получаване на конкретно вещество, а за някои други цели (например различни видове горелки, двигатели с вътрешно горене , реактивни двигатели, електрически батерии, акумулатори и др.). Във всички подобни устройства основното не е продуктът, получен в резултат на химическа реакция, а топлинният или електрическият ефект, механичната работа и т.н.
Имайки предвид многото реактори, използвани в момента в химическата промишленост, можем да направим следните заключения.
Най-често химическите реактори се класифицират по следните критерии: непрекъснатост на работа, топлинни условия, начин на движение на реакционната среда и фазово състояние на реагентите.
Непрекъснатост на работа. Има периодични, непрекъснати и полу-периодични (полунепрекъснати) реактори.
В периодичните реактори реагентите се зареждат едновременно в началото на операцията. След определено време, необходимо за постигане на дадена степен на превръщане, реакционният продукт се разтоварва. Основните параметри на химичния процес (състав, температура или налягане) се променят с времето. Продължителността на реакцията може да се измери директно, например с хронометър.
Полупериодичните реактори се характеризират с факта, че единият от захранващите реагенти се подава непрекъснато, а другият периодично. Възможни са обаче и други варианти. Например, реагентите се йодират в реактора периодично, докато реакционният продукт се отстранява непрекъснато. Такива реактори работят в преходен режим, основните параметри на процеса се променят с времето.
Топлинен режим. Според топлинния режим реакторите се разделят основно на изотермични и адиабатични.
Адиабатните реактори нямат топлообмен с околната среда. Конструкцията на тези реактори е проста, тъй като за осъществяване на адиабатен режим е достатъчно да имат добра топлоизолация.
Начин на движение на реакционната среда. На фиг. 1-4 показват два типа непрекъснати реактори. В първия реактор обемният елемент се движи без смесване с предходните или следващите обемни елементи. Съставът на обемния елемент ще се променя последователно по дължината на реактора поради химическата реакция. Реакторът няма никакви механични конструктивни характеристики за смесване и се характеризира с големи съотношения между дължина и диаметър. Когато се движи през реактора, обемният елемент вероятно ще се държи по същия начин като бутало в цилиндър, измествайки всичко пред него, следователно такъв реакционен апарат се нарича реактор с пълно изместване (реактор с идеално изместване).
Реакторът с пълно изместване и реакторът с пълно разбъркване са идеални типове реакционни апарати.
В практиката са по-разпространени реакторите от смесен тип, при които няма нито пълно изместване, нито пълно смесване.
На фиг. 1-5 е показано изменението на концентрациите на реагентите в реакторите от основните типове.
Фазово състояние на реагентите. Ако по време на химическа реакция в реактора има една фаза, тогава такъв реактор се нарича хомогенен. Хомогенните реактори се пълнят с реагенти, които са или само в газообразно, или само в течно състояние.
Ако веществата в реактора са в различни агрегатни състояния, тогава такъв реактор се нарича хетерогенен. Има толкова много видове хетерогенни реактори, колкото има комбинации от три агрегатни състояния на газ, течност и твърдо вещество.
В допълнение към горните класификации има и други, например въз основа на различията в структурните форми на реакторите.
Горните критерии бяха използвани при изготвянето на таблицата. 1, където са систематизирани видовете индустриални реактори, както и някои конкретни примери.
Материалният баланс за един от реагентите за ограничено реакционно пространство или част от него е общото уравнение на химически реактор.
Уравнение (1.3) може също да бъде написано, като се използват моларни единици вместо единици за маса.
Изразът от лявата страна на уравнение (1.3) е скоростта на натрупване на реагент А в реактора. Тя е равна на нула в стационарно състояние и има крайна стойност в преходен режим.

Тема 6. ХИМИЧЕСКИ РЕАКТОРИ

Модерен химически реактор -

2) топлообменници;

3) устройства за смесване,

2. Висок добив на продукта Е φ- R, х.

производителност (суровина) и висок степен на преобразуване X А(реагент):

в схеми с отворена веригапредпочитание се дава на високо степен на преобразуване X Aреактиви;

в затворени системипредпочитание се дава на високо производителност.

Фактори, влияещи върху дизайна на ректора

1. Физични свойства и агрегатно състояние на реактиви и продукти.

2. Необходима интензивност на смесване.

3 . Топлинният ефект XP и необходимата интензивност на топлообмен.

4 . Температурата и налягането са параметри на процеса.

5. Агресивност, токсичност на реакционната маса.

6 . Опасност от експлозия и пожар на производството.

За индустрията важна задача е получаването на определено количество продукт за определен период от време, т.е. необходимо е да се изчисли времето на престой на реагентите в реактора, за да се постигне дадена степен на превръщане. За целта трябва да се знае кинетичният модел на тази реакция. За приблизително изчисляване на времето на престой се използва математическо моделиране.

Математическият модел е система от уравнения, която свързва определени параметри на процеса с най-важните.

Физическият модел е чертеж, извадка, която показва най-значимите аспекти на даден обект.

За да се получат по-прости зависимости при математическото моделиране, някои параметри се пренебрегват.

Помислете за химически реактори, работещи в изотермичен режим. Тъй като в такива реактори няма движеща сила на топлообмен в обема им (∆Т = 0), уравнението на топлинния баланс може първоначално да бъде изключено от математическия модел на реактора и то (математическият модел) да се сведе до уравнението на материалния баланс , който отчита химическата реакция, масовия пренос и преносния импулс. За допълнително опростяване на математическия модел, той може да бъде разделен на независима група РЕАКТОРИ С ИДЕАЛНА СТРУКТУРА НА ПОТОКА перфектно смесване и перфектна денивелация . Предположенията за идеалната структура на потока позволяват да се изключат редица оператори от общото уравнение на материалния баланс и по този начин значително да се опростят изчисленията, базирани на това уравнение.

МОДЕЛИ НА ИДЕАЛНИ РЕАКТОРИ

Време на престой на реагента в RIS и RPS

Нека разширим скобите:

←Характеристично уравнениеФИГ.-N.

Уравнението позволява (ако е известна кинетиката на процеса) да се изчисли времето, необходимо за постигане на необходимата степен на превръщане.

За реакция П -та поръчка :

оттук ,

където П -ред на реакция.

При n=0:

При n=1:

Зависи от степента на преобразуване X Аи не зависи от първоначалната концентрация

При n=2:

Според RIS модела се изчислява следното:

1) реактори с бъркалки с не много висок вискозитет η на средата и не много голям обем υ на реактора;

2) поточно-циркулационни устройства - с висока скорост на циркулация;

3 ) реактори с "кипящ слой" 1 .

P. Щепселен реактор (PRE)

В RIS всички параметри на обема са постоянни.

Всички характеристики (концентрацияС , степен на преобразуване X A, температура Tи т.н.) променят плавно обема на реактора,следователно е невъзможно да се състави материален баланс за целия обем на реактора.

Ориз. 2. Графики на зависимости:

а) C A \u003d f (τ или H)б) w= f (τ или H) в) X A \u003d f (τ или H)

- скорост на процеса на единица обем

Избира се безкрайно малък обем на реактора dV и за него се прави материален баланс. След това извършете интегрирането на тези безкрайно малки обеми върху целия обем на реактора.

Нека проста необратима реакция протича в реактора без промяна на обема υ:

където , C A -съответно начална и текуща концентрации ;

υ - обемен поток

където V-обем на реактора (m 3);

dV е елементарният обем на реактора (m3).

Нека обобщим:

(Очаквам)

- Математическо уравнение. баланс

елементарен том РИВ-Н

За да се получи уравнението мат. баланс на целия реактор, ние интегрираме полученото уравнение след разделяне на променливите (върху обема на целия реактор):

- Характеристично уравнениеРИВ-Н.

където wAнамерете, познавайки кинетиката на процеса.

Характеристичното уравнение RIV-N позволява, познавайки кинетиката на процеса

(за намиране на w A), определяне времеτ престой на реагентите в реактора, съотношението на достигане на зададеното степен на преобразуване X A, а след това - и размера на реактора.

За реакция n-ти поръчка :

където П -ред на реакция.

При n=0:

При n=1:

Зависи само от степента на превръщане на X A и не зависи от първоначалната концентрация;

При n=2:

В някои производствореактори степен на преобразуване X Aе толкова малък, че моделът може да се използва за изчисление RIV- това е тръбни контактни устройства с катализатор в тръби или пръстен ("кожух-тръба"),служещи за хетерогенни газофазови реакции.

Модел денивелациясъщо се използва в дизайна течнофазови тръбни реактори с голямо съотношение на дължината на тръбата към нейния диаметър.

При еднакви условия за провеждане на една и съща реакция, за да се постигне еднаква степен на превръщане, средното време на престой на реагентите в реактор с идеално смесен поток е по-дълго, отколкото в реактор с плужен поток. При RIS концентрациите във всички точки са равни на крайната концентрация, а при RIV в 2 съседни точки концентрациите на реагентите се различават. Скоростта на реакцията според ZDM е пропорционална на концентрацията на реагентите. Следователно в RIV тя винаги е по-висока, отколкото на фиг. Тези. необходимо е по-малко време на престой, за да се постигне същата дълбочина на преобразуване.

III. Реакторна каскада (RIS)

Ако според условията на процеса се изисква дизайн на RIS, тогава са необходими реактори с голям обем, за да се постигнат високи степени на преобразуване за кратък период от време.

В тези случаи е по-целесъобразно да се инсталират няколко последователно свързани реактора (секции) - реакторна каскада . Реакционната смес преминава през всички секции. Като пример за такъв модел може да се разглежда не само система от последователно разположени отделни апарати, но и проточен реактор, по един или друг начин разделен отвътре на секции, във всяка от които реакционната смес се разбърква.

Например, балонна колона с тарелка е близка до този тип апарат.

Движеща сила ∆C:

ΔС RIS< ΔС Каскад РИС < ΔС РИВ

В единичен RIS-H концентрацията на ключовия реагент А се променя внезапно до СА (краен), което предполага, че скоростта на реакцията в RIS-H намалява значително. Поради малкия обем на всеки реактор в каскадата, промяната на концентрацията е много по-малка, отколкото в един голям обем RIS-H, така че скоростта на процеса във всеки етап на каскадата е много по-висока.

Следователно каскадата от реактори RIS-N се доближава до RIV-N (реакторът RIV се оказва по-изгоден от RIS, т.к. движеща силав него, равен на (концентрационен градиент) ΔС = С равен - С работещ, повече отколкото на фиг.

Средна движеща сила ΔС RIS<ΔС Каскад РИС < ΔС РИВ

Когато протича химическа реакция, най-високата скорост на процеса се постига в RIV-N поради по-високата движеща сила на процеса. RIV-N има най-висока производителност. Производителността на каскадата RIS-N е по-малка от производителността на RIV-N, но повече от производителността на единичен RIS-N. Колкото по-голям е броят на реакторите в каскадата, толкова по-малък е скокът на концентрациите, толкова по-голяма е движещата сила на процеса, толкова по-голяма е скоростта на процеса и съответно по-висока е неговата производителност.

Изчисляване на броя на етапите на каскадата

Изчисляването на каскада от идеално смесени реактори обикновено се свежда до определяне на броя на секциите от даден обем, необходими за постигане на определена дълбочина на преобразуване.

Разграничете аналитичени числени методикаскадно изчисление. Прилагането на аналитичния метод е възможно, ако уравненията на материалния баланс могат да бъдат решени аналитично по отношение на концентрацията С i .Това може да стане, например, ако протичащите реакции се описват с кинетични уравнения от първи или втори ред.

За изчисляване на броя на етапите на каскадата, необходими за постигане на необходимата степен на превръщане на реагента, се използват 2 метода:

1) алгебричен;

2) графика.

Пример

При реакция от втори ред

2A→R, или 2А→ Р+ С,

кинетично уравнение w A = 2,5 (k = 2.5), окончателно преобразуване X A \u003d 0,8, . . Определете колко време ще отнеме реакцията да протече в:

а) РИВ-Н;

б) RIS-N;

в) RIS-N каскада,където всички секции на каскадата имат еднакъв обем

(V 1 = V 2 =... = Vn),избрани по такъв начин, че средното време, прекарано във всеки от тях, да е равно на .

Ориз. 4 - Зависимост на скоростта на реакцията от концентрацията на деня за изчисляване на броя на секциите на каскадата от идеално смесени реактори.

От фигура 4 виждаме, че са необходими четири секции за постигане на посочената степен на преобразуване. Оказа се, чиуна изхода от 4-ти разделстепента на преобразуване е дори по-висока от определената от условието, но в три секции степента на преобразуване не е постигнати).

По този начин общото средно време на престой на реагентите в каскада от идеално смесени реактори е

За изчисление каскада RIS-N аналитичен метод композирайте

за всеки етап от каскадата, уравнението материален баланс:

IV. Периодичен реактор (RPD)

AT RPDнаведнъж се зареждат определени количества реактиви, които се намират в него до тезидокато се достигне желаната степен на преобразуване. След това реакторът се разтоварва.

Разпределение на концентрацията S Aреагент при всякаква степен на смесване на реагентите, подобно на RIV:

въпреки това производителност RIVE горе:

дадено степен на преобразуванеX А VRTI се постига за по-малко време τ:

посочени в РУП степен на преобразуванеX Апостигнато във времето

τ хим. реакции + τ спомагателни операции (Зареждане и разтоварване) за това, производителността на RPD е по-ниска:

Тъй като τ RIV< τ РПД =>P RIV > P RPD, така че обикновено:

за малотонажен индустрии (напр. фармацевтични продукти). RPD;

за голям капацитет - дават максимална производителност РИВ-Н.

Политермален

Реактори, характеризиращи се с частично отвеждане на реакционна топлина или вкарване на топлина отвън в съответствие с дадена програма за промяна на температурата T° по височината на реактора ("софтуерно контролиранреактори).

Пример:Реактори за смесване ОРИЗ- периодично действие.

При изследване и количествено определяне на процесите в реактора за извеждане на изчислителните формули за температурния режим се използват топлинни баланси.

Топлинен балансбазиран на закон за запазване на енергията д:

Вложената топлина в дадена производствена реакция трябва да бъде равна на нейната консумация в същата операция: Q adj. =Q минус.

Топлинните баланси се съставят в съответствие с материалния баланс на процеса и топлинните ефекти на химичните реакции, както и физическите трансформации, протичащи в реактора, като се вземе предвид входящата топлина отвън, както и отстраняването на топлина с продуктите на реакцията и чрез стени на реактора.

I. Адиабатен реактор (по-често RIV)

Според идеалния модел в адиабатния реактор няма топлообмен с околната среда. В реални условия доближаването до липсата на топлообмен се постига благодарение на добрата изолация на стените на реактора от околната среда (двойни стени, изолационен материал)

Промяна на температурата Т 0в адиабатен реактор ΔT° = T° кон. - Т° поч. пропорционално

- степен на преобразуване реагент X А

- концентрация основен реагент ,

- топлинен ефект Q rреакции

и обратно пропорционална

- среден топлинен капацитет реакционна смес.

За екзотермичен реакции ΔH< 0 ΔT° = T° кон. - T° нач > O (знак +)

За ендотермичен реакции ΔH > 0 ΔT° = T° кон. - T° начало< О (знак-)

Приложение

Според модела на адиабатния реактор RIV, контактни устройства с филтърно легло на катализатора.

Този модел е приложим и за изчисляване на камерни реактори за хомогенни реакции, за абсорбенти с директен поток с изолираща облицовка (облицовка), в която газът се движи към разпръскваната течност.

Адиабатните RIV-N са подходящи за провеждане на екзотермични реакции. Ако топлината не се доставя отвън, тогава процесът протича в автотермичен режим (поради топлината на самата химическа реакция).

В адиабатен режим също се извършват ендотермични реакции, но в този случай реакционната маса се подава заедно с пара.

II. Изотермичен реактор

Анализ адиабатни уравнения

ΔT° = T° con. - T° начало =

показва, че на изотермични реактори

реактори могат да се приближат малък стойности:

Q x.r. - специфичен топлинен ефект (за единица вещество);

- - начална концентрация на реагента;

- X А- степен на трансформация

при голям стойности

- - топлопроводимост реакционна смес.

Приложение

Практически изотермични реактори:

За обработка на ниско концентрирани (↓ C A)газове ( → 0), и

Реактори, в които екзо- и ендотоплинни ефекти практически

са балансирани (q х.р →0). Тези. изотермичният режим се наблюдава, когато топлинният ефект на основния процес се компенсира от равни по големина, но противоположни по знак топлинни ефекти на странични реакции или физически процеси (изпаряване, разтваряне)

При моделиране за напълно изотермиченреакторите са течни реактори

- (F - F) - емулсия

- (W - T) - окачване

смеханична, пневматична и струйна циркулация устройства за смесване.

На рафтовете се спазва изотермичен режим пенеста и барботиращ апарат не е голям, в някои контактни устройства с фиксиран катализатор.

Режимът може да бъде близък до изотермичен адсорбция и абсорбция Апарат, в който топлината, генерирана от адсорбция или абсорбция, се използва за изпаряване на вода или друг разтворител.

Изотермичният режим може да се постигне с помощта на топлообменници, доставящи или отвеждащи топлина от реактора. Отнемането на топлина за екзотермична реакция е пропорционално на това колко трябва да бъде освободено. Подходът за ендо е да се абсорбира.

ПРИМЕР

Политермичен режимнаблюдавани в реактори, в които топлинен ефект Q x. стр.основната химична реакция се компенсира само частично от топлинните ефекти на странични реакции или физични процеси, които са противоположни по знак на основния процес.

Тези реактори включват много шахтови и доменни пещи.

Начини за прилагането му

Оптимална температура -това е температурният режим, който осигурява икономически осъществима максимална производителност P за целевия продукт (при MAX възможната скорост wrпроцес), докато е необходимо да се постигне висока конверсия - за прости реакции и висока селективност - за сложни реакции.

Решаването на практическия проблем за провеждане на процеса в промишлен реактор в съответствие с оптималния температурен режим зависи от много фактори, главно от топлинния ефект и кинетиката на реакцията.

Анализирайки това уравнение за скоростта на реакцията, заключаваме, че увеличаването на скоростта на реакцията ще доведе до:

Покачване на температурата;

Намаляване на степента на преобразуване.

За да компенсира забавянето wrреакции с повишаване на степента на превръщане хапрепоръчително е да повишите температурата T°.Ето защо екзотермичен(ΔH<0) просто(A→R) необратим (→) реакциите трябва да се извършват в адиабатен RIV (без топлообмен с околната среда -реактори, работещи без подаване или отвеждане на топлина Q към околната среда през стените на реактора. Че. цялата топлина, освободена или абсорбирана по време на реакцията, се натрупва (абсорбира) от реакционната смес)

В този случай високо скорост wrреакции и високо производителност Р еактор без използване чужди източници на топлина Q.

Температурата се повишава с увеличаването на конверсията, следователно константата на скоростта също се увеличава, което означава, че скоростта на процеса също се увеличава.

Най-добрата организация на процеса се постига, ако топлината Qпродуктите, напускащи реактора, служат за загряване на реагентите на входа на реактора.

Реакции ендотермичен (∆H>0) просто(A→R) необратим (→) нерентабилно е да се извършва в адиабатен RIV и е по-целесъобразно - в реактори с топлоснабдяване Q,поддържане на определена температура T 0 максимално възможна по конструктивни и технологични причини (изотермична, политермична). (с увеличаване на конверсията температурата намалява, което означава, че както константата на скоростта, така и самата скорост намаляват). Ендотермичните процеси все още се извършват в адиабатен RIV-N, но подаването на суровини се извършва заедно с пара.

Прости обратими реакции

(↔ )

Анализирайки това уравнение за скоростта на реакцията, заключаваме, че до увеличаване на скоростта wrреакциите ще се увеличат температура:

T 0 => w r

За бързина wrреакцията също се влияе от знака топлинен ефект Q r(или енталпия ΔN):

1) Ако директната реакция - ендотермичен ΔН>0 (с абсорбция на топлина)

след това възходът температура Т 0също ще има положителен ефект върху ситуацията химично равновесие ↔ (изместинего настрани директна реакция →).

Следователно такива реакции се извършват в реактори с топлинно захранване по същия начин като необратим (→) ендотермичен (ΔN >0) реакции.

2) Ако директната реакция - екзотермичен (ΔН< 0) (с отделяне на топлина)

тогава КИНЕТИКАТА и ТЕРМОДИНАМИКАТА на процеса влизат в конфликт: температура Т 0повлияе неблагоприятно на ситуацията химично равновесие ↔ (преместете го настрани обратна реакция ←).

Следователно се използва следният режим:

- в началото на процеса когато концентрацията на продукта C Rвсе още малък

повишаване на температурата T 0до, чаоскоростпроцес wrняма да бъде достатъчно висока;

- в края на процеса - температурата постепенно се понижава T0 ↓На линии

оптимални температури (LOT)така че скоростта на процеса wrостава възможно най-висок при дадените условия.

Такъв режим не е осъществим нито в адиабатен, нито в изотермичен реактор. Приближение към този режим е REV, разположен вътре в топлообменната тръба, вътре в която преминава охлаждащият агент.

Друг начин е процесът да се осъществи в многосекционен реактор, при който всяка секция работи в адиабатен режим, но има охлаждане между секциите.

За ендотермични (обратими и необратими) реакции е препоръчително химичният процес да се извършва в реактори с топлинно захранване и е желателно да се осигури достатъчно равномерно разпределение на температурата в обема на реактора. Често срещан тип апарати за провеждане на ендотермични реакции са тръбните реактори, подобни по конструкция на кожухотръбните топлообменници. В тези устройства тръбното пространство е самият реактор, в който реагентите се движат в режим на изместване, а охлаждаща течност, като димни газове, преминава през пръстена. Тръбният реактор за провеждане на каталитични реакции, нагряван от димни газове, се използва по-специално за парно реформиране на природен газ. Подобен дизайн има ретортна пещ за синтез на бутадиен от етилов алкохол, в която

Пещ

Ориз. Газове от тръбен реактор

за ендотермични

вместо в тръби, катализаторът се поставя в реторти - тесни канали с правоъгълно напречно сечение. В такива реактори ширината на напречното сечение на каналите, през които се движи реакционната смес, трябва да бъде малка, за да се получи достатъчно равномерно разпределение на температурата по напречното сечение. Тъй като в реалните реактори хидродинамичният режим се отклонява от идеалния режим на изместване, при който условията са изравнени във всяко напречно сечение, температурата в центъра на канала се различава от температурата близо до стената. При тръбите с голям диаметър температурата по оста на тръбата е значително по-ниска от температурата в близост до стената. Следователно скоростта на реакцията в тази част от реакционния поток, която се движи близо до оста на тръбата, е по-ниска от средната скорост в апарата. При извършване на каталитични процеси е възможно да се нанесе катализаторът само върху вътрешната повърхност на тръбите, което ще осигури приблизително еднаква температура в целия реактор.

Хомогенни ендотермични реакции могат да се извършват и в реактори с интензивно смесване и топлообменна повърхност, тъй като в този случай също ще бъде осигурено равномерно разпределение на температурата в реактора.

Екзотермичните реакции се извършват, като правило, или при адиабатни условия, или в апарати с отстраняване на топлина.

При осъществяването на необратими екзотермични реакции повишаването на температурата недвусмислено води само до увеличаване на скоростта на процеса. За да се намалят разходите за енергия, е изгодно да се извършват такива реакции в автотермичен режим, когато необходимата температура се осигурява изключително от отделената топлина от химическата реакция без захранване отвън. Има две гранични температури (долна и горна), между които е препоръчително да се извърши процеса.

Долната граница е температурата, при която скоростта на екзотермичната реакция (и следователно скоростта на отделяне на топлина) е достатъчна, за да осигури автотермична работа. Под тази топлина скоростта на отделяне на топлина е по-малка от скоростта на отделяне на топлина с реакционния поток, напускащ реактора, и температурата в апарата за адиабатен поток ще спадне.

Горната температурна граница е свързана със странични процеси (странични химични реакции или странични физични явления), както и с топлоустойчивостта на строителните материали. Например, при извършване на хетерогенни процеси на изпичане на гранулиран твърд материал, повишаването на температурата над определена гранична стойност води до синтероване на твърди частици и следователно до увеличаване на времето за тяхната пълна трансформация и намаляване на реактора производителност. Често повишаването на температурата е ограничено от здравината на структурните материали и нецелесъобразността от използване на скъпи топлоустойчиви материали.

При провеждане на екзотермични процеси на микробиологичен синтез повишаването на температурата се ограничава от жизнеспособността на микроорганизмите. Поради това е препоръчително да се извършват такива процеси в реактори с отстраняване на топлина и за да се избегне локално прегряване, е по-добре да се използват реактори, в които хидродинамичният режим се доближава до идеалното смесване. Интензивното смесване в такива процеси не само осигурява равномерно разпределение на температурата, но също така интензифицира етапите на пренос на кислородна маса от газовата фаза към течната фаза.

Обратимите екзотермични реакции трябва да се извършват в съответствие с линията на оптималните температури, т.е. чрез понижаване на температурата в апарата с увеличаване на степента на превръщане на реагентите. Такъв режим не е осъществим нито в адиабатни, нито в изотермични реактори: в адиабатен режим повишаването на степента на преобразуване е придружено от отделяне на топлина и нагряване, а не охлаждане на реакционната смес; в изотермичен режим температурата остава постоянна и не се променя с увеличаване на степента на преобразуване.

Изключително трудно е да се извърши процесът стриктно по линията на оптималните температури. Това може да се направи в реактор с топлообменна повърхност, работещ в режим на изместване, при условие че количеството топлина, отведено през стената на реактора, ще бъде различно в различните части на апарата. Преди започване на реакцията реактивите трябва да се нагреят до висока температура и веднага след влизането им в апарата да се осигури отвеждане на топлината. Ако реакторът е разделен по дължина на няколко секции, тогава, за да се осигури движение по линията на оптимални температури, във всяка от тях количеството отстранена топлина трябва да бъде малко по-голямо от количеството топлина, отделена по време на реакцията. Трябва да се има предвид, че с увеличаване на степента на превръщане скоростта на реакцията намалява и следователно скоростта на отделяне на топлина намалява. Следователно в секциите на реактора, където реакцията е завършена, трябва да се отдели по-малко топлина, отколкото в началните секции.

Тема 6. ХИМИЧЕСКИ РЕАКТОРИ

Всеки CTP е невъзможен без химически реактор, в който протичат както химични, така и физични процеси.

ХИМИЧЕСКИ РЕАКТОРИ (от лат. re-префикс, означаващ обратно действие, и actor - задействащ, действащ), промишлени апарати за провеждане на химични реакции. Конструкцията и режимът на работа на химическия реактор се определят от вида на реакцията, фазовото състояние на реагентите, характера на процеса във времето (периодичен, непрекъснат, с различна активност на катализатора), начина на протичане на реакцията среда (периодична, полупоток, с рециклиране), топлинен режим на работа (адиабатен, изотермичен , с топлообмен), тип топлообмен, вид охлаждаща течност.

Модерен химически реактор - това е сложен апарат, който има специални устройства, например:

1) устройства за товарене и разтоварване (помпи);

2) топлообменници;

3) устройства за смесване,

предназначени за получаване на целевия продукт, оборудвани със сложна система от инструменти и инструменти.

Изисквания към промишлени реактори

1. МАКСИМАЛНА производителност и интензивност на работа.

2. Висок добив на продукта Еи най-висока селективност на процеса φ- това се осигурява от оптималния режим на работа на реактора (T, R, C), висока степен на преобразуване х.

3. Оптимален разход на енергия за масообмен в реактора

Налице е противоречие между изискването за висок производителност (суровина) и висок степен на преобразуване X А(реагент):

в схеми с отворена веригапредпочитание се дава на високо степен на преобразуване X Aреактиви;

в затворени системипредпочитание се дава на високо производителност.

При производството на висококачествен продукт реакторът трябва да осигури минималната си цена.

Класификация на химическите реактори

1) По дизайнерски характеристики:

Ориз. 1 - Основните видове хим. реактори: а - проточен капацитивен реактор с бъркалка и топлообменна риза; б – многослоен каталитичен реактор с междинни и топлообменни елементи; в) колонен реактор с набивка за двуфазен процес; d – тръбен реактор; I-изходни вещества; P - реакционни продукти; Т - охлаждаща течност; К - катализатор; H - дюза; FC - топлообменни елементи.

В RIS всички параметри на обема са постоянни.