Химические реакторы
1. Общие сведения о реакторах. Требования, предъявляемые к ним
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 эффективности работы - те же, что и к остальному оборудованию; отличаются наибольшей жёсткостью.
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.
Выбор типа реактора производится с учётом всей полноты действующих факторов.
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. Реакторы-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 некаталитические 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 |
3. Макрокинетика химических процессов и динамика химических реакторов
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
= У IOS - У 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.
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
= У IOS - У ICS Wr (1 - С ) - wl + D (3)
где D - коэффициент перемешивания, м2/с.
Перенос тепла
сСР= У IOSН0S - У ICSНСS - У WR ДНR + Wr сСР Т - wl сСР +
+ л (4)
Перенос импульса (течение среды)
с = с wl (WR ДV - ) - + Ю (5)
Где У IOS - интенсивность физических источников вещества, кмоль/м3с;
У ICS- интенсивность физических стоков вещества, кмоль/м3с;
Н0S, НСS - энтальпии вносимых и уносимых веществ, Дж/кмоль;
ДНR - тепловой эффект реакции, Дж/кмоль;
ДV - изменение молярного объёма в результате реакции, м3/кмоль;
D - коэффициент перемешивания (турбулентно-молекулярной диффузии), м2/с;.
Ю - 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/ф = У IOS - У ICS Wr - wl С/L + D С/ L2, (8)
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 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.
С/= FC(WR; DaI; DaII; DaIII ; DaIV; Re; Bo; IC; IS ) (14)
сСР= 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
4. Модели процессов в реакторах основных типов
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.
(17а)
(17б)
(17в)
(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.
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.
Математическое описание процесса
Реакция aIAI = bIBI
Масса веществ неизменна
М = М0 = Const (18а)
Скорость реакции (макрокинетика процесса)
= WR + WR - C (18б)
Температура (дифференциальный тепловой баланс определяется тепловыми эффектами химических и массообменных процессов; организованным теплообменом; мощностью, диссипируемой мешалкой и теплообменом с окружающей средой).