Курсовая работа: Химические реакторы

MC_р*+ M_AC_A = - ДН_R | W_R | - ДН_m | W_m | - КF Д - К_ПF_П(Т-) +

+ N_Ж (18в)

Где С - концентрации веществ, моль/м³;

- изменение плотности, вызываемое изменением состава среды, кг/кмоль;

=

M = V - масса реакционной среды, кг;

M_A - масса корпуса реактора, кг;

- плотность среды, кг/м³;

Т - температура в среде, К;

ДН_m - тепловой эффект химических процессов, Дж/моль;

W_m - скорость химических процессов, моль/с;

ДН_m - тепловой эффект массообменных процессов, Дж/моль;

W_m - скорость массообменных процессов, моль/с;

Т_А - средняя температура корпуса реактора, К;

- коэффициент объёмного расширения, К^-1;

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

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

К- коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К );

F - поверхность теплопередачи, м²;

Д =

средняя разность температур, отсчитываемая от температуры среды, К; (18г)

К_П - коэффициент тепловых потерь, Вт/(м²К );

F_П - поверхность тепловых потерь, м²;

T₁, t₂, t_CP - начальная, конечная и средняя температура теплоносителя, К;

- температура окружающей среды.

Гидродинамика (течение среды определяется перемешиванием)

- мощность, диссипируемая (рассеиваемая мешалкой) в среде, Вт;

N_Ж = К_N n³ d (19а)

- критерий мощности (критерий Эйлера для мешалок).

К_N = F(Re; Fr; Г) (19б)

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

Особую роль играют изотермические РИС-П, для которых

= 0 (20а)

Постоянство температуры обеспечивается за счёт её регулирования

КF Д = - ДН_R W_R - К_ПF_П(Т-) + N_Ж (20б)

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

= W_R (1+) (20а)

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

<<1 (20б)

Тогда характеристическое уравнение упрощается

W_R (20в)

Уравнение (20в) имеет общее интегральное решение

= С₀ (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.

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.

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

промышленный химический технологический реактор

5. Математическое описание процесса в фазе дозирования

Масса веществ

Унос отсутствует: = G_s = 0

= G_A=_АV_A (22а)

Объёмный и массовый расходы постоянны

G_A = Const (22б)

V_A = Const (22в)

Отсюда

М = М_О + G_A= М_О + V_A (22г)

Скорость реакции (макрокинетика процесса)

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

= - W_R (1- ) - C_А (23а)

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

= - - W_R (1- ) - C_В (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 диссипируемой мешалкой и теплообменом с окружающей средой).

MC_р*+ M_AC_A = G_A H - (V₀+V_A ) {ДН_R W_R - ДН_m W_m}-КF

Д - К_ПF_П(Т-) + N_Ж (23в)

Где H= m_XIH_IN - удельная энтальпия раствора реагента А, Дж/кг;

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

m_XI - массовая доля компонента I в растворе реагента А;

Гидродинамика (течение среды определяется перемешиванием)

- мощность, диссипируемая (рассеиваемая мешалкой) в среде, Вт;

N_Ж = К_N n³ d (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 - G_A; температуры теплоносителя - t₀; температуры окружающей среды - ) получают зависимость концентраций и температур от времени; результаты представляют графически или в виде таблиц.

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.

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

G_s = 0

= G_I - G_s = _IV_I - _SV_S (24а)

где М - масса веществ в аппарате, кг;

G_I - суммарный массовый расход загружаемых веществ, кг/с;

G_s- суммарный массовый расход отводимых веществ, кг/с;

Объёмные и массовые расходы постоянны

{G_I; G_s} = Const (24б)

{V_I; V_s} = Const (24в)

Отсюда

М = М_О + (G_I - G_s )= М_О + ( _IV_I - _SV_S) (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

= - W_R (1- ) - C_А (24е)

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

= - - W_R (1- ) - C_В (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).

MC_р*+ M_AC_A = G_AH- G_SH*_S - V{ДН_R | W_R | - ДН_m | W_m | }-

- КF Д- К_ПF_П(Т-) +N_Ж (24з)

Где H_S *= m_XIH_IN - удельная энтальпия отводимого продукта S, Дж/кг;

Гидродинамика (течение среды определяется перемешиванием)

- мощность, диссипируемая (рассеиваемая мешалкой) в среде, Вт;

N_Ж = К_N n³ d (24и)

Численным интегрированием системы уравнений (24а)- (24и) при задании различных условий ведения процесса (начальной температуры - Т₀; расхода реагента А - G_A; 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.

6. Непрерывные процессы

Непрерывные процессы, несмотря на их относительную малораспространённость, важны для технологии БАВ. Для оценки их особенностей мы рассмотрим два вида аппаратов: аппараты с мешалками и трубчатые реакторы.

Аппараты с мешалками

К непрерывным процессам в аппаратах с мешалками (как и к периодическим) - в случае маловязких и умеренно-вязких сред применима модель идеального смешения, формулируемая соотношениями (17а)-(17з). В данном случае её называют РИС-Н. РИС-Н имеют ряд существенных особенностей сравнительно с периодическими процессами.

Внутренний рабочий объём такого аппарата жёстко задан установкой переливного штуцера (температурные изменения не превосходят 1%). Поэтому объём реакционной массы также практически постоянен.

Вследствие «идеальности» смешения концентрации всех веществ и температура практически постоянны и соответствуют конечным, достигаемым на выходе из реактора.