15. Общие положения, понятие о химических реакторах, классификация химических реакторов: изотермические, адиабатические и политропные реакторы, реакторы смешения и вытеснения.

Под химическим реактором подразумевают аппарат, в котором осуществляют химическую реакцию. Конструкция реактора и химический процесс, протекающий в нем оказывают важное влияние на технологию производства целевого продукта, прежде всего на стадии выделения целевого продукта.

Химические реакторы классифицируют по:

1. Тепловому режиму:

- изотермический режим (температура на входе, выходе и в самом реакторе одинакова);

- адиабатический режим (отсутствует теплообмен с окружающей средой);

- политропический режим.

В изотермическом реакторе поддерживается постоянная температура за счет циркуляции хладагента (теплоносителя), за счет испарения веществ, находящихся в реакторе.

В адиабатическом реакторе тепло выделяющееся или поглощающееся в результате химической реакции идет на нагрев (охлаждение) реакционной массы.

В политропическом режиме (смешанный тепловой режим) существуют зоны, где реализуется изотермический режим и зоны в адиабатическом режиме.

2. По гидродинамическому режиму (реакторы смешения, реакторы вытеснения).

Реакторы смешения – за счет эффективного перемешивания выравниваются концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции во всех точках объема реакционной массы.

Реакторы вытеснения называют также проточными реакторами. При эффективном перемешивающем устройстве и небольшом объеме реактора можно создать в нем режим идеального смешения.

16. Расчет изотермических реакторов для проведения гомогенных химических процессов, реакторы идеального смещения периодического действия, реакторы идеального смешения непрерывного действия, реакторы идеального вытеснения, реакторы идеального смешения полупериодического действия, последовательное соединение реакторов вытеснения и смешения, произвольная система идеальных реактор.

Расчет реактора РИС-П

В реакторе идеального смешения за счет эффективного перемешивания выравниваются концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции во всех точках объема реакционной массы. Для достижения эффективного перемешивания применяются различные перемешивающие устройства: мешалки, барботеры. Обычно это реактора емкостного типа.

Xi=1

Xi Ci

C _i,1;

C _i,2;

У(X, Z)

Для периодического реактора:

Разделяем переменные и интегрируем:

где Vr – скорость химической реакции; V – объем реакционной массы.

Если V=const

Эти выражения позволяют рассчитать время реакции при заданной степени превращения и известном уравнении скорости химической реакции.

Частные случаи будут зависеть от изменения объема системы и от уравнения скорости.

Если объем системы постоянный, то

Объем РИС-П рассчитывается по уравнению:

Z – коэффициент запаса мощности

-коэффициент заполнения

- вспомогательное время для проведения процесса (загрузка, нагревание, охлаждение, выгрузка продукта и т. д.).

Для характеристики работы реактора вводят :

Реактор идеального смешения непрерывного действия РИС-Н

Сio;Ci Хi

У У

1 С=const 2 X=const 3 =const

В реакторе концентрация любого компонента постоянна по всему объему. Поэтому уравнение мат. баланса имеет вид:

- проектное уравнение РИС-Н

Реактор идеального вытеснения РИВ

В РИВ реакционная масса движется в одном направлении без продольного или поперечного перемещения. В виду схожести движения реакционной массы с движением поршня этот режим еще называют поршневым.

Обычно такой режим достигается в аппаратах колонного типа и соотношение l /d >20.

Материальный баланс для РИВ записывается на единицу элементарного объема

- проектное уравнение РИВ

Частные случаи определяются уравнением скорости и изменением объема.

Последовательное соединение РИВ

V=V₁+V₂+V₃+…+V_n=V

Последовательное соединение РИВ используют для интенсификации химического процесса за счет изменения условий процесса в реакторах. Уменьшение суммарного объема РИВ в каскаде. Возможность экономии производственных площадей за счет лучшей компоновки реактора. Удобство обслуживания.

Расчет каскада РИВ осуществляется последовательным расчетом каждого реактора в отдельности, начиная с первого ко второму и т. д.

Последовательное соединение РИС-Н с одинаковым объемом

Основным недостатком единичного РИС-Н является низкая производительность в расчете на единицу объема аппарата, т.к в таком реакторе сохраняется низкая скорость процесса. Для устранения этого недостатка можно использовать каскад реакторов смешения, соединенных последовательно. В последнем реакторе каскада концентрация реагента, а следовательно и скорость реакции такие же, что и в единичном реакторе. Однако в предыдущих реакторах скорость реакции будет выше и средняя скорость реакции в каскаде будет больше, чем в единичном реакторе. Это различие будет тем существеннее, чем выше достигаема степень превращения.

Расчет каскада реактора заключается в определении числа ступеней, необходимых для достижения заданных степеней превращения.

Для расчета каскада реакторов используют два метода: графический и аналитический. Наиболее общим методом является графический, а аналитический метод используется только для реакций 1 порядка.

Расчет произвольной системы идеальных реакторов

Применение произвольной системы соединенных реакторов с различными гидродинамическими режимами позволяет влиять на общую производительность системы. Расчет такой системы осуществляют с использованием соответствующих этим реакторам расчетных уравнений.

1. Расчет системы РИС-Н – РИВ—РИС-Н

Расчет произвольной системы осуществляется последовательно, переходя от одного реактора к другому.

1.

2.

3.

Расчет последовательно соединенных РИС-Н с переменным объемом

Рассмотрим систему, состоящую из трех последовательно соединенных РИС-Н с различными объемами. Для расчета таких систем используется графический метод.

V1> V2 >V3

>>

1

2 <<

3

Расчет последовательно соединенных РИС-Н одинакового объема, работающих с различным тепловым режимом

V1= V2 =V3

Т1 <Т2 <Т3

Т3

Т2

Т1

3 2 1

Ci

17. Особенности расчета изотермических реакторов для проведения гетерогенно-каталитических процессов, расчет реакторов с неподвижным слоем катализатора, расчет реакторов с псевдоожиженным слоем катализатора, аппараты с движущимся слоем катализатора, расчет контактных аппаратов на основе удельной производительности катализатора.

Конструкции и общие требования к реакторам: обеспечение селективности, обеспечение температурного режима, обеспечение процесса массопередачи.

Контактно – каталитические реакторы можно разделить на 3 большие группы:

1. Реакторы с неподвижным слоем катализатора (катализатор находится в состоянии покоя);

2. Реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора (находится в режиме смешения) – кипящий слой;

3. Реакторы с движущимся слоем катализатора (находится в режиме вытеснения: прямоток, противоток).

Расчет реакторов с неподвижным слоем катализатора

Реакторы с неподвижным слоем катализатора по гидродинамическому режиму приближаются к РИВ.

Поэтому для получения проектного уравнения реактора необходимо воспользоваться уравнением мат. баланса, составленного по одному из реагентов, протекающий на катализаторе объемом dV_kat.

- объем катализатора; - объемный расход сырья;- концентрация на входе;- концентрация на выходе;- скорость реакции.

Зная объем катализатора, рассчитывают необходимое количество трубок, задаваясь их размерами (диаметр и длина).

В расчет реактора с неподвижным слоем катализатора также входит определение гидравлического сопротивления слоя катализатора:

(- коэффициент сопротивления,- эквивалентный диаметр,- скорость газа в пустотах катализатора,- плотность газа,- высота слоя катализатора)

Коэффициент сопротивления зависит от режима движения газа:

- если приRe<30 – ламинарная область

- если приRe=30-7000 – переходная область

- еслиприRe>7000 – турбулентная область

Эквивалентный диаметр частицы можно найти:

Для расчета эквивалентного диаметра частицы катализатора необходимо знать объем пустот между частицами катализатора или свободный объем слоя и удельную поверхность катализатора.

Свободный объем также называют порозностью слоя и определяется как доля пустот в общем объеме слоя катализатора.

Удельная поверхность может быть рассчитана по известным значениям поверхности отдельной частицы:

Действительная скорость газа в пустотах слоя катализатора может быть рассчитана по приведенной скорости газа:

Расчет гидравлического сопротивления особенно важен для аппаратов, работающих под вакуумом, т.к при величине гидравлического сопротивления слоя превышает 0,1 МПа, вакуума во входном сечении аппарата не будет.

Расчет реакторов с псевдоожиженным слоем катализатора

Расчет таких реакторов заключается в определении основных размеров реактора.

Скорость, необходимая для перевода неподвижного слоя частиц катализатора в псевдоожиженное состояние зависит от физических свойств газа и частиц.

В критериальном виде эта зависимость имеет вид:

Re=f(Ar)

Для процессов псевдоожижения удалось получить простые степенные уравнения, которые имеют следующий вид:

- для расчета скорости начала псевдоожижения:

- для расчета скорости уноса частиц слоя:

Скорость газа рассчитывается на полное сечение аппарата, т.е для нахождения псевдоожиженного состояния используется не действительная скорость газа в пустотах слоя катализатора, а приведенная скорость, равная расходу газа деленному на площадь поперечного сечения аппарата.

Скорость уноса соответствует выносу частиц из слоя, т.е. режиму пневмотранспорта, следовательно, рабочая скорость газа должна находиться в пределах:

И_кр <И_раб <И_ун

Отношение рабочей скорости к критической есть число псевдоожижения. Максимальное значение числа зависиот от величины крит. Ar.

И_ун/И_кр=70 при Ar=50

И_ун/И_кр=10 при Ar=10⁶

Таким образом, для крупных и тяжелых частиц число псевдоожижения может достичь 10, а для мелких – 70.

При И_раб/И_кр=2 – полное перемешивание частиц в псевдоожиженном слое.

Гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя с увеличением скорости не возрастает как в неподвижном слое катализатора, а остается величиной постоянной, равной весу слоя частиц, деленному на площадь поперечного сечения аппарата. С ростом скорости газа происходит лишь увеличение порозности слоя.

Расчет основных геометрических размеров реактора с псевдоожиженным слоем ведут, опираясь на уравнение мат баланса РИС-Н, т.к их гидродинамические режимы схожи.

Для реактора данного типа можно написать:

Тогда время контакта реагента с катализатором можно записать:

- мольный поток реакционной массы; - объемный поток;- скорость гетерогенно-каталитического процесса, определяемая лимитируемой стадией;Vkat – объем катализатора; Xi – степень превращения; Ci,o – концентрация реагента на входе в реактор; Ci – концентрация реагента на выходе из реактора.

Аппарат с движущемся слоем катализатора

Движущийся слой катализатора позволяет осуществлять непрерывный процесс. Катализатор имеет форму шариков, которые движутся под действием силы тяжести сверху вниз. Реагенты движутся как сверху вниз, так и наоборот.

Порозность движущего слоя на 10% выше, чем порозность неподвижного слоя. Для поддержания определенного уровня активность катализатора необходимо установить определенную циркуляцию его в реакторе.

Количественной характеристикой активности катализатора является кратность циркуляции: отношение массы катализатора поступающего в реактор к расходу поступающего сырья.

Чем выше кратность циркуляции, тем выше равновесная активность катализатора в реакторе и больше степень превращения. Для различных процессов кратность циркуляции имеет различные значения и зависит от скорости образования кокса.

Расчет контактных аппаратов на основе удельной производительности катализатора

Удельной производительностью катализатора называется объем газов или паров, пропускаемых за час через единицу объема катализатора.

Объем газа приведен к нормальным условиям и имеет размерность , т.е она обратно пропорциональна времени контакта газа с катализатором.

Поскольку степень превращения при оптимальном g известна, то

При известном значении объемного расхода можно найти Vk, при заданной производительности. При известном Vk легко определить сечение и высоту слоя катализатора. При использовании кожухотрубчатых реакторов с неподвижным слоем катализатора, исходя из этого объема рассчитывают количество трубок, их диаметр и высоту.