Химические реакторы Принципы классификации химических реакторов В

Химические реакторы

Принципы классификации химических реакторов В основу классификации химических реакторов положены три прин ципа: Ø организационно техническая структура операций, осуществляемых в реакторе; Ø характер теплового режима; Ø режима движения компонентов. По организационно технической структуре операций реакторы делят на реакторы периодического и непрерывного действия.

Принципы классификации химических реакторов Для реакторов периодического действия характерно падение движу щей силы процесса во времени вследствие уменьшения концентрации реагентов в ходе процесса. Это приводит к тому, что режим работы реакторов периодического действия нестационарен во времени и требует изменения параметров процесса (температуры, давления) для компенсации этого падения и под держания скорости процесса на заданном уровне.

Принципы классификации химических реакторов Для реакторов непрерывного действия характерно постоянство дви жущей силы процесса во времени вследствие постоянства концентраций реагентов в ходе процесса. Поэтому режим работы таких реакторов стационарен во времени и не требует корректировки параметров процесса.

Принципы классификации химических реакторов •

Принципы классификации химических реакторов По температуре процесса реакторы подразделяются на высокотемпе ратурные и низкотемпературные. По давлению – на реакторы, работающие при высоком, повышенном, нормальном и низком (под вакуумом) давлении. По типу процесса различают гомогенные и гетерогенные реакторы. По температурному режиму реакторы и проводимые в них процессы разделяют на адиабатические, изотермические и политермические.

Принципы классификации химических реакторов •

Принципы классификации химических реакторов • экзотермическая реакция эндотермическая реакция

Принципы классификации химических реакторов Изотермические реакторы имеют постоянную температуру во всех точках реакционного объема во времени и в пространстве в соответствии с графиком 1. Изотермический режим более выгоден для производства и облегчает автоматизацию технологического процесса в реакторе по срав нению с адиабатическим. Температурная характеристика изотермического (1) и политермического реакторов (2)

Принципы классификации химических реакторов Изотермический режим может быть достигнут в реакторах с мешал кой или в кипящем слое. В таких реакторах гидродинамический режим обеспечивает прибли жение к полному перемешиванию с продуктами реакции и инертными компонентами. При этом температура в экзотермических реакторах повышается, а в эндотермических понижается до конечной сразу после поступления ис ходных веществ в реакционное пространство. Можно приблизиться к изотермическому режиму путем подвода теп ла для компенсации эндотермического эффекта или отвода тепла в экзо термическом процессе.

Принципы классификации химических реакторов Политермические реакторы характеризуются частичной компенса цией тепла реакции путем отвода (подвода) теплоты. К политермическим относят реакторы с малой степенью смешения реагирующих веществ и со встроенными внутрь реакционного объема теплообменниками (например, трубчатые контактные аппараты). Температура по высоте (длине) реактора изменяется по характерной кривой 2. Температурная характеристика изотермического (1) и политермического реакторов (2)

Моделирование химических реакторов Моделирование – метод изучения объекта, при котором исследова ния проводят на модели, а результаты переносят на оригинал. Модель может быть физической, когда она представляет собой уменьшенную (увеличенную) копию оригинала, но может быть и опреде ленной системой представлений о реальном объекте, выражаемой со вокупностью математических структур: уравнений, неравенств, таблиц, графиков и т. д. Такую модель называют математическим описанием объекта или ма тематической моделью.

Моделирование химических реакторов Математическая модель – это некое упрощенное изображение про цесса в реакторе, которое сохраняет наиболее существенные свойства ре ального объекта и передает их в математической форме. Модель может быть узкой или широкой в зависимости от того, какое количество признаков объекта она учитывает. Существует несколько требований к модели: Ø модель должна быть проще реального объекта. Однако излишнее упро щение может привести к потере некоторых существенных признаков объекта; Ø модель должна быть достаточно полной и подробной, точно передавать не только качественные, но и количественные особенности объекта.

Моделирование химических реакторов Облегчить сложную задачу моделирования помогают некоторые общие принципы, в частности использование системного подхода к изучению хи мических реакторов и химических процессов. Химический реактор рассматривают как сложную систему, содержащую множество элементов, находящихся между собой в определенном соотно шении и образующих целостность. В рамках системного подхода применяют иерархический принцип. Разбиение на иерархические уровни многовариантно. Рассмотрим один из возможных вариантов иерархической структуры химического процесса, протекающего в реакторе, в порядке возрастания ступеней иерархии.

Моделирование химических реакторов За нижний примем молекулярный уровень – межмолекулярное взаи модействие на расстояниях, соизмеримых с размерами молекул, опреде ляемое законами химической кинетики, стехиометрическими соотноше ниями, устанавливающими количественную взаимосвязь между расходом реагентов и образованием продуктов реакции и законами химического рав новесия. Следующим является уровень малого объема – некоторый элемент ре акционного объема макроскопического размера, например сфера или ци линдр с поперечным сечением в несколько квадратных миллиметров или сантиметров. Таким элементом может быть одно зерно катализатора, пузырек газа, поднимающийся в барботажном слое, один элемент насадки в насадочной колонне. Закономерности предыдущего уровня при этом дополняются законо мерностями тепло и массообмена.

Моделирование химических реакторов Третий уровень – уровень рабочей зоны аппарата – статистическая со вокупность изученных на предыдущем уровне элементов малого объема, например слой катализатора, слой насадки, барботажный слой. На этом уровне учитыватся эффекты, обусловленные характером дви жения потока. Иногда (например, в случае изучения гомогенных реакций) на этот уро вень можно перейти с первого, минуя уровень малого объема. Уровень аппарата – конфигурация, взаимные связь и расположение рабочих зон аппарата, например: несколько слоев катализатора, разделен ных теплообменниками в многослойном реакторе, или несколько барбо тажных тарелок в колонном аппарате для проведения газожидкостных ре акций.

Моделирование химических реакторов Математические модели высоких уровней, как правило, включают не сколько уравнений: дифференциальных, обыкновенных и в частных произ водных. Поэтому в общем случае математическая модель реактора – это слож ная система уравнений. Иногда при описании химического процесса на нижних уровнях воз можно применение сравнительно простых математических методов.

Моделирование химических реакторов Протекающий в реакторе химический процесс – это единство химичес кой реакции и процессов переноса (тепло , массопереноса им пульса). Уравнения, входящие в математическую модель, учитывают все эти явления. Но, если для описания каждого из них использовать свои уравне ния, математическая модель получится многомерной, что даже при низких уровнях иерархии затруднит нахождение решений такой системы уравне ний, то есть осложнит технологический расчет химического реактора. Поэтому при разработке математической модели ставится задача пони зить размерность модели – по возможности объединить сущность отдель ных элементов химического процесса в одном – двух уравнениях. Для этого целесообразно в качестве исходных посылок использовать какие либо фун даментальные законы, например законы сохранения материи и энергии.

Моделирование химических реакторов Математическим выражением законов сохранения являются балансовые уравнения – уравнения материального и теплового балансов. В уравнении материального баланса учитывают все изменения, про исходящие с веществом во времени и в пространстве в ходе химической ре акции и в процессе диффузии (массопереносе) или при движении элемен тов потока в реакторе (перенос импульса). Уравнение энергетического (теплового) баланса может учесть все энергетические изменения в реакторе, происходящие как в ходе реакции, так и в результате процессов переноса. Так как химический процесс в реакторе протекает во времени и в про странстве, то для составления балансовых уравнений нужно предваритель но выбрать элементарные объем и промежуток времени.

Моделирование химических реакторов Уравнения материального баланса составляют по одному из компонен тов – участников реакции (реагенту или продукту), отражая в уравнении все изменения, происходящие с этим компонентом. Если реакция сложная, то математическое описание, как правило, включает несколько уравнений материального баланса по нескольким ве ществам, каждое из которых участвует, по меньшей мере, в одной из про стых реакций, составляющих сложную.

Моделирование химических реакторов •

Моделирование химических реакторов •

Реактор идеального смешения (РИС) Для этой модели принимается ряд допущений: 1. В стационарном режиме в любой точке реактора устанавливаются одинаковые условия: концентрации регентов и продуктов, степени превра щения реагентов, температура, давление, скорость реакции. 2. В любой момент времени концентрации участников процесса в вы ходном потоке и в самом реакторе равны. 3. Переход от одной концентрации к другой в реакторе должен осу ществляться мгновенно, например, от начальной концентрации реагента во входном потоке в некоторый момент времени до концентрации в реакторе в тот же момент, то есть скачкообразно.

Реактор идеального смешения (РИС) Приближение к режиму идеального смешения на практике достигается применением перемешивающих устройств или насосов, создающих высо кую кратность циркуляции. Смешение, наиболее близкое к идеальному, со здается в емкостных аппаратах с равновеликими диаметром и высотой. Существуют два частных случая РИС: периодический реактор идеально го смешения и проточный реактор идеального смешения, работающий в стационарном режиме.

Реактор идеального смешения (РИС) •

Реактор идеального смешения (РИС) •

Реактор идеального смешения (РИС) •

Реактор идеального смешения (РИС) Следовательно, wr, А = f (с. А) – это возрастающая функция, которая гра фически представлена линией 1. Она пересекает ось абсцисс в точке, соот ветствующей равновесной концентрации с. А, р для обратимых реакций или исходит из начала координат для практически необратимых реакций. Зависимость скорости реакции от концентрации реагента на выходе из проточного реактора идеального смешения

Реактор идеального смешения (РИС) Зависимость скорости реакции от концентрации реагента на выходе из проточного реактора идеального смешения

Реактор идеального вытеснения (РИВ) Он представляет собой длинный канал, через который реакционная смесь движется в поршневом режиме. Каждый элемент, условно выделенный двумя плоскостя ми, перпендикулярными оси канала, движется через него как твердый поршень, вытес няя предыдущие элементы по тока и не перемешиваясь ни с предыдущими, ни со следую щими за ним элементами. Схема работы реактора идеального вытеснения

Реактор идеального вытеснения (РИВ) Если в реакторе идеального смешения перемешивание происходит в каждой точке объема, и параметры процесса выравниваются по всему объ ему реактора, то в реакторе идеального вытеснения перемешивание явля ется локальным: оно происходит в каждом элементе потока, а между со седними по оси реактора элементами перемешивания нет. Идеальное вытеснение предполагает наличие следующих допущений: 1. движущийся поток имеет плоский профиль линейных скоростей; 2. отсутствует обусловленное любыми причинами перемешивание в направлении оси потока; 3. в каждом отдельно взятом сечении, перпендикулярном оси потока, параметры процесса выравниваются (концентрация, температура, давле ние).

Реактор идеального вытеснения (РИВ) •

Реактор идеального вытеснения (РИВ) •

Примеры аналитического решения математических моделей •

Примеры аналитического решения математических моделей •

Примеры аналитического решения математических моделей •

Требования к реакторным конструкциям Требования к устройству конкретных реакторов вытекают из постулата максимальной эффективности проведения в них химических процессов. В первую очередь среди них следует выделить следующие требования: Ø возможность размещения в реакторе необходимого количества катали затора максимальной активности; Ø создание требуемой поверхности контакта взаимодействующих реаген тов и катализатора, а также отдельных фаз для обеспечения максималь но эффективного массобмена между ними; Ø обеспечение необходимого гидродинамического режима движения ре агентов и фаз; Ø создание необходимого теплообмена при подводе или отводе тепла; Ø наличие необходимого реакционного объема для обеспечения требуе мой производительности; Ø возможность поддержания необходимого режима процесса; Ø обеспечение максимальной скорости протекания реакций.

Типизация реакторов Все реакторы, применяемые в химическом производстве, относят к тому или иному типу в зависимости от следующих факторов: Ø агрегатное состояние участников процесса в реакторной подсистеме; Ø состояние катализатора – жидкий или твердый катализатор (в стационар ном, псевдоожиженном, диспергированном состоянии); Ø расположение поверхности теплообмена (внешнее, внутреннее); Ø способ отвода тепла (через поверхность теплообмена, за счет испарения реагентов или продуктов реакций, за счет подачи хладагентов); Ø способ диспергирования газа, жидкости и твердых частиц (реагентов, катализаторов и вспомогательных веществ); Ø способа развития поверхности контакта фаз. Анализ этих факторов во многом определяет выбор конструкции вспо могательных устройств (перемешивающих, теплообменных).

Типизация реакторов По конструктивному признаку реакторы делятся: Ø на реакторы типа реакционной камеры; Ø реакторы колонного типа; Ø реакторы шахтного типа; Ø реакторы теплообменного типа; Ø реакторы типа печи.

Типизация реакторов Пример конструкции реактора иде ального вытеснения с политермическим режимом для эндотермических процес сов приведен на рисунке. Такой тип реактора применяют в производстве синтез газа конверсией метана с водяным паром по реакции: СН 4 + Н 2 О = СО + 3 Н 2 – 206 к. Дж/моль. Реактор идеального вытеснения с политермическим режимом для эндотермического процесса с катализатором в трубках

Типизация реакторов Реактор идеального вытеснения шахтного типа для экзотермического процесса Принцип действия реактора идеального вы теснения шахтного типа показан на рисунке. Он представляет собой емкость (шахту), в которой на решетке помещен твердый зернис тый материал. Высота слоя зернистого мате риала обычно больше диаметра реактора. Через слой материала проходит газ, кото рый вступает во взаимодействие с твердым ма териалом. Концентрация реагирующих веществ в таком реакторе понижается по высоте слоя по логарифмической зависимости. По такому принципу работают многие ката литические реакторы. В экзотермических процессах температур ный режим реактора близок к адиабатическому.

Типизация реакторов Реактор полного смешения характеризуется тем, что любой элементар ный объем газа или жидкости, поступивший в реактор, мгновенно смеши ва ется о содержимым реактора, т. к. в турбулентном потоке скорость с цир куляционных движений по высоте и сечению реактора во много раз боль ше, чем скорость линейного движения по оси реактора. Концентрация всех ве ществ и степень превращения во всем объеме такого реактора одинакова и рав на конечной. Достаточное приближение к полному смешению достигается в реакто рах с перемешивающими устройствами в жидкой фазе, а также в суспензи ях твердых веществ в жидкостях. Такого типа реакторы широко применяются в нефтехимической, хими ческой, пищевой промышленности, а также в произ водстве цветных етал м лов, строительных материалов и т. д.

Типизация реакторов На рисунке дана конструкция ката литического реактора кипящего слоя с мешалкой. В таком реакторе газ и твердый зер нистый катализатор интен сивно переме шиваются благодаря вихревым движе ниям в кипящем слое совместно с дейст вием лопастной мешалки. Реактор полного смешения с изо термическим режимом – аппарат кипящего слоя с мешалкой

Реактор идеального смешения

Реактор для получения фосфора

Барабанный гранулятор-сушилка

Контактные аппараты а – с одним неподвижным слоем катализатора б – с катализаторной сеткой в – полочный аппарат с промежуточным охлаждением реагентов посторонним хладоагентом во внутренних теплообменниках г – полочный аппарат с промежуточным охлаждением реагентов холодной исходной газовой смесью, поступающей на катализ д – полочный аппарат с промежуточным охлаждением во внешних теплообменниках е – полочный аппарат с вводом холодных реагентов между ступенями процесса ж – трубчатый аппарат с охлаждением посторонним хладоагентом з – трубчатый аппарат с охлаждением реагентов холодной исходной газовой смесью и – трубчатый аппарат с двойными теплообменными трубами

Реакторы для гомогенных систем а – кубовый реактор непрерывного действия с перемешиванием б – реактор полупериодического действия с перемешиванием в – реактор периодического действия с перемешиванием г – каскад кубовых реакторов непрерывного действия д – каскад кубовых реакторов непрерывного действия с распределением сырья е – трубчатый реактор непрерывного действия ж – трубчатый реактор непрерывного действия с предварительным смешением сырьевых потоков з – трубчатый реактор непрерывного действия с поперечным распределением сырья и – охлаждаемый однотрубный реактор к – многотрубный реактор с теплообменом

Реакторы для гетерогенных систем а – противоточный аппарат, работающий в режиме вытеснения б – аппарат с параллельным током, работающий в режиме вытеснения в – аппарат с перекрёстным током, работающий в режиме вытеснения г – аппарат со смешанной организацией потока, работающий в режиме вытеснения д – полупериодический реактор (газ в режиме вытеснения) е – реактор для превращения твёрдого вещества в потоке газа (твёрдая фаза – в режиме смешения, газ – в промежуточном режиме) ж – аппарат с псевдоожиженным слоем (твёрдая фаза – в режиме смешения, газ – в промежуточном режиме)

Реакторы для жидких сред а – насадочная колонна (режим вытеснения) б – барботажная колонна с колпачковыми тарелками (режим вытеснения) в – барботажная колонна с сетчатыми тарелками (режим вытеснения) г – распределительная колонна (режим вытеснения) д – реактор идеального смешения (одностадийный контакт фаз) е – каскад реакторов смешения, противоточная схема