книги / Теория химических реакторов введение в основной курс

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Н.П. Углев

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ: ВВЕДЕНИЕ В ОСНОВНОЙ КУРС

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2018

1

УДК 66.023(075.8) ББК 34.7я73

У25

Рецензенты:

д-р хим. наук, ведущий научный сотрудник отдела проблем охраны окружающей среды М.В. Зильберман (ФГБУ УралНИИ «Экология», г. Пермь); канд. техн. наук, доцент А.Г. Хлуденёв (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Углев, Н.П.

У25 Теория химических реакторов: введение в основной курс : учеб. пособие / Н.П. Углев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. – 234 с.

ISBN 978-5-398-01986-5

Рассмотрены теоретические вопросы, связанные с описанием работы химических реакторов различного типа. Представлены методы изучения структуры потока сырья в реакторе. В рамках теории реакторов рассмотрены особенности работы однородно-пористого катализатора и реактора с аксиальным движением сырья, а также особенности дезактивации катализатора. Приведена подробная математическая модель работы регенератора катализатора установки каталитического крекинга ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез», рассмотрена кинетическая модель стадии синтеза пентаэритрита.

Описаны методы составления кинетических уравнений, приведено большое количество примеров расчета реакторов.

Предназначено для студентов академического бакалавриата по направлению подготовки 18.03.01 «Химическая технология», может быть полезно длямагистров, инженеровиспециалистовсоответствующегопрофиля.

УДК 66.023(075.8) ББК 34.7я73

2

3

4

5

ВВЕДЕНИЕ

Современная химическая промышленность на 90 % основана на процессах, протекающих в реакторах различного типа. Разделение или смешение компонентов являются вспомогательными либо промежуточными этапами технологии или как заключительные при компаундировании товарных продуктов. В связи с этим качество продуктов и производительность установок в наибольшей степени определяютсяименнопараметрамиработыреакторногооборудования.

Реактор – главный аппарат технологической установки, поэтому ясные и четкие представления о его работе являются необходимым и обязательным условием для обслуживающего персонала. Это возможно только на основе понимания теоретических моделей этих аппаратов.

Имеющиеся литературные источники, представляющие собой, как правило, больше научные трактаты, чем учебники, охватывают все аспекты, касающиеся работы реакторов, однако практически все они требуют повышенной математической подготовки читателя и часто малодоступны по уровню изложения студентам академического бакалавариата. Чаще всего это связано с большим объемом рассматриваемого материала, что не позволяет достаточно подробно и последовательно представить все промежуточные выкладки при выводе математических соотношений. В связи с этим существует потребность в пособии промежуточного уровня, позволяющем ознакомиться с основными идеями и методами, описываемыми в имеющихся монографиях и учебниках таким образом, чтобы дальнейшее углублениезнанийневызывалосерьезныхзатруднений.

Предлагаемое пособие подготовлено на основе курса лекций и практических занятий, проведенных автором со студентамибакалаврами Пермского национального исследовательского политехнического университета в 2008–2017 гг. Пособие охватывает практически все основные разделы науки о реакторах и предназначено для первоначального ознакомления с дисциплиной.

Все математические вычисления, включая использование стандартныхпакетовипрограмм, основанынаиспользованииMathcad.

6

Рассмотрены основные типы реакторов и основы составления материального и теплового баланса их работы, приведены инженерные методы вычислений и расчеты реакторов на основе функции распределения времени пребывания крупных частиц. Значительное внимание уделено вопросам изучения гидродинамики реакторов по функциям отклика. Отмечены особенности работы пористого катализатора и реактора с неподвижным слоем катализатора. Уделено внимание эффектам, связанным с «отравлением» активной поверхности пористого катализатора. Рассмотрена математическая модель процесса производства пентаэритрита, позволяющая оценить вклад ряда технологических параметров на выход основных и побочных продуктов реакции.

Приведены многочисленные примеры и программы на основе Mathcad для решения ряда типовых задач, подробно описано составление математической модели работы регенератора установки каталитического крекинга и приведена программа его расчета. Представлена кинетическаямодельстадиисинтезапентаэритрита.

Рассмотрены вопросы учета теплового эффекта химических реакций и тепловой устойчивости химических реакторов.

Приведен редко встречающийся реальный пример обработки кинетических данных сложной системы реакций изомеризации n-гексана.

Для удобства работы с пособием введен подраздел «Составление кинетических уравнений». Специально для читателей, изучающих вопрос впервые, приведено детальное изложение выводов всех уравнений, что особенно полезно, если математические навыки и знания давно не использовались.

Автор искренне надеется, что после подробного изучения предложенного материала у читателя не возникнет серьезных затруднений при расширении знаний за счет первоисточников, указанных в списке рекомендуемой литературы.

Автор с благодарностью примет все замечания и предложения, направленные на дальнейшее улучшение методики изложения материала.

7

1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Конструкция и условия эксплуатации реакторов непосредственно связаны с физико-химическими и механическими свойствами реагирующих веществ и конструкционных материалов, характером протекающих реакций и требованиями, предъявляемыми к получаемым веществам или их смесям.

Основными факторами, влияющими на выбор реакторного оборудования, являются следующие:

1.Производительность реактора.

2.Агрегатное состояние реагентов и продуктов (твердое, жидкое, газообразное).

3.Наличие или отсутствие катализатора. Вид применяемого катализатора (твердый, жидкий, газообразный) и особенности его регенерации.

4.Термодинамическиеикинетическиехарактеристикиреакций.

5.Требования по селективности реакций и химической устойчивостиреагентовипродуктов.

С учетом этих требований разработаны сотни вариантов конструкций реакторов, что в какой-то степени отражает разнообразие химических веществ (миллионы) и, в частности, разнообразие химических веществ, используемыхчеловеком(десяткитысяч).

В связи с этим общая классификация всех существующих типов реакторов, учитывающая множество параметров, получается достаточно громоздкой и не позволяет выявить какие-то особенности их расчета.

В настоящее время общепризнанная укрупненная классификация реакторов строится исключительно на гидродинамических особенностях движения потока реагентов в реакционном объеме. Различают два основных типа реакторов: реакторы идеального перемешивания и реакторы идеального вытеснения.

В действительности в чистом виде эти типы никогда не встречаются, а реальные аппараты описываются достаточно сложными комбинациями этих двух идеализированных вариантов.

8

Моделью аппарата идеального перемешивания может слу-

жить емкость с перемешивающим устройством, в которую подаются реагенты и из которой отводится смесь реагентов и продуктов. Для этой модели принимается, что в аппарате отсутствуют градиенты концентрации всех без исключения веществ, участвующих в процессе, а также отсутствуют градиенты температуры.

Это означает, что в объеме аппарата происходит мгновенное перемешивание всех компонентов таким образом, что их концентрация и температура в любых двух точках реакционного объема одинаковы. Различают два варианта реактора идеального перемешивания: проточного типа и периодического действия. В последнем реакция проводится с периодической загрузкой и выгрузкой реагентов. Аппарат такого типа моделирует также застойную зону в реакторе с протекающими в ней реакциями, при незначительном массообмене с основным потоком. (В застойной зоне перемешивание может и отсутствовать.) При достаточно интенсивном перемешивании, проходящем в режиме турбулентности, аппараты объемного типа с перемешивающими устройствами могут достаточно точно соответствовать реактору идеального перемешивания.

Моделью аппарата идеального вытеснения может служить труба с движущимися и реагирующими компонентами. Принимается, что эпюра скоростей продольного перемещения смеси соответствует прямоугольнику, иначе говоря, объем реакционной смеси может быть представлен в виде независимых параллельных слоев, перпендикулярных центральной оси трубы, которые двигаются вдоль нее с одинаковой скоростью, вытесняя последовательно друг друга из любого сечения реактора. Таким образом, любой выделенный объем реагентов проходит реакционный объем за одно и то же время, в результате чего при установившемся режиме зависимость концентрации компонентов от пути, пройденного в реакторе, остается постоянной. При очень большой скорости потока или при отсутствии реакций такой аппарат моделирует также байпасирование (проскок без реакции) реакционной зоны частью реагентов.

9

Степень приближения к идеальности для обоих типов реакторов связана с гидродинамическими режимами движения потока в аппаратах.

В структуре потока реактора перемешивания (рис. 1) можно отметить наличие следующих особенностей:

1.Проскок части входящего потока по минимальному пути.

2.Формирование нескольких контуров циркуляции с различным временем пребывания реагентов в реакционном объеме.

Рис. 1. Реактор с перемешивающим устройством

10