книги / Физико-химические основы технологических процессов
..pdfS - удельная внешняя поверхность зерен катализатора, м2/м3; е - порозность неподвижного слоя; со - линейная скорость газа, м/с; р - плотность газа, кг/м3
Примеры технологических расчетов химических реакторов
Пример 1.
Уксусный ангидрид подвергают гидролизу в реакторе с механиче ским перемешиванием в режиме идеального смешения при большом избытке воды. Концентрация уксусного ангидрида в исходной смеси Сд равна 3 моль/л. Степень превращения составляет 0,7. Объемная ско
рость потока 20 л/мин. Константа скорости реакции К = 0,38 мин'1 Определите: 1) объем реактора РИС-н; 2) объем реактора для
проведения этого же процесса в режиме идеального вытеснения; 3) необходимое число реакторов в каскаде, суммарный объем кото рых приближался бы к объему РИВ.
Решение. Скорость реакции гидролиза уксусного ангидрида при большом избытке воды можно описать кинетическим уравнением реакции первого порядка: WA =-k-CA.
1. Определим условное время пребывания в РИС-н:
ТРИС |
сА-с* |
0,7 |
= 6,14 (мин). |
|
WA |
к - (1-х) 0,38 (1-0,7) |
|||
|
|
2. Определим объем РИС-н:
Vv =x-v0=6,14-20 = 122,8(л).
3. Определим условное время пребывания в РИВ и объем РИВ:
1 Xrdx |
—-—In—— = 2,89 (мин) |
|
In |
||
Трив ~ к j l - x |
0,38 0,3 |
v ' |
|
Гр = W |
”0=2,89-20 = 57,8 (л). |
|
|
4. |
Зная условное время пребывания в РИВ, можно определить |
|||
число реакторов РИС в каскаде по формуле |
|
|
||
|
, lg(С„/С,)_ |
lg(3/0,9) |
0,52 |
{625 |
|
lg(l + Агт) |
lg(l + 0,38-2,89) |
0,32 |
’ |
Суммарный объем в каскаде из двух реакторов будет прибли жаться к объему РИВ. Использование каскада реакторов позволяет интенсифицировать процесс.
Пример 2.
Процесс описывается обратимой реакцией первого порядка типа А<-+2В с константами скоростей прямой реакции A'i = 2,4 ч'1и обрат ной реакции К2=0,4 л/(моль ч). Исходная концентрация вещества А - 1,6 моль/л. Заданная степень превращения вещества А составляет 0,9 от равновесной. Объем реактора смешения - 0,3 м3 Определите производительность реактора по веществу В за сутки.
Решение:
1. Определим константу равновесия реакции и равновесную сте
пень превращения |
|
|
|
|
С2 |
4х2С° |
6 4х2 |
к |
= 6 |
^ _ *-в _ нлли А _ °»нла |
К = — |
|||
Са 1--«А |
1~ хх ’ |
К |
|
|
Решая уравнение, относительно *а получим равновесное значе |
||||
ние Хд = 0,61. хА = 0,9 • Хд = 0,9-0,61 =0,55. |
|
|||
2. Определим условное время пребывания компонентов в зоне |
||||
реактора РИС-н: |
|
|
|
|
т = |
- |
|
= 0,86 (ч). |
|
К^ - хк ) ~ 1кгхк
3.Определим объемный расход реагента А:
F = ^ = — = 349(л/ч).
т0,86
4. Определим производительность реактора по веществу В за сутки:
N B = 2 С д - V - X A - 24,
NQ = 2 • 1,6 • 349 • 0,55 • 24 = 14745,6 (моль/сут) = 14,75 (кмоль/сут).
Пример 3.
Экзотермическая реакция первого порядка протекает в неподвиж ном слое катализатора. Объем слоя - 0,3 м3 Начальная температура в слое - 300 °С. Процесс ведется в адиабатическом режиме. Определи те температуру потока на выходе из слоя катализатора. Тепловой эф фект реакции - 22800 кДж/кмоль, теплоемкость реакционной смеси Ср - 19 кДж/(кмоль-К). Начальная концентрация ключевого вещества С° = 5,2 моль/м3 Объемный расход - 0,6 моль/ч. Константа скорости реакции (мин1) описывается уравнением к = 10ехр(-20000/ЛГ).
Решение. Процесс в неподвижном слое катализатора протекает в режиме идеального вытеснения.
Определить температуру потока на выходе из слоя катализатора можно, используя уравнение (3.14) и считая, что х0=0.
1. Степень превращения хА определим исходя из кинетического
уравнения реакции первого порядка: хА = kt
1 + kt
Определим t как условное время, т.е. отношение объема слоя ка-
0 3
тализатора к объемному расходу: т =—L- = 0,5 = 30 (мин). 0,6
Константа скорости реакции при температуре 300 °С
к= 10ехр(-200001RT) =10ехр(-20000/8,31 • (300 + 273)) = 0,15 (мин-1). Определяем степень превращения:
kt 0,15-30
0,82.
1 + kt 1 + 1,8-30
2. Определим температуру потока на выходе:
Выразим концентрацию компонента А в мольных долях:
с о |
C°RT |
5,2-8,31-573 = 0,24. |
А~ |
Р |
101325 |
хА =573 + 22800-0,24 0,82 = 809К = 536°С. 19
Вопросы для самоконтроля
1.Что такое химический реактор? Каковы основные виды хими ческих реакторов?
2.Перечислите основные концептуальные подходы к построе нию математической модели химических реакторов.
3.В чем суть иерархического строения математической модели реакторов?
4.Какова классификация реакторов?
5.Какие реакторы могут быть описаны моделями реакторов идеального смешения периодического и непрерывного действия?
6.Приведите примеры реакторов, которые могут быть описа ны моделью реактора идеального вытеснения.
7.Что такое условное время реакции и как оно отличается от времени пребывания реагентов в реакторе?
8.Рассмотрите математическую модель РИВ. Как изменяется концентрация компонента по длине реактора?
9.Рассмотрите математическую модель РИС-н. Как изменяет ся концентрация компонента во времени, в аппарате?
10. Представьте математическую модель параллельной реак ции, протекающей в реакторе идеального смешения (проточном)
иреакторе идеального вытеснения.
11.Пояснить целесообразность использования каскада реакто ров РИС-н.
12.Как изменится условное время при протекании необратимой реакции первого порядка в РИВ и РИС непрерывного действия?
13.В каких случаях наиболее эффективно использование реакто ров смешения, а в каких реакторов вытеснения?
14.В чем особенности математического описания неизотерми ческих процессов в реакторах?
15.Как определить адиабатический разогрев в реакторе?
16.Представьте алгоритм расчета каталитических реакторов.
17.Как определить оптимальное число слоев в каталитическом реакторе, если известно, что протекает экзотермическая реакция, заданы температура входящих в реактор газов и необходимая сте пень превращения?
Индивидуальные практические задания
1. В жидкофазном процессе протекает реакция второго порядка 2А —>В с константой скорости реакции, равной 3,2 л/(моль-мин).
Объемный расход смеси с концентрацией исходного реагента С° =
= 0,5 кмоль/м3 равен 4,0 м3/ч. Определить производительность РИС-н объемом 0,5 м3 по продукту В. Рассчитать объем РИВ для получен ной производительности.
2.Жидкофазная обратимая реакция второго порядка А + В *-> В +
+С проводится в реакторе идеального смешения объемом 40 л. Кон
станта скорости прямой реакции к\ = 1,8 л/(моль-мин), обратной - к2= 0,8 л/(моль*мин). Вещества А и В подаются в реактор раздельно в стехиометрическом соотношении. Концентрации веществ в пото ках равны 0,5 моль/л. Определить, какими будут концентрации ве
ществ А и В через 1 ч протекания процесса, если степень превраще ния вещества А составляет 0,85 от равновесной.
3.Жидкофазный процесс описывается простой реакцией первого порядка А - ^ В с константой скорости реакции к = 0,45 мин'1 Объ емный расход вещества А составляет 20 л/мин. Определить степени превращения вещества А в РИС-н и РИВ объемом по 150 л.
4.Жидкофазный процесс описывается простой реакцией первого порядка с константой скорости, равной 0,15 мин'1 Концентрация ве щества А в исходном потоке равна 3 кмоль/м3 Степень превращения вещества А хА = 0,85. Определить, какое количество вещества А можно переработать за 1 ч в реакторе идеального смешения и реак торе идеального вытеснения объемом 1 м3
5.Жидкофазная реакция А + В<->В + С с константой скорости прямой реакции к{ =1,8 л/(моль-мин) и константой скорости обратной реакции к2 = 0,8 л/(моль-мин) проводится в проточном реакторе иде ального смешения объемом 40 л. Потоки веществ А и В подаются
вреактор раздельно с равными концентрациями: СА= Св = 0,6 моль/л. Вещества А и В в реакторе находятся в стехиометрическом соотноше нии. Требуемая степень превращения вещества А хА = 0,9 от равновес ной степени превращения. Рассчитать объемный расход реагентов.
6.Жидкофазная реакция 2А —*■В с константой скорости, равной 0,4 мин'1, проводится в реакторе идеального смешения объемом 0,5 м3 Объемный расход вещества А составляет 20 л/мин. Опреде лить, какую степень превращения можно достичь в этих условиях, и рассчитать объем реактора идеального вытеснения для достижения той же степени превращения и производительность по продукту В.
7-10. Жидкофазная реакция 2А —►R + S имеет константу скоро
сти 0,38 л/(моль-мин). Объемный расход исходного вещества А с концентрацией Сд = 0,4 моль/л составляет 40 л/мин. Определить
объемы реакторов РИС-н и РИВ при проведении процесса до степе ней превращения: 0,3 (вариант 7); 0,5 (вариант 8); 0,7 (вариант 9); 0,9 (вариант 10).
11. Газофазная реакция А —►В осуществляется в реакторе иде ального вытеснения. Степень превращения составляет 0,8. Константа
скорости реакции к - И)"1с'1. В реактор подается реагент Л в количе стве 2* 10 3 кмоль/с при температуре 327 °С и давлении 105Па. Рас считать требуемый объем реактора.
12.Процесс описывается реакцией второго порядка 2А —►В с кон стантой скорости 2,3*10'2 м3/(кмоль*с). Исходная концентрация веще ства А составляет 0,6 моль/л, объемный расход вещества А - 3,6 м7ч. Определить производительность реактора вытеснения объемом 200 л по продукту В.
13.Процесс описывается реакцией первого порядка типа А —* 2R
с константой скорости 2,3'Ю"3 с"1 Исходная концентрация вещества А составляет 1,6 моль/л, объемный расход вещества А - 3,6 м3/ч. За данная степень превращения по веществу А равна 0,85. Определить производительность реактора вытеснения по продукту В и его объем.
14. Процесс описывается реакцией типа А —> 2R с константой скорости, равной 0,6 мин"1 Заданная степень превращения вещества А составляет 0,85, исходная концентрация вещества А 2,0 моль/л, производительность реактора по продукту В - 6,0 кмоль/ч. Опреде лить требуемый объем реактора вытеснения и реактора смешения.
15. Процесс описывается обратимой реакцией первого порядка ти па 2А <-> В с константами скоростей: прямой к\ = 61,4 м3/(кмоль ч) и обратной к2 = 2,4 ч 1 реакций. Исходная концентрация вещества А составляет 1,5 моль/л, заданная степень его превращения составляет 0,8 от равновесной. Объем реактора смешения равен 0,4м3 Опреде лить производительность реактора по веществу В за час. Определить объем реактора идеального вытеснения для рассчитанной производи тельности.
Модуль 4 ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА.
СОЗДАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
1. Химико-технологическая система. Основные понятия
Химическое производство (ХП), представляющее собой машины, аппараты и другие устройства, связанные между собой трубо- и па ропроводами, системой управления и регулирования и т.п., можно рассматривать как сложную химико-технологическую систему.
Система - это совокупность элементов и связей между ними. В ХП элементы - это аппараты и агрегаты, связями являются материальные и тепловые потоки (трубопроводы, соединяющие аппараты).
Представив ХП как химико-технологическую систему (ХТС), для ее изучения можно использовать основы теории систем -- системный анализ, включающий в себя следующие основные этапы:
•выделение элементов, которые определяют необходимые свой ства химико-технологической системы;
•установление зависимости выходных потоков от входных для каждого элемента (аппарата) ХТС: построение математических мо делей;
•выделение связей между элементами, на основании которых создается структура ХТС;
•исследование ХТС - расчет показателей, определение свойств, прогноз изменения свойств, анализ факторов, влияющих на улучше ние показателей с использованием принципов и законов информати ки, кибернетики, факторного анализа и др.
Таким образом, ХТС может быть описана сложной системой ал гебраических, дифференциальных и интегральных уравнений, для решения которых необходимо использовать ЭВМ.
Для исследования ХТС необходимо выделить подсистемы. Наи более рационально провести выделение по двум признакам: функ циональному и масштабному.
Функциональные подсистемы обеспечивают выполнение функ ций производства. К ним относятся:
•Технологическая подсистема - часть ХП, где проводится пере работка сырья в продукт - химико-технологический процесс.
•Энергетическая подсистема.
•Подсистема управления (АСУ ТП).
Масштабные подсистемы обеспечивают выполнение опреде ленных функций в последовательности процессов переработки сырья и материалов.
I масштабный уровень - аппарат.
II масштабный уровень - узлы, агрегаты.
III масштабный уровень - отделения химического производства. IV масштабный уровень - химическое производство Рассмотрим элементы и связи в ХТС.
Классификация элементов ХТС по их назначению:
•механические и гидромеханические элементы - дробилки, гра нуляторы, смесители, компрессоры, насосы, фильтры;
•теплообменные элементы - теплообменники, кипятильники, конденсаторы, сублиматоры;
•массообменные элементы - абсорберы, дистилляторы, ректи фикационные колонны и др;
•реакционные элементы - химические реакторы;
•энергетические элементы - турбины, генераторы, котлы-утили заторы и др;
•элементы контроля и управления - датчики, задвижки, вентили, АСУ ТП.
В ХП возможно совмещение элементов по их назначению в од ном устройстве, например, в ректификационном реакторе происхо дит и химическая реакция, и компонентное разделение смеси (массо обменный элемент).
Классификация связей (потоков) по их содержанию:
•материальные потоки (трубопроводы различного назначения, транспортеры и т. п.);
•энергетические потоки (паропроводы, газы под давлением, про вода и т.п.);
• информационные потоки.
Последовательность прохождения потоков определяет структу ру связей в ХТС. Основные типы структуры связей: последователь ная, разветвленная, параллельная, обводная (байпас) простая и слож ная, обратная (процесс с рециклом).
1. Последовательная связь (рис. 4.1). Обрабатываемый поток проходит аппараты последовательно и на выходе получают готовый продукт.
>
Рис. 4 .1. Последовательная связь в ХТС
2. Разветвленная связь (рис. 4.2). После некоторой операции по ток делится на два и более потоков, и далее потоки перерабатывают ся различными способами. Этот метод используется для получения нескольких продуктов из одного полупродукта.
Рис. 4.2. Разветвленная связь в ХТС
3. Параллельная связь (рис. 4.3). Поток разветвляется и каждая часть его проходит через разные аппараты, а затем потоки объединяют.
Метод используется при высокой производительности ХП, когда мощность каждого аппарата ограничена. Подготовленное сырье (по лупродукт) перерабатывается на двух или более параллельных лини ях с получением основного продукта. Такая связь также использует ся при проведении периодических процессов. Например, таким обра зом осуществляют процесс сорбции. В одном аппарате протекает ад сорбция компонентов до полного насыщения слоя сорбента в фильт