Расчеты химических реакторов: Учебное пособие / ВолгГТУ,-Волгоград, 2009.- 54с.

Расчеты

ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

 

Волгоград

Федеральное агентство по образованию

Волжский политехнический институт (филиал)

Волгоградский государственный технический университет

 

 

Г. М. Бутов, Г. Р. Гаджиев, К. Р. Саад

 

Расчеты химических реакторов

 

 

Учебное пособие

 

 

РПК

«Политехник»

Волгоград

УДК 66.01(075)

 

 

Рецензенты:

Заведующий лабораторией ВНИКТИ нефтехимоборудования, д.т.н., профессор Ю.В.Думский

Начальник НИЦ ОАО «Волжский Оргсинтез» к.т.н., почетный профессор Т.В. Рудакова

 

Бутов Г.М., Гаджиев Г. Р., Саад К.Р.

Расчеты химических реакторов: Учебное пособие / ВолгГТУ,-Волгоград, 2009.- 54с.

 

ISBN 978-5-9948-01-36-9

 

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению "Химическая технология и биотехнология". В ней изложены основы расчета различных типов идеальных реакторов для различных схем реакций

 

ISBN 978-5-9948-01-36-9

 

Ил. 10 Таб. 4 Библиогр: 10 назв.

 

Печатается по решению редакционно-издательского советаградского государственного технического университета

с Волгоградский государственный

технический университет, 2007

ВВЕДЕНИЕ

При разработке химической технологии (переходе от исследования к производству) нужно изучать, проек­тировать и последовательно осуществлять процессы, кото­рые впоследствии соединяются в технологическую схему, состоящую из ряда разнообразных аппаратов.

Все аппараты, входящие в технологическую схему, могут быть разделены на две группы: к первой относятся аппараты, в которых происходят физические процессы (механические, гидро- и аэродинамические, тепловые и диффузионные), ко второй — аппараты, в которых про­исходят собственно химические процессы (реакторы).

Развитие знаний в области инженерной химии опре­делялось в основном развитием теоретической физики. Теоретическое обоснование типовых процессов было дано еще в период 1920—1940 гг., что позволило достаточно надежно проектировать такие аппараты как, например, дистилляционные колонны, испарители, сушилки и т. д.

Однако непрерывное введение новой технологии опе­режает развитие теоретических знаний, на основе которых проектируются аппараты, предназначенные для проведе­ния химических реакций. Эти аппараты характеризуются одновременным протеканием процессов физических (пере­дача импульсов движения, тепла и массы) и химических, что заставляет прежде всего познавать законы изменения скорости реакции в зависимости от условий работы реак­тора. Математическое описание сложного процесса, про­исходящего в реакторе в промышленных условиях, полу­чило большое развитие. Несмотря на то, что эта область научных знаний является сравнительно новой, ныне все-таки существуют данные, которые позволяют производить расчет химических реакторов на теоретиче­ской основе.

Данное пособие написано в соответствии с принятой программой курсов «Общая химическая технология» и «Инженерная химия» и содержит практическое решение задач по разделу «Расчеты химических реакторов».

Каждый раздел снабжен типовыми примерами и задачами для самостоятельного решения.

Первый раздел посвящен классификации реакторов. В нем представлены основные классификационные признаки реакторов.

Во втором разделе приведены примеры расчета реакторов идеального смешения непрерывного действия.

В третьем разделе представлены примеры расчета реакторов идеального вытеснения.

В четвертом разделе представлены примеры расчета реакторов идеального смешения периодического действия.

В пятом разделе приведены примеры расчета смешанного типа реакторов.

Шестой раздел посвящен сравнительным расчетам различных схем соединения реакторов.

Большая часть изложенных в пособии примеров неоднократно применялись авторами при проведении семинарских занятий, а также при выполнении лабораторных работ, в том числе научно-исследовательских работ студентов. Ряд примеров использован при выполнении курсовых работ и проектов.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКТОРОВ

Основным технологическим элементом установки для проведения химического процесса является аппарат, в котором происходит химическая реакция. Химическими реакторами принято считать аппараты, в которых осуществляются химические процессы с целью получения определенного вещества в рамках одного технологического процесса.

Если рассмотреть множество реакторов, применяемых в настоящее время в химической промышленности, то можно сделать следующие выводы.

Во всех химических реакторах имеют место определенные физические процессы, с помощью которых создаются условия проведения химического процесса. Для осуществления физических этапов процесса реакторы имеют в своей структуре простые аппараты или элементы аппаратов (мешалки, теплообменники и т. д.). Таким образом, химические реакторы можно рассматриватькак комплексные аппараты, состоящие из определенных сочетаний простых аппаратов или элементов аппаратов, большинство из которых используется для проведения физических этапов процесса, сопровождающих химическую реакцию. Число таких возможных и требуемых сочетаний, а следовательно, и количество типов реакторов, очень велико, и некоторые из них имеют между собой существенные различия. Вместе с тем существуют и одинако­вые для всех реакторов элементы, на основе которых можно соста­вить общие закономерности, дающие представление о развитии химического процесса.

Наиболее часто химические реакторы классифицируют по сле­дующим критериям: непрерывность операции, тепловой режим, режим движения реакционной среды и фазовое состояние реагентов.

Непрерывность операции. Различают реакторы периодического, непрерывного иполупериодического (полунепрерывного) действия.

В реакторы периодического действия реагенты загружаются одновременно в начале операции. После определенного времени, необходимого для достижения заданной степени превращения, выгружается продукт реакции. Основные параметры химического процесса (состав, температура или давление) изменяются во вре­мени. Продолжительность реакции можно измерить непосред­ственно.

Реакторы непрерывного действия имеют непрерывное питание реагентами. Удаление продукта реакции также непрерывное. За исключением периодов пуска иостановки реактор работает в по­стоянном стационарном режиме. Для таких реакторов продолжительность реакции не может быть измерена непосредственно, так как обычно в реак­ционном пространстве изменяется не только состав, но и темпера­тура, число молей, объем и линейная скорость реагентов. В этом случае вместо продолжительности реакции пользуются величиной времени контакта (пребывания). Время контакта определяется как отношение объема реакционной смеси в реакторе (необходимого объема реактора) к объемному расходу реагентов (питания).

Реакторы полупериодического действия характеризуются тем, что один из реагентов питания поступает непрерывно, а другой периодически. Однако возможны и другие варианты. Например, реагенты подают в реактор периодически, а продукт реакции уда­ляют непрерывно. Такие реакторы работают в переходном режиме, основные параметры процесса изменяются во времени.

Тепловой режим. По тепловому режиму реакторы делят в основ­ном на изотермические и адиабатические.

Изотермические реакторы имеют одинаковую и постоянную темпера­туру во всех точках реакционного пространства; скорость реакции зависит только от состава. Так как реакции не всегда сопровождаются значительным тепловым эффектом, изотермические условия не могут быть достигнуты только одним выделением или поглощением тепла реакционной средой — необходим тепловой агент и поверхность теплообмена. Изотермический режим работы реактора используется более широко, чем адиабатический.

Адиабатические реакторы не имеют теплообмена с внешней средой. Конструкция этих реакторов проста, так как для осуществления адиабатического режима достаточно иметь хорошую тепловую изоляцию.

В некоторых случаях для получения высоких степеней превращения (или большей производительности реактора) осуществляют теплообмен с изменением температур во времени или в пространстве, или одновременно во времени и в пространстве. Используемые при этом неадиабатические, неизотермические реакторы называются реакторами с программированным тепловым режимом. Программирование может осуществляться автоматически, с помощью конструктивных приспособлений, которые обеспечивают изменение теплового потока во времени и в реакционном пространстве.

Режим движения реакционной среды. Реактор непрерывного действия (вытеснения, смешения). В реакторе непрерывного вытеснения, элемент объема движется, не смешиваясь с предыдущим или последующим элементами объема. Состав элемента объема будет изменяться последовательно по длине реактора вследствие химической реакции. Реактор не имеет ни одного механического конструктивного приспособления для перемешивания и характеризуется большими значениями соотношений между длиной и диаметром. При движении через реактор элемент объема, вероятно, ведет себя так же, как поршень в цилиндре, вытесняя все, что находится перед ним, поэтому такой реакционный аппарат называют реактором с полным вытеснением (реактором идеального вытеснения - РИВ).

В реакторе непрерывного смешения элемент объема мгновенно перемешивается с содержимым реактора. Состав этого элемента резко изменяется от состава питания до состава смеси в реакторе, что легко достигается с помощью мешалки или другого конструктивного приспо­собления: барботера, инжектора и т. д. Наличие перемешивающего устройства создает такие условия, при которых реакционная среда проходит через реактор большое число раз. Вследствие этой осо­бенности такой реакционный аппарат называют реактором с полным перемешиванием (реактором идеального смешения – РИС-Н).

Реактор с полным вытеснением и реактор с полным перемеши­ванием являются идеальными типами реакционных аппаратов.

На практике чаще встречаются реакторы смешанного типа, в кото­рых нет ни полного вытеснения, ни полного перемешивания.

Фазовое состояние реагентов. Если при проведении химической реакции в реакторе находится одна фаза, то такой реактор назы­вают гомогенным. Гомогенные реакторы заполняются реагентами, находящимися либо только в газообразном, либо только в жидком состоянии.

Если вещества в реакторе находятся в различных агрегатных состояниях, то такой реактор называют гетерогенным. Существует столько типов гетерогенных реакторов, сколько комбинаций можно составить из трех агрегатных состояний: газ, жидкость и твердое тело.

Этот классификационный критерий не является достаточно точным, так как он не учитывает фазового состояния продукта реакции. Например, полимеризация этилена — гомогенная реакция в газовой фазе, а полученный в результате реакции полиэтилен представляет собой жидкий продукт, что в значительной степени определяет конструкцию реактора. Тем не менее, критерий фазового состояния реагентов позволяет проводить систематизацию, широко используемую в области химических реакторов. Кроме изложенных классификаций, существует еще и другие, например основанные на различиях конструктивных форм реакторов.

В рамках данного учебного пособия нами рассматривались технологический расчет идеальных реакторов с различными режимами движения реакционной среды и непрерывности операций, как в отдельности, так и в различных соединениях.