Химическим реактором называют аппарат, в котором осуществляются химико-технологические процессы, сочетающие химические реакции с тепло- и массопереносом. От правильности выбора типа реактора и от его совершенства во многих случаях зависит эффективность всего процесса. К промышленным реакторам предъявляют различные требования, основными из которых являются:
- максимальная производительность и интенсивность работы;
- высокий выход продукта;
- малые энергетические затраты при эксплуатации, наилучшее использование теплоты реакции;
- простота устройства и дешевизна в изготовлении;
- устойчивость в работе и легкая управляемость.
Не всегда удается реализовать процесс так, чтобы были одновременно удовлетворены все требования. Во всех случаях выбор реактора зависит от экономического эффекта.
Многообразие химических процессов обусловливает разнообразие химических реакторов, используемых в них. В соответствии с этим и классификация реакторов может быть осуществлена по различным признакам. Наиболее существенно для расчетов деление реакторов по времени работы, а именно:
1) периодического действия;
2) непрерывного действия с установившимся и неустановившимся потоками.
Такое деление реакторов применимо как для гомогенных процессов, так и для гетерогенных, протекающих в кинетической области, поскольку математическое описание процессов будет одинаковым.
Современные крупнотоннажные химические процессы осуществляются в основном в реакторах непрерывного действия. Аппараты такого типа, как правило, оснащаются большим числом вспомогательного оборудования и позволяют надежно управлять качеством целевых продуктов. В малотоннажных производствах выгодннее применять аппараты периодического действия.
Для определения конструкции и размеров любого реактора необходимы сведения:
1) о скоростях протекания химических реакций, тепло- и массопередачи;
2) о гидродинамической обстановке в реакторе.
Во всех случаях исходным соотношением является общий материальный баланс, составленный по одному из компонентов реакционной смеси. Из закона сохранения ассы вещества следует, что масса веществ, поступающего в систему, должна быть равна массе веществ покидающих систему и остающихся в ней. Материальный баланс можно представить в виде дифференциальных уравнений, относящихся к единице объёма. Уравнение материального баланса, составленное для основного исходного вещества, содержит следующие составляющие:
Технологический процесс работы участковой станции (2)
... технологического процесса работы участковой станции, суточного плана-графика работы станции. станция путь поезд маневровый 1. Общие вопросы работы станции 1.1 Технико-эксплуатационная характеристика станции Н Рисунок 1 - Схема участков, примыкающих к станции Н. Рисунок 2 - Схема участковой станции ...
= = +
+
Если концентрация вещества во всем объеме реактора одинакова то материальный баланс можно составить для всего аппарата Если же концентрация вещества различна в разных точках реакционного пространства, то материальный баланс составляют для элементарного объема и затем уравнение интегрируют в соответствии с распределением потоков и концентраций в объеме реактора.
Если реакция протекает в неизотермических условиях, то материальный баланс можно рассматривается совместно с тепловым. Тепловой баланс может быть записан аналогично материальному в следующем виде:
(2)
+
1. Типы химических реакторов
Для расчета реакторов используют их идеализированные модели. Обычно выделяют три типа идеальных реакторов:
- а) периодический полного смешения;
- б) проточный идеального вытеснения;
- в) проточный полного смешения.
1.1 Реактор смешения периодического действия
Реактор смешения периодического действия – аппарат, в который единовременно загружают исходные компоненты, взаимодействующие между собой определенное время, до достижения необходимой степени превращения. Затем полученную смесь выгружают. В таком реакторе состав реакционной массы одинаков во всем объеме и непрерывно изменяется во времени.
Материальный баланс реактора периодического действия в соответствии с уравнением (1) запишется G пр = 0, Gуб = 0
(3)
(4)
Подставим это соотношение в (3)
и после разделения переменных и интегрирования находим:
(6)
В этих уравнениях G нач – начальная масса исходного вещества; υ – объем реакционного пространства; хА – степень превращения основного исходного вещества А.
Уравнение (6) позволяет определить необходимое время пребывания реагентов в реакторе периодического действия для достижения заданной степени превращения. При постоянном реакционном объеме уравнение (6) приобретает вид:
где С нач – начальная концентрация исходного вещества.
При изменении реакционного объема υ уравнение (6) принимает вид
где
Пользуясь уравнениями (6) – (8), можно определить необходимые размеры изотермического реактора периодического действия. В случае неизотермических процессов для решения этих уравнений необходимо располагать зависимостями скорости реакции от температуры, а также зависимостью количества выделяющейся теплоты от степени превращения.
1.2 Реактор идеального вытеснения
Реактор идеального вытеснения характеризуется тем, что любой элемент объема реагирующей среды движется по высоте Н (длине) реактора параллельно другим элементам, не смешиваясь с предыдущими и последующими элементами объема.
Сравнительный анализ рециркуляционных схем на примере реакции изомеризации
... реакторе соответствовали максимальной скорости основной реакции. Развитие теории рециркуляции получило продолжение в работах СИ. Дуева [13-18], который показал возможность достижения полного ... ХТС с рециклом состоит из узла смешения, реакторного узла и узла разделения ( ... медленно протекающих реакций из-за непомерного увеличения объема реактора невозможно достичь равновесия, эти реакции осуществляются с ...
Рис.1. Схема реактора идеального вытеснения
На рис.1 схематично показано изменение степени превращения х, исходных концентраций С и других параметров в реакторе идеального вытеснения. Материальный баланс такого реактора при G нач = 0 запишется в виде
(10)
(11)
(12)
где V см – объемный расход реакционной смеси.
После подстановки значений составляющих материального баланса в
(13)
(14)
Для реакции n-го порядка, идущей без изменения объема, имеем
(15)
при n = 0
(16)
при n = 1
(17)
Если реакция протекает с изменением объема то:
(18)
Для необратимой реакции первого порядка:
(19)
Для необратимой реакции второго порядка:
(20)
Для обратимой реакции типа
если прямую и обратную реакции можно записать кинетическим уравнением первого порядка, то применительно к реактору идеального вытеснения найдем
(21)
где
Для реакции, скорость которой описывается выражением более высоки или дробных порядков, уравнения столь сложны, что их решение возможно лишь с применением ЭВМ или методом графического интегрирования.
1.3 Реактор полного смешения
Реактор полного смешения характеризуется тем, что любой элемент объема реагирующей смеси мгновенно перемешивается со всей средой, содержащейся в реакторе, так как скорость циркуляционных движений по сечению и оси аппарата во много раз больше, чем линейная скорость по оси.
В качестве материала перемешивания применяется диффузионный критерий Pеʹ
(22)
где — линейная скорость газа или жидкости в аппарате, м/с; Н – высота реакционного пространства, м; D э – эффективный коэффициент диффузии, м2 /с.
Схема потоков в реакторе полного смешения представлена на рис. 2.
Рис.2. Схема реактора полного смешения
В реакторе такого типа концентрация любого компонента равномерна по всему реакционному объему, и поэтому уравнение материального баланса можно записать для всего объема реактора. Для установившегося режима
(23)
(24)
(25)
Так как конечная степень превращения х кон = (Снач – Скон )/Снач , то
(26)
Уравнения (25) и (26) представляют собою характеристические уравнения проточного реактора идеального смешения и позволяют определить неизвестную величину по заданным. В любом случае для реактора полного смешения его размер, расход реагентов, начальные и конечные концентрации могут быть определены только при условии, если известна кинетика процесса.
4.1. Сернокислая гидратация этилена
Сернокислый способ, предложенный А.М. Бутлеровым, получил промышленное осуществление только в послевоенные годы. Он состоит из следующих четырех стадий: 1) абсорбция этилена серной кислотой с образованием сернокислых эфиров; 2) гидролиз эфиров; 3) выделение спирта и его ректификация; 4) концентрирование серной кислоты.
Взаимодействие между этиленом и серной кислотой состоит из двух этапов: первый – физическое растворение этилена в серной кислоте и второй — гомогенное взаимодействие обоих компонентов с образованием алкилсульфатов по уравнениям:
Производство сульфата алюминия из гидроксида алюминия и серной кислоты
... сульфата алюминия: Получение очищенного сернокислого алюминия. При производстве очищенного сернокислого алюминия растворением в серной кислоте гидроксида алюминия (или оксида алюминия) ... сульфата алюминия), для ускорения последующей кристаллизации охлаждают в реакторе ... реакция замедляется вследствие образования на зернах корок труднорастворимого безводного сульфата алюминия или кислых сульфатов ... Смешение ...
C 2 H4 + H2 SO4 = C2 H5 OSO3 H
C 2 H5 OSO3 H + C2 H4 = (C2 H5 O)2 SO2.
Поглощение (абсорбция) этилена серной кислотой – процесс обратимый, экзотермический (DH=-50232 кДж/моль), протекает с уменьшением объема.
Скорость абсорбции этилена описывается уравнением:
dG/dt = K*F*P*f(с),
где G – количество поглощаемого этилена, t – время, К – коэффициент, зависящий от интенсивности диффузии, и, следовательно, от интенсивности контакта реагентов (барботаж, перемешивание и т.д.), F – поверхность контакта реагентов, Р – парциальное давление этилена, f(c) – множитель, зависящий от концентрации серной кислоты.
Так, абсорбция этилена 93%-ной кислотой протекает в 10 раз медленнее, чем при концентрации 97,5%. Однако, применение для абсорбции этилена олеума нецелесообразно, т.к. при этом снижается выход этанола из-за образования побочных продуктов – сульфосоединений и повышенного образования полимеров.
