Химических процессов

Современный химический реактор – это сложный аппарат, имеющий много устройств и механизмов, выполняющих различные операции по ускорению производства целевого продукта, оборудованный сложной системой контрольно-из-мерительных приборов (контроль и регулирование температуры, состава и давления, уровня, расхода и т.п.). Все эти устройства и приборы должны учитываться при проектировании реактора.

1.1. Факторы, определяющие конструкцию реактора

а) физические свойства и агрегатное состояние продукта,

б) требуемая интенсивность перемешивания,

в) температура и давление,

г) тепловой эффект и требуемая интенсивность теплообмена,

д) агрессивность и токсичность массы,

е) взрыво- и пожароопасность производства.

а) Химическая реакция может происходить при следующих сочетаниях агрегатного состояния реагентов: газ-газ (Г-Г), газ-жидкость (Г-Ж), газ - твердое тело (Г-Т), жидкость-жидкость (Ж-Ж), жидкость - твердое тело (Ж-Т), твердое тело - твердое тело (Т-Т).

Гомогенные системы характеризуются однородным физическим состоянием и прохождением химической реакции по всему объему аппарата. Поэтому производительность аппарата пропорционально зависит от объема.

Гетерогенные системы характеризуются наличием поверхности раздела фаз, на каждой поверхности идет химическое превращение вещества. Производительность аппаратов для гетерогенных реакций зависит от величины развития межфазной поверхности.

Для гомогенной поверхности «газ-газ» достаточно иметь замкнутый объем, в который закачиваются компоненты и создаются определенные температура и давление, необходимые для протекания реакции. Производительность в этом случае зависит от объема аппарата. Для непрерывно действующих реакторов производительность будет определяться временем пребывания компонентов в нем. Последнее зависит от наличия дополнительных перегородок в аппарате. Теплообмен в аппарате организуется за счет рубашки или трубчатого теплообменника с интенсификацией при помощи перемешивающих устройств.

Гетерогенная система «газ-жидкость» для ускорения реакции требует увеличения межфазной поверхности и турбулентности на границе раздела фаз за счет перемешивания и больших скоростей фаз при сохранении соответствия между межфазной поверхностью и реакционным объемом.

В зависимости от скорости реакции в системе «газ - твердое тело» выбирается необходимость и интенсивность перемешивания. Порядок проектирования реакторов для систем «газ - твердое тело» такой же, как и для гомогенных процессов. Разница заключается в том, что при расчете реактора для гетерогенных процессов принимают скорость реакции, учитывающую взаимосвязь химической реакции и массопередачи.

Скорость реакции гетерогенного процесса определяет производительность всей системы и является функцией скорости массопередачи, которая увеличивается в зависимости от турбулизации газового потока. Скорость потока должна соответствовать размерам аппарата (высоте), чтобы сохранить необходимое время контакта компонентов «газ - твердое тело» (Г-Т)

, где

где V – объем аппарата;

u₀ – объемная скорость газа, при постоянной заданной температуре и давления в реакторе.

Таким образом, скорость потока газа определяет производительность реактора.

Система «Ж-Ж» сходна с системой «Г-Г», если две жидкости взаимно растворимы (т.е. процесс гомогенный).

Если же жидкости нерастворимы друг в друге (процесс гетерогенный), то система схожа с системой «Г-Ж».

Для системы «Т -Т» основным условием активного взаимодействия является развитая поверхность контакта, которая достигается тонким измельчением и интенсивным перемешиванием, позволяющим обновлять эту поверхность контакта.

Агрегатное состояние взаимодействующих реагентов определяет форму и конструкцию элементов реактора, например, теплообменников, мешалок.

б) Конструкция перемешивающих устройств выбирается в зависимости от агрегатного состояния компонентов, их физических свойств и требуемого теплообмена.

В гомогенных системах перемешивающее устройство служит только для условий теплообмена.

в) Температура является основным параметром в реакторе, поддержание которой необходимо для обеспечения заданной производительности и безопасности протекания процесса.

По заданной температуре выбирается конструкция и размеры теплообменника и теплоноситель. Если температура не более 140⁰С, то теплоноситель – водяной пар низкого давления; до 180⁰С – пар высокого давления; при более высоких температурах – высокотемпературные теплоносители; при температуре ниже 0⁰С для охлаждения применяют рассолы, до 0⁰С – артезианскую или обычную воду.

Давление в реакторе определяет форму и размеры аппарата, конструкцию узлов крепления трубопроводов и герметизации, материал и толщину корпуса.

г) Агрессивность реагентов влияет на выбор материала корпуса, учитывая коррозионную стойкость и его инертность к химическому процессу в аппарате.

Токсичность предъявляет особые требования к конструкции аппарата – идеальная и надежная герметизация, работа аппарата под вакуумом; дистанционный контроль и управление, система аварийного сброса.

Обработка взрыво-и пожароопасных веществ ведется в герметичных аппаратах с дистанционным управлением и контролем. Имеются устройства аварийного сброса, быстродействующие автоматические пожарные системы, локально-погружные системы, дренчерные и спринклерные устройства.

Научно-исследовательские работы в области автоматизации безопасности производств, с использованием реакторов, производится в следующих направлениях:

1. Создание быстродействующих автоматических систем для локализации и ликвидации возникших аварийных ситуаций;

2. Создание оборудования и реакторов с безопасным способом переработки токсичных, пожаро-и взрывоопасных веществ.

Реакционная масса в общем случае представляет смесь исходных реагентов (А₁, А₂, А₃, …), промежуточных соединений (В₁,В₂, В₃, …), конечных веществ (С₁,С₂,С₃,.…), инертных веществ и специальных добавок (растворители, газы носители, теплоносители, пеногасители, ингибиторы коррозии, коагулянты и т.д. – (Д₁, Д₂, Д₃, …), катализаторов (Е₁, Е₂, Е₃, …). В зависимости от фазового состояния этой смеси химические процессы могут быть гомогенными (газофазные, жидкофазные) или гетерогенными (газожидкостные, эмульсионные, суспензионные, с твердым катализатором). По тепловому эффекту химические процессы подразделяются на экзотермические (с выделением тепла) и эндотермические (с поглощением тепла).

Скорость химической реакции есть изменение (уменьшение или увеличение) числа молей реагентов в результате химического взаимодействия в единицу времени на единицу объема

(для гомогенных реакций) или на единицу поверхности (массы) для гетерогенных процессов.

(1)

Скорость гомогенных химических реакций равна

(2)

Вводя концентрацию С, в общем случае получим:

(3)

или

(4)

Для реакций, идущих при постоянном объеме в замкнутой системе, второе слагаемое уравнения (4) равно 0, и это уравнение приводится к виду:

(5)

Знак «+» указывает, что в реакции накапливается вещество,

«-» - что концентрация вещества снижается

Для гетерогенных химических реакций скорость процесса можно представить следующими соотношениями.

(6)

(7)

Согласно закону действующих масс скорость реакции пропорциональна наличной концентрации реагирующих веществ; так для реакции между исходными компонентами А и В будем иметь

(8)

к – коэффициент пропорциональности, или константа скорости реакции

Гетерогенные химические процессы сопровождаются явлениями массопереноса реагентов у поверхности раздела фаз.

Скорость массопереноса зависит от:

- удельной межфазной поверхности а;

- гидродинамических условий, критерий Рейнольдса Re;

- физических свойств, диффузионного критерия Прандтля Рrд.

Если химические превращения протекают очень быстро, то лимитирующей стадией гетерогенного химического процесса может стать скорость подвода и отвода реагирующих веществ к межфазной поверхности и от нее, т.е. массообменный процесс. Скорость такого химического процесса, протекающего в диффузионной области, описывается соотношением

(9)

В том случае, когда медленной стадией гетерогенного процесса является химическое превращение, скорость процесса определяется уравнением вида (1), область протекания процесса называется кинетической.

Уравнения вида (1) и (9), записанные для основных компонентов и дополненные уравнениями материального и теплового баланса, являются основой технологического расчета реакторов.

Рис.2 Общая схема превращений исходного реагента G_Н в реакторе:

Работа всего реактора характеризуется целым рядом показателей. Реагент, подаваемый в аппарат в количестве G_Н, может:

а) в количестве G_Ц превратится в целевой компонент;

б) в количестве G_К выйти из аппарата, не вступая в химические реакции;

в) в количестве G_П превратиться в побочные продукты (рис. 2).

В соответствии с этими обозначениями основные показатели химического процесса записываются следующим образом:

(10)

- степень превращения,

избирательность (селективность).  

- (11)

Полная или интегральная селективность S – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшего на реакцию.

Степень превращения X- это доля исходного реагента, использованного на химическую реацию.

Есть также более сложные показатели, к которым относятся себестоимость получаемого целевого вещества или продукта и сумма приведенных затрат на единицу выпущенной продукции.

Химические реакторы являются часто наиболее сложными объектами регулирования на химическом заводе. Особенно это относится к тем реактором, в которых проходит быстрая экзотермическая реакция. Рост температуры реакции на 1⁰С может увеличить ее скорость почти на 10 % и значительно изменить конверсию, а, следовательно, и производительность реактора. Кроме того, увеличение скорости реакции с ростом температуры может привести к неустойчивости реактора. Если, например, при подъеме температуры в реакторе на 1⁰С скорость выделения тепла реакции увеличивается на 10 % и при этом не происходит резкого увеличения скорости теплоотвода, достаточного для восстановления нормальной температуры, то рост температуры будет продолжаться.

Степень самовыравнивания реактора зависит от соотношения скоростей выделения и отвода тепла с изменением температуры. Реактор будет устойчив, если, например, увеличение скорости выделения тепла на 10 % сопровождается 100% - ным увеличением скорости теплоотвода. Если скорость выделения тепла реакции увеличивается значительно быстрее, чем скорость теплотвода, но реактор сам по себе неустойчив, но в ряде случаев им удается управлять с помощью системы автоматического регулирования.

Промышленные реакторы по экономическим соображениям или вследствие не учета динамики процесса при проектировании системы часто работают в условиях, близких к неустойчивым режимам, при этом имеют место нарушения в ходе реакции, которые приводят к забивке трубок реактора или взрывам.

В том случае, когда системы автоматического регулирования недостаточно, чтобы стабилизировать быстро изменяющуюся температуру, применяется система автоматической аварийной блокировки, которая позволяет остановить реакцию путем выключения подачи сырья в реакторе или выделение катализатора.

При проектировании системы автоматического управления реактором необходимо хорошо знать кинетические закономерности процесса и выявлять параметры, в наибольшей степени, влияющие на скорость химических превращений.

Если процесс протекает в кинетической области, то важнейшим определяющим параметром является температура, изменение которой всего на 10⁰С может более чем в два раза изменить скорость как основных, так и побочных реакций.

Для процессов, протекающих в диффузионной области, на первый план выдвигаются гидродинамические факторы, например, интенсивность перемешивания, размер частиц, капель, пузырьков дисперсионной фазы.

Целесообразно рассмотреть работу реактора в составе технологической установки и оценить, какие параметры необходимо стабилизировать или регулировать в определенных пределах.

Важнейшей информацией является зависимость основных показателей, определяемых выражениями (10 и 11), от условий работы реактора, на основе которых осуществляется выбор оптимального режима работы.

Дата добавления: 2015-07-11