Классификация тепловых режимов химических реакторов. Уравнение теплового баланса для реактора идеального смешения адиабатического.

Химический реактор – основной аппарат любого химического процесса:

1) он определяет экономическую эффективность всего технологического процесса

2) определяет конструктивные особенности процесса

3) определяет технические показатели

4) определяет эксплуатационные характеристики.

Реакторы смешения – это емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом.

Для идеального смешения характерно абсолютно полное выравнивание всех характеризующих реакцию параметров по объему реактора.

Какие задачи решает теория химических реакторов?

1) разработка методов расчета реакторов

2) разработка принципов математического моделирования

3) оптимизация различных типов реакторов.

На конструкцию реактора влияет:

- фазовое состояние системы

- тепловые условия

- кинетические особенности

- уровень давления

- характер воздействия реакционной среды на материал аппарата (коррозионные особенности).

Требования к реакторам:

1) обеспечение оптимального времени пребывания

2) создание наилучшего контакта реагирующих веществ

3) обеспечение оптимальной температуры

4) механическая и коррозионная стойкость

5) удобство обслуживания, монтажа и ремонта, малый вес, малая стоимость.

Вводится понятие идеальных потоков.

1) они характеризуются ясностью физической картины

2) простота математического описания

3) удобство анализа протекания процесса

Идеальные потоки:

1) поток идеального вытеснения

2) поток идеального смешения

Особенности идеальных потоков.

1) они не содержат параметров, отражающих структуру потока

2) единственный параметр потока – время пребывания

Работа реактора сопровождается тепловыделением и теплообменом с окружающей средой. В результате формируется температурное поле, которое влияет на статику, кинетику и показатели эффективности.

Управление температурным режимом осуществляется путем подвода/отвода тепла и тепловой изоляцией.

Методы подвода и отвода тепла: 1) через стенку, 2) непосредственно смешением с потоком реагентов.

Схема теплообмена: непрерывная и ступенчатая.

Типы теплообменных устройств.

1) рубашка – осуществляется непрерывное управление температурой.

2) реактор со змеевиком – также непрерывное управление температурой.

3) внешний теплообменник – осуществляется ступенчатое управление температурой.

Виды теплоносителей:

- инертный газ или жидкость;

- сама реакционная смесь.

В уравнении теплового баланса учитываются все тепловые потоки, входящие в реактор и выходящие из него. Такими потоками являются: Q_вх – физическая теплота реакционной смеси, входящей в элементарный объем, для которого составляется баланс (входной поток); Q_вых – физическая теплота реакционной смеси, покидающей элементарный объем (выходной поток); Q_хр – теплота химической реакции (знак теплового эффекта зависит от того, происходит ли выделение или поглощение теплоты в результате химической реакции); Q_то – теплота, расходуемая на теплообмен с окружающей средой.

В нестационарном режиме:

Q_вх - Q_вых± Q_хр± Q_то=Q_нак

Для стационарного режима работы реактора:

Q_вх - Q_вых± Q_хр± Q_то=0

В качестве элементарного объема принимаем полный реакционный объем V. Тогда тепловые потоки за элементарный промежуток времени dτ:

dQ_вх=υ*C_p*ρ*T₀ dτ

Сразу принимаем, что υ₀=υ.

dQ_вых= υ*C_p*ρ*Tdτ

dQ_хр=∆H*V*w_rA dτ

dQ_то=K*F*∆T dτ,

Так как адиабатический режим характеризуется полным отсутствием теплообмена с окружающей средой, то dQ_то=0.

где C_p – средняя теплоемкость реакционной смеси, ρ – средняя плотность реакционной смеси, ∆H – тепловой эффект реакции, отнесенный к 1 моль реагента, К – коэффициент теплопередачи, F – поверхность теплообмена с окр. средой, ∆T – движущая сила теплообмена (средняя разность температур в реакторе и внешней среде, с которой происходит теплообмен).

Накопление теплоты в реакторе за время dτ равно изменению теплосодержания реакционной смеси:

dQ_нак=d(VC_p*ρT).

Тогда уравнение теплового баланса для нестационарного режима:

υ*C_p*ρ*T₀ dτ - υ*C_p*ρ*Tdτ - ∆H*V*w_rA dτ = d(VC_p*ρT).

или

υ*C_p*ρ*T₀ - υ*C_p*ρ*T - ∆H*V*w_rA = d(VC_p*ρT)/ dτ

Для стационарного режима:

υ*C_p*ρ*(T₀-Т) - ∆H*V*w_rA =0

Различают следующие виды тепловых режимов химических реакторов:

1) в изотермическом режиме температура реакционной смеси, входящей в реактор, равна температуре в реакторе и температуре смеси, покидающей реактор (q_{конвект}=0). Это возможно, если выделение или поглощение теплоты в результате химической реакции полностью компенсируется теплообменом с окружающей средой. Для стационарного изотермического режима при постоянстве физических свойств системы:

Q_вх= Q_вых; |Q_хр|= |Q_то|

2) адиабатический режим характеризуется полным отсутствием теплообмена с окружающей средой (q_{теплообм}=0). В этом случае вся теплота химической реакции полностью расходуется на нагрев или охлаждение реакционной смеси. для стационарного адиабатического режима: |Q_вх - Q_вых|=|Q_хр|.

3) промежуточный режим (политермический) характеризуется тем, что частично теплота химической реакции расходуется на изменение теплосодержания (нагрев или охлаждение) реакционной смеси, частично – на теплообмен с окружающей средой. Этот режим наиболее часто встречается в реальных химических реакторах. Описывается:

Q_вх - Q_вых± Q_хр± Q_то=0

3) Очистка дымовых газов в производстве азото-водородной смеси. Аппаратурное оформление процесса.

Дымовые газы – раскаленные летучие продукты сгорания топлива, состоящие из горячих газов, содержащих окислы углерода, азота, водяной пар и несгоревшие (непрореагировавшие частички топлива – сажа, копоть и др.)

Дымовые газы (отходящие газы) образуются в результате сжигания природного газа в огневом подогревателе 4 и в трубчатой печи паровой конверсии 8. В этих газах имеются оксиды азота, количество которых в значительной степени зависит от соотношения воздуха и природного газа, а также от объема добавляемых к природному газу танковых и продувочных газов, содержащих аммиак, в определенных условиях превращающийся в оксиды азота. В дымовых газах содержится 0,01-0,05 % оксидов азота. допустимая концентрация оксидов азота в выбрасываемых газах составляет 0,005%.

Отходящие газы аммиачного производства очищают по методу каталитического восстановления при умеренных температурах. Восстановителем служит аммиак, с помощью которого происходит восстановление оксидов азота до элементарного азота по реакциям:

6NO+4NH₃→5N₂+6H₂O

6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O

Восстановление проводят при избыточном содержании аммиака по сравнению со стехиометрическим для обеспечения высоких степеней превращения оксидов.

Для процесса очистки используют алюмованадиевый и алюмомарганцевованадиевый катализаторы.

Необходимо точно регулировать температуру процесса (300ᵒС), так как при низких температурах возможны образование и отложение нитрит-нитрата аммония, при высоких температурах будет происходить окисление аммиака до оксидов азота.

Рис. Схема очистки дымовых газов от оксидов азота:

1 – дымовая труба, 2 – перегородка, 3 – смеситель аммиака с дымовыми газами, 4 – каталитический реактор, 5 – блок дозирования аммиака.

Газы для очистки отбираются из определенной зоны дымовой трубы 1 при температуре 200ᵒС, для чего в ней установлена сплошная перегородка 2, и направляют в смеситель аммиака с дымовыми газами 3. Аммиак дозируется в газы из блока подготовки 5, состоящего из испарителя аммиака и аппарата для его очистки от масла и катализаторной пыли. Основным аппаратом в схеме является каталитический реактор 4, который должен иметь высокую пропускную способность и низкое гидравлическое сопротивление. Наибольшее применение нашли радиальные реакторы.

Степень восстановления оксидов азота достигает 98%.

Дата добавления: 2015-08-18