Тепловая устойчивость стационарных режимов, их графический анализ при осуществлении в адиабатическом реакторе идеального смешения непрерывного действия экзотермических реакций.

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.

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|.

Рассмотрим простую необратимую эндотермическую реакцию: A→(K)R

1. Кинетическое уравнение: W_rA=k*C_A

2. Уравнение материального баланса: τ_ср=V/υ=(C_A0 – С_А)/W_rA

По определению степени превращения х_А=(C_A0 – С_А)/ C_A0,

тогда C_A0 – С_А=х_А*С_А0.

Тогда УМБ: τ_ср=V/υ=C_A0*х_А/W_rA

3. Уравнение теплового баланса в общем виде:

Q_вх - Q_вых± Q_хр± Q_то=Q_нак

В стационарном режиме работы реактора: Q_вх - Q_вых± Q_хр± Q_то=0

Так как в адиабатическом реакторе Q_то-0, то |Q_вх - Q_вых|=|Q_хр|

ρ*Cp*υ(T₀-T)-∆H*W_rA*V=0

Решение:

1. τ_ср= C_A0*х_А/W_rA= C_A0*х_А/ k*C_A

По определению степени превращения: С_А=С_А0(1-х_А)

Тогда τ_ср== C_A0*х_А/ k*C_A== C_A0*х_А/ [k*С_А0(1-х_А)}

τ_ср=x_A/[K(1-x_A)] → x_A=1/[1+1/(K* τ_ср)]

2.Согласно уравнению теплового баланса: ρ*Cp*υ(T₀-T)-∆H*W_rA*V=0

Подставим в него кинетическое уравнение: ρ*Cp*υ(T₀-T)-∆H* k*C_A *V=0

С_А=С_А0(1-х_А)

Выразим степень превращения: x_A=(Cp*ρ/C_A0*∆H)*(T₀-T)

Зависимость между степенью превращения и Т является линейной. Эта прямая линия пересекает ось температур в точке Т=Т₀:

Если принять х_А=1 (т.е. реакция прошла до конца), то получим

Т₀ – Т_х=1=∆Т_ад=Cp*ρ/C_A0*∆H.

Величина ∆Т_ад – максимальное изменение температуры реакционной смеси, возможное в адиабатических условиях, или адиабатическое изменение температуры.

Тогда: x_A=(1/∆T_аб.)*(T₀-T) (1) – первое уравнение математической модели

второе уравнение представляет собой уравнение материального баланса:

(2)

Возможно лишь графическое решение.

экзотермическая реакция - ∆Н<0

tgα>0

Если в адиабатическом реакторе проводят необратимую экзотермическую реакцию, система уравнений материального и теплового балансов может иметь как одно, так и несколько решений, отвечающих стационарному режиму (три решения – точки 1, 2 и 3). На практике из трех возможных решений будет реализовано одно. Желательно конечно же, чтобы работа реактора характеризовалась высокой степенью превращения исходного реагента, т.е. соответствовала точке 3.

Возможно ли это? Как при наличии нескольких стационарных состояний практически обеспечить наиболее выгодное? ответить на эти вопросы помогает анализ устойчивости стационарных состояний.

Устойчивость системы в стационарном состоянии определяется ее реакцией на возмущающее воздействие.

Стационарное состояние системы называется устойчивым, если небольшие кратковременные возмущающие воздействия не могут вывести систему за пределы небольшой области, окружающей исследуемый стационарный режим.

Преобразуем уравнения:

x_A=(Cp*ρ/C_A0*∆H)*(T₀-T)

умножив их на тепловой эффект реакции ∆Н.

Уравнение теплового баланса примет вид:

Произведение теплоемкости на плотность реакционной смеси и ее температуру, отнесенное к начальной концентрации, представляет собой физическую теплоту реакционной смеси, приходящуюся на 1 моль исходного вещества, вошедшего в реактор.

Рис. Устойчивые (а, б) и неустойчивое (в) стационарные состояния адиабатического РИС при проведении экзотермической реакции.

Рассмотрим точку 3. Пусть вследствие некоторого возмущения состояние теплового равновесия нарушится; например, в системе установится более высокая температура Т₃₊. В этом положении удельный теплоотвод q_- превышает удельный теплоотвод q₊ и после снятия возмущения произойдет самопроизвольное снижение температуры до Т₃, т.е. система вернется в прежнее состояние равновесия. Если при нарушении равновесия температура в реакторе понизится до Т_3-, то после снятия возмущения произойдет самопроизвольный разогрев до температуры Т₃ вследствие того, что q₊>q _-. Таким образом, точка 3 соответствует устойчивому стационарному состоянию адиабатического реактора идеального смешения.

Анализ состояния теплового равновесия в очке 1 также позволяет сделать вывод, что это решение системы уравнений отвечает устойчивому стационарному состоянию.

Иным будет положение теплового равновесия средней точки пересечения 2. Отклонение от состояния равновесия вправо по оси температур приведет к дальнейшему самопроизвольному разогреву, влево – к самопроизвольному понижению температуры. Следовательно, равновесие системы в точке 2 является неустойчивым.

Три режима:

2 устойчивых

1 неустойчивый

Условие тепловой устойчивости:

dQ_{теплоотвода}/dT>dQ_{теплоподвода}/dT

1 и 3 режимы устойчивые (β>γ)

2-ой – неустойчивый

3) Каталитическая очистка отходящих газов в производстве азотной кислоты под повышенным давлением. Обоснование необходимости очистки, способ ее осуществления, использование энергии отходящих газов.

Непрерывный рост производства азотной кислоты тесно связан с повышением объема отходящих газов, а, следовательно, с увеличением количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота, которые опасны для любых живых организмов. Оксиды азота вызывают раздражение слизистой оболочки дыхательных путей, ухудшают снабжение их кислородом, а также отрицательно влияют на нервную систему человека. Поэтому процессы очистки газов от оксидов азота являются необходимыми.

Отходящие газы производства азотной кислота содержат после абсорбционных колонн от 0,05 до 0,2 % об. оксидов азота, которые по санитарным требованиям без дополнительной очистки запрещено выбрасывать в атмосферу.

Одним из направлений снижения концентрации оксидов азота в отходящих газах является каталитическое восстановление их горючими газами: водородом, природным газом, оксидом углерода, аммиаком.

Рассмотрим каталитическое окисление нитрозных газов с использованием природного газа.

В отличие от других способов очистки в данном случае оксиды азота не улавливаются, а разрушаются, восстанавливаясь до элементарного азота.

В качестве катализатора используют оксид алюминия, содержащий 2% масс. палладия.

Этот процесс можно описать реакциями:

2NO+CH₄+O₂→N₂+CO₂+2H₂O

2NO₂+2CH₄+2O₂→N₂+2CO₂+4H₂O (Т=900ᵒС)

Метод обеспечивает снижение содержания оксидов азота в выхлопных газах до 0,005%. Теплота реакции используется для получения пара. Данный метод очистки тесно связан с технологией производства азотной кислоты.

Увеличение скорости реакции затруднено из-за отсутствия гибкого регулирования температуры на входе в реактор. Единственной возможностью увеличения скорости реакции остается повышение концентрации метана. Это приводит как к отложению сажи на катализаторе, так и увеличению содержания оксида углерода и не прореагировавшего метана в очищенных газах.

В качестве второго слоя в каталитической системе используют оксид алюминия, что позволяет снизить расход палладия.

Энерготехнологическая схема – схема, при которой организация технологического процесса замкнута по энергии, то есть она не потребляет энергию из вне, а расходует энергию химического процесса.

Атмосферный воздух после очистки в фильтре 1 сжимается двухступенчатым воздушным компрессором 2 и 4. Основной поток воздуха после сжатия нагревают в подогревателе воздуха 11 до 250-270ᵒС теплотой нитрозных газов и подают на смешение с аммиаком в смеситель 7. Газообразный аммиак, полученный при испарении жидкого аммиака, после очистки от влаги через подогреватель также направляется в смеситель 7. Смеситель совмещен в одном аппарате с фильтром. После очистки аммиачно-воздушная смесь подается в контактный аппарат 8 на конверсию аммиака.

Конверсия аммиака протекает на платинородиевых сетках при 900ᵒС. Нитрозные газы при 890-910ᵒС поступают в котел-утилизатор 9. В котле вследствие охлаждения нитрозных газов до 170ᵒС происходит испарение химически очищенной воды, питающей котел-утилизатор; при этом получают пар давлением 1,5 МПа и температурой 230ᵒС, который выдается потребителю.

После котла-утилизатора нитрозные газы проходят теплообменник и поступают в окислитель 10 – полый аппарат, в верхней части которого установлен фильтр стекловолокна для улавливания платинового катализатора. Частично окисление нитрозных газов происходит уже в котле-утилизаторе. В окислителе 10 степень окисления возрастает до 85%. В результате реакции окисления нитрозные газы нагреваются до 300-335ᵒС. Эта теплота используется в подогревателе воздуха 11. Охлажденные в теплообменнике 11 нитрозные газы поступают для дальнейшего охлаждения в теплообменник 12, где происходит снижение температуры до 150ᵒС и нагрев выхлопных (хвостовых) газов до 110-125ᵒС. Затем нитрозные газы направляют в холодильник-конденсатор 13, охлаждаемый оборотной водой. При этом конденсируются водяные пары и образуется слабая азотная кислота. Нитрозные газы отделяют от сконденсировавшейся азотной кислоты в сепараторе 14, из которого азотную кислоту направляют в абсорбционную колонну 15, а нитрозные газы – под нижнюю тарелку абсорбционной колонны.

Сверху в колонну подают воду. Образующаяся в верхней части колонны азотная кислота низкой концентрации перетекает на нижележащие тарелки. Вследствие поглощения оксидов азота концентрация кислоты постепенно увеличивается и на выходе достигает 55-58%, причем содержание растворенных в ней оксидов азота достигает 1%. Поэтому кислота направляется в продувочную колонну 16, где подогретым воздухом из нее отдувают оксиды азота, и чистая кислота идет на склад. Воздух после продувки подается в нижнюю часть абсорбционной колонны 9.

Выходящие из колонны хвостовые газы с содержанием оксидов азота до 0,11% при температуре 35ᵒС проходят подогреватель 12, где нагреваются до 110-145ᵒС и поступают в топочное устройство 6 установки каталитической очистки. Здесь газы нагреваются до температуры 390-450ᵒС сжигаемым природным газом, подогретым предварительно в подогревателе (не обозначен), и направляются в реактор с двухслойным катализатором 5, где первым слоем служит оксид алюминия, с нанесенным на него палладием, вторым слоем – оксид алюминия. Очистку осуществляют при 760ᵒС. Очищенные газы поступают в газовую турбину 3. Энергия, вырабатываемая турбиной при использовании теплоты хвостовых газов, применяется для привода турбокомпрессора 2. Затем газы направляют в котел-утилизатор и выбрасываются в атмосферу. Содержание оксидов азота в очищенных выхлопных газах составляет 0,005-0,008%, СО₂ -0,23%.

Таким образом, данный агрегат полностью автономен по энергии Энергия рекуперируется в результате установки на одной оси с турбокомпрессором 2 и 4 газовой турбины 3.

БИЛЕТ №18. (старый)

Дата добавления: 2015-08-18