Инженерная химия (1-21 вопрос). Дисциплина Инженерная химия
 Скачать 0.86 Mb.
|
|
Последовательное соединение РИВ V1  V2 V3 Vn Cio Cin Gvo Ci1 V=V1+V2+V3+…+Vn=  V Последовательное соединение РИВ используют для интенсификации химического процесса за счет изменения условий процесса в реакторах. Уменьшение суммарного объема РИВ в каскаде. Возможность экономии производственных площадей за счет лучшей компоновки реактора. Удобство обслуживания. Расчет каскада РИВ осуществляется последовательным расчетом каждого реактора в отдельности, начиная с первого ко второму и т. д.  Последовательное соединение РИС-Н с одинаковым объемом Основным недостатком единичного РИС-Н является низкая производительность в расчете на единицу объема аппарата, т.к в таком реакторе сохраняется низкая скорость процесса. Для устранения этого недостатка можно использовать каскад реакторов смешения, соединенных последовательно. В последнем реакторе каскада концентрация реагента, а следовательно и скорость реакции такие же, что и в единичном реакторе. Однако в предыдущих реакторах скорость реакции будет выше и средняя скорость реакции в каскаде будет больше, чем в единичном реакторе. Это различие будет тем существеннее, чем выше достигаема степень превращения. Расчет каскада реактора заключается в определении числа ступеней, необходимых для достижения заданных степеней превращения. Для расчета каскада реакторов используют два метода: графический и аналитический. Наиболее общим методом является графический, а аналитический метод используется только для реакций 1 порядка. Расчет произвольной системы идеальных реакторов Применение произвольной системы соединенных реакторов с различными гидродинамическими режимами позволяет влиять на общую производительность системы. Расчет такой системы осуществляют с использованием соответствующих этим реакторам расчетных уравнений. 1. Расчет системы РИС-Н – РИВ—РИС-Н Расчет произвольной системы осуществляется последовательно, переходя от одного реактора к другому. 1.   2.   3.   Расчет последовательно соединенных РИС-Н с переменным объемом Рассмотрим систему, состоящую из трех последовательно соединенных РИС-Н с различными объемами. Для расчета таких систем используется графический метод. V1> V2 >V3     > >  Cik Ci 1 2  < < 3  Расчет последовательно соединенных РИС-Н одинакового объема, работающих с различным тепловым режимом V1= V2 =V3  Т1 <Т2 <Т3  Т3Т2 Т1 3 2 1 Ci 17. Особенности расчета изотермических реакторов для проведения гетерогенно-каталитических процессов, расчет реакторов с неподвижным слоем катализатора, расчет реакторов с псевдоожиженным слоем катализатора, аппараты с движущимся слоем катализатора, расчет контактных аппаратов на основе удельной производительности катализатора. Конструкции и общие требования к реакторам: обеспечение селективности, обеспечение температурного режима, обеспечение процесса массопередачи. Контактно – каталитические реакторы можно разделить на 3 большие группы: 1. Реакторы с неподвижным слоем катализатора (катализатор находится в состоянии покоя); 2. Реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора (находится в режиме смешения) – кипящий слой; 3. Реакторы с движущимся слоем катализатора (находится в режиме вытеснения: прямоток, противоток). Расчет реакторов с неподвижным слоем катализатора Реакторы с неподвижным слоем катализатора по гидродинамическому режиму приближаются к РИВ. Поэтому для получения проектного уравнения реактора необходимо воспользоваться уравнением мат. баланса, составленного по одному из реагентов, протекающий на катализаторе объемом dVkat.   - объем катализатора;  - объемный расход сырья;  - концентрация на входе;  - концентрация на выходе;  - скорость реакции.Зная объем катализатора, рассчитывают необходимое количество трубок, задаваясь их размерами (диаметр и длина). В расчет реактора с неподвижным слоем катализатора также входит определение гидравлического сопротивления слоя катализатора:  ( - коэффициент сопротивления,  - эквивалентный диаметр,  - скорость газа в пустотах катализатора,  - плотность газа,  - высота слоя катализатора) Коэффициент сопротивления зависит от режима движения газа: - если  при Re<30 – ламинарная область- если  при Re=30-7000 – переходная область- если  при Re>7000 – турбулентная областьЭквивалентный диаметр частицы можно найти:  Для расчета эквивалентного диаметра частицы катализатора необходимо знать объем пустот между частицами катализатора или свободный объем слоя и удельную поверхность катализатора. Свободный объем также называют порозностью слоя и определяется как доля пустот в общем объеме слоя катализатора.  Удельная поверхность может быть рассчитана по известным значениям поверхности отдельной частицы:  Действительная скорость газа в пустотах слоя катализатора может быть рассчитана по приведенной скорости газа:  Расчет гидравлического сопротивления особенно важен для аппаратов, работающих под вакуумом, т.к при величине гидравлического сопротивления слоя превышает 0,1 МПа, вакуума во входном сечении аппарата не будет. Расчет реакторов с псевдоожиженным слоем катализатора Расчет таких реакторов заключается в определении основных размеров реактора. Скорость, необходимая для перевода неподвижного слоя частиц катализатора в псевдоожиженное состояние зависит от физических свойств газа и частиц. В критериальном виде эта зависимость имеет вид: Re=f(Ar) Для процессов псевдоожижения удалось получить простые степенные уравнения, которые имеют следующий вид: - для расчета скорости начала псевдоожижения:   - для расчета скорости уноса частиц слоя:  Скорость газа рассчитывается на полное сечение аппарата, т.е для нахождения псевдоожиженного состояния используется не действительная скорость газа в пустотах слоя катализатора, а приведенная скорость, равная расходу газа деленному на площадь поперечного сечения аппарата. Скорость уноса соответствует выносу частиц из слоя, т.е. режиму пневмотранспорта, следовательно, рабочая скорость газа должна находиться в пределах: Икр <Ираб <Иун Отношение рабочей скорости к критической есть число псевдоожижения. Максимальное значение числа зависиот от величины крит. Ar. Иун/Икр=70 при Ar=50 Иун/Икр=10 при Ar=106 Таким образом, для крупных и тяжелых частиц число псевдоожижения может достичь 10, а для мелких – 70. При Ираб/Икр=2 – полное перемешивание частиц в псевдоожиженном слое. Гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя с увеличением скорости не возрастает как в неподвижном слое катализатора, а остается величиной постоянной, равной весу слоя частиц, деленному на площадь поперечного сечения аппарата. С ростом скорости газа происходит лишь увеличение порозности слоя. Расчет основных геометрических размеров реактора с псевдоожиженным слоем ведут, опираясь на уравнение мат баланса РИС-Н, т.к их гидродинамические режимы схожи. Для реактора данного типа можно написать:  Тогда время контакта реагента с катализатором можно записать:   - мольный поток реакционной массы;  - объемный поток;  - скорость гетерогенно-каталитического процесса, определяемая лимитируемой стадией; Vkat – объем катализатора; Xi – степень превращения; Ci,o – концентрация реагента на входе в реактор; Ci – концентрация реагента на выходе из реактора.Аппарат с движущемся слоем катализатора Движущийся слой катализатора позволяет осуществлять непрерывный процесс. Катализатор имеет форму шариков, которые движутся под действием силы тяжести сверху вниз. Реагенты движутся как сверху вниз, так и наоборот. Порозность движущего слоя на 10% выше, чем порозность неподвижного слоя. Для поддержания определенного уровня активность катализатора необходимо установить определенную циркуляцию его в реакторе. Количественной характеристикой активности катализатора является кратность циркуляции: отношение массы катализатора поступающего в реактор к расходу поступающего сырья.  Чем выше кратность циркуляции, тем выше равновесная активность катализатора в реакторе и больше степень превращения. Для различных процессов кратность циркуляции имеет различные значения и зависит от скорости образования кокса. Расчет контактных аппаратов на основе удельной производительности катализатора Удельной производительностью катализатора называется объем газов или паров, пропускаемых за час через единицу объема катализатора. Объем газа приведен к нормальным условиям и имеет размерность  , т.е она обратно пропорциональна времени контакта газа с катализатором. Поскольку степень превращения при оптимальном g известна, то  При известном значении объемного расхода можно найти Vk, при заданной производительности. При известном Vk легко определить сечение и высоту слоя катализатора. При использовании кожухотрубчатых реакторов с неподвижным слоем катализатора, исходя из этого объема рассчитывают количество трубок, их диаметр и высоту. 18. Расчет изотермических реакторов для проведения процессов в системах Г-Ж, Ж-Ж(н), аппараты колонного типа, система смеситель-сепаратор, модели смещения фаз в реакторах полупериодического действия. Расчет аппаратов для этих систем Г-Ж, Ж-Ж(н) включает в себя: - выбор устройства, обеспечивающий хороший контакт между фазами; - нахождение допустимой скорости движения жидкости или газа (для аппаратов колонного типа); - определение необходимого диаметра колонны. Для многих аппаратов характерен режим идеального вытеснения с параллельными потоками и противотоком фаз. Другие системы, например одиночный аппарат с мешалками, система смеситель-сепаратор и каскады таких аппаратов также широко распространены в схемах технологических процессов. Методы расчета всех указанных систем различны и зависят от выбранной модели, отражающей режимы движения жидкости в аппарате, относительной скорости движения. Конструкции реакторов При выборе газожидкостных реакторов необходимо учитывать возможность создания высокой поверхности контакта фаз. Это условие может соблюдаться как для газа, так и для жидкой фазы. В первом случае используют различные газораспределительные устройства (барботеры, тарелки и т.д). Во втором случае для создания тонкодисперсной эмульсии можно использовать высокоэффективные перемешивающие устройства(ж=ж(н)) а также устройства для получения пленочного режима(г-ж). Для осуществления реакций используют колонны с различной конструкцией тарелок. Тарелка служит для распределения газового потока. Химическая реакция протекает на каждой тарелке, поэтому колонный аппарат можно рассматривать как каскад реакторов смешения. К этим аппаратам относятся различные насадочные колонны и колонны, работающие в пленочном режиме. Для систем ж-ж(н) используют аппараты емкостного типа с эффективным перемешивающим устройством. Аппараты колонного типа (диффузионная область) Для того, чтобы рассчитать высоту колонны во всех случаях необходимо совместно проанализировать выражение, описывающее скорость процесса и уравнение его мат баланса. Рассмотрим гетерофазные процессы в системе газ-жидкость, жидкость-жидкость, протекающие в диффузионной области и стационарном режиме противотока компонентов для реакции: Аг+Вж=продукты Схема мат потоков газа и жидкости на входе и выходе из колонны. Ра1 газ жидкость Ри1 газ жидкость Св, Си, L G, Ра, Ри dV Поскольку зона реакции ограничена поверхностью раздела фаз, примем для анализа двухпленочную модель и соответствующую этой модели уравнение скорости. Мат баланс для реагентов А и В составим из предположения, что: - вещество А находится в основном потоке газовой фазы, а вещество В - в основном потоке жидкой фазы. - с каждым b молей вещества А взаимодействует 1 моль вещества В Т.о. обращаясь к данному рисунку мат баланс для элементарного объема колонны можно записать GАГ=GВЖ/в GАГ – количество вещества А, потерянное газом; GВЖ – количество вещества В, потерянное жидкостью.  где  - мольная скорость поднимающегося инертного компонента в газовой фазе, отнесенного к поперечному сечению колонны.  - мольная скорость нисходящего инертного компонента в жидкой фазе, отнесенная к поперечному сечению колонны.  - количество вещества А, отнесенное к количеству инертного компонента в газовой фазе.  - количество вещества В, отнесенное к количеству инертного компонента в жидкой фазе. Р=РА+РВ+…+Pu CT=CА+СВ+…+СИ Состав исходной смеси после реакции равен:  Это выражение позволяет определить содержание реагентов А и В по всей колонне. Для разбавленных растворов:  Расчет высоты колонны. Для определения высоты колонны решим совместно уравнение скорости процесса и уравнение материального баланса, написанные для элементарного объема. При исчезновении компонента А:  f- удельная поверхность контакта фаз; H – высота реакционной зоны колонного аппарата; V – скорость гетерофазного процесса, отнесенная к поверхности раздела фаз. После перегруппировки и интегрирования:  Для разбавленных растворов:  Аппарат колонного типа (кинетическая область) вАг+Вж=продукты Допущения: - вещество В не растворимо в газе; - количество непрореагировавшего вещества А в жидкости мало по сравнению с содержанием А в газовой фазе. - не вступившая в реакцию часть вещества В уносится сверху вниз потоком жидкости, а непрореагировавшая часть вещества А – восходящем потоком газа. Мат баланс может быть представлен уравнением:  |