Основы проектирования химических производств

РАСЧЕТ РЕАКТОРА ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

В общем случае технологический процесс в реакторе периодиче­ского действия протекает в несколько стадий. Если предполагается химическую реакцию проводить в изотермическом режиме, то условно можно весь процесс разделить на следующие этапы:

1. Подготовка реактора к загрузке реагентов.

2. Загрузка реагентов в реактор.

3. Доведение условий проведения реакции (температуры, давления и т. д.) до заданных.

4. Проведение химического процесса до заданной глубины пре­вращения.

5. Доведение условий выгрузки продуктов реакции (температуры, давления и т. д.) до заданных.

6. Подготовка реактора к выгрузке продуктов реакции.

7. Выгрузка продуктов реакции из реактора.

График такого условного технологического процесса в реакторе периодического действия можно проиллюстрировать рис. 9.3.

При проверочном расчете реактора должны быть известны време­на проведения всех стадий, начальные и конечные температуры в реак­торе, достигаемые степени превращения и, естественно, масса загру­жаемых компонентов. Задачей такого расчета является определение теплонапряженности каждой стадии с дальнейшим расчетом достаточ­ности поверхности теплопередачи для нормального ведения процесса.

На основе известных данных, уравнений реакций и кинетических закономерностей для каждой стадии составляется система материаль­ных и тепловых балансов, из которых рассчитывается количество передаваемого тепла. По расходу этого тепла можно рассчитать либо максимально потребную поверхность теплопередачи, либо расход теп­лоносителя, либо его начальную и конечную температуру.

Рассмотрим на примере графика на рис. 9.3 порядок расчета многостадийного периодически действующего реактора для простой реакции первого порядка А = В. Допустим, что известны: времена про­текания стадий г,—т7, температуры 7", — 7^ и степени превращения клю­чевого компонента А в конце третьей стадии — ХА{, в конце четвертой стадии — ХА1 и в конце пятой стадии — Хлу Кроме того, известны все физико-химические свойства компонентов и энтальпия реакции АН. Зависимость константы скорости реакции от температуры выражается известной функцией к = к(Т).

1- я стадия. Эта стадия технологического расчета не требует, так как основной ее параметр — время протекания — определен расчетным заданием.

2- я сталия. Здесь возможно снижение или увеличение температуры загружаемых реагентов за счет теплообмена с материалом реактора. Запишем уравнение теплового баланса

Т, С,Тх + N А0 САТА = (тгСг + А^0 СА)Т2

ТгСг Т + NАо Сл

Т, Сг + N. о СА

Здесь ш, и Сг — масса и теплоемкость материала реактора; N4^ и СА — число молей компонента А и его теплоемкость,

Таким образом, определена начальная температура в реакторе Т2.

3- я стадия. На этой стадии происходит доведение температуры процесса до заданной — Т3. Допустим, что реакция эндотермична (АН — положительна) и требуется нагрев реакционной смеси. Из урав­нения баланса тепла определяется количество тепла, необходимое для нагревания реакционной смеси

& = N. о ХМАН + № о СА([ - Хм) + ЫА0 Хм СВ)(Т3 - Т2).

Среднее значение теплового потока третьей стадии (Вт) выразится уравнением п

9 - г - т '

Т3 Т2

Имея значение теплового потока, можно определить расход тепло­носителя. Определяя известными методами коэффициент теплопере­дачи по заданным температурам теплоносителя и реакционной смеси, можно найти поверхность теплопередачи на рассматриваемом этапе технологического процесса:

4- я стадия. Здесь протекает изотермический процесс при постоян­ном коэффициенте теплопередачи. В этом случае уравнение баланса тепла будет

Оі = ^АО ~ Ха)АН■

Значение теплового потока выразится также формулой

Е2

Д2 ------- -—.

% - т3

Требуемая поверхность теплообмена в этом случае будет равна

4-і

£ =

5- я стадия. На этом этапе происходит охлаждение реакционной смеси с затуханием химической реакции. Уравнение баланса тогда выразится формулой

= ли*,, — XЛ{)АН + (Л^С, (1 — ХАз) + Л^0X»Св)(Т4 —7]).

Среднее значение теплового потока выразится также формулой

Т5 т4

Требуемая поверхность теплообмена в этом случае будет равна

Яг

К, АТгп *

6- я и 7-я стадии. Эти стадии расчету не подлежат, так как их основ - ной параметр — время протекания — задан.

В качестве расчетной, принимают наибольшую поверхность тепло­обмена из полученных.

Если в реакторе на какой-либо стадии происходит плавление, крист&члизация, испарение или конденсация компонентов реакции, то энтальпии этих процессов должны быть учтены соответствующими слагаемыми в уравнениях теплового баланса.

При проектном расчете реактора необходимо иметь данные о годо­вой производительности установки, о стехиометрических и кинетиче­ских закономерностях процесса и о выходе целевого продукта реакции. Разбивка процесса на стадии и определение времени их протекания входит в задачу такого расчета. Основным результатом проектного рас­чета является определение основных конструктивных размеров реак­тора и еготеплопередаюших поверхностей.

Сложность проектного расчета заключается в зависимости конст­руктивных размеров аппарата и времен проведения процесса на стади­ях 3, 4 и 5. Здесь приходится составлять систему материальных и теп­ловых балансов совместно для всех трех стадий и решать ее любыми численными методами (чаще всего методом последовательных при­ближений).