ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

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 поверочном 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 теплонапря - женности 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.

т

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 ті - І7, температуры Т-Т$ и степени превращения ключевого компо­нента А в конце третьей стадии - ХА[, в конце четвертой стадии - ХА2 и в конце пятой стадии - Хаз - 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 стадия. Здесь возможно снижение или увеличение температу­ры загружаемых реагентов за счет теплообмена с материалом реактора. Запишем уравнение теплового баланса:

mrCrTx + NaoCaTa = (mrCr + NA0CA)T2;

T mrCrTx + NaoCaTa 2 mrCr + NaoCa

Здесь mr и С, - масса и теплоемкость материала реактора; Nao и С а ~ 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 - Г3. Допустим, что реакция эндотермична (АН - положительна) и требуется нагрев реакционной смеси. Из уравнения ба­ланса тепла определяется количество тепла, необходимое для нагрева­ния реакционной смеси:

а = NaoXaiAH + (NaoCa(1 - Хм) + НА0ХА1СВ)(Т3 -Т2).

Среднее значение теплового потока третьей стадии (Вт) выразится уравнением

01

Ч=——■ 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:

с1

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

1 =nA0(xA2 - хА1)ан.

Значение теплового потока выразится также формулой

02

Чг =---- —■

*4 “*3

Требуемая поверхность теплообмена в этом случае будет равна

q2

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

03 = Nao(X^ - ХА2)АН + (NaoCa(1 - ХАЗ) + NA0XA3Cb)(T4 - Т3). Среднее значение теплового потока выразится формулой

03

Чз =

Требуемая поверхность теплообмена в этом случае будет равна:

£з =

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

В качестве расчетной принимают наибольшую поверхность тепло­обмена из полученных.

Если в реакторе на какой-либо стадии происходит плавление, кри­сталлизация, 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, 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 его теплопередающих 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).