ТЕХНОЛОГИЯ КАРБАМИДА

Коэффициент полезного действия реактора синтеза карбамида

Количественная оценка к. п. д. реактора — практи­чески важная задача, позволяющая определить максимальный резерв производительности реакционного объема промышленных колонн синтеза. Рассмотренный выше способ интенсификации мощности промышленных колонн при всей его эффективности полностью не разрешает поставленную задачу, так как относится к аппаратам смешения.

Величина к. п. д. позволяет определить увеличение производи­тельности при переходе от аппарата смешения к аппарату вытесне­ния. Если бы колонна синтеза карбамида была безградиентным аппаратом смешения, величину к. п. д. tj* можно было бы опре­делить делением левых частей уравнений (1.57) и (1.51), полагая в последнем т = тп = рсм I (1 + - ij I + ~ W) qCo2, где тп —

Время пребывания. Однако колонна синтеза не является безгра­диентным аппаратом, несмотря на то, что кинетика процесса в ней описывается уравнением для случая идеального смешения при х = хв. Отношение высоты к диаметру у действующих колонн более 10, а наличие градиента концентрации карбамида по высоте обнаружено экспериментальным путем [33].

Колонну синтеза карбамида представили как градиентный аппарат, в каждом стационарном объеме которого существует идеальное смешение, но интенсивность смешения убывает по высоте аппарата. При таком подходе к. п. д. аппарата г|;; можно представить в виде [34]:

1 Тп

Тп j 0

Где г|т — функция распределения к. п. д. по времени пребывания смеси в колонне.

Физический смысл г|т установили с помощью представлений статистической теории смешения, получившей в настоящее время значительное развитие [35]. Оказалось, что фиксированную величину г|;, относящуюся к і-му стационарному объему смешения, можно представить как вероятность того, что элементы раздроб­ленной при смешении мыслимой поверхности контакта г-го объема с соседним (і — 1)-ым объемом не попадут в г-й стационарный объем смешения. Количественно т]г- выражается следующим обра­зом [35]:

Пі == ехр {— Й! 11 — ехр (— Vr,-)]} (1.59)

Где аь Ьг — свойства среды, тг — продолжительность смешения.

Уравнение (1.59) применили к описанию потока жидкости со всплывающими и растворяющимися пузырьками. Пузырек из г-го объема, опережая движение жидкой фазы, оказывается в (і + + 1)-ом объеме, где растворяется. Распад поверхности пузырька при растворении представляет собой физическую модель раздроб­ления поверхности контакта на элементы. Последние больше не участвуют в движении пузырька и их время пребывания в пределах,
(і 4- 1)-го объема совпадает со временем пребывания жидкости в нем. Это дает возможность считать xt в (1.59) пропорциональным тш а само уравнение ■— искомой функцией распределения t]T. В результате после ряда преобразований нашли [34]:

(— 1)п+' (іпі^)" (і

%

(х* +■ W) Зах*—хд

In

B' = bxbz = — (1 — л:*) kjx* In

Где вх*-хЕ — среднеквадратичная ошибка определения разности

X* — Х3\ Ьг — Коэффициент пропорциональности Между Т( И Тд.

Все входящие в (1.60) величины определяются опытным путем, т. е. величина к. п. д. колонны может быть вычислена по заданным условиям проведения процесса синтеза и времени пребывания. Экспериментальную проверку (1.60) выполнили по данным хв — — тп, полученным на действующей колонне синтеза с объемом 12 м3, работающей при Р = 19 МПа, Т = 463 К, L = 4,4, W = 0. Различные величины ти получали изменением нагрузки колонны в широких пределах. В результате нашли экспериментальную зависимость т^ = f (тп), представляющую собой функцию распре­деления для конечного стационарного объема смешения. Величины г|кКСП нашли в соответствии с уравнением (1.58). По уравнению (1.59) безразлично, к какому сечению относится т]г, т. е. определе­ние т]кКСП по г\х = / (тп) корректно. Сравнивая тік из (1.60) и

ГіГп, нашли, что эти величины максимально различаются не более, чем на 8% (отн.) в интервале т„ = 10—50 мин, представ­ляющем практический интерес (рис. 1.10).

К. п. д. т]к позволяет раскрыть значительные резервы произво­дительности промышленных реакторов синтеза. При такой оценке необходимо различать два крайних случая: 1) повышение произво­дительности реактора П за счет перевода его в режим вытеснения (при неизменной степени конверсии с соответственным увеличением нагрузки аппарата вытеснения по сравнению с аппаратом смеше­ния); 2) повышение производительности при неизменной нагрузке аппарата с возрастанием степени конверсии в аппарате вытеснения:

1) П® =ITjM/r|K; 9с0з>9со2; (V Р. Т. L, W)idem

В способе (2) величина т]к, фигурирует в неявном виде, аразность л'е — xl\ например, при W = 0 можно найти следующим обра­зом [34]:

Лс - v* Г ЄХР - 1 1 , 1 + ^сТр Г (l+fecTn)2 1

- * L ехр (B3kстп) + 1 + ж* J + 2A3kcxa у 4А2 + А3 •

Где А3 = (1 — х*)/х**\ В3 = (2 — х*)/х*.

Как видно, рассматриваемый способ повышения производи­тельности аппаратуры принципиально отличается от описанного выше: интенсификация в данном случае может достигаться либо без снижения степени конверсии, либо при ее повышении, когда реактор смешения тем или иным способом превращают в реактор вытеснения (рис. 1.11). В свою очередь, крайние случаи (1) и (2) различаются технологическим назначением: случай (1) может быть наиболее пригоден к усовершенствованию установок средней мощности для максимального использования резервов производи­тельности аппаратуры; случай (2) предпочтителен для высоко­мощных установок с целью максимально возможного снижения масштаба рецикла неконвертированных реагентов и прямо связан­ных с этим рециклом удельных энергозатрат.

Оценка показывает, что способом (1) можно увеличить произ­водительность реактора в технологических схемах с полным жидкостным рециклом примерно в 2 раза с сохранением масштаба рецикла, а способом (2) — снизить масштаб рецикла неконверти - рованного карбамата аммония примерно в 1,8 раза с одновремен­ным увеличением производительности агрегата на 15%. Поэтому 50
разработка эффективных способов перевода реакторов в режим вытеснения в настоящее время приобретает первостепенное значе­ние в развитии технологии синтеза карбамида.