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.

Рисунок К тепловому расчету реактора периодического действия

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

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 рисунке порядок расчета многостадийного периодически действующего реактора для простой реакции первого порядка А = В. Допустим, что известны: времена про­текания стадий τ₁ - τ ₇, температуры Т₁ - Т₄ и степени превращения клю­чевого компонента А в конце третьей стадии - Х_А], в конце четвертой стадии — Х_А2 и в конце пятой стадии — Х_А3 Кроме того, известны все физико-химические свойства компонентов и энтальпия реакции ΔН. Зависимость константы скорости реакции от температуры выражается известной функцией k = k(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:

тrСrТ₁ + N_A0 С_АТ_А = (m_rC_r + N_AQ С_А)Т₂;

Здесь m_r и C_r - масса и теплоемкость материала реактора; N_A0 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 - Т₃. Допустим, что реакция эндотермична ( Δ Н- положительна) и требуется нагрев реакционной смеси. Из урав­нения баланса тепла определяется количество тепла, необходимое для нагревания реакционной смеси

Q₁ = N_AOX_A1 ΔН +(N_AOC_A(1- X_A1) + N_AOX_A1C_B) (Т₃- Т₂)

Среднее значение теплового потока третьей стадии (Вт) выразится уравнением: q₁ = Q₁ / /(t₃ – t₂)

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: S₁ = q ₁ / K₁ Δ Т_ср

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

тепла будет

Q₂ = N_A0 (X_A2 -X_Al ) Δ H

Значение теплового потока выразится также формулой: q₂ = Q₂ / /(t₄ – t₃)

Требуемая поверхность теплообмена в этом случае будет равна:

S₂ = q ₂ / K₂Δ Т_ср

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

Q₃ = N_AO(X_A3 - X_A2) ΔН +(N_AOC_A(1- X_A3) + N_AOX_A3C_B) (Т₄- Т₃)

Среднее значение теплового потока выразится также формулой:

q₃ = Q₃ / /(t₅ – t₄)

Требуемая поверхность теплообмена в этом случае будет равна:

S₃ = q ₃ / K₃Δ Т_ср

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, 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 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).

Дата добавления: 2014-01-07