Химический реактор – основной аппарат любого химического процесса:
1) он определяет экономическую эффективность всего технологического процесса
2) определяет конструктивные особенности процесса
3) определяет технические показатели
4) определяет эксплуатационные характеристики.
Реактор идеального вытеснения – трубчатый аппарат, имеющий вид удлиненного канала, через который реакционная смесь движется в поршневом режиме. Каждый элемент потока, условно выделенный двумя плоскостями, перпендикулярными оси канала, движется через него как твердый поршень, вытесняя предыдущие элементы потока и не перемешиваясь ни с предыдущими, ни со следующими за ним элементами.
Если в проточном РИС концентрации во всех точках равны конечной концентрации, то в РИВе в двух соседних точках на оси реактора концентрации реагентов уже отличаются.
Какие задачи решает теория химических реакторов?
1) разработка методов расчета реакторов
2) разработка принципов математического моделирования
|
|
3) оптимизация различных типов реакторов.
На конструкцию реактора влияет:
- фазовое состояние системы
- тепловые условия
- кинетические особенности
- уровень давления
- характер воздействия реакционной среды на материал аппарата (коррозионные особенности).
Требования к реакторам:
1) обеспечение оптимального времени пребывания
2) создание наилучшего контакта реагирующих веществ
3) обеспечение оптимальной температуры
4) механическая и коррозионная стойкость
5) удобство обслуживания, монтажа и ремонта, малый вес, малая стоимость.
Вводится понятие идеальных потоков.
1) они характеризуются ясностью физической картины
2) простота математического описания
3) удобство анализа протекания процесса
Идеальные потоки:
1) поток идеального вытеснения
-равномерность движения
U=const (скорость испарения)
τ=idem (постоянна)
-фронт потока движется как твердый поршень
2) поток идеального смешения
Особенности идеальных потоков.
1) они не содержат параметров, отражающих структуру потока
2) единственный параметр потока – время пребывания
Таким образом все потоки идеального смешения подобны и все потоки идеального вытеснения подобны.
Реализуется поток идеального вытеснения.
Допущения:
- плоский профиль скоростей
- отсутствие перемешивания вдоль осей реактора
- в каждом отдельно взятом сечении, перпендикулярном оси потока, параметры процесса (концентрации, температуры) полностью выравнены.
Особенности:
1) течение реагентов – турбулентное
2) концентрации меняются непрерывно вдоль оси потока
3) в фиксированных точках аппарата концентрация постоянна во времени.
|
|
Таким образом мы имеем трубчатый реактор с большим отношением L/D.50. В реакторе поршневой поток реагентов и теплообмен через стенку.
Достоинства:
- простота конструкции
- высокий выход на единицу объема аппарата
- легкость обслуживания, регулирования, возможность автоматизации.
Недостатки:
- большое гидравлическое сопротивление трубчатых реакторов,
- трудность чистки таких аппаратов
Уравнение материального баланса:
Согласно уравнению материального баланса элементарного объема:
-ū*gradCj+D▼2Cj-Wrj=dCj/dτ
В качестве элементарного объема будем рассматривать объем, вырезанный двумя параллельными плоскостями, находящимися друг от друга на бесконечно малом расстоянии dz и перпендикулярными оси канала z. В этом элементарном объеме в соответствии с третьим допущением ∂Cj/∂x=0, ∂Cj/∂y=0. Следовательно, конвективный перенос происходит только в направлении оси z.
В соответствии со 2 и 3 допущениями диффузионный перенос в реакторе идеального вытеснения отсутствует (то есть градиент концентрации равен нулю, тогда отсутствует и вся диффузионная составляющая):
D▼2Cj=0
▼2Cj=(∂2C/∂x2+∂2C/∂y2+∂2C/∂z2)
Тогда уравнение для реактора идеального вытеснения в нестационарном режиме работы:
-u*(∂Cj/∂z) – Wrj= dCj/dτ
При стационарном режиме dCj/dτ=0 и тогда:
-u*(dCj/dz) – Wrj=0,
В реакторе с постоянной площадью поперечного сечения канала линейная скорость потока uz будет величиной постоянной, равной отношению объемного расхода к площади сечения: uz=υ/F. Тогда с учетом того, что Fz/υ=V/υ=τср:
WrA= -dCA/dτср – уравнение мат. баланса идеального вытеснения
τср – среднее время пребывания реагентов в проточном реакторе, характеризующее для реактора вытеснения продолжительность прохождения потоком расстояния от входа в реактор до некоторой точки z на оси реактора.
τ имеет другой физический смысл – время, в течение которого в некоторой фиксированной точке внутри реактора происходит изменение параметров процесса.
При интегрировании относительно τср:
или, если J – исходный реагент,
Пример: A→(K) R
WrA=KCA
dτ= -dCA/WrA
τ= -∫(от СА0 до СА) dСА/(KCA)= -(1/K)*ln(CA/CA0)
L – длина реактора
Применяется РИВ для больших производительностей, для проведения реакций, связанных с большим тепловыделением. Реакторы идеального вытеснения находят широкое применение для проведения как гомогенных, так и гетерогенных каталитических процессов (например, окисления NO в NO2, SO2 в SO3, синтеза аммиака и метилового спирта, хлорирование этилена, сульфирования пропилена и бутилена и т.д.).
3) Паро-воздушная конверсия метана в производстве технологического газа для синтеза аммиака. Физико-химические особенности процесса, выбор технологического режима, аппаратурное оформление процесса.
Химическая схема производства HNO3.
I Получение азотно-водородной смеси.
1) очистка СН4 от сернистых соединений.
2) Паровая конверсия.
CH4+H2O↔3H2+CO-Q
3) Кислородная конверсия
СH4+0,5O2↔2H2+CO-Q
4) конверсия СО
CO+H2O↔H2+CO2+Q
5) Очистка конвертированного газа.
II Синтез NH3.
III Получение HNO3.
Принципиальная схема получения азотоводородной смеси.
1) трубчатая печь.
1 – очистка СН4
2 – трубчатая печь, паровая конверсия
3 – кислородная конверсия
4 – конверсия СО
5 – очистка СО и СО2
Синтез-газ - состоит из СО и Н2. Получают конверсией природного горючего газа с водным паром и О2, а также газификацией топлив. Сырье в производстве углеводородов, метилового спирта и др.
Синтез-газ из углеводородных газов является основным источником получения аммиака и метанола.
Конверсия газов - переработка газов с целью изменения состава исходной газовой смеси.
Паровая конверсия метана при получении синтез-газа протекает по следующей реакции:
|
|
CH4+H2O↔3H2+CO-Q- реакция обратимая, эндотермическая, идет с увеличением числа молей газообразных веществ (∆V>0).
Конверсия метана кислородом:
1) СН4+0,5О2↔СО+2Н2+Q
СН4+2О2↔СО2+2Н2О+Q
2) СН4+Н2О↔СО+3Н2-Q
СН4+СО2↔2СО+2Н2-Q
Рассмотренные процессы конверсии метана водяным паром и кислородом протекают с различным тепловым эффектом: реакции паровой конверсии эндотермические, требуют подвода теплоты; реакции кислородной конверсии экзотермические, причем выделяющейся теплоты достаточно не только для автотермического (без подвода теплоты извне) осуществления кислородной конверсии, но и для покрытия расхода теплоты на эндотермические реакции паровой конверсии. Поэтому конверсию метана целесообразно проводить со смесью окислителей.
Для достижения остаточного содержания СН4 примерно 0,5% конверсию ведут в две стадии: паровая конверсия под давлением и паровоздушная конверсия с использованием кислорода воздуха.
Уравнения паровоздушной конверсии метана:
СН4+0,5О2↔СО+2Н2+Q (Т↓, Т=1000ᵒС, Р↓, Р=3-4 МПа)
CH4+H2O↔3H2+CO-Q (Т↑, Т=900ᵒС, Р↓, Р=3-4 МПа, Н2О:СН4=2:1, кат. Ni, Al2O3)
Если в качестве окислителей используют водяной пар и кислород, процесс называется парокислородной конверсией, если – водяной пар, кислород и воздух, то – парокислородовоздушной.
Природный газ сжимают в компрессоре 16, смешивают с азотоводородной смесью и подают в подогреватель 4, где реакционная смесь нагревается до 370-400ᵒС. Далее нагретый газ подвергают очистке от сернистых соединений: в реаторе 5, а затем в адсорбере 6 сероводород поглощается сорбентом. Очищенный газ смешивается с водяным паром и полученная парогазовая смесь поступает в конвекционную зону трубчатой печи 8. В радиационной камере печи размещены реакционные трубы, заполненные катализатором конверсии метана, и горелки, в которых сжигается природный или горючий газ. Парогазовая смесь нагревается в подогревателе 7 и затем под давлением распределяется сверху вниз по большому числу труб, заполненных катализатором. В трубчатой печи 8 выделяется большое количество тепла, и это тепло расходуется на подогрев в реакторе 9. При температуре 800-900ᵒС конвертированный газ поступает в конвертор метана II ступени (паровоздушная) 9 – реактор шахтного типа. В его верхнюю часть компрессором 15 подается технологический воздух, нагретый в конвекционной зоне печи 7 до 500 ᵒС. Парогазовая и паровоздушная смеси поступают в реактор раздельными потоками в соотношении, требуемом для обеспечения почти полной конверсии метана и получения технологического газа с определенным соотношением (СО+H2):N2.
|
|
При температуре 1000ᵒС газ направляется в котел-утилизатор12, вырабатывающий пар. Здесь реакционная смесь охлаждается до 500ᵒС и идет в конвертор СО I ступени10, где на железохромовом катализаторе протекает конверсия основного количества оксида углерода водяным паром. Выходящая из реактора газовая смесь поступает в паровой котел 12, где охлаждается до 220ᵒС и подается в конвертор СО II ступени 11, заполненный низкотемпературным катализатором, где содержание СО снижается до 0,5%. После охлаждения конвертированный газ при температуре окр. среды поступает на очистку.
Из 13 насоса вода поступает в 12 холодильник, вода испаряется, получаем пар низкого давления. Затем пар идет в следующий 12 холодильник (400-500ᵒС). Получаем пар среднего давления и затем в последний 12 холодильник, получаем пар высокого давления. Пар поступает в трубчатую печь 7, перегревается и идет на 14 турбину. На ней вырабатывается электроэнергия. Пар теряет свои свойства и становится паром среднего давления. Идет в 15 и 16 турбины и приводит в действие насосы.
1,2,3 аппараты – для очистки
Таким образом, паровая конверсия проводится в трубчатом реакторе №8, а паровоздушная – в реакторе шахтного типа 9.