IV. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ.4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕАКТОРАХ. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ. Def. Реактор - аппарат, в котором осуществляют химические реакции. Химические реакторы – самый важный вид химической аппаратуры; главное, центральное звено ХТС. В них не только совершаются химические превращения, но и протекают сопутствующие процессы массо- и теплообмена и интенсивное движение среды. От правильности выбора типа и конструкции реактора и режима его работы в наибольшей степени зависит эффективность и безопасность процесса в целом. Требования к реакторам и показатели эффективно- сти работы - те же, что и к остальному оборудованию (§ 2.4.2.); отличаются наибольщей жёсткостью. 4.2. Основные конструктивные типы промышленных реакторов. Многолетний опыт и научные изыскания позволили к настоящему времени разработать несколько основных конструктивных типов химических реакторов. Эти базовые конструкции также лежат в основе устройства более сложных реакторов. Принципиальная общность конструктивных решений в реакторах каждого класса определяется их назначением, т.е. в первую очередь фазовым состоянием реакционной системы и температурным режимом ХП. В каждом классе существует много конкретных вариантов конструктивного исполнения аппарата.^ Таблица 2- Основные конструктивные типы реакторов, применяемых в производствах ТОС Конструктивный тип реактора Область и условия применения Фазовое состояние систем Температураи давление(конструктивные) Тип процесса 1. Реактгоры-котлы. (Ёмкостные с перемешивающими устройствами).В отраслях ТОС≈ 95% всего парка реакторов ЖЖ-ЖГ-ЖЖ-ТГ-Ж-Т T =[ (-80)…400]OCP=[(-0,001)…40] МПа Разнообразные каталитические и нека-талитические процессы в конденсированных средах с интенсивным перемешиванием и теплообменом при различных температурах и режимах движения реакционной среды в периодических и непрерывных процессах. 2. Ёмкостные барботажные А. без с перемешивающх устройств Г:Ж T =[ (-20)…300]OCP=[(-0,01)…1] МПа Ряд процессов сульфирования, галогенирования, дедиазонирования с азеотропной отгонкой воды из продуктов 3. Трубчатые. «труба-в-трубе»В т.ч. пульсационные Г, ЖЖ-ЖГ-ЖЖ-ТГ-Ж-Т T =[(-100)…1000] OCP=[(-0,001)…50] Мпа Разнообразные каталитические и нека-талитические непрерывные процессы с интенсивным перемешиванием и теплообменом при различных температурах. 4. Кожухотрубчатые Г, ЖЖ-ЖГ-ЖЖ-ТГ-Ж-Т T =[(-100)…1000] OCP=[(-0,001)…10] Мпа Разнообразные каталитические и некаталити-ческие непрерывные процессы с интенсивным перемешиванием и теплообменом при различных температурах. 5. Колонны (насадочные и тарельчатые) Г-Ж T =[(-20)…500] OCP=[(-0,001)…50] МПа Процессы в условиях кипения реакционной среды или с интенсивным барботажем газа 6. Полочные ГГ-ТГ-Ж T =[(-50)…200] OCP=[(-0,001)…1] Мпа Обжиг твёрдых продуктов. Каталитические процессы в условиях неподвижного, движущегося и псевдоожиженного слоя катализатора. Абсорбционно-химические процессы 7. Многозонные контактные аппараты со встроенными теплообменными устройствами Г-ТГ-Ж-Т T =[(-100)…1300] OCP=[(-0,001)…10] Мпа Каталитические процессы в услових не-подвижного, движущегося и псевдоожи-женного слоя катализатора с организацией интенсивного теплообмена 8. Ванные Ж T =[(-10)…100] OCP:= атмосферное Процессы электрохимического синтеза 9. Камерные Г, Г-ТГ-Ж T =[500…2500] OCP=[0,1…1] Мпа Печи обжига. Коксовые печи. Камеры сгорания тепловых двигателей и энергоустановок Выбор типа реактора производится с учётом всей полноты действующих факторов.3.3. Макрокинетика ХП и динамика химических реакторов.^ 3.3.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ ДЛЯ РЕАКТОРОВ. Главная задача, решаемая технологом при использовании реакторов: определение типа, конструктивных и технических параметров аппарата; оптимизация условий ведения процесса и работы (эксплуатации) аппарата; принятие необходимых мер по обеспечению безопасности и устойчивости работы реактора. Успешное решение её невозможно без правильного по существу и полного по содержанию понимания сути и механизма протекающих в реакторе процессов и явлений. Здесь необходимо сделать ряд ссылок на ранее изучавшиеся курсы. Классическая теория ПАХТ изучает все процессы, кроме химических. С другой стороны химия – неорганическая, органическая, в меньшей степени физическая – изучают именно химические процессы, мало занимаясь явлениями переноса. В реальных же процессах (осуществляемых в реакторах) одновременно протекают и химические реакции и явления переноса. Химические превращения изменяют состав среды, что изменяет все её физические свойства – плотность, теплоёмкость, вязкость, теплопроводность, диффузию, упругость; с другой стороны (что яснее видно из курса ПАХТ) теплопередача и диффузия в огромной степени влияют на температуру и концентрации всех реагентов в реакторе – т.е., на протекание химических реакций. Поэтому строгие расчёты, выполняемые технологами – как при проектировании (проверке правильности выбора реактора), так и при оптимизации технологических режимов работы уже функционирующих в реальных процессах реакторов, - должны учитывать все характерные для реакторов явления. Задача эта решается путем исследования макрокинетики ХП и динамики реакторов. Def. Макрокинетика: кинетика реальных сложных химических процессов с учётом явлений переноса массы, количества вещества, теплоты, импульса, поглощения и испускания излучений.Def. Динамика: реальные изменения состояния реактора и хода ХП, обусловленные внутренним механизмом процесса, условиями его проведения и влиянием различных возмущений, возникающих в ходе работы. В основе описания макрокинетики и динамики ХП лежат дифференциальные уравнения движения вещества, импульса, энергии (и иных свойств материи) в физико-химическом процессе с учётом конвективного и турбулентного переноса вещества – уравнения Умова (Умова-Пойнтинга). Это уравнение, в отличие от уравнений Навье-Стокса, Рейнольдса, Фурье-Кирхгофа и Фика, учитывает то, что химические превращения, а также межфазный перенос, загрузки в реактор реагентов и отвод продуктов из реактора приводят к образованию и исчезновению веществ внутри реактора – такие эффекты в теоретической физике называют источниками и стоками субстанций. Под «субстанцией» понимают как вещество, так и присущие ему свойства (наиболее общее свойство – химический потенциал). Общая форма этого уравнения= Σ IOS - Σ ICS - div (J + S w) (1) S – субстанция (свойство); IOS – мощность источников субстанции; ICS – мощность стоков субстанции; J - конвективный поток; w – линейная скорость. Для прояснения физико-химической сущности явлений достаточно рассмотреть задачу в одномерном представлении. Рассмотрим элемент объёма реактора dV. Движение среды будем считать одномерным. Изменением удельного объёма среды пренебрежём._________ | Wr | Wr - векторная сумма скоростей химических реакций, кмоль/с;| IO IC |wl wl - линейная скорость потока, м/с; |_________ | (ρλην) С - концентрация в сечении l, кмоль/м3 | | C+dC - концентрация в сечении l+dl, кмоль/м3 l l+dl ρ – плотность среды, кг/м3 C C+dC λ – теплопроводность среды, Вт/м К ή - обобщённый динамический коэффициент вязкости среды, Па.с ΰ- обобщённый кинематический коэффициент вязкости среды, м2/сСР – теплоёмкость среды, Дж/кг.К; ά= λ/ ρСР - – температуропроводность среды, м2/с IO – мощность физических источников вещества, кмоль/с; IC– мощность физических стоков вещества, кмоль/с; Рисунок 2. ^ Схема элемента реакционного объёма. В отсутствие внешних полей динамика процесса в элементе объёма реактора dV выражается системой уравнений Умова – Пойнтинга для переноса массы, количества вещества, тепла и импульса – т.н., характеристической системой уравненийПеренос массы (материальный баланс) – выражается уравнением сплошности (2)^ Перенос количества вещества - макрокинетика= Σ IOS - Σ ICS Wr (1 - С ) - wl + D (3) I II III IV V где D - коэффициент перемешивания, м2/с. ^ Перенос тепла ρСР= Σ IOSН0S - Σ ICSНСS- Σ WR ΔНR + Wr ρСР Т - wl ρСР + λ (4) VI VII VIII IX X XI XIIПеренос импульса (течение среды) ρ = ρ wl (WRΔV - ) - + ή (5) XIII XIV XV XVI XVII Где Σ IOS – интенсивность физических источников вещества, кмоль/м3с; Σ ICS– интенсивность физических стоков вещества, кмоль/м3с; Н0S, НСS – энтальпии вносимых и уносимых веществ, Дж/кмоль; ΔНR – тепловой эффект реакции, Дж/кмоль; ΔV – изменение молярного объёма в результате реакции, м3/кмоль;D - коэффициент перемешивания (турбулентно-молекулярной диффузии), м2/с;. ή – динамический коэффициент турбулентно-молекулярной вязкости, Па.с. Знак «» зависит от того, рассматривается ли концентрация реагента или продукта реакции. Для полной характеристики задачи требуется также формулирование начальных и граничных условий. В целом это требует проведения большого объёма экспериментальных работ и вычислений. Сложность уравнений Умова приводит к тому, что в подавляющем большинстве случаев для практических целей прибегают к их упрощению на основе теории подобия. Т.е., упрощают задачу путём осреднения ряда параметров. Это позволяет перейти от уравнений математической физики к обыкновенным дифференциальным уравнениям, и в ряде случаев получить аналитические выражения, хорошо приближающиеся к эксперименту. В качестве примера рассмотрим уравнение переноса количества вещества (5). Преобразование формулы (5) в соответствии с теорией подобия даёт выражение (членом III обычно пренебрегают) С/τ = Σ IOS - Σ ICS Wr - wl С/L + D С/ L2, (8) Iа IIа IIIа IVа где L - определяющий линейный размер, м.^ Из этого выражения получают основные критерии подобия. Делением членов (III) : (IV) - критерий Боденштайна (иногда называют критерием Пекле для реакторов) - выражающий соотношение конвективного и турбулентного переноса вещества. Во = , (9) Делением членов (II): (III) - первый критерий Дамкелера - выражающий соотношение скорости реакции и конвективного переноса вещества. DaI =, (10) где = L/ wl - среднее время пребывания потока в реакторе, с. Делением членов (II): (IV) - второй критерий Дамкелера DaII = , (11) DaII выражает соотношение скорости реакции и интенсивности турбулентного переноса вещества.^ Аналогично из уравнения (6) выводят третий и четвёртый критерии Дамкелера. Делением членов (II): (III) - третий критерий Дамкелера, выражающий соотношение тепловой мощности реакции и конвективного переноса тепла. DaIII= , (12) где = L/ wl - среднее время пребывания потока в реакторе, с. Делением членов (II): (IV) - четвёртый критерий Дамкелера, выражающий соотношение тепловой мощности реакции и турбулентного переноса тепла. DaIV= , (13) На основании вышеприведённых соотношений выводят т.н. характеристическое уравнение реактора, а точнее –характеристическую систему уравнений, выражающих связь между степенью превращения, скоростью и временем протекания ХП. Характеристическое уравнение - основа технологического расчёта реакторного процесса.^ Def. Характеристическое уравнени