Сравнение реакторов идеального вытеснения и полного смешения в адиабатическом режиме работы
Кафедра: технология переработки пластмасс и эластомеров
Курсовая работа
Тема: СРАВНЕНИЕ РЕАКТОРОВ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ И ПОЛНОГО СМЕШЕНИЯ В АДИАБАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ
Студент
Руководитель
Оценка за курсовой проект ___________ _______________________
Санкт-Петербург
2011 г
Задание на курсовую работу
Процесс гидрохлорирования ацетилена: C2H2 + HCl = C2H3Cl - ΔH°
1. Выбрать реактор для проведения процесса в адиабатическом режиме (адиабатический РИВ или адиабатический РПС). Обосновать свой выбор.
2. Проанализировать изменение объёма реактора (Vr), выбранного по п. 1.1 , от температуры на входе в реактор (Т0), давления в реакторе (Р) и времени нахождения реакционной смеси в реакторе (τ).
Исходные данные процесса:
Объёмный расход реакционной смеси на входе в реактор: V0 = 90000 м³/с
Состав исходной газовой смеси (в мольных долях):
Z0(C2H2) = 0,25
Z0(HCl) = 0,3
Z0(C2H3Cl) = 0,02
Z0(Cl2) = 0,1
Остальное – инерт (N2)
Кинетическое уравнение процесса:
U = k·P(C2H2)·P(HCl)½·P(HCl)½·[1 – P(C2H3Cl)/ Kp·P(C2H2)·P(HCl)]
Выражение для константы скорости:
ln(k) = 11,15 – 34070/ R·T
Выражение для константы равновесия химической реакции:
ln(Kp) = - 0,635 + 13024/T + 2,61·10-3·T – 1,3775·10-6·T² - 84232,9/T² - 2,78·ln(T)
Содержание
ВВЕДЕНИЕ…………………...………………………………
1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ ГИДРОХЛОРИРОВАНИЯ АЦЕТИЛЕНА С ПОЛУЧЕНИЕМ ВИНИЛХЛОРИДА………………………………………………
2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ХИМИЧЕКИХ РЕАКТОРОВ……...10
2.1. Реактор идеального вытеснения………………………………………..10
2.2. Реактор полного смешения……………………………………........
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ЭФФЕКТА, СУММАРНОЙ ТЕПЛОЁМКОСТИ И АДИАБАТИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА РЕАКЦИИ……………………………………………………………
3.1. Определение теплового эффекта реакции……………………………..18
3.2. Определение суммарной теплоёмкости исходной смеси……………..18
3.3. Определение адиабатического коэффициента реакции………………19
4. ВЫБОР РЕАКТОРА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА ГИДРОХЛОРИРОВАНИЯ АЦЕТИЛЕНА С ПОЛУЧЕНИЕМ ВИНИЛХЛОРИДА………………………………………………
4.1. Анализ реактора идеального вытеснения……………………………...20
4.2. Анализ реактора полного смешения…………………………………...23
4.3. Обоснование выбора реактора………………………………………….24
5. АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЁМА РЕАКТОРА (V0) ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ИСХОДНОЙ СМЕСИ (Т0), ДАВЛЕНИЯ В РЕАКТОРЕ (Р) И ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ РЕАКЦИОННОЙ СМЕСИ В РЕКТОРЕ (τ)………………………………………………………………………
5.1. Анализ изменения объёма реактора от температуры исходной смеси26
5.2. Анализ изменения объёма реактора от давления в реакторе…………29
5.3. Анализ изменения объёма реактора от времени пребывания в нём реакционной смеси…………………………………………………………...
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………
7. Приложение..………………………………………………
Введение
Одним из основных элементов любой химико-технологической системы является химический реактор.
Химический реактор – это аппарат, в котором осуществляются химические процессы, состоящие из реакций массо- и теплопереноса.
К реакторам относятся, например промышленные печи, реакторы с механическим, пневматическим и струйным перемешиванием, варочные котлы, гидрататоры.
Все аппараты, расположенные до реактора, необходимы для подготовки сырья к химической обработке; аппараты после реактора – для разделения получившихся продуктов. От правильности выбора реактора и его совершенства зависит эффективность всего технологического процесса.
Основные требования к промышленным реакторам:
1. Максимальная производительность и интенсивность работы.
2. Высокий выход продукта и наибольшая селективность процесса. Они обеспечиваются оптимальным режимом работы реактора: температурой, давлением, концентрацией исходных веществ и продуктов реакции.
3. Минимальные энергетические затраты на перемешивание и транспортировку материалов через реактор, а также наилучшее использование теплоты , подводимой в реактор для нагрева реагирующих веществ до оптимальных температур
4. Легкая управляемость и безопасность работы. Эти условия обеспечиваются рациональной конструкцией реактора и малыми колебаниями параметров технологического режима.
5. Низкая стоимость изготовления реактора и ремонта его.
6. Устойчивость работы реактора при значительных изменениях основных параметров режима.
Обычно не удается реализовать процесс в реакторе таким образом, чтобы были удовлетворены одновременно все предъявляемые к нему требования в виду их противоречивости. Приходится вырабатывать наиболее рациональные и экономичные решения, обеспечивающие поддержание заданных значений основных параметров процесса.
Химические реакторы отличаются друг от друга по конструктивным особенностям, размеру, внешнему виду. Наиболее значимы следующие признаки классификации химических реакторов и режимов работы: режим движения реакционной смеси, условия теплообмена в реакторе, фазовый состав, способ организации процесса, характер изменения параметров процесса во времени, конструктивные характеристики.
При отсутствии теплообмена с окружающей средой химический реактор называется адиабатическим. Вся теплота, выделившаяся или поглотившаяся в нём, идёт на обогрев или охлаждение реакционной смеси.
В зависимости от режима движения реакционной смеси существуют реакторы смешения и вытеснения. Реакторы смешения – ёмкостные аппараты с механическим перемешивающим устройством (мешалкой) или циркуляционным насосом. Реакторы вытеснения – трубчатые аппараты, имеющие вид удлинённого канала.
При проектировании реактора необходимы сведения о кинетике химической реакции и производительности реактора. Разрабатывая схему реактора, нужно решить, будет ли реактор работать непрерывно или периодически, определить модель реактора и указать способы подвода или отвода теплоты.
Степень перемешивания реагирующих масс в реакторах непосредственно влияет на режим их работы. Полное смешение обеспечивает постоянство параметров, в частности температуры во всем реакционном объеме, а при идеальном вытеснении температура, как правило, изменяется по высоте реакционного объема. В результате, в реакторах вытеснения меняется константа скорости реакции и соответственно скорости процесса. При сравнении моделей идеальных реакторов вытеснения и смешения условно принято постоянство температуры и соответственно константы скорости реакции для всех типов реакторов.
При исследовании работы реактора составляется математическое описание, под которым понимается система уравнений, позволяющих определить изменение в нём концентраций, температуры, давления и других параметров.
1. Краткие сведения о технологическом процессе гидрохлорирования ацетилена с получением винилхлорида
Хлористый винил, или винилхлорид, был впервые синтезирован Реньо в 1835 г. Он является важным полупродуктом промышленности пластических масс.
Одним из путей получения винилхлорида является гидрохлорирование ацетилена. Гидрохлорирование ацетилена можно проводить в жидкой или в газовой фазе.
Ж и д к о ф а з н ы й способ заключается в пропускании ацетилена и хлористого водорода при 60° С через катализатор (раствор хлористой меди CuCI и хлористого аммония в 12—15%-ной соляной кислоте). Образующийся хлористый винил в смеси с непрореагировавшим ацетиленом, парами воды и хлористым водородом на выходе из реактора поступает в орошаемый водой скруббер для удаления хлористого водорода. Далее паро-газовую смесь промывают охлажденным до —10° С раствором хлористого кальция; при этом происходит конденсация паров воды. После окончательной осушки газов твердым хлористым кальцием хлористый винил конденсируют, охлаждая его до —20° С, и в сепараторе отделяют несконденсированный ацетилен, возвращаемый в реактор.
При гидрохлорировании ацетилена в газовой фазе в качестве катализатора используют активный уголь, пропитанный солянокислым или водным раствором хлорной ртути (10% от количества угля).
Хлорная ртуть реагируете ацетиленом, образуя промежуточное ртутьорганическое соединение. При взаимодействии с этим соединением хлористого водорода образуется хлористый винил и регенерируется хлорная ртуть.
Ацетилен, направляемый на гидрохлорирование, предварительно подвергают осушке, а для удаления влаги из катализатора через него перед гидрохлорнрованием пропускают хлористый водород. Образующаяся соляная кислота стекает, не вымывая сулему из угля.
В процессе гидрохлорирования применяется синтетический высококонцентрированный хлористый водород, который должен быть тщательно очищен от свободного хлора, так как при реакции ацетилена с хлором происходит взрыв. Благодаря применению концентрированного хлористого водорода оборотный ацетилен значительно меньше разбавляется инертными газами; в связи с этим облегчается конденсация хлористого винила и уменьшаются его потери с отходящими газами. Для наиболее полного связывания ацетилена, присутствие которого в продуктах реакции крайне нежелательно, в исходной газовой смеси должен быть избыток хлористого водорода (5—10 объемп.%).
Технологическая схема синтеза хлористого винила из ацетилена и хлористого водорода в газовой фазе приведена на рис.1. Концентрированный ацетилен (97—99%-ный), очищенный от РНз, NHg и других вредных примесей, компрессором 2 нагнетается в систему под избыточным давлением 0,5 от и охлаждается до 3— 5е С в холодильнике 4 рассолом, циркулирующим в межтрубном пространстве. После отделения в сепараторе 5 от сконденсированной влаги ацетилен поступает на окончательную осушку в аппарат 6, заполненный твердой едкой щелочью. Осушенный ацетилен смешивается с сухим хлористым водородом в смесителе 7. Газовая смесь поступает в трубчатый контактный аппарат 8, предварительно нагретый до 110—120° С горячим маслом, циркулирующим в межтрубном пространстве аппарата.
Реакция образования хлористого винила протекает с выделением тепла (26 ккал/моль). Избыточное тепло отводится циркулирующим в межтрубном пространстве контактного аппарата 8 маслом или водой, которые охлаждаются до 70° С в выносном холодильнике (на схеме не показан). По мере старения катализатора температуру процесса постепенно повышают до 180° С.
При повышенных температурах хлорная ртуть начинает возгоняться. Так как у входа в реактор реакция протекает наиболее интенсивно, пары сулемы вместе с исходными газами и продуктами реакции начинают перемещаться вдоль катализаторных труб, а в менее горячей части пары сулемы конденсируются. В результате этого создается как бы «подвижный фронт» катализатора. При исчерпывании сулемы из активного угля каталитическая. активность понижается и в контактных газах появляется несвязанный ацетилен.
Было предложено для увеличения срока службы катализатора периодически изменять направление движения реакционной смеси на обратное — в этом случае сулема должна была бы перемещаться от одного конца катализаторной трубы к другому, я затем в обратном направлении. Если процесс проводить при температурах до 120° С, потери сулемы в значительной мере уменьшаются.
В контактном аппарате 8, кроме основной реакции гидрохлорирования, протекают и побочные реакции, в частности образование несимметрического дихлорэтана в результате присоединения хлористого водорода к хлористому винилу.
В результате гидратации ацетилена образуется также некоторое количество ацетальдегида. Поэтому в контактных газах, содержащих примерно 93 вес.% хлористого винила, 5 вес.% хлористого водорода и 0,5 вес.% ацетилена, присутствует 0.3 вес.% паров несимметрического дихлорэтана и 0,3 вес.% ацетальдегида. Эта смесь для удаления хлористого водорода поступает в орошаемый водой насадочный скруббер 9 из углеродистой стали, футерованный изнутри поливинилхлоридом.
В скруббере 10, орошаемом 40%-ным раствором щелочи, из газов удаляется двуокись углерода.
После щелочной промывки контактный газ охлаждается до —10°С рассолом, (температура рассола —30° С) в холодильнике 11, где происходит вымораживание большей части влаги, и поступает в осушитель 12, заполненный твердой кусковой щелочью. Образующийся раствор щелочи периодически отводится из нижней части осушителя и используется для промывки газов в скруббере 10. В осушителе 12 контактный газ полностью очищается от влаги и большей части ацетальдегида. Очистку хлористого винила от дихлорэтана и остатков ацетальдегида проводят путем дистилляции в тарельчатой колонне 13, орошаемой жидким хлористым винилом, охлажденным до —30° С. Кубовая жидкость из колонны 13 может быть использована как растворитель.
Выходящий из колонны 13 хлористый винил конденсируется в кожухо-трубном конденсаторе 14, охлаждаемом рассолом (температура рассола —35°С); жидкий хлористый винил самотеком поступает в куб аппарата 15. Верхняя часть этого аппарата представляет собой колонну-холодильник, охлаждаемую аммиаком, испаряющимся при разрежении и —55° С. Здесь из хлористого винила отгоняются растворенные ацетилен и инертные газы. Из кубовой части аппарата 15 некоторое количество жидкого хлористого винила поступает на орошение колонны 13, а основная часть его перетекает в насадочную колонну 16 для окончательной очистки от ацетилена. Верхняя часть колонны 16 представляет собой рассольный холодильник (температура —30° С). Выходящий из нее газ, содержащий 1—5% ацетилена, возвращается в колонну 13. Из куба колонны 16 непрерывно вытекает очищенный жидкий хлористый винил.
На 1 т 100%-ного хлористого винила, получаемого описанным способом, расходуется около 0.45 т ацетилена, 0.65 т хлористого водорода и 0.2 – 0.5 кг сулемы.
Синтез хлористого винила из ацетилена и хлористого водорода в газовой фазе отличается большими достоинствами (непрерывностью процесса, простотой аппаратурного оформления, высоким коэффициентом использования исходных соединений), однако недостатком этого процесса является относительная дороговизна ацетилена по сравнению с другими исходными углеводородами.
Рисунок 1. Схема производства хлористого винила газофазным гидрохлорированием ацетилена.
1 – гидравлический затвор; 2 – ротационный водокольцевой компрессор; 3 – водоотделитель; 4, 11, 17 – холодильники; 5 – сепаратор; 6, 12 – аппараты для сушки; 7 – смеситель; 8 – контактный аппарат; 9, 10 – скрубберы; 13 – дистилляционная колонна; 14 – конденсатор; 15 – аппарат для выделения газа; 16 – отгонная колонна; 18 – сборник хлористого винила.
2. Математические модели химических реакторов
2.1 Реактор идеального вытеснения.
В таком реакторе все частицы движутся в заданном направлении, не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади и полностью вытесняя подобно поршню находящиеся впереди частицы потока. Время пребывания всех частиц в аппаратах идеального вытеснения одинаково. По длине реактора плавно изменяются концентрации реагентов от ZA0 до ZA, и в соответствии с этим изменяется скорость химической реакции.
Поскольку в реакторе идеального вытеснения изменяется состав реагентов по длине, процесс в нем описывается дифференциальным уравнением материального баланса.
аА+вВ<=>сС+dD
Массовый расход ключевого реагента на входе в реактор равен массовому расходу на выходе из него:
GApr. = GAras.
Массовый расход ключевого реагента на входе в реактор:
Массовый расход ключевого реагента на выходе из реактора:
GAras. = GAcr. + GAub
Массовый расход прореагировавшего ключевого реагента:
GAcr. = U·dV·MA
Массовый расход ключевого реагента на убыль:
Подставив уравнения (2) - (5) в уравнение (1) и проведя преобразования, получим:
Объём реактора:
Vr = V0·τ
Продифференцировав уравнение (7), выразим бесконечно малый объём реактора:
Подставив уравнение (8) в уравнение (6) и проведя преобразования, получим:
Материальный баланс для реактора идеального вытеснения имеет вид:
Характеристическое уравнение для реактора идеального вытеснения имеет вид:
Характеристическое уравнение позволяет, если известна кинетика процесса, определить время пребывания реагентов в реакторе. Зная время пребывания реагентов в реакторе можно определить размеры реактора при заданном расходе реагентов и степени превращения.
Рассмотрим тепловой баланс реактора идеального вытеснения.
Тепловой баланс реактора идеального вытеснения для экзотермической реакции имеет вид:
Hfp + Hcr = Hfr + Hto
Теплота физического прихода:
Hfp = V0·Cp·(T – 273)
Теплота физического расхода:
Hfr = V0·Cp·(T +dT – 273)
Теплота, выделяющаяся в ходе химической реакции:
Hcr = U·ΔH°·dV
Теплота, отводимая с помощью холодильника:
Hto = K·F·ΔT·dV
Коэффициент теплопередачи:
α1 - коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности теплообменника;
α2 - коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности теплообменника:
d – толщина стенки теплообменника;
λ – теплопроводность материала стенки теплообменника;
К - коэффициент обратный общему термическому сопротивлению.
Подставив уравнения (13) – (16) в уравнение (12) и сократив подобные члены, получим:
Из уравнения материального баланса, скорость химической реакции:
Подставив уравнения (8) и (18) в уравнение (17) и проведя преобразования, получим уравнение политермы, в котором учитывается часть теплоты химической реакции, которая идет на изменение температур в химической реакции, и часть, которая уходит на теплоту, которую уводит теплообменник:
(19)
Рассмотрим адиабатический режим: холодильник отсутствует, т.е. вся энергия идет на изменение температуры:
Выразив из уравнения (20) бесконечно малое изменение температуры, получим:
Проинтегрировав уравнение (21), получим:
Адиабатический коэффициент:
Физический смысл адиабатического коэффициента: на столько градусов изменится температура реакционной смеси, если степень превращения будет равна 1, то есть, если ключевой реагент прореагировал полностью.
Подставив уравнение (23) в уравнение (22), получим уравнение адиабаты:
T = T0 ± Ad·X
«+» - уравнение адиабаты для экзотермической реакции;
«-» - уравнение адиабаты для эндотермической реакции.
Реальные реакторы обычно работают при режимах неполного перемешивания, но в некоторых производственных реакторах степень перемешивания столь незначительна, что для технологических расчетов можно применять модель идеального вытеснения. К таким реакторам относятся трубчатые контактные аппараты с катализаторами в трубах или межтрубном пространстве, служащие для гетерогенных газо-фазных реакций. Модель вытеснения можно применять для технических расчетов при проектировании жидкофазных трубчатых реакторов с большим отношением длины трубы к его диаметру. Такие реакторы широко применяются в производствах органических веществ.
Модель вытеснения можно использовать также для расчета камерных печей.
2.2. Реактор полного смешения.
Проточный реактор смешения представляет собой аппарат, в котором интенсивно перемешиваются реагенты, например при помощи мешалки. В него непрерывно подаются реагенты и непрерывно выводятся продукты реакции. Поступающие в такой реактор частицы вещества мгновенно смешиваются с находящимися в нём частицами, т.е. равномерно распределяются по объёму аппарата.
Для модели полного смешения принимается ряд допущений. Допускается, что в результате интенсивного перемешивания устанавливаются абсолютно одинаковые условия в любой точке реактора: концентрации реагентов и продуктов, степени превращения реагентов, температура, скорость химической реакции и т. д.
В проточном реакторе идеального смешения концентрации участников реакции в выходном потоке в рассматриваемый момент времени τ, строго равны концентрациям тех же веществ в реакторе.
Рассмотрим материальный баланс реактора полного смешения.
Массовый расход ключевого реагента на входе в реактор равен массовому расходу на выходе из него:
GApr. = GAras.
Массовый расход ключевого реагента на входе в реактор:
Массовый расход ключевого реагента на выходе из реактора:
GAras. = GAcr. + GAub
Массовый расход прореагировавшего ключевого реагента:
GAcr. = U·Vr·MA
Массовый расход ключевого реагента на убыль:
Подставив уравнения (26) - (29) в уравнение (25) и проведя преобразования, получим:
Объём реактора:
Vr = V0·τ
Подставив уравнение (31) в уравнение (30) и проведя преобразования, получим:
Материальный баланс для реактора полного смешения имеет вид: