Связь между скоростью процесса и производительностью реакторов периодического и непрерывного действия

Проблема эффективной переработки сырья (например, природного сырья – нефти, газа, угля, сланцев в целевые продукты имеет важнейшее значение в химической технологии. Высокие скорость и селективность химического процесса при малых затратах энергии, проведение реакций в аппаратах минимальных размеров и большой производительности являются основными критериями практического использования химического процесса. При этом, безусловно, должны учитываться экономические и экологические показатели всего химико-технологического процесса.

Решение задач оптимизации химико-технологического процесса предусматривает знание механизма и кинетики химических реакций, обоснование выбора аппаратуры, в частности реакционных устройств, и т. д.

Удельная производительность реактора – это съем целевого продукта с единицы реакционного объема в единицу времени. Ее выражают в молях (кмолях) на л (м³) в единицу времени (с, мин, ч). В технологии удельная производительность реактора, как правило, имеет размерность кг(т) на л(м³) в час. Для гетерогенно-каталитических процессов удельную производительность относят к единице массы катализатора.

В многотоннажной органической технологии химические процессы в основном проводят в непрерывно действующих реакторах в стационарных условиях. В этом случае удельная производительность реактора по веществу В определяется выражением:

(1.1)

где G _B – удельная производительность реактора по продукту реакции В; F _B – молярный поток вещества В; V – реакционный объем; т_к – масса катализатора.

При протекании химического процесса в условиях стационарного режима работы реактора молярный поток продукта В (F _B) связан с начальным молярным потоком реагента A (F _А0), конверсией (Х _А), интегральной селективностью (Ф^А_В) и выходом x ^А_В соотношением:

(1.2)

Тогда выражение удельной производительности реактора по продукту В можно записать в виде:

(1.3)

Для реактора идеального вытеснения (РИВ) при стационар ных условиях:

(1.4)

а для реактора идеального смешения (РИС):

(1.5)

Таким образом, для любого химического процесса удельная производительность реактора в зависимости от режима его работы в стационарных условиях связана со скоростью процесса соотношениями:

а) для реактора идеального вытеснения:

(1.6)

б) для реактора идеального смешения:

(1.7)

Для реакций простых типов интегральная селективность продукта В по А всегда равна единице, т. е. Ф^А_В = 1.

Соотношение удельных производительностей реакторов идеального смешения и идеального вытеснения равно:

(1.8)

Рассмотрим влияние кинетики химического процесса на удельную производительность реакторов идеального смешения и идеального вытеснения на примере реакций простых типов, т. е. реакций, описываемых одним стехиометрическим уравнением

(1.9)

и кинетическим уравнением степенного вида:

(1.10)

Соотношение удельных производительностей РИС и РИВ можно записать в следующем виде:

Таким образом, для реакций простых типов отношение удельной производительности РИС к удельной производительности РИВв зависимости от конверсии меньше единицы, кроме реакций нулевого порядка (рис. 1).

Рис. 1 Относительная эффективность реакторов идеального смешения и идеального вытеснения для реакций нулевого (1), первого (2), второго (3) и третьего (4) порядка в зависимости от конверсии

Реакторы идеального смешения невыгодны при проведении реакций простых типов до высокой степени превращения реагентов в отличие от реакторов идеального вытеснения. Реакторы идеального вытеснения более производительны, чем реакторы идеального смешения.

Нетрудно показать, что если реакторы идеального смешения объединены последовательно в каскад реакторов или представлены секционированным реактором, то удельная производительность каскада реакторов или секционированного реактора с увеличением их числа (реакторов, секций) приближается к реактору идеального вытеснения. На практике используют каскад реакторов от 2–4 до 8–10 и более, а также сочетание реакторов, например идеального смешения и идеального вытеснения. В промышленности каскад реакторов и секционированные реакторы используются для проведения окисления углеводородов в жидкой фазе молекулярным кислородом, например циклогексана в циклогексанол и циклогексанон, изопропилбензола в гидропероксид изопропилбензола и др.

При блочной (в массе) полимеризации стирола в полистирол полимеризация мономера сначала осуществляется до конверсии 0,7–0,8 в двух последовательно соединенных полимеризаторах смешения, а затем завершается до конверсии 0,95 в реакторе вытеснения колонного типа.

Однако на практике при проведении быстрых реакций с выделением большого количества теплоты применяют реакторы, близкие к модели идеального смешения, а не вытеснения. Причина заключается в том, что при значительной концентрации реагентов на входе в реактор вытеснения выделяется слишком много теплоты, а поэтому возможен сильный перегрев реакционной смеси и даже взрыв, например при хлорировании или нитровании органических соединений. В реакторе же смешения происходит быстрое разбавление реагентов в реакционной смеси, и процесс протекает при относительно низкой их концентрации, а следовательно, с меньшим экзотермическим эффектом в локальных точках реакционного объема. Интенсивное перемешивание также способствует эффективному съему теплоты химической реакции, например при окислении циклогексанола азотной кислотой в адипиновую кислоту.

На удельную производительность реактора существенное влияние оказывают параметры процесса: начальные концентрации (парциальные давления) реагентов, их молярное соотношение, конверсия и температура.

На примере реакций простых типов рассмотрим влияние указанных параметров на удельную производительность реактора.

Для реакций простых типов удельная производительность реакторов идеального смешения и вытеснения соответственно равны:

(1.11)

(1.12)

Анализ уравнений (1.12 и 1.13) показывает, что удельная производительность реакторов для реакций простого типа при одинаковой конверсии прямо пропорциональна начальной концентрации (парциальному давлению) одного из реагентов (ключевого реагента A₁) в степени, равной суммарному порядку реакции, кроме реакций с суммарным нулевым порядком.

Если один из реагентов, например А₂, взят в избытке, то выражения удельной производительности реактора идеального смешения и идеального вытеснения можно представить в следующем виде:

(1.13)

(1.14)

Анализ выражений (1.13) и (1.14) показывает, что использование в химическом процессе одного из реагентов в избытке приводит к увеличению удельной производительности реактора. В органической технологии часто пользуются этим приемом путем введения более дешевого реагента (например, водорода при гидрировании или воды при гидратации ненасыщенных соединений, гидролизе сложных эфиров или галоидпроизводных).

Большое влияние на удельную производительность реактора оказывает также степень конверсии. Для реакций простых типов с повышением конверсии ключевого реагента А₁ при прочих равных условиях удельная производительность падает тем заметнее, чем выше суммарный порядок (см. уравнения 1.11 и 1.12), причем при Х_А®1 она стремится к нулю (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость удельной производительности от конверсии для реакций первого (2) и второго (3) порядка в реакторе идеального смешения и для реакций первого (1) и второго (2) порядка в реакторе идеального вытеснения

При этом для реактора идеального вытеснения ее снижение со степенью превращения исходного сырья выражено в меньшей мере, чем в случае реакторов идеального смешения.

Таким образом, удельная производительность реактора существенно зависит от конверсии сырья, падая до нуля при при Х_А®1 кроме реакций нулевого порядка. Поэтому в промышленности для интенсификации химического процесса используют рецикл исходных реагентов, т. е. при неполном превращении реагентов последние после разделения реакционной смеси возвращают в реакцию. Для химических процессов, где желательна высокая конверсия исходных реагентов и удельная производительность реактора, применяют предпочтительно реакторы идеального вытеснения.

Удельная производительность реакторов сильно зависит от температуры. Для необратимых и обратимых эндотермических реакций удельная производительность реакторов, как правило, растет с повышением температуры, так как при этом растет константа скорости реакции.

Для обратимых экзотермических реакций имеется оптимальная температура, при которой скорость химического процесса и удельная производительность реактора принимают максимальные значения. Это объясняется тем, что термодинамика и кинетика предъявляют противоположные требования к температуре процесса: при понижении температуры растет константа равновесия, но соответственно, как правило, уменьшается скорость реакции и удельная производительность реактора.

Для поиска оптимальной температуры и, следовательно, оптимальной удельной производительности реактора необходимо решить систему уравнений:

1. Уравнение зависимости константы равновесия от температуры.

2. Уравнение зависимости скорости реакции от температуры, кон­станты равновесия и степени превращения реагента.

Для каждой степени превращения при определенной температуре и константе равновесия имеется максимальное значение скорости, отвечающее максимальной производительности реактора.