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:

- Подготовка реактора к загрузке реагентов.

- Загрузка реагентов в реактор.

- Доведение условий проведения реакции (температуры, давления и т.д.) до заданных.

- Проведение химического процесса до заданной глубины превращения.

- Доведение условий выгрузки продуктов реакции (температуры, давления и т.д.) до заданных.

- Подготовка реактора к выгрузке продуктов реакции.

- Выгрузка продуктов реакции из реактора.

График такого условного технологического процесса смотри на рис. 9.3.

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.

Рис. 9.3. К тепловому расчету реактора периодического действия

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 рис. 9.3 порядок расчета многостадийного периодически действующего реактора для простой реакции первого порядка

А = В. Допустим, что известны: времена протекания стадий τ₁ - τ₇, температуры Т₁ – Т₄ и степени превращения ключевого компонента А в конце третьей стадии - Х_А1, в конце четвертой стадии - Х_А2 и в конце пятой стадии – Х_А3. Кроме того, известны все физико-химические свойства компонентов и энтальпия реакции ∆Н. 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

Здесь m_r и С_r - масса и теплоемкость материала реактора; N_A0 и С_A - число молей компонента А и его теплоемкость

Таким образом, определена начальная температура в реакторе T₂

3-я стадия. На этой стадии происходит доведение температуры процесса до задан-

ной - Т₃. Допустим, что реакция эндотермична (∆Н - положительна) и требуется нагрев реакционной смеси. Из уравнения баланса тепла определяется количество тепла, необходимое для нагревания реакционной смеси

е, = N_А0Х_A1∆Н + (N_А0С_А(1 – X_A1) + N_А0Х_A1С_B)(Т₃ - Т₂).

Среднее значение теплового потока третьей стадии (Вт) выразится уравнением

q₁ = Q₁/(τ₃ – τ₂)

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 = q₁/K₁∆T_ср

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

Q₂ = N_А0(Х_А2-Х_A1)∆Н.

Значение теплового потока выразится также формулой

q₂ = Q₂/(τ₄-τ₃)

Требуемая поверхность теплообмена в этом случае будет равна

S₂ = q₂/K₂∆T_ср

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

Q₃ = N_А0(Х_А3 - Х_А2)∆Н + (N_А0С_A (1 – Х_А3) + N_А0Х_А3С_В)(Т₄ – T₃).

Среднее значение теплового потока выразится также формулой

q₃ = Q₃/(τ5 - τ4)

Требуемая поверхность теплообмена в этом случае будет равна

S₃ = q₃/K₃∆T_cp

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).