165984 (Сравнительный анализ рециркуляционных схем на примере реакции изомеризации), страница 3

П о этим данным строится график, представленный на рис.2.2.

Рис.2.2. Зависимость величины рецикла от суммарного объема реакторов при подаче рецикла на вход первого реактора.

Из графика видно, что с увеличением рецикла объем уменьшается и наоборот.

Поэтому для проведения какого-либо процесса следует выбирать оптимальное соотношение объема и величины рецикла.

2.2. Рециркуляционная схема с рециклом, охватывающим один реактор.

Рассмотрим рециркуляционную систему (рис.2.2), состоящую из двух реакторов идеального смешения и ректификационной колонны, где рецикл охватывает только один реактор.

В реакторах протекают обратимые реакции типа A B, скорость которых подчиняется закону действующих масс. На вход в систему подается чистый реагент А, реакционная смесь зеотропна, колонна обладает бесконечной эффективностью по разделению, реагент А является легколетучим компонентом. Тогда в соответствии с обозначениями на (рис.2.3) система балансовых уравнений в статике относительно реагента А имеет вид:

Для смесителя:

G = F + R (2.25)

Gxg = Fxf1 + Rxr (2.26)

R Xr

V1 V2

F F G L

Xf Xf1 Xg Xl2

W, Xw

Рис.2.3. Рециркуляционная система. Реактор-ректификационная колонна.

С охватом рециклом одного реактора.

Для колонны:

L = W + R (2.27)

Lxl2 = Wxw + Rxr (2.28)

Для реакторов:

Для первого реактора:

Fxf = Fxf1 + V1rA1 (2.29)

Где rA1 = k+xf1 – k-(1 – xf1) (2.30)

Для второго реактора:

G = F + R (2.31)

Fxf1 + Rxr = Lxl2 – V2rA2 (2.32)

Где rA2 = k+xl2 – k-(1 – xl2) (2.33)

Для системы в целом:

Fxf – Wxw = rA1V1 + rA2V2 (2.34)

Где rA1, rA2 – скорости химической реакции по реагенту А в первом и втором реакторах, V1, V2 – объемы реакционной зоны.

Выразим скорость химической реакции, протекающей в первом реакторе.

Для этого из (2.30) выразим сдержание компонента А на выходе из реактора xf1

Xf1 = (2.35)

И подставим его в выражение (2.29), принимая, что на вход в систему подается чистый компонент А, xf = 1:

F – – V1rA1 = 0 (2.36)

После преобразований:

rA1 = (2.37)

Теперь выразим скорость химической реакции, протекающей во втором реакторе:

Содержание компонента А на выходе из реактора

xl2 = (2.38)

Подставим (2.38) и (2.35) в (2.32), принимая, что в рецикле чистый компонент А, xr = 1:

(2.39)

После преобразований

rA2 = (2.40)

затем, подставляя (2.37), получим выражение для скорости химической реакции во втором реакторе:

rA2 = (2.41)

Для того чтобы достичь полного превращения сырья производительность реактора должна равняться количеству реагента А, поступающего на вход в систему

F = rA1V1 + rA2V2 (2.42)

Подставим выражения (2.37) и (2.41) в (2.42):

F = (2.43)

После преобразований

L = (2.44)

где L = R + F.

Мы получили аналитическую зависимость величины рецикла от объема реакторов.

По этому выражению мы можем построить и проследить зависимость величины рецикла от объема реакторов.

Примем k+, k - и F постоянными, а объемы реакторов равными между собой

V1 = V2.

k+ = 2

k - = 1

F = 10кмоль/час. При этих значениях с помощью программы Eсxel численно просчитаем, по формуле (2.44), зависимость величины рецикла от объема. Результаты представлены в таблице 2.2.

Продолжение.

Т аблица 2.2. Численная зависимость величины рецикла от суммарного объема реакторов при подаче рецикла на вход второго реактора.

График по этим данным представлен на рис 2.4.

Рис.2.4. Зависимость величины рецикла от суммарного объема реакторов при подаче рецикла на вход второго реактора.

По графику видно, что с увеличением объема рецикл уменьшается и наоборот.

Концы кривой стремятся к некому пределу. Если взять, например, объем меньше предельной величины, то ни при какой величине рецикла 100% -ая конверсия не может быть достигнута.

Глава 3. Расчетная часть

С помощью пакета программ ChemCad проверяем аналитические расчеты и зависимости.

Эта программа, как и множество других, с успехом используется для решения многочисленных задач, связанных с анализом и синтезом ХТС, основными элементами которых являются реакционные и массообменные аппараты.

Проведем анализ двух рециркуляционных реакционно-ректификационных систем с различной подачей рецикла, но при одинаковых начальных условиях.

Сначала проверим зависимость величины рецикла от суммарного объема с помощью опытных данных снятых в программе ChemCad.

В обеих системах протекает одна и та же реакция изомеризации параксилола в ортоксилол. Начальный поток F=10 кмоль/час содержит только чистый параксилол, xf=1. Ректификационная колонна содержит 70 тарелок. Тарелка питания №35, паровое число Rb=50.

Рассчитаем минимальный суммарный объем реакторов по формуле

Vmin = = (3.1)

Где CAm = A, при температуре реакции (t=1000C=3730K),

Где плотность считается по формуле, представленной в программном пакете ChemCad 5.2.

A = (3.2)

Коэффициенты для параксилола:

А = 0,67752

В = 0,25887

С = 616,2

D = 0.27596

Следовательно = 2,98, а Vmin = 1,68м3, при k+= 2 и F = 10кмоль/час.

Для схемы с рециклом, охватывающим два реактора зависимость выглядит следующим образом (таблица 3.1): данные сняты при постоянном составе смеси в кубовой части колонны – содержание параксилола x=0.001м. д.

Таблица 3.1. Численная зависмиость величины рецикла от суммарного объема реакторов при охвате рециклом двух реакторов при постоянном составе х=0,001м. д.

Г рафическая зависимость по данным таблицы 3.1. представлена на рис. (3.1)

Рис.3.1. Зависимость величины рецикла от суммарного объема реакторов при подаче рецикла на вход первого реактора при постоянном составе смеси.

Для схемы с рециклом, охватывающим один реактор зависимость выглядит следующим образом (таблица3.2): данные сняты при постоянном составе смеси в кубовой части колонны – содержание параксилола x=0.001м. д.

Таблица 3.2. Численная зависимость величины рецикла от суммарного объема реакторов при подаче рецикла на вход второго реактора при постоянном составе х=0,001м. д.

График, по этим данным, представлен на рис.3.2.

Р ис.3.2. Зависимость величины рецикла от суммарного объема реакторов при подаче рецикла на вход второго реактора при постоянном составе х=0,001м. д.

Из этих графиков (рис.2.2, 2.4, 3.1. и 3.2) видно, что вид зависимостей, полученных аналитически и рассчетно, совпадает. Прослеживается одна и та же закономесрность. С увеличением рецикла объем уменьшается и наоборот.

Теперь построим зависимости энергозатрат от величины рецикла, при постоянном составе смеси в кубе колонны, содержащей x=0.001м. д. параксилола, и суммарном объеме V=5м3:

Для схемы с рециклом, охватывающим два реактора численная зависимость представлена в таблице 3.3.

Таблица 3.3. Численная зависимость энергозатрат от величины рецикла при постоянном составе х=0,001м. д. и суммарном объеме реакторов V = 5м3 при подаче рецикла на вход первого реактора.