Lektsia_2_Khimicheskie_reaktory (Лекции)

ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯТЕХНОЛОГИЯЛекция 2. Химические реакторы.План лекции• Основные понятия• Классификация химических реакторов• Гидродинамические модели• Материальный баланс• Тепловой баланс• МикрореакторыЛитератураВоронцов К.Б. Химические реакторы.Учебное пособие - М: Эдитус, 2017. - 80 с.Химический реакторХимический реактор – это основной аппарат технологической схемы, вкотором осуществляется химическая реакция и сопутствующие ей физическиепроцессы.Промышленный биохимический реактор,Казанский пивзавод AB InBev EfesЛабораторные реакторы различногообъема и производительностиОсновные понятияСтационарный режим работы реактора – режим, при котором не происходит накоплениявещества или тепла, то есть производные концентрации реагентов и температуры во времениравны нулю.=0=0При нестационарном режиме в реакторе накапливается вещество или тепло.Концентрационный режим – поддержание оптимальной концентрации реагентов по объему(длине) реактора или во времени.Температурный режим - это поддержание оптимальной температуры по объему (длине)реактора или во времени.Периодические реакторы характеризуются единством места завершения всех стадий процесса.Исходное сырье загружают в реактор и через определенное время выгружают продуктыреакции, затем все операции повторяют.Реакторы непрерывного действия (проточные) – это реакторы, в которых непрерывнозагружается сырье и также непрерывно выгружаются продукты; все стадии процессаосуществляются параллельно и одновременно.Классификация химических реакторовПо гидродинамическому режимуРеакторы смешенияРеакторы вытесненияконвективный перенос реагентовпроисходит путем интенсивногоперемешивания (мешалкой или насосом)перемешивания нет, перенос реагентовосуществляется путем направленногодвижения потока смеси вдоль оси реактораПо тепловому режимуАдиабатическиеИзотермическиеотсутствует теплообмен с окружающей средой,весь тепловой эффект реакции расходуется наизменение температуры реакционной смеситемпература реакционной смеси постоянна,теплообмен с окружающей средой полностьюкомпенсирует тепловой эффект реакцииПолитропическиетепловой эффект реакции частично компенсируетсяза счет теплообмена, а частично – за счетизменения температуры реакционной смесиГидродинамические модели реакторовРеактор идеального смешенияРеактор идеального вытесненияпериодического действиянепрерывного действия- периодическая загрузкареагентов и выгрузка продуктов- последующие объемыреагирующих веществ несмешиваются с предыдущими- концентрация реагентоводинакова по всему объемуреактора и изменяется во времени- переменная концентрацияреагирующих веществ подлине реактора- плавный характер измененияконцентрации в реакционномобъемеРеактор идеального смешениянепрерывного действия- практически мгновенное смешениереагирующих веществ в реакционномобъеме- одинаковая концентрация реагирующихвеществ во всем объеме реактора- изменение концентрации веществ на входев реактор носит скачкообразный характерМатериальный баланс реактораdydzA→RdxСССС 2 С 2 С 2 С= −−− ++++ 222перенос реагента в направленииобщего потокаперенос реагентапосредством диффузииСА – концентрация реагента А в реакционной смеси;x,y,z – пространственные координаты;x, y, z – составляющие скорости потока;D – коэффициент диффузии;rA – скорость химической реакции.скоростьхимической реакцииРеактор идеального смешенияпериодического действияСОбщее уравнение мат.

баланса реактора:СССС= −− − 2 С 2 С 2 С++++ 2 2 2СA0СAτТак как вследствие интенсивного перемешивания все параметры одинаковы по всему объему реактора, то 2 С 2 С 2 С=== 0; 2 2 2С С С=== 0;Приреакц.смеси = = 0 1 − , 0 1 − 0 = 0= 0 1 − 00Для простой необратимойреакции «n»-го порядка: −− = 01 − При n = 0:=С= Характеристическоеуравнение РИС-ППри n = 1:0= 11 = ln 1 − Реактор идеального вытеснениянепрерывного действияСОбщее уравнение мат. баланса реактора:СA0СAСССС= −− − 2 С 2 С 2 С++++ 2 2 2xПри движении смеси вдольодной координаты:СС= =0Диффузией можно пренебречь: 2 С 2 С 2 С++= 0; 2 2 2В стационарном режиме нет накопления вещества:Характеристическоеуравнение РИВ-НС= 0;В реакторе с постоянной площадью сечения: =;С= ;СС= −+ = 00 −Характеристическоеуравнение РИВ-Н встационарном режиме(совпадает с РИС-П)Реактор идеального смешениянепрерывного действияСПо всему реактору мгновенно устанавливаетсяодинаковая концентрация реагента, равнаяконцентрации на выходеСA0Для РИС-Н характерно отсутствие градиентов параметровкак во времени, так и по объему реактора, поэтому длявывода характеристического уравнения используютуравнение материального баланса в общей форме:СAyПри стационарном режиме накопл.

= конвек. − хим.р.накопл. = 0 конвек. = приход − сток приход = 0 ∙ об. сток = 0 1 − ∙ об. конвек. = 0 ∙ об. ∙ об. – объемная скорость подачи реагентаVреак. – объем реактора хим.р. = − ∙ реак.реак. = об. ∙ 0 ∙ ∙ об. = − ∙ об. ∙ Для простой необратимойреакции «n»-го порядка:− = 01 − При n = 0:= = 0− Характеристическоеуравнение РИC-Н0 При n = 1:1= ∙ 1 − Сравнение РИС и РИВРИВ-НРИС-П = 00 − = 00+ вспомогательные операции(загрузка/выгрузка)Для простых реакцийнулевого порядка:Для простых реакцийпервого порядка:РИС-Н −≤ = 0− нет вспомогательных операций0= 11 = ln 1 − =<0= 1= ∙ 1 − - Простота (не нужноконтролировать поток)- Экономичность- Равномерность нагрева- Постоянный поток- Легкость масштабирования- Безопасность- Экономичность-Легкость масштабирования- Легко организовать несколькопоследовательных стадий- Периодичность действия- Объемность- Затраты энергии наперемешивание- Малоприменим привыпадении осадков- Необходимость обеспечитьпостоянство потока- Объемность- Затраты энергии наперемешиваниеТеплоперенос в химических реакторахТемпературный режим реактора - поддержание в нем необходимой и оптимальной для данного процессатемпературы (постоянной или переменной).Источники теплоты - химическая реакция (экзо/эндо) и обмен с внешней средой.Уравнение теплового баланса реактораприход.

= расход.приход. = реаг. + хим.р.Обозначимрасход. = прод. ± т/об. + накоп.прод. − реаг. = конв.- конвективный перенос тепланакоп. = −конв. ± т/об. ± хим.р.Уравнение тепловогобаланса в общем видеЕсли температура неодинакова в разных точках объема реактора или во времени, используютдифференциальную форму уравнения теплового баланса:2 2 2= − ++ +++− уд. Δ + Δ 2 2 2ρ – плотность реакционной смеси;Ср – удельная теплоемкость реакционной смеси;x,y,z – пространственные координаты;x, y, z - составляющие скорости движения потока в направлении осей x,y,z;λ – коэффициент молекулярной и турбулентной теплопроводностиреакционной смеси;Fуд.

– удельная поверхность теплообмена;К – коэффициент теплопередачи;∆Т – разница между температурой реакционнойсмеси и температурой теплоносителя;rA - скорость химической реакции;∆Н – тепловой эффект реакции.Уравнения теплового баланса1. Политропический режима) РИС-ПВ периодическом реакторе нет конвективного переноса тепла:−2 2 2++ +++= 0; 2 2 2+ уд.

Δ = ΔНекоторыепреобразованияС∗ +Δ = Δ 0Ср* – мольная теплоемкость смеси;F – площадь поверхности реактора;NA0 – мольный расход реагента, мольб) РИВ-НВ реакторе не происходит накопление тепла (стационарный режим), а конвективный перенос тепла происходитисключительно по длине реактора.= ;= = 0;+ уд. Δ = ΔНекоторыепреобразования2 2 2++= 0; 2 2 2∗ ΔС∗ + = Δ 0F* – поверхность теплообмена,приходящаяся на 1 м длины реактора;BA0 – мольный расход реагента, моль/часУравнения теплового баланса1. Политропический режимв) РИС-НЭтот реактор работает в стационарном режиме, для него характерно отсутствие градиента параметров как во времени, так и пообъему реактора.

Поэтому уравнение теплового баланса, так же как и уравнение материального баланса, составляют сразу длявсего реактора в целом.накоп. = −конв. ± т/об. ± хим.р. ;хим.р. = конв. + т/об. ;накоп. = 0;хим.р. = 0 Δоб. ;конв. = об. − 0 ;т/об. = Δ;об. – объемная скорость подачи реагентаT0 – температура на входе в реакторНекоторыепреобразованияС∗ (Δ− 0 ) += Δ0Уравнения теплового балансаб) РИВ-На) РИС-ПС∗ Δ+ = Δ 02. Адиабатический режима) РИС-ПС∗ = Δ 3. Изотермический режима) РИС-ПΔ = Δ 0С∗ в) РИС-Н ∗ Δ+ = Δ 0С∗ ( − 0 ) +Δ= Δ0т/об.

= 0б) РИВ-Нв) РИС-НС∗ = Δ = ;С∗ ( − 0 ) = Δ = 0б) РИВ-Н ∗ Δ = Δ 0в) РИС-НΔ= Δ0МикрореакторыМикрореактор — устройство, в котором химические реакции протекают встесненных условиях с типичными боковыми размерами менее 1 мм.Самая типичная форма — микроканалы.По гидродинамическому типу – реакторы вытеснения.Преимущества микрореакторов1. Огромный объемный коэффициент теплообмена: 1-500 МВт/(м3К)Лабораторная колба объемом 1л: ~10 КВт/(м3К)- можно проводить крайне экзотермические реакции при высоких температурах;- быстрый выход на нужный температурный режим и охлаждение.2. Практически мгновенное перемешивание компонентов- минимизируются процессы, протекающие при избытке какого-либо компонента;- сокращается время процесса.3.

Легкая масштабируемость- достаточно увеличить количество микрореакторов.При обычном укрупнении реактора его нужно разрабатывать почти«с нуля», рассчитывать материальный и тепловой баланс4. Возможность безопасной работы при больших давлениях- можно работать выше точки кипения растворителя при н.у.;- выше скорость реакций;- выше растворимость реагентов.5. Точный контроль температуры- образование «перегретых» участков практически исключено.Примеры1. Увеличение скорости реакции+TBAF100% конверсии:Колба – 24 чМикрореактор – 20 мин2. СелективностьAB+Конверсия:Обычный реактор – 49%Микрореактор – 78%Соотношение A:B:Обычный реактор – 65:35Микрореактор – 95:5.