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:

1. Подготовка реактора к загрузке реагентов.

2. Загрузка реагентов в реактор.

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

4. Проведение химического процесса до заданной глубины превращения.

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

6. Подготовка реактора к выгрузке продуктов реакции.

7. Выгрузка продуктов реакции из реактора.

График такого условного технологического процесса в реакторе периодического действия можно проиллюстрировать рис. 9.3.

При поверочном 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.

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.

Рис. 9.3. К тепловому расчету реактора периодического действия

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 t₁-t₇, 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 DН. Зависимость константы скорости реакции от температуры выражается известной функцией k=k(T).

1-ая стадия. Эта стадия технологического расчета не требует, так как основной ее параметр – время протекания – определен расчетным заданием.

2-ая стадия. Здесь возможно снижение или увеличение температуры загружаемых реагентов за счет теплообмена с материалом реактора. Запишем уравнение теплового баланса

Здесь m_r и C_r – масса и теплоемкость материала реактора;

N_A0 и C_A – число молей компонента А и его теплоемкость.

Таким образом, определена начальная температура в реакторе Т₂.

3-я стадия. На этой стадии происходит доведение температуры процесса до заданной - Т₃. Допустим, что реакция эндотермична (DН – положительна) и требуется нагрев реакционной смеси. Из уравнения баланса тепла определяется количество тепла, необходимое для нагревания реакционной смеси

Среднее значение теплового потока третьей стадии (Вт) выразится уравнением

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:

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

Значение теплового потока выразится также формулой

Требуемая поверхность теплообмена в этом случае будет равна

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

Среднее значение теплового потока выразится также формулой

Требуемая поверхность теплообмена в этом случае будет равна

6-ая и 7-ая 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).