Сравнение реакторов идеального вытеснения и полного смешения в адиабатическом режиме работы

Кафедра: технология переработки пластмасс и эластомеров

Курсовая работа

Тема: СРАВНЕНИЕ РЕАКТОРОВ ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ И ПОЛНОГО СМЕШЕНИЯ В АДИАБАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ

Студент                                                                                      Личная подпись                         

Руководитель                                                                                     Личная подпись                         

Оценка за курсовой проект   ___________                _______________________

                                                                                                       Личная подпись руководителя

Санкт-Петербург

2011 г 

Задание на курсовую работу

Процесс гидрохлорирования ацетилена: C2H2 + HCl = C2H3Cl - ΔH°

1.                 Выбрать реактор для проведения процесса в адиабатическом режиме (адиабатический РИВ или адиабатический РПС). Обосновать свой выбор.

2.                 Проанализировать изменение объёма реактора (Vr), выбранного по п. 1.1 , от температуры на входе в реактор (Т0), давления в реакторе (Р) и времени нахождения реакционной смеси в реакторе (τ).

Исходные данные процесса:

      Объёмный расход реакционной смеси на входе в реактор: V0 = 90000 м³/с

      Состав исходной газовой смеси (в мольных долях):

Z0(C2H2)    = 0,25

Z0(HCl)      = 0,3

Z0(C2H3Cl) = 0,02

Z0(Cl2)        = 0,1

Остальное – инерт (N2)

       Кинетическое уравнение процесса:

U = k·P(C2H2)·P(HCl)½·P(HCl)½·[1 – P(C2H3Cl)/ Kp·P(C2H2)·P(HCl)]

      Выражение для константы скорости:

ln(k) = 11,15 – 34070/ R·T

      Выражение для константы равновесия химической реакции:

ln(Kp) = - 0,635 + 13024/T + 2,61·10-3·T – 1,3775·10-6·T² - 84232,9/T² - 2,78·ln(T)

Содержание

ВВЕДЕНИЕ…………………...………………………………………………..3

1.      КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ ГИДРОХЛОРИРОВАНИЯ АЦЕТИЛЕНА С ПОЛУЧЕНИЕМ ВИНИЛХЛОРИДА………………………………………………………....6

2.     МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ХИМИЧЕКИХ РЕАКТОРОВ……...10

2.1. Реактор идеального вытеснения………………………………………..10

2.2. Реактор полного смешения……………………………………...............14

3.      ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ЭФФЕКТА, СУММАРНОЙ ТЕПЛОЁМКОСТИ И АДИАБАТИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА РЕАКЦИИ…………………………………………………………………18

3.1. Определение теплового эффекта реакции……………………………..18

3.2. Определение суммарной теплоёмкости исходной смеси……………..18

3.3. Определение адиабатического коэффициента реакции………………19

4.      ВЫБОР РЕАКТОРА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА ГИДРОХЛОРИРОВАНИЯ АЦЕТИЛЕНА С ПОЛУЧЕНИЕМ ВИНИЛХЛОРИДА………………………………………………………..20

4.1. Анализ реактора идеального вытеснения……………………………...20

4.2. Анализ реактора полного смешения…………………………………...23

4.3. Обоснование выбора реактора………………………………………….24

5.      АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЁМА РЕАКТОРА (V0) ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ИСХОДНОЙ СМЕСИ (Т0), ДАВЛЕНИЯ В РЕАКТОРЕ (Р) И ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ РЕАКЦИОННОЙ СМЕСИ В РЕКТОРЕ (τ)…………………………………………………………………………...26

5.1. Анализ изменения объёма реактора от температуры исходной смеси26

5.2. Анализ изменения объёма реактора от давления в реакторе…………29

5.3. Анализ изменения объёма реактора от времени пребывания в нём реакционной смеси…………………………………………………………...31

6.      ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………...32

7.      Приложение..……………………………………………………………...33

Введение

Одним из основных элементов любой химико-технологической системы является химический реактор.

Химический реактор – это аппарат, в котором осуществляются химические процессы, состоящие из реакций массо- и теплопереноса.

К реакторам относятся, например промышленные печи, реакторы с механическим, пневматическим и струйным перемешиванием, варочные котлы, гидрататоры.

Все аппараты, расположенные до реактора, необходимы для подготовки сырья к химической обработке; аппараты после реактора – для разделения получившихся продуктов. От правильности выбора реактора и его совершенства зависит эффективность всего технологического процесса.

Основные требования к промышленным реакторам:

1.      Максимальная производительность и интенсивность работы.

2.      Высокий выход продукта и наибольшая селективность процесса. Они обеспечиваются оптимальным режимом работы реактора: температурой, давлением, концентрацией исходных веществ и продуктов реакции.

3.      Минимальные энергетические затраты на перемешивание и транспортировку материалов через реактор, а также наилучшее использование теплоты , подводимой в реактор для нагрева реагирующих веществ до оптимальных температур

4.      Легкая управляемость и безопасность работы. Эти условия обеспечиваются рациональной конструкцией реактора и малыми колебаниями параметров технологического режима.

5.      Низкая стоимость изготовления реактора и ремонта его.

6.      Устойчивость работы реактора при значительных изменениях основных параметров режима.

Обычно не удается реализовать процесс в реакторе таким образом, чтобы были удовлетворены одновременно все предъявляемые к нему требования в виду их противоречивости. Приходится вырабатывать наиболее рациональные и экономичные решения, обеспечивающие поддержание заданных значений основных параметров процесса.

Химические реакторы отличаются друг от друга по конструктивным особенностям, размеру, внешнему виду. Наиболее значимы следующие признаки классификации химических реакторов и режимов работы: режим движения реакционной смеси, условия теплообмена в реакторе, фазовый состав, способ организации процесса, характер изменения параметров процесса во времени, конструктивные характеристики.

При отсутствии теплообмена с окружающей средой химический реактор называется адиабатическим. Вся теплота, выделившаяся или поглотившаяся в нём, идёт на обогрев или охлаждение реакционной смеси.

В зависимости от режима движения реакционной смеси существуют реакторы смешения и вытеснения. Реакторы смешения – ёмкостные аппараты с механическим перемешивающим устройством (мешалкой) или циркуляционным насосом. Реакторы вытеснения – трубчатые аппараты, имеющие вид удлинённого канала.

При проектировании реактора необходимы сведения о кинетике химической реакции и производительности реактора. Разрабатывая схему реактора, нужно решить, будет ли реактор работать непрерывно или периодически, определить модель реактора и указать способы подвода или отвода теплоты.

Степень перемешивания реагирующих масс в реакторах непосредственно влияет на режим их работы. Полное смешение обеспечивает постоянство параметров, в частности температуры во всем реакционном объеме, а при идеальном вытеснении температура, как правило, изменяется по высоте реакционного объема. В результате, в реакторах вытеснения меняется константа скорости реакции и соответственно скорости процесса. При сравнении моделей идеальных реакторов вытеснения и смешения условно принято постоянство температуры и соответственно константы скорости реакции для всех типов реакторов.

   При исследовании работы реактора составляется математическое описание, под которым понимается система уравнений, позволяющих определить изменение в нём концентраций, температуры, давления и других параметров.

1. Краткие сведения  о технологическом процессе гидрохлорирования ацетилена с получением винилхлорида

Хлористый винил, или винилхлорид, был впервые синтезирован Реньо в 1835 г. Он является важным полупродуктом промышленности пластических масс.

Одним из путей получения винилхлорида является гидрохлорирование ацетилена. Гидрохлорирование ацетилена можно проводить в жидкой или в газовой фазе.

Ж и д к о ф а з н ы й способ заключается в пропускании ацети­лена и хлористого водорода при 60° С через катализатор (раствор хлористой меди CuCI и хлористого аммония в 12—15%-ной со­ляной кислоте). Образующийся хлористый винил в смеси с непрореагировавшим ацетиленом, парами воды и хлористым водородом на выходе из реактора поступает в орошаемый водой скруббер для удаления хлористого водорода. Далее паро-газовую смесь промывают охлажденным до —10° С раствором хлористого каль­ция; при этом происходит конденсация паров воды. После окон­чательной осушки газов твердым хлористым кальцием хлористый винил конденсируют, охлаждая его до —20° С, и в сепараторе от­деляют несконденсированный ацетилен, возвращаемый в реактор.

При гидрохлорировании ацетилена в газовой фазе в каче­стве катализатора используют активный уголь, пропитанный соля­нокислым или водным раствором хлорной ртути (10% от количества угля).

Хлорная ртуть реагируете ацетиленом, образуя промежуточное ртутьорганическое соединение. При взаимодействии с этим соединением хлористого водорода образуется хлористый винил и регенерируется хлорная ртуть.

Ацетилен, направляемый на гидрохлорирование, предвари­тельно подвергают осушке, а для удаления влаги из катализатора через него перед гидрохлорнрованием пропускают хлористый во­дород. Образующаяся соляная кислота стекает, не вымывая су­лему из угля.

В процессе гидрохлорирования применяется синтетический вы­сококонцентрированный хлористый водород, который должен быть тщательно очищен от свободного хлора, так как при реакции аце­тилена с хлором происходит взрыв. Благодаря применению кон­центрированного хлористого водорода оборотный ацетилен значи­тельно меньше разбавляется инертными газами; в связи с этим облегчается конденсация хлористого винила и уменьшаются его потери с отходящими газами. Для наиболее полного связывания ацетилена, присутствие которого в продуктах реакции крайне нежелательно, в исходной газовой смеси должен быть избыток хло­ристого водорода (5—10 объемп.%).

Технологическая схема синтеза хлористого винила из ацети­лена и хлористого водорода в газовой фазе приведена на рис.1. Концентрированный ацетилен (97—99%-ный), очищенный от РНз, NHg и других вредных примесей, компрессором 2 нагнетается в систему под избыточным давлением 0,5 от и охлаждается до 3— 5е С в холодильнике 4 рассолом, циркулирующим в межтрубном пространстве. После отделения в сепараторе 5 от сконденсирован­ной влаги ацетилен поступает на окончательную осушку в аппа­рат 6, заполненный твердой едкой щелочью. Осушенный ацетилен смешивается с сухим хлористым водородом в смесителе 7. Газо­вая смесь поступает в трубчатый контактный аппарат 8, предва­рительно нагретый до 110—120° С горячим маслом, циркулирую­щим в межтрубном пространстве аппарата.

Реакция образования хлористого винила протекает с выделе­нием тепла (26 ккал/моль). Избыточное тепло отводится цирку­лирующим в межтрубном пространстве контактного аппарата 8 маслом или водой, которые охлаждаются до 70° С в выносном хо­лодильнике (на схеме не показан). По мере старения катализато­ра температуру процесса постепенно повышают до 180° С.

При повышенных температурах хлорная ртуть начинает возго­няться. Так как у входа в реактор реакция протекает наиболее интенсивно, пары сулемы вместе с исходными газами и продукта­ми реакции начинают перемещаться вдоль катализаторных труб, а в менее горячей части пары сулемы конденсируются. В резуль­тате этого создается как бы «подвижный фронт» катализатора. При исчерпывании сулемы из активного угля каталитическая. ак­тивность понижается и в контактных газах появляется несвязан­ный ацетилен.

Было предложено для увеличения срока службы катализа­тора периодически изменять направление движения реакционной смеси на обратное — в этом случае сулема должна была бы перемещаться от одного конца катализаторной трубы к другому, я за­тем в обратном направлении. Если процесс проводить при темпе­ратурах до 120° С, потери сулемы в значительной мере умень­шаются.

В контактном аппарате 8, кроме основной реакции гидрохло­рирования, протекают и побочные реакции, в частности образова­ние несимметрического дихлорэтана в результате присоединения хлористого водорода к хлористому винилу.

В результате гидратации ацетилена образуется также некото­рое количество ацетальдегида. Поэтому в контактных газах, со­держащих примерно 93 вес.% хлористого винила, 5 вес.% хлори­стого водорода и 0,5 вес.% ацетилена, присутствует 0.3 вес.% паров несимметрического дихлорэтана и 0,3 вес.% ацетальдегида. Эта смесь для удаления хлористого водорода поступает в орошае­мый водой насадочный скруббер 9 из углеродистой стали, футе­рованный изнутри поливинилхлоридом.