Сравнение реакторов идеального вытеснения и полного смешения в адиабатическом режиме работы

В скруббере 10, орошае­мом 40%-ным раствором щелочи, из газов удаляется двуокись углерода.

После щелочной промывки контактный газ охлаждается до —10°С рассолом, (температура рассола —30° С) в холодильни­ке 11, где происходит вымораживание большей части влаги, и поступает в осушитель 12, заполненный твердой кусковой ще­лочью. Образующийся раствор щелочи периодически отводится из нижней части осушителя и используется для промывки газов в скруббере 10. В осушителе 12 контактный газ полностью очи­щается от влаги и большей части ацетальдегида. Очистку хлори­стого винила от дихлорэтана и остатков ацетальдегида проводят путем дистилляции в тарельчатой колонне 13, орошаемой жидким хлористым винилом, охлажденным до —30° С. Кубовая жидкость из колонны 13 может быть использована как растворитель.

Выходящий из колонны 13 хлористый винил конденсируется в кожухо-трубном конденсаторе 14, охлаждаемом рассолом (тем­пература рассола —35°С); жидкий хлористый винил самотеком поступает в куб аппарата 15. Верхняя часть этого аппарата пред­ставляет собой колонну-холодильник, охлаждаемую аммиаком, испаряющимся при разрежении и —55° С. Здесь из хлористого винила отгоняются растворенные ацетилен и инертные газы. Из кубовой части аппарата 15 некоторое количество жидкого хлори­стого винила поступает на орошение колонны 13, а основная часть его перетекает в насадочную колонну 16 для окончательной очист­ки от ацетилена. Верхняя часть колонны 16 представляет собой рассольный холодильник (температура —30° С). Выходящий из нее газ, содержащий 1—5% ацетилена, возвращается в колонну 13. Из куба колонны 16 непрерывно вытекает очищенный жидкий хло­ристый винил.

На 1 т 100%-ного хлористого винила, получаемого описанным способом, расходуется около 0.45 т ацетилена, 0.65 т хлористого водорода и 0.2 – 0.5 кг сулемы.

Синтез хлористого винила из ацетилена и хлористого водорода в газовой фазе отличается  большими достоинствами (непрерывностью процесса, простотой аппаратурного оформления, высоким коэффициентом использования исходных соединений), однако недостатком этого процесса является относительная  дороговизна ацетилена по сравнению с другими исходными углеводородами.

Рисунок 1. Схема производства хлористого винила газофазным гидрохлорированием ацетилена.

1 – гидравлический затвор; 2 – ротационный водокольцевой компрессор; 3 – водоотделитель; 4, 11, 17 – холодильники; 5 – сепаратор; 6, 12 – аппараты для сушки; 7 – смеситель; 8 – контактный аппарат; 9, 10 – скрубберы; 13 – дистилляционная колонна; 14 – конденсатор; 15 – аппарат для выделения газа; 16 – отгонная колонна; 18 – сборник хлористого винила.                        

2.     Математические модели химических реакторов

2.1 Реактор идеального вытеснения.

В таком реакторе все частицы движутся в заданном направлении, не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади и полностью вытесняя подобно поршню находящиеся впереди частицы потока. Время пребывания всех частиц в аппаратах идеального вытеснения одинаково. По длине реактора плавно изменяются концентрации реагентов от ZA0 до ZA, и в соответствии с этим изменяется скорость химической реакции.

      Поскольку в реакторе идеального вытеснения изменяется состав реагентов по длине, процесс в нем описывается дифференциальным уравнением материального баланса.

аА+вВ<=>сС+dD

Массовый расход ключевого реагента на входе в реактор равен массовому расходу на выходе из него:      

GApr. = GAras.                                                                                               (1)

Массовый расход ключевого реагента на входе в реактор:

                                                                          (2)

Массовый расход ключевого реагента на выходе из реактора:

GAras. = GAcr. + GAub                                                                                (3)

Массовый расход прореагировавшего ключевого реагента:

GAcr. = U·dV·MA                                                                                          (4)

Массовый расход ключевого реагента на убыль:

                                                                (5)

Подставив уравнения (2) - (5) в уравнение (1) и проведя преобразования, получим:

                                                                                       (6)

Объём реактора:

Vr = V0·τ                                                                                                         (7)

Продифференцировав уравнение (7), выразим бесконечно малый объём реактора:

                                                                                                                  (8)

Подставив уравнение (8) в уравнение (6) и проведя преобразования, получим:

                                                                                              (9)

Материальный баланс для реактора идеального вытеснения имеет вид:

                                                                                                 (10)

Характеристическое уравнение для реактора идеального вытеснения имеет вид:

                                                                                (11)

Характеристическое уравнение позволяет, если известна кинетика процесса, определить время пребывания реагентов в реакторе. Зная время пребывания реагентов в реакторе можно определить размеры реактора при заданном расходе реагентов и степени превращения.

      Рассмотрим тепловой баланс реактора идеального вытеснения.

Тепловой баланс реактора идеального вытеснения для экзотермической реакции имеет вид:

Hfp + Hcr = Hfr + Hto                                                                                  (12)      

Теплота физического прихода:

Hfp = V0·Cp·(T – 273)                                                                                  (13)

Теплота физического расхода:

Hfr = V0·Cp·(T +dT – 273)                                                                           (14)   

Теплота, выделяющаяся в ходе химической реакции:

Hcr = U·ΔH°·dV                                                                                            (15)

Теплота, отводимая с помощью холодильника:

Hto = K·F·ΔT·dV                                                                                          (16)

Коэффициент теплопередачи:         

α1 - коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности теплообменника;

α2 - коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности теплообменника:

d – толщина стенки теплообменника;

λ – теплопроводность материала стенки теплообменника;

К - коэффициент обратный общему термическому сопротивлению.

Подставив уравнения (13) – (16) в уравнение (12) и сократив подобные члены, получим:

                                  (17)

Из уравнения материального баланса, скорость химической реакции:

                                                                                        (18) 

Подставив уравнения (8) и (18) в уравнение (17) и проведя преобразования, получим уравнение политермы, в котором учитывается часть теплоты химической реакции, которая идет на изменение температур в химической реакции, и часть, которая уходит на теплоту, которую уводит теплообменник:

                (19)  

Рассмотрим адиабатический режим: холодильник отсутствует, т.е. вся энергия идет на изменение температуры:

                                                                (20)

Выразив из уравнения (20) бесконечно малое изменение температуры, получим:

                                                                         (21)

Проинтегрировав уравнение (21), получим:

                                                                   (22)

Адиабатический коэффициент:

                                                                                  (23)

Физический смысл адиабатического коэффициента: на столько градусов изменится температура реакционной смеси, если степень превращения будет равна 1, то есть, если ключевой реагент прореагировал полностью.

Подставив уравнение (23) в уравнение (22), получим уравнение адиабаты:

           T = T0 ± Ad·X                                                                                          (24)

«+» - уравнение адиабаты для экзотермической реакции;

«-» -  уравнение адиабаты для эндотермической реакции.                                                                                              

Реальные реакторы обычно работают при режимах неполного перемешивания, но в некоторых производственных реакторах степень перемешивания столь незначительна, что для технологических расчетов можно применять модель идеального вытеснения. К таким реакторам относятся трубчатые контактные аппараты с катализаторами в трубах или межтрубном пространстве, служащие для гетерогенных газо-фазных реакций. Модель вытеснения можно применять для технических расчетов при проектировании жидкофазных трубчатых реакторов с большим отношением длины трубы к его диаметру. Такие реакторы широко применяются в производствах органических веществ.

Модель вытеснения можно использовать также для расчета камерных печей.

2.2. Реактор полного смешения.

Проточный реактор смешения представляет собой аппарат, в котором интенсивно перемешиваются реагенты, например при помощи мешалки. В него непрерывно подаются реагенты и непрерывно выводятся продукты реакции. Поступающие в такой реактор частицы вещества мгновенно смешиваются с находящимися в нём частицами, т.е. равномерно распределяются по объёму аппарата.

Для модели полного смешения принимается ряд допуще­ний. Допускается, что в результате интенсивного перемешивания устанавливаются абсолютно одинаковые условия в любой точке реактора: концентрации реагентов и продуктов, степени превра­щения реагентов, температура, скорость химической реакции и т. д.

В проточном реакторе идеального смешения концентрации участников реакции в выходном потоке в рассматриваемый момент времени τ, строго равны концентрациям тех же веществ в реакторе.

      Рассмотрим материальный баланс реактора полного смешения.

Массовый расход ключевого реагента на входе в реактор равен массовому расходу на выходе из него:      

GApr. = GAras.                                                                                             (25)

Массовый расход ключевого реагента на входе в реактор:

                                                                                    (26)

Массовый расход ключевого реагента на выходе из реактора:

GAras. = GAcr. + GAub                                                                               (27)

Массовый расход прореагировавшего ключевого реагента:

GAcr. = U·Vr·MA                                                                                         (28)

Массовый расход ключевого реагента на убыль:

                                                                        (29)

Подставив уравнения (26) - (29) в уравнение (25) и проведя преобразования, получим:

                                                                                       (30)

Объём реактора:

Vr = V0·τ                                                                                                       (31)

Подставив уравнение (31) в уравнение (30) и проведя преобразования, получим:

                                                                                               (32)

Материальный баланс для реактора полного смешения имеет вид: