Общая химическая технология - файл n1.doc

Общая химическая технология
скачать (229 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc229kb.04.12.2012 01:39скачать

n1.doc

Температурная устойчивость реакторов на примере необратимой эндотермической реакции

Рассмотрим температурную устойчивость реакторов на примере необратимой эндотермической реакции, протекающей в реакторе полного смешения, работающем при интегрально адиабатическом режиме. Зависимость скорости поглощения тепла реакции от температуры представлена кривой на рис. 1. S-образная форма кривой обусловлена местным влиянием на скорость поглощения тепла температуры и концентрации реагентов. При низких температурах скорость реакции, а потому и поглощение тепла невелико. С повышением температуры, согласно уравнению Аррениуса, резко возрастает скорость реакции и соответственно скорость поглощения тепла. При этом заметно падает концентрация реагентов, что замедляет реакцию. При степени превращения, приблежающейся к единице (Ха->1), скорость реакции, а соответствен­но поглощение тепла стремятся к нулю. На рис. 1 приведена линейная зависимость скорости отвода тепла потоком реакционной сме­си, выходящей из адиабатического реактора, от температуры. При прочих равных условиях прямые теплотвода имеют угол наклона, равный ?, и отсекают на оси абсцисс отрезок tн. Точки а, Ь, с, d, e, на которых происходит пересечение S-образной кривой выделения тепла с прямыми теплоотвода, соответствуют состоянию, когда соблюдается тепловой баланс процесса, т.е. Qnp = Qpacx и dQnp/dt = IQрасх/dt. В этих точках процесс стационарный. Таким образом, может существовать несколько стационарных состояний.

Анализ рис. 1 позволяет определить, при каком взаимном расположеннии линий теплоподвода и теплоотвода будет соблюдаться устойчивость теплового режима в реакторе. Предположим, по условиям силового режима пересечение линий теплоподвода и теплоотвода происходит в точке а при рис. 1

температуре ta. Если произойдет в результате каких-либо внешних воздействий повышение температуры, то окажется, что скорость отвода тепла будет выше скорости подвода, т.е. dQnp/dt < dQpacх/dt. Следовательно, должно произойти снижение температуры до tа которая отвечает стационарному состоянию системы. Если температура окажется ниже, чем ta, скорость теплоподвода станет выше скорости отвода тепла и поэтому произойдет повышение температуры, при которой (dQnp/dt)=(dQpaсх/dt).

Таким образом, в обоих рассмотренных режимах система возвра­тилась в исходное состояние и, следовательно, температура ta отве­чает ее устойчивому состоянию. Однако проведение химического процесса при температуре tн не может быть рекомендовано, так как при столь низкой температуре невозможно получить высокую сте­пень превращения исходных веществ без подвода тепла извне.

На рис. 1 видно, что прямая 2 пересекает S-образную кривую в точке b при температуре tb. Если температура в реакторе станет выше или ниже tb, то исходя из того, что при более высокой темпе­ратуре dQnp/dt < dQрасх/dt, а при более низкой dQnp/dt > dQрасх/dt, система возвратится в исходное состояние. Следовательно, при тем­пературе tb тепловой режим устойчив и происходит почти полное протекание реакции. Таким об­разом, в этих условиях может быть достигнута высокая сте­пень превращения.

Наконец, допустим, что от­носительное положение S-образной кривой и прямой 3 отво­да тепла таково, что они пересе­каются в трех точках: с, d, e. Температуры tc и td отвечают устойчивому состоянию, что обусловлено теми же факторами, что и для ta и tb. В точке е коли­чество подводимого и отводимо­го тепла равно между собой, т. е. dQnp/dt = dQрасх/dt и система может работать в стационарных условиях. Однако незначительное положительное отклонение тем­пературы от te превышает скорость выделения тепла над теплоотводом и, следовательно, температура в реакторе будет расти до тех пор, пока не достигнет td, соответствующую устой­чивому состоянию системы.


Печь пылевидного обжига

Печь пылевидного обжига (рис. 1) работает по принципу распыления тонкоизмельчешюго обжигаемого материала в потоке воздуха, т. е. при прямоточном направ­лении движения реагентов, Это печь прямого нагрева, обогреваемая теплом экзотермических реакций, про­текающих при обжиге. Поверхность соприкосновения газа с обжигаемым материалом равна поверхности тонкоизмельченных частиц, т. е. она намного больше по сравнению с другими типами печей. Печь представляет собой стальной цилиндр, футерованный шамотным кирпичом и снабженный форсункой (соплом) для распыления материала, шту­церами для ввода и выво­да газа (воздуха) и твердого остатка. Такие печи применяются, например, для обжига колчедана в производстве серной кис­лоты. Сухой флотационный колчедан с первич­ным воздухом вдувается через форсунку (обычно расположенную в нижней части) внутрь раскаленной печи. Под напором струи воздуха пылевидный кол­чедан поднимается в верхнюю часть печи, где смешивается с вто­ричным воздухом, вдуваемым в печь для улучшения процесса об­жига, который длится несколько секунд (во время полета пылинок). Образовавшийся огарок (твердый остаток) падает на конусоидное дно печи, откуда и удаляется. Гидродинамический режим обеих фаз близок к полному смешению. Газ с температурой 1000 оС выводится из бокового штуцера в паровой котел-утилизатор, а затем на очистку от пыли. Большая реакционная способность пылевидных частиц, находящихся во взвешенном состоянии, позволила достичь большой интенсивности работы этих простых по устройству печей. Однако для печей пылевидного обжига требуется Рис.1.: Печь пылевидного обжига колчедана

1 – кожух печи; 2 — футеровка; 3 -- бункер; 4 — форсунка

сухой, тонкодисперсный и монодисперсный обжигаемый материал. Велик унос материала с потоком газа и работа печи недостаточно устойчива. Поэтому печи пылевидного обжига пока не получили широкого распространения.
Реакторы с поверхностным контактом

Контактные аппараты поверхностного контакта с размещением катализаторов в виде труб или сеток, через которые пропускается газ, применяются реже, чем аппараты с фильтрующим пли взвешенным слоем катализатора. При поверх­ностном контакте активная поверхность катализатора невелика. Поэтому аппараты такого типа целесообразно применять лишь для быстрых экзотермических реакции па высокоактивном катализаторе, обеспечивающем выход, близкий к теоретическому. При этих усло­виях в контактном аппарате не требуется размещать большие количества катализатора. Принципиальная схема контактного аппарата с катализатором в виде сеток показана на рис. 2. В кор­пусе аппарата горизонтально укреплены одна над другой несколько сеток (пакет сеток), изготовленных из активного для данной реак­ции металла или сплава. Подогрев газа до температуры зажигания производится главным образом в самом аппарате за счет тепла излучения раскаленных сеток. Время соприкосновения газа с поверхностью сеток составляет тысячные — десятитысячные доли секунды. Такие аппараты просты по устройству и высокопроизво­дительны. Они применяются для окисления аммиака на платино-палладиево-родиевых сетках, для синтеза ацетона из изопропилового спирта на серебряных сетках, для окисления метанола на медных или серебряных сетках и т. п. Эти же процессы с применением других менее актив­ных, но более дешевых катализаторов проводят в аппаратах с фильтрующим или взвешенным слоем катализатора. В неко­торых случаях, чтобы совместить катализ и нагрев газовой смеси, катализатор нано­сят на стенки теплообменных труб.



Рис. 2. Контактный аппарат с катализатором в виде сеток:

1— кольца Рашига; 2 — сетки из катализатора; 3 — распределительная решетка; 4 — картонный фильтр; 5 — предохранительный клапан; А — ввод газа в ап­парат


Контактные аппараты с внешними теп­лообменниками

В контактных аппаратах с внешними теп­лообменниками теплообмен производится между стадиями контактирования для поддержания температурного режима, близ­кого к оптимальному. На рис. 3 приведена принципиальная схема контактирования с промежуточным теплообменом во внешних теп­лообменниках; такая схема характерна для обратимых экзотерми­ческих реакций. Свежий газ нагревается в теп­лообменнике 6 за счет тепла продуктов реак­ции, прошедших кон­тактирование, и затем последовательно прохо­дит межтрубное прост­ранство теплообменни­ков 5 и 4, подогреваясь до температуры начала каталитической реакции (температуры зажига­ния t3). Затем газ по­следовательно проходит через слои катализато­ра в контактных аппа­ратах и внутри труб соответствующих тепло­обменников.

В соответствии с общими кинетическими закономерностями выход продукта при катализе возрастает со временем по логарифмической кривой. Поэтому, как показано на рис. 4, доля от общего выхода ∆х в каждом из контактных аппаратов 1, 2 и 3 (рис. 3) понижается по мере контактирования, т. е. ∆х1 > ∆х2 > ∆x3. Соответственно постепенно уменьшаются тепловой эффект процесса и количество тепла, которое требуется отвести из каждого слоя. Происходящие при многоступенчатом контактиро­вании изменения температуры и степени превращения показаны на рис. 5. При хорошей тепловой изоляции аппаратов в каждом слое катализатора происходит адиабатический процесс возрастания температуры пропорционально повышению степени превращения, что на рис. 5 показано прямыми 1, 2, 3. Количество катализатора в аппаратах 1, 2, 3, как правило, последовательно увеличивается. Однако степень превращения в каждом отдельном аппарате 1, 2, 3 (рис. 3) последовательно снижается, что соответствует закону действия масс и выражающим его кривым (рис.4). Охлаждение газа в теплообменниках 4, 5, 6 (рис. 3) изображается горизонталями в, б, а (рис. 4).



Рис. 3. Схема многоступенчатого контакти­рования с внешними теплооб- менниками:

1, 2, 3 — контактные аппараты; 4, 5, 6 - теплообменники; А - исходный газ; Б -продукты реакции

Степень превращения в каждом слое катали­затора ограничена пересечением адиабаты с кривой равновесия и в первом слое максимально достижимый выход продукта составляет лишь х1 = хр. Следовательно, чем больше ступеней контактирова­ния и промежуточного охлаждения, тем выше выход продукта и режим ближе к оптимальному. В современных контактных аппара­тах промежуточный теплообмен чаще всего производят в теплооб­менниках, расположенных в полочном аппарате между слоями катализатора.



Рис. 4. Зависимость степени превращения от времени для трехступенчатого контактирования:

∆х1, ∆х2, ∆x3— степень превращения в контактных аппаратах 1, 2, 3 с внешними тепло­обменниками; х1 х2, х3, — общий выход за время ?1, ? 2, ?3.



Рис. 5. Зависимость степени превращения от температуры для трехступенча­того процесса контактирования с промежуточным охлаждением газа:

1 — равновесная кривая; 2 — оптимальная кривая: 1, 2, 3 — адиабаты превращения; а, б, в — линии охлаждения газа.
№ 171 в.

Определить энергию активации окисления сернистого газа в серный ангидрид на различных катализаторах, пользуясь уравнением Аррениуса.
Температура Т1, К 455

Константа скорости при Т1, с-1 6,3

Температура Т2, К 470

Константа скорости при Т2, с-1 12

Температура Т3, К 485

Константа скорости при Т3, с-1 25


Решение:

Уравнение Аррениуса

К=К0  е –Е/RT
К1 / К2 = К0  е –Е/RT/ К0  е –Е/RT
Е / R (1/ Т1 – 1/ Т2) = ln К1 / К2
Е / 8,31* (1/455 – 1/470) = ln 6,3/12
Е*(0,0000701) = -0,644 * 8,31
Е1 = -76296
К3 / К2
Е / 8,31* (1/485 – 1/470) = ln 25/12
Е*(-0,0000658) = 0,734*8,31
Е2 = -92692,7
К3 / К1

Е / 8,31* (1/485 – 1/455) = ln 25/6,3
Е (-0,0001)=3,97*8,31
Е3 = -329907

Ответ: Е1 = -76296; Е2 = -92692,7; Е3 = -329907.


№ 155 г. Рассчитать конечный состав газовой смеси в массовых и молярных процентах

Исходные данные

Состав смеси % масс.

Водород 60

Кислород 29

Двуокись углерода 8,8

Азот 1,3

Количество смеси 500кмоль

Каков конечный состав смеси, если

а) удалено:

Двуокись углерода 680м3

Кислорода 1200м3

б) добавлено

метана 46кг
Решение:

1. Рассчитаем молярную долю каждого компонента (масса смеси для расчета 100кг)

%мол = (1)

Н2 = 0,963 или 96,3%

О2 = 0,0291 или 2,91%

СО2 = 0,0064 или 0,64%

N2 = 0,0015 или 0,15%

2. Молярная масса смеси

,(2) где хi – массовая доля компонента в смеси

Мсмеси = 0,6*2+0,29*32+0,088*44+0,013*28 = 14,7кг/кмоль
3. Найдем массу смеси

mсмеси = nсмеси*Мсмеси(3) mсмеси = 500*14,7 = 7350кг
4. Найдем массу каждого компонента

mi = xi * mсмеси(4)

2 = 0,6*7350 = 4410кг

2 = 0,29*7350 = 2131,5кг

mСО2 = 0,088*7350 = 646,8 кг

mN2 = 0,013*7350 = 95,55 кг
5. Найдем объем смеси

1моль смеси занимает 22,4л

500кмоль занимает 500000*22,4 =11200000л = 11200м3
6. Найдем объем каждого компонента

Vi = xi * Vcмеси(5)

2 = 0,6*11200 = 6720м3

2 = 0,29*11200 = 3248м3

VСО2 = 0,088*11200 = 985,6м3

VN2 = 0,013*11200 = 145,6м3


Компонент

М

%масс

Масса,кг

V,м3

%мол.

n, кмоль

Водород

2

60

4410

6720

96,3

301,67

Кислород

32

29

2131,5

3248

2,91

146,7

Двуокись

Углерода

44

8,8

646,8

985,6

0,64

44,94

Азот

28

1,3

95,55

145,6

0,15

6,69






100

7350

11200

100

500


После удаления осталось: 305,6м3 двуокиси углерода, 2048м3 кислорода.

Тогда объем полученной смеси Vсмеси = 9320м3

Из уравнения (5) найдем хi каждого компонента полученной смеси

хi =

хiН2 = 6720/9320 = 0,72

хiО2 = 2048/9320 = 0,2197

хiСО2 = 305,6/9320 = 0,0328

хiN2 = 145,6/9320 = 0,0156
Найдем количество смеси, моль

9320м3 = 9320000л

1моль =22,4л

хмоль=9320000л => количество смеси = 416,1кмоль
Найдем массу полученной смеси

mсмеси = nсмеси*Мсмеси(3) mсмеси = 416,1*14,7 = 6116,7кг
Найдем массу каждого компонента

mi = xi * mсмеси(4)

2 = 0,72*6116,7 = 4410кг

2 = 0,2197*6116,7 = 1343,8кг

mСО2 = 0,0328*6116,7 = 200,63 кг

mN2 = 0,0156*6116,7 = 95,55 кг
Рассчитаем молярную доля каждого компонента полученной смеси
Н2 = 0,9778

О2 = 0,0186

СО2 = 0,0020

N2 = 0,0015

Сведем полученные данные в таблицу

Компонент

М

%масс

Масса,кг

V,м3

%мол.

n, кмоль

Водород

2

72

4410

6720

97,78

301,67

Кислород

32

21,97

1343,8

2048

1,86

91,43

Двуокись

Углерода


44


3,28


200,63


305,6


0,20

13,64

Азот

28

1,56

95,55

145,6

0,15

6,69






100

6116,7

9320

100

416,1


Добавлено 46кг метана

Тогда масса смеси mсмеси = 6116,7 + 46 = 6162,7кг

Найдем %масс каждого компонента полученной смеси



71,56%

21,81%

3,26%

1,55%

0,75%
Рассчитаем молярную доля каждого компонента полученной смеси
Н2 = 0,9766

О2 = 0,0186

СО2 = 0,0020

N2 = 0,0015

N2 = 0,0013
Молярная масса полученной смеси

,(2) где хi – массовая доля компонента в смеси

Мсмеси = 0,7156*2+0,2181*32+0,0326*44+0,0155*28+0,0075*16 = 10,4кг/кмоль
Найдем количество СН4, моль

n = mСН4/МСН4 = 46/16 = 2,9кмоль
Найдем объем СН4

2900*22,4 = 64960л = 65м3

Объем смеси Vсмеси = 9320+65 = 9385м3
Найдем объем каждого компонента

Vi = xi * Vcмеси(5)

2 = 0,7156*9385 = 6720м3

2 = 0,2181*9385 = 2048м3

VСО2 = 0,0326*9385 = 305,6м3

VN2 = 0,0155*9385 = 145,6м3

VСН4 = 0,0075*9385 = 70,4м3

Конечный состав смеси

Сведем полученные данные в таблицу

Компонент

М

%масс

Масса,кг

V,м3

%мол.

n, кмоль

Водород

2

72

4410

6720

97,66

301,67

Кислород

32

21,97

1343,8

2048

1,86

91,43

Двуокись

Углерода


44


3,28


200,63


305,6


0,20

13,64

Азот

28

1,56

95,55

145,6

0,15

6,69

Метан

16

0,75

46

70,4

0,13

3,14






100

6162,7

9385

100

417


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации