ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Моделирование химических реакторов. Устойчивость режима работы реакторов из "Технологические методы нефтехимического синтеза издание2" Технологическая схема любого химического производства состоит из нескольких частей, выполняющих различные функции. Главной частью установки является реактор, в котором происходит химическое превращение веществ. К вспомогательным узлам установки относятся узлы подготовки сырья до поступления его в реактор и переработки реакционной смеси, выходящей из реактора. Существует также группа аппаратов для улавливания продуктов, уносимых вместе с отходящими газами, очистки сточных вод, приготовления катализатора и т. п. Наличие той или другой из этих групп в технологической схеме установки определяется специфическими особенностями производства. [c.5] До поступления в реактор сырье, чистота и влажность которого не соответствуют требованиям, подвергают следующим операциям сушке, растворению, плавлению, испарению, измельчению, приготовлению смесей реагирующих компонентов, сжатию газообразного сырья до необходимого давления, нагреву и т. д. [c.5] Задачей переработки реакционной смеси после реактора являются выделение полезных продуктов реакции и очистка их, а также регенерация растворителя и непрореагировавшего сырья, что достигается ректификацией, фильтрованием и другими процессами химической технологии. [c.5] При помощи критериев подобия и эмпирических формул можно рассчитывать многие физические процессы, протекающие в химической аппаратуре. При этом в качестве исходных данных служат физические константы веществ и размеры аппаратов. В наиболее трудных случаях достаточно получить опытные данные на одной экспериментальной установке чтобы с их помощью провести расчет аналогичных установок. [c.6] Вследствие большой сложности физико-химических процессов для их изучения, а также для расчета и проектирования аппаратуры не удается применить теорию подобия. Чтобы выбрать режим работы химических реакторов и получить данные для их проектирования, требуется, как правило, экспериментально изучить эти вопросы в каждом отдельном случае. [c.6] Создание технологии получения продукта, который впервые осваивается промыш ленностью, начинается с изучения химического процесса в лабораторных условиях, где подбирается режим работы и намечается тип реактора. Благодаря малому объему реакционного пространства и возможности очень тщательного регулирования процесса в лабораторном реакторе здается довольно точно выдержать температурный и концентрационный режимы. При переходе к более крупному химическому реактору возникают три главных трудности. [c.6] Во-первых, при изменении размеров реактора изменяются условия диффузии, теплопередачи, перемешивания и т. п., что вызывает нарушение режима температур и концентраций в разных точках реакционного объема и тем самым влияет на условия протекания реакции. [c.6] Во-вторых, при создании крупного реактора необходимо учитывать технические и экономические факторы (сложность изготовления реактора, его стоимость, доступность теплоагентов, которые в нем применяются, вопросы коррозии и т. п.). В результате иногда оказывается необходимым несколько изменить или упростить конструкцию, которая представляется наилучшей на основании лабораторных исследований, а это ведет к новым отклонениям в химических реакциях. [c.7] В-третьих, изменение размера реактора обычно сопряжено с изменением материала, из которого он изготовляется, а это, в свою очередь, может заметно отразиться на ходе реакции. Известно, что стенки реактора в некоторых случаях могут ускорять или тормозить химический процесс. [c.7] Переход к более крупному химическому реактору сопряжен со значительными нарушениями процесса и требует дополнительного экспериментирования для выяснения характера этих нарушений и возможности их устранения. Такие вопросы решают экспериментально на пилотных установках, которые изготовлены из того же материала, что и промышленные, но обладают значительно меньшей производительностью. После проведения опытов на пилотной установке производится дополнительная проверка на полузаводской установке, на которой наряду с определением изменений, вносимых в ход процесса увеличением размеров реактора, отрабатываются все вспомогательные технологические операции и проверяется работа всех узлов технологической схемы. Данные, полученные на полузаводской установке, являются основными при проектировании промышленного производства. [c.7] Последней ступенью создания технологии производства нового продукта является освоение промышленной установки, которое также требует длительного изучения возможностей реактора. Экспериментальная проверка необходима также при усовершенствовании конструкции реактора. [c.7] Теоретический анализ экспериментальных данных в области кинетики реакций промышленных процессов позволяет обоснованно избирать наилучшие условия проведения реакции, а также на основании лабораторных опытов определять условия работы крупной установки. [c.7] Кинетика изучает проведение химической реакции в идеальных условиях при постоянных температуре и концентрации во всем реакционном пространстве и во времени, а макрокинетика изучает проведение реакции в реальных условиях с учетом диффузии, выделения и распространения реакционного тепла, гидродинамических факторов. [c.8] Хотя макрокинетика полнее описывает процесс, происходящий в реакторе, чем кинетика, она все же учитывает только факторы, относящиеся к естественному течению реакции без внешнего вмешательства, тогда как в промышленных реакторах создаются мощные принудительные потоки смеси, применяются различные способы подвода сырья и отвода продуктов реакции, нарушающие естественное распределение концентраций, применяются различные способы подвода и отвода тепла. Учитывая влияние этих факторов наряду с кинетическими и макрокинетическими (диффузионными), можно в общем виде описать процесс в промышленном реакторе. Этим описанием занимается промышленная кинетика. [c.8] Основы теории макрокинетики изложены в монографии Франк-Каменецкого [1]. Макрокинетика и промышленная кинетика изложены также в монографиях и обзорах Орочко [2—4], Борескова [5], Иоффе и Письмена [6], Нагиева [7—8]. [c.8] Развитие макрокинетики и промышленной кинетики создает предпосылки, позволяющие искать новые пути переходов от лабораторного реактора к промышленному. Наиболее совершенным является такой путь, который совсем не требует эмпирического освоения реакторов, а дает возможность теоретически определить все особенности работы промышленного реактора на основе данных, полученных в лабораторном реакторе. К сожалению, такой уровень моделирования реакторов еще не достигнут, хотя успехи в этом направлении весьма существенны. [c.8] МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ. [c.8] Теория масштабных переходов развивается по двум направлениям моделирования физическому и математическому. [c.8] Физическое моделирование химико-технологических процессов основано на теории подобия размерностей. В отличие от подобия физических процессов здесь, наряду с критериальными зависимостями теплопередачи, мас-сопередачи, гидродинамики, нужно учитывать критериальные зависимости химической кинетики. Последнее чрезвычайно усложняет задачу. Причем главная трудность заключается в том, что критерии физического и химического подобия часто оказываются несовместимыми. [c.9] Математическое моделирование обладает более широкими возможностями, так как математическими уравнениями можно выразить любые зависимости между переменными величинами. В химико-технологических процессах независимыми переменными являются условия реакции, зависимыми—скорость реакции, выход ее продуктов, себестоимость целевого продукта и т. п. Однако определение зависимостей усложняется тем, что существует некоторое обратное влияние. Например, скорость реакции зависит от температуры и концентрации компонентов, но в то же время скорость реакции влияет на эти величины. [c.9] Вернуться к основной статье