Химические реакторы

Сентябрь 9, 2022

Главная
Химия
Химические реакторы

Содержание

2. Энергетический баланс и тепловые расчеты химических процессов Энергетический (тепловой) баланс составляют как при проектировании нового производства,
3. Энергетический (тепловой) баланс Энергетический (тепловой) баланс составляют на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым
4. Энергетический (тепловой) баланс Тепловой (энергетический) баланс составляют по данным: материального баланса и тепловых эффектов химических реакций
5. Пример: слева - схема химического реактора с теплообменником, справа - схема основных потоков теплового баланса этого
6. Тепловой (энергетический) баланс рассчитывают по уравнениям:
7. Тепловой (энергетический) баланс Согласно закону сохранения энергии: Q приход = Q расход Значения Q fp (т),
8. Расчет значений Q fp (т), Q fp (ж), Q fp (г) для поступающего материала
9. Расчет теплоемкости при смеси материалов При смеси материалов рассчитывают теплоемкость смеси по законам аддитивности:
10. Расчет теплоемкости для газов Для газов мольные теплоемкости Ср (кДж/кмоль∙К) или объемные теплоемкости (кДж/куб.м∙К) при постоянном
11. Расчет теплоемкости при смеси газов Для газовой смеси расчет теплоемкости проводят, также используя правило аддитивности: где
12. Расчет теплоты физических процессов Теплоту физических процессов (Qf1, Qf2) рассчитывают для каждого компонента, изменившего фазовое состояние:
13. Экзо- и эндотермические физические процессы Физические процессы разделяют на две основные категории: с выделением теплоты: конденсация,
14. Расчет теплоты химических реакций Qcr Теплоту химических реакций (экзо- и эндотермических) вычисляют по уравнению превращения каждой
15. расчет удельного теплового эффекта реакции qcr расчет удельного теплового эффекта реакции ведется через изменение энтальпии реакции:
16. Расчет количества молей прореагировавшего ключевого компонента А или полученного целевого продукта D для формулы Для непрерывных
17. Расчет тепловой энергии (Qt0) тепловую энергию всех экзотермических реакций заносят статью «Приход» теплового баланса тепловую энергию
18. Расчет тепловой энергии (Qto) Подвод тепловой энергии в реактор или отвод теплоты из реактора (Qto) можно
19. Расчет тепловой энергии (Qto) Расчет можно произвести по уравнению теплопередачи через греющую или охлаждающую стенку для
20. Расчет потерь теплоты в окружающую среду Qp Потери теплоты в окружающую среду (Qp) принимаются равными 3-5%
21. Допуски при расчете теплового (энергетического) баланса В расчетах теплового баланса все газы и растворы предполагаются идеальными
22. Из теплового баланса и энергетических расчетов можно рассчитать: начальные концентрации ключевого реагента, степень превращения, поверхность теплопередачи,
23. Пример расчета Дано: В смеситель поступает природный газ (V1, куб.м/ч) состава СН4 – 98 об.%; N2
24. Дано: Так как реакция конверсии метана эндотермическая, то для поддержания температурного режима в реактор подают теплоноситель,
25. Задание: Составить тепловой баланс реактора и рассчитать зависимость температуры газовой смеси на выходе из реактора (Т2)
26. Дополнительные данные для расчета: Т1 – температура газовой смеси на входе в реактор (Т1 = 50-250°С);
27. Дополнительные данные для расчета: Изменением объема газовой смеси и теплоемкости в результате протекания реакции конверсии пренебречь.
28. Решение. Химико-технологическая схема (ХТС)
29. Схема основных потоков теплового баланса
30. Составление теплового баланса В статью «Приход» теплового баланса записываем все тепловые потоки, приносящие энергию в реактор:
31. Расчет QfP – теплоты физического прихода теплота физического прихода QfP – это поток тепловой энергии, которую
32. Расчет ведется исходя из условий задачи, согласно которой: природный газ и водяной пар поступают в смеситель
33. Количество природного газа и водяного пара, поступающих в смеситель
34. Расчет теплоты химической реакции 2 (экзотермической) Q2CR Теплота химической реакции Q2CR - это поток тепловой энергии,
35. Расчет Qfr – теплоты физического расхода Теплота физического расхода Qfr – это поток тепловой энергии, которую
36. Расчет теплоты химической реакции 1 (эндотермической) Q1CR Теплота химической реакции Q1CR - это поток тепловой энергии,
37. Расчет потерь тепловой энергии Qp
38. Расчет: Расчет начинаем со средних значений параметров задания: подставляем в статьи теплового баланса средние значения из
39. Расчет: Рассчитываем «расход» Из предварительного расчета получаемая температура (Т2) очень высокая, что свидетельствует о завышенной приходной
40. Расчет по скорректированным значениям Т1 и V2 Для второго расчета принимаем степень конверсии метана Х=0,7 Остальные
41. Для третьего расчета принимаем степень конверсии метана Х=0,9 Остальные статьи баланса остаются без изменения, тогда Т2
43. Скачать презентацию

Слайд 2

Энергетический баланс и тепловые расчеты химических процессов
Энергетический (тепловой) баланс составляют

как при проектировании нового производства, химико-технологического процесса, аппарата, системы, установки, так и для анализа уже существующего.

Слайд 3

Энергетический (тепловой) баланс
Энергетический (тепловой) баланс составляют на основе закона сохранения энергии,

в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна.
Обычно в химических процессах закон сохранения энергии формулируется следующим образом: приход тепловой энергии в данной производственной операции равен расходу его в той же операции.

Слайд 4

Энергетический (тепловой) баланс
Тепловой (энергетический) баланс составляют по данным: материального баланса и

тепловых эффектов химических реакций (экзо- и эндотермических), и физических превращений (испарения, кристаллизации, адсорбции, абсорбции и т.д.), происходящих в реакторе, с учетом подвода теплоты извне (теплообменник-нагреватель) или отвода теплоты из зоны реакции (теплообменник-холодильник) и отвода ее с продуктами реакции, а также через стенки реактора

Слайд 5

Пример: слева - схема химического реактора с теплообменником, справа - схема

основных потоков теплового баланса этого реактора

Слайд 6

Тепловой (энергетический) баланс рассчитывают по уравнениям:

Слайд 7

Тепловой (энергетический) баланс
Согласно закону сохранения энергии:
Q приход = Q расход

Значения Q fp (т), Q fp (ж), Q fp (г) вычисляют отдельно для каждого вида поступающего материала
Значения Q fr (т), Q fr (ж), Q fr (г) вычисляют отдельно для каждого вида выходящего материала

Слайд 8

Расчет значений Q fp (т), Q fp (ж), Q fp (г)

для поступающего материала

Слайд 9

Расчет теплоемкости при смеси материалов
При смеси материалов рассчитывают теплоемкость смеси по

законам аддитивности:

Слайд 10

Расчет теплоемкости для газов
Для газов мольные теплоемкости Ср (кДж/кмоль∙К) или объемные

теплоемкости (кДж/куб.м∙К) при постоянном давлении можно определить при изменении температуры Т, определенной в градусах Кельвина (К), по эмпирическим уравнениям:

Источник справочной информации:
«Краткий справочник физико-химических величин» / Под. ред. К.П.Мищенко и А.А. Равделя. Л.: Химия, 1974. - 200 с.

Слайд 11

Расчет теплоемкости при смеси газов
Для газовой смеси расчет теплоемкости проводят, также

используя правило аддитивности:

где z1 , z2 ,……. zi – концентрации (мольная доля) компонентов смеси; сумма всех концентраций компонентов должна быть равна 1

Слайд 12

Расчет теплоты физических процессов
Теплоту физических процессов (Qf1, Qf2) рассчитывают для каждого

компонента, изменившего фазовое состояние:

где Gf – количество компонентов смеси, претерпевших фазовые переходы в реакторе, кг;
gfp – соответствующая теплота фазовых переходов, кДж/кг

Слайд 13

Экзо- и эндотермические физические процессы
Физические процессы разделяют
на две основные категории:

с выделением теплоты: конденсация, кристаллизация, растворение, абсорбция и адсорбция газов (экзотермические)
с поглощением теплоты: десорбция газов, плавление, растворение, испарение (эндотермические)

Слайд 14

Расчет теплоты химических реакций Qcr
Теплоту химических реакций (экзо- и эндотермических) вычисляют

по уравнению превращения каждой реакции (основной и побочным):

где ni – количество молей прореагировавшего ключевого компонента, находящегося в недостатке в исходной смеси (nА), или количество молей полученного целевого продукта (nD), кмоль; для непрерывных процессов размерность n i будет кмоль/ч.
qcr – удельный тепловой эффект реакции А или D (кДж/кмоль)

Слайд 15

расчет удельного теплового эффекта реакции qcr
расчет удельного теплового эффекта реакции ведется

через изменение энтальпии реакции:

Энтальпию реакции находят как разность сумм теплот образования продуктов (∆Н0С, ∆ Н0D) и сумм теплот образования исходных веществ (∆НА, ∆НВ) с учетом стехиометрических коэффициентов

Слайд 16

Расчет количества молей прореагировавшего ключевого компонента А или полученного целевого продукта

D для формулы

Для непрерывных процессов, протекающих в газовой фазе:

Слайд 17

Расчет тепловой энергии (Qt0)
тепловую энергию всех экзотермических реакций заносят статью «Приход»

теплового баланса
тепловую энергию всех эндотермических реакций заносят в статью «Расход»

Слайд 18

Расчет тепловой энергии (Qto)
Подвод тепловой энергии в реактор или отвод теплоты

из реактора (Qto) можно рассчитать по потере теплосодержания теплоносителя (например, греющей воды)

Слайд 19

Расчет тепловой энергии (Qto)
Расчет можно произвести по уравнению теплопередачи через греющую

или охлаждающую стенку для непрерывных процессов:

Слайд 20

Расчет потерь теплоты в окружающую среду Qp
Потери теплоты в окружающую

среду (Qp) принимаются равными 3-5% от известной статьи теплового баланса, их всегда заносят в расходную часть баланса и рассчитываются согласно уравнению:

Слайд 21

Допуски при расчете теплового (энергетического) баланса
В расчетах теплового баланса все газы

и растворы предполагаются идеальными
Для аппаратов непрерывного действия тепловой баланс составляют на единицу времени, а для аппаратов периодического действия – на время цикла обработки

Слайд 22

Из теплового баланса и энергетических расчетов можно рассчитать:
начальные концентрации ключевого

реагента,
степень превращения,
поверхность теплопередачи,
температуру в реакторе и исходной смеси на входе в реактор,
расход газовой смеси и т.д.

Слайд 23

Пример расчета
Дано:
В смеситель поступает природный газ (V1, куб.м/ч) состава СН4 –

98 об.%; N2 -2 об.% и водяной пар, при этом соотношение исходных концентраций ZNСН4/ZNН2О составляет 1/2,
затем паро-газовая смесь (СН4+N2+Н2О) направляется в каталитический реактор, где протекает реакция конверсии метана с водяным паром по реакции 1 (эндотермическая):

Слайд 24

Дано:
Так как реакция конверсии метана эндотермическая, то для поддержания температурного режима

в реактор подают теплоноситель, получаемый сжиганием природного газа кислородом воздуха в печи по реакции 2 (экзотермическая)

Слайд 25

Задание:
Составить тепловой баланс реактора и рассчитать зависимость температуры газовой смеси

на выходе из реактора (Т2) от степени конверсии (Х): Т2=f(X)
Дополнительные данные для расчета:
Х - степень конверсии метана с водяным паром (Х= 0,5-0,9);
Степень окисления метана кислородом воздуха в печи равна 1;
Кислород взят в соответствии со стехиометрией реакции (2);

Слайд 26

Дополнительные данные для расчета:
Т1 – температура газовой смеси на входе в

реактор (Т1 = 50-250°С);
V1 - расход природного газа, направленный в реактор на конверсию с водяным паром (V1 = 10000 - 60000 куб.м /ч);
V2 – расход сжигаемого природного газа в печи (V2 = 15000-80000 куб.м /ч)
Изменение энтальпии реакций 1 и 2:
ΔH1 = 206 000 кДж; ΔH2 = -805 000 кДж.

Слайд 27

Дополнительные данные для расчета:
Изменением объема газовой смеси и теплоемкости в результате

протекания реакции конверсии пренебречь.
Средние теплоемкости исходной и проконвертированной газовой смеси равны: 2,34 кДж/(куб.м × градус).
Удельные тепловые потери в реакторе конверсии составляют 3% от тепловой энергии, приносимой газовой смесью в реактор;
Тепловые потери в печи сжигания составляют 5% от энергии, выделяющейся от сжигания природного газа.

Слайд 28

Решение. Химико-технологическая схема (ХТС)

Слайд 29

Схема основных потоков теплового баланса

Слайд 30

Составление теплового баланса
В статью «Приход» теплового баланса записываем все тепловые потоки,

приносящие энергию в реактор:

В статью «Расход» записываем все тепловые потоки, которые уносят энергию из реактора:

Слайд 31

Расчет QfP – теплоты физического прихода
теплота физического прихода QfP – это

поток тепловой энергии, которую приносит с собой нагретая до температуры Т1 исходная газовая смесь после смесителя
2,96 – коэффициент, устанавливающий связь между исходной смесью и смесью после смешения

Слайд 32

Расчет ведется исходя из условий задачи, согласно которой: природный газ и

водяной пар поступают в смеситель в количествах:
1 часть природного газа (0,98 СH4 + 0,02 N2) + 1,96 частей водяного пара (водяной пар находим из соотношения ZNСН4/ZNН2О = 1/2 количества СH4 (0,98), соответственно, количество водяного пара составляет 2*0,98=1,96.
Природный газ и водяной пар поступают в смеситель суммарно в количестве:
1 + 1,96 =2,96 частей

Слайд 33

Количество природного газа и водяного пара, поступающих в смеситель

Слайд 34

Расчет теплоты химической реакции 2 (экзотермической) Q2CR
Теплота химической реакции Q2CR

- это поток тепловой энергии, которую приносит в реактор теплоноситель (продукты сжигания природного газа), с учетом потерь 5%

Слайд 35

Расчет Qfr – теплоты физического расхода
Теплота физического расхода Qfr – это

поток тепловой энергии, которую уносит из реактора реакционная смесь, нагретая до температуры Т2

Слайд 36

Расчет теплоты химической реакции 1 (эндотермической) Q1CR
Теплота химической реакции Q1CR -

это поток тепловой энергии, затрачиваемый на конверсии метана с учетом изменения концентрации метана после смесителя

Слайд 37

Расчет потерь тепловой энергии Qp

Слайд 38

Расчет:
Расчет начинаем со средних значений параметров задания: подставляем в статьи теплового

баланса средние значения из рекомендованных интервалов изменения параметров в условии задачи:
Рассчитываем «приход»

Слайд 39

Расчет:
Рассчитываем «расход»
Из предварительного расчета получаемая температура (Т2) очень высокая, что свидетельствует

о завышенной приходной части теплового баланса. Следовательно:
уменьшаем значения V2 с 40000 до 15000 куб.м/ч
и Т1 со 150 до 50°С.

Слайд 40

Расчет по скорректированным значениям Т1 и V2
Для второго расчета принимаем степень

конверсии метана Х=0,7

Остальные статьи баланса остаются без изменения, тогда Т2 = 1110°C

Слайд 41

Для третьего расчета принимаем степень конверсии метана Х=0,9
Остальные статьи баланса остаются

без изменения, тогда Т2 = 851°C

Химические реакторы

Содержание

Энергетический баланс и тепловые расчеты химических процессов Энергетический (тепловой) баланс составляют

Энергетический (тепловой) балансЭнергетический (тепловой) баланс составляют на основе закона сохранения энергии,

Энергетический (тепловой) балансТепловой (энергетический) баланс составляют по данным: материального баланса и

Пример: слева - схема химического реактора с теплообменником, справа - схема

Тепловой (энергетический) баланс рассчитывают по уравнениям:

Тепловой (энергетический) балансСогласно закону сохранения энергии: Q приход = Q расход

Расчет значений Q fp (т), Q fp (ж), Q fp (г)

Расчет теплоемкости при смеси материаловПри смеси материалов рассчитывают теплоемкость смеси по

Расчет теплоемкости для газовДля газов мольные теплоемкости Ср (кДж/кмоль∙К) или объемные

Расчет теплоемкости при смеси газовДля газовой смеси расчет теплоемкости проводят, также

Расчет теплоты физических процессовТеплоту физических процессов (Qf1, Qf2) рассчитывают для каждого

Экзо- и эндотермические физические процессыФизические процессы разделяют на две основные категории:

Расчет теплоты химических реакций QcrТеплоту химических реакций (экзо- и эндотермических) вычисляют

расчет удельного теплового эффекта реакции qcrрасчет удельного теплового эффекта реакции ведется

Расчет количества молей прореагировавшего ключевого компонента А или полученного целевого продукта

Расчет тепловой энергии (Qt0)тепловую энергию всех экзотермических реакций заносят статью «Приход»

Расчет тепловой энергии (Qto)Подвод тепловой энергии в реактор или отвод теплоты

Расчет тепловой энергии (Qto)Расчет можно произвести по уравнению теплопередачи через греющую

Расчет потерь теплоты в окружающую среду Qp Потери теплоты в окружающую

Допуски при расчете теплового (энергетического) балансаВ расчетах теплового баланса все газы

Из теплового баланса и энергетических расчетов можно рассчитать: начальные концентрации ключевого

Пример расчетаДано:В смеситель поступает природный газ (V1, куб.м/ч) состава СН4 –

Дано:Так как реакция конверсии метана эндотермическая, то для поддержания температурного режима

Задание: Составить тепловой баланс реактора и рассчитать зависимость температуры газовой смеси

Дополнительные данные для расчета: Т1 – температура газовой смеси на входе в

Дополнительные данные для расчета:Изменением объема газовой смеси и теплоемкости в результате