лаба5

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Ф едеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление подготовки 18.03.01 «Химическая технология»

Профиль «Химическая технология подготовки и переработки нефти и газа»

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №5

Название работы

Расчет каталитических химических реакторов

Вариант

Вариант 8

По дисциплине

Макрокинетика химических процессов и расчет реакторов

Студент

Группа	ФИО	Подпись	Дата
2Д6В	Коробер С.А.

Руководитель

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата
Доцент	Юрьев Е.М.	к.т.н.

Томск – 2020 г.

Цель работы:

1. Составить математическую модель адиабатического химического реактора, с учетом влияния макрокинетических осложнений.

2. Выбрать математический метод решения системы дифференциальных уравнений.

3. Исследовать протекание химических реакций в слое катализатора.

4. Рассчитать изменения концентрации и температуры в ходе химического процесса, обосновать выбор размера зерна катализатора.

5. Выбрать наиболее эффективный технологический режим проведения процесса.

Исходные данные:

Принимаем объем слоя катализатора равным 30 м³, а свободный объем слоя катализатора – 0,3.

Исходные данные для выполнения лабораторной работы приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные для выполнения лабораторной работы

Химическая реакция	Технологические параметры	K0, с-1	Ea, кДж/моль	Расход сырья, м3/с
С4Н10 = i-C4Н10	Р = 0,54 МПа Т = 793К	0,88∙108	112,86	1,5

Теоретическая часть:

В различных областях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности для проведения гетерогенных процессов широко применяют реакторы с неподвижным слоем катализатора (РНСК). В связи с разнообразием процессов, осуществляемых в РНСК, разнообразны и конструкции этих аппаратов. В настоящее время работают крупногабаритные аппараты с адиабатическими слоями катализатора и промежуточным отводом тепла (производство серной кислоты, синтез аммиака, гидрокрекинг и др.), трубчатые реакторы с теплоносителем в межтрубном пространстве, реакторы с радиальным движением потока (каталитический риформинг, циклизация легких алканов и др.) Для решения различных задач химической технологии широко применяются методы математического моделирования химических производств и реакторов.

Основой для математического описания сложного взаимодействия процессов переноса и химических реакций в реакторе являются законы сохранения вещества, энергии и импульса. Они записываются, как правило, в виде сложных систем дифференциальных уравнений в частных производных, практическим способом решения которых является применение ЭВМ.

Модель идеального вытеснения

Это простейшая модель РНСК. Свое название она получила в соответствии с описанием процессов переноса тепла и вещества по слою. Предполагается, что физические свойства реакционного потока и параметры процессов переноса постоянны (берутся их средние значения), конвективный перенос в поперечном направлении отсутствует и все величины симметричны относительно оси реактора. Математическое описание квазигомогенной модели химического реактора имеет вид:

где – тепловой эффект химической реакции, кДж/моль;

, – концентрации исходных веществ и продуктов реакции, моль/л;

– давление в реакторе, Па;

C_P^см – теплоемкость смеси, Дж/моль·К;

Преобразуя указанную выше систему уравнений, получим выражения для концентраций и температуры:

Начальные условия:

Порядок выполнения лабораторной работы:

1. Для проведения расчета необходимо определить длину и диаметр аппарата.

Приняли, что соотношение между этими величинами равно либо 6 : 1, либо 7 : 1, 8 : 1, соответственно (РИВ представляет собой цилиндр, длина которого значительно больше диаметра). Исходя из данного соотношения и объёма слоя катализатора, равного 30 м³, подобрали диаметр и рассчитали длину реактора. Результаты расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты расчета основных параметров колонны

Длина реактора, м	Диаметр реактора, м
11,11	2,7

2. По уравнениям, приведенным выше рассчитали концентрацию исходных веществ и продуктов реакции с шагом по длине 0,1 м. При этом скорость реакции равна:

где – концентрация пропана, моль/м³;

Расчет проводили до момента достижения полученной в пункте 1 длины реактора.

3. Провели пересчет температуры, а, следовательно, и всех концентраций с учетом уравнения теплового баланса, приведенного выше. Рассчитали выход продуктов.

4. Варьируя температурой и давлением, исследовали их влияние на выход продуктов, результаты приведены на рисунках 1 и 2, соответственно.

Рисунок 1 – График распределения концентрации изобутана по длине реактора при различных температурах

Рисунок 2 – График распределения концентрации изобутана по длине реактора при различных давлениях

Вывод:

В ходе лабораторной работы была составить математическую модель реактора с неподвижным слоем катализатора с учетом наблюдаемой скорости процесса.

Исследовано влияние температуры и давления на выход продуктов: согласно полученным графикам (рисунки 1 и 2), с увеличением температуры высокий выход продукта достигается при меньшей длине реактора. Однако при уменьшении давлении наблюдается увеличение выхода изобутана.

То есть предпочтительнее использовать либо модель при P=0,01 МПа, либо при Т=813 К. У модели данного химического реактора можно уменьшить длину, т.к. выход продукта максимален уже на расстоянии 2 м от входа в аппарат.

Литература

1. Ушева Н. В. Макрокинетика химических процессов и расчет реакторов: учебное пособие / Н. В. Ушева, А. В. Кравцов; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. — 2-е изд. — Томск: Изд-во ТПУ, 2013. — 92 с.