Изотермический реактор.
При моделировании промышленных реакторов к полностью изотермическим относятся все жидкостные (Ж, Ж – Ж, Ж – Т) реакторы с механическими, пневматическими и струйно-циркулярными перемешивающими устройствами. Изотермический режим наблюдается на полке (тарелке) пенного и барботажного аппаратов небольших размеров, а также в свободном кипящем слое твердого зернистого материала. Близок к изотермическому режим в абсорбционных и адсорбционных аппаратах для очистки негорячих газов от вредных примесей малой концентрации. Также рассчитывают по изотермическому режиму контактные аппараты с неподвижным катализатором, используемые для превращения опасных токсических примесей малых концентраций в безвредные вещества.
Политермический реактор.
Изменение температуры в политермическом реакторе определяется величиной и знаком теплового эффекта, также начальной концентрацией и степенью превращения, количеством теплоты, подводимой и отводимой из зоны реакции. Изменение температуры рассчитывается по уравнениям теплового баланса реактора, которые учитывают приход теплоты с реагентами, теплоту реакции, теплообмен с окружающей средой и вынос теплоты с продуктами реакции. Тепловой баланс складывается из следующих величин:
где кТ – коэффициент теплопередачи; F – поверхность теплопередачи; Δtср – средняя движущая сила теплопередачи; τТ – время контакта с поверхностью теплопередачи F.
Изменение температуры в реакторе рассчитывают по уравнению:
Степень превращения:
Поверхность теплопередачи:
Применение: политермический режим наблюдается в реакторах, в которых тепловой эффект лишь частично будет компенсироваться за счет тепловых эффектов различных побочных реакций и физических процессов (шахты, доменные печи).
Сложный политермический режим наблюдается в насадочных башнях для сорбционных и десорбционных процессов, т.к. процессы абсорбции сопровождаются теплообменом между газом и жидкостью, возможным испарением растворителя в нижней части башни с последующей конденсацией в верхних участках башни.
Химико-технологические системы.
Сочетание одного или нескольких процессов химического превращения веществ и разделения реакционных смесей образует химико-технологическую систему. ХТС – совокупность аппаратов, машин и других устройств и материальных, тепловых, энергетических и других потоков между ними, функционирующая как единое целое и предназначенная для переработки исходных веществ в продукты.
Состав и структура химико-технологической системы.
Химическое производство состоит из десятков и сотен разнообразных аппаратов и устройств, связанных между собой разнообразными потоками. Подсистемы ХТС выделяют для их исследования и изучения. Выделение происходит по двум признакам – функциональному и масштабному.
Функциональные подсистемы обеспечивают выполнение функций производства и его функционирования в целом.
Технологическая подсистема – часть производства, где осуществляется собственно переработка сырья в продукты, химико-технологический процесс.
Энергетическая подсистема – часть производства, служащая для обеспечения энергией химико-технологического процесса. В зависимости от вида энергии представлена тепловой, силовой, электрической составляющими.
Подсистема управления – часть производства для получения информации о его функционировании и для управления им. Обычно это – автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП).
Масштабные подсистемы выполняют определенные функции в последовательности процессов переработки сырья в продукты как отдельные части химико-технологического процесса. Масштабные подсистемы можно систематизировать в виде их иерархической последовательности – иерархической структуры ХТС.
В структуре ХТС минимальный элемент – отдельный аппарат (реактор, абсорбер, ректификационная колонна, насос и т.д.). Это – низший масштабный уровень I.
Несколько аппаратов, выполняющих вместе какое-то преобразование потока, – элементы подсистемы II масштабного уровня (реакционный узел, система разделения многокомпонентной смеси и т.д.). Совокупность подсистем второго уровня как элементы образуют подсистему III уровня (отделения или участки производства). К этим же подсистемам могут относиться водоподготовка, регенерация отработанных вспомогательных материалов, утилизация отходов. Совокупность отделений, участков образует ХТС производства в целом.