tehnološkešemei tehnološki...
TRANSCRIPT
•30.10.2018.
•1
Tehnološke šeme itehnološkiproračuni
Tehnološke šemeHEMIJSKO-TEHNOLOŠKI SISTEM
Sveukupnost svih aparata koji se koriste u proizvodnji hemijskog proizvodamatematički model = f(c, P, T) (tehnološki režim)
TEHNOLOŠKA ŠEMA PROIZVODNJE Detaljno opisivanje procesa u hemijsko-tehnološkom sistemuTehnološka šema proizvodnje može biti
OTVORENA i CIKLIČNA (zatvorena)
•30.10.2018.
•2
Otvorena šema – tehnologije u kojima x 1 (bez vraćanja reakcione smeše)
ako x ima malu vrednost multiplikovanje raktora
Apsorpcija nitroznih gasova kod proizvodnje razblažene HNO3
NO2
HNO3
ostatakNO2
Procesi kod kojih je stepen preobražaja mali – ciklična šema (izdvajanje produkta)
Ciklična šema: višestruki povraćaj smeše u reaktor, postizanje zadovoljavajućeg stepena preobražaja
Sinteza etanola i amonijaka
Ciklične šeme obezbeđuju visok stepen iskorišćenja sirovina i smanjuju zagađenje čovekove okoline
•30.10.2018.
•3
TehnološkiproračuniNajracionalnije iskorišćenje sirovina i energije
i maksimalni prinos gotovog proizvoda1. – PROJEKTNI ZADATAK
metod proizvodnje, tipovi reaktora i njihove dimenzije, izvori i rashodi sirovina, resursi energije i principijelna tehnološka šema
2. – izrada projektne dokumentacije: detaljni crteži čitavog hemijsko-tehnološkog sistema, termin planovi nabavke i montaže opreme, izgradnje infrastrukture itd.
materijalniienergetskibilans
Materijalni bilans
ZAKON O ODRŽANJU MASE
Usvakomzatvorenomsistemumasasupstancikojestupajuuhemijskureakcijumorabitijednakamasi
supstancikojesedobijajureakcijom
•30.10.2018.
•4
Masa supstanci koje ulaze u HT proces = masa supstanci dobijenih HT procesom
Materijalni bilans: jednačina za glavnureakciju + paralelne + sporedne reakcije
mM + fF + dD eE + lL + Hhr
Jedinica mase glavnog proizvoda GE
Jednačina materijalnog bilansa:GM + GF + GD = GE + GL + Gnp
Zakon o održanju energije
Usvakomzatvorenomsistemusumasvihvidovaenergijejekonstantna
UHTprocesimaTOPLOTA
Utrošak toplote u datom ciklusu proizvodnje mora biti tačno jednak količini toplote koja
je dovedena u taj ciklus
Energetskibilans
•30.10.2018.
•5
Jednačina toplotnog bilansa:
Qf + Qhr+ Qfp + Qpr = Qf' + Qhr' + Qfp' + Qok
Fizička toplota unesena materijalom:
Toplotni efekat reakcije
Toplota unesena u reaktor:
Qpr = G·cp·(Tpoč – Tkraj)
Qpr = kT·F·T
Hesov zakon:
izmenjivač toplote
•30.10.2018.
•6
Osnove hemijskihreaktora
Hemijski reaktor jeosnovni elementsvake tehnološke šeme,povezujehemijskereakcije i transportmase
Pomoćni aparati (pre ili nakon reaktora):priprema sirovine za reakciju, razdvajanjeprodukata reakcije.
U samom reaktoru: predgrevanje, usitnjavanje, rastvaranje, isparavanje, kondenzacija.
Industrijske peći, kontaktne kolone, koloneza sintezu, reaktori sa mešalicama, autoklavi, hidratori, reaktori sa pneumatskimmešanjem...
Izbor reaktora efikasnost HT procesa
•30.10.2018.
•7
Osnovni zahtevi od hemijskih reaktora da obezbedi veliku proizvodnost,
da obezbedi što je moguće veći stepenpreobražaja, pri maksimalnoj selektivnostiprocesa,
da ima mali utrošak energije na transport imešanje reagenata,
da bude jednostavan i jeftin,
da najpotpunije koristi toplotu egzotermnihreakcija,
da bude trajan i pouzdan u radu, mehanizovan iautomatizovan.
Gde postoji ovakav reaktor?
•30.10.2018.
•8
PROTIVUREČNOSTI ZAHTEVA:visok stepen preobražaja niska
proizvodnostvisoka mehanizovanost i automatizacija
visoka cena reaktora
Visoka intezivnost proizvodnje
merenje na izlazu
Visok stepen preobražaja (x) dobra selektivnost
Optimalne vrednosti parametara:
• temperatura,• pritisak,• koncentracija reaktanata i produkata
reakcije,• omogućavanje efektivne primene
katalizatora.
•30.10.2018.
•9
Stepen preobražaja intenzivnost radaPromena proizvodnosti (), intezivnosti rada (I)
i stepena preobražaja (x) sa vremenom kodreaktora sa idealnim klipnim razdvajanjem
x↑ I↓, ↓
Zapreminska brzina stepen preobražaja ↑ x↓, I↑
Ciklični procesi IOtvoreni šema x
Energija stepen preobražaja
I↑ E↑x↑
Eel. mešanje↓ (g, l)↓ I↓ ⋀ x↓
E transporta↓(g, l) ΔP↓ + jednostavan reaktor
•30.10.2018.
•10
Zavisnost hidrauličnog otpora od dužine reaktora:P = k·H (linearna f)
Zavisnost stepena preobražaja od dužine reaktora:x = k·Hn (n 1) (eksponencijalna f)
stepen preobražaja (x) + hidraulični otpor (P) = f(dužina reaktora (H))
proizvodnost reaktora = f(linearna brzina): = k·1/n
hidraulični otpor = f(linearna brzina):
P = k·2-m (gde je 0 m 1)
hidraulični otpor + proizvodnost reaktora = f(linearna brzina fluida)
•30.10.2018.
•11
Diferencijalne jednačinematerijalnog i energetskog
bilansaA → B ili A + B → D + E
Diferencijalna jednačina materijalnog bilansaza nestacionarni režim rada protočnog cevnogreaktora:
glavni polazni raktant
Materijalni bilans za zapreminskielement reaktora dV
sastav ujednačen bilans f(V)
sastav neujednačen bilans = f(dV)
•30.10.2018.
•12
Za stacionarni režim protočnog reaktoracA/nakup = 0
Šaržni reaktor reaktorcA/H = 0
periodični reaktor: ulaz i izlaz reaktanata = 0protočni reaktor stacionarni uslovi: četvrti član = 0(nema akumulacije), polušaržni reaktor: značajna su sva četiri člana
Energetski bilans za zapreminski element reaktora dV
•30.10.2018.
•13
Diferencijalna jednačina toplotnog bilansaza nestacionarni režim protočnog reaktora:
Diferencijalna jednačina toplotnog bilansa zastacionarni režim:
brzina priticanja toplote u beskonačno mali element
zapremine
Klasifikacija hemijskih reaktora
Napredovanje neke hemijske reakcije jedefinisano matematičkim izrazom za brzinuhemijske reakcije, koji predstavlja intenzivnumeru brzine nastajanja ili nestajanjakomponente i u funkciji postojećih uslova udatoj sredini.
= f(uslovi u reakcionoj sredini)
•30.10.2018.
•14
Projektovanje reaktora:zapremina, vrsta i režim rada reaktora?
diferencijalni izraz se integrali prema režimurada reaktora: da li se uslovi menjaju savremenom ili položajemPromena c = f(temperatura i sastav reagujućegfluida) od tačke do tačke
Zavise od:• prirode reakcije (egzotermna ili endotermna),• brzine odvođenja ili dovođenja toplote u
sistem.
Klasifikacija reaktora-procesa:• prema temperaturnom režimu: nisko i
visoko temperaturni• prema primenjenom pritisku: aparati
koji rade na visokom, povišenom, normalnom i niskom pritisku ili u vakumu
• prema faznom stanju reagenata:reaktori za homogene i heterogeneprocese
•30.10.2018.
•15
Najvažniji kriterijum za klasifikaciju je tipuređaja:1. Periodični ili šaržni reaktor,2. Protočni reaktor u stacionarnim
uslovima,3. Protočni reaktor u nestacionarnim
uslovima,4. Polušaržni reaktor (povremeno punjenje
i pražnjenje).kontinualnost, režim kretanja, temperaturni režim
Periodični - šaržni reaktorreagenti se postavljaju pre početkareakcije, a posle određenog vremenaaparat se prazni
CA, CB, CD, T, P = f(t)
srednja brzina
realna brzina
neizotermski uslovi T c
•30.10.2018.
•16
Protočni reaktorpotpuno kontinualan proces neprekidnose šaržiraju sirovine i neprekidno odvodeprodukti reakcije.
Ove reaktore karakteriše zapreminska brzina Vkkoja je obrnuto proporcionalna vremenu kontaktareaktanata: odnos zapremine šaržiranogreaktanta Vs (za vreme ) i polazne reakcionezapremine V:
Vk = Vs/V
Zavisnost stepena preobražaja (x), hidrauličnogotpora (P) i intezivnosti (I) od zapreminske
brzine procesa u protočnom reaktoru
•30.10.2018.
•17
Polušaržni ili poluprotočni reaktorsirovine se stavljaju u reaktor neprekidno ili uodređenim porcijama - u jednakim vremenskimrazmacima, produkti reakcije se vade periodično
Varijante poluprotočnog reaktora:
prelazni režim rada