เครื่องปฏิกิริยาโรงงานกระบวนการคืออะไร? การออกแบบ, การบูรณาการและการใช้งาน

เครื่องปฏิกิริยาโรงงานกระบวนการคืออะไร? การออกแบบ, การบูรณาการและการใช้งาน

ตอบคําถามหลัก:ผังปฏิกิริยาโรงงานกระบวนการคืออะไร และมันจะรวมวิศวกรรมปฏิกิริยาเคมีกับระบบควบคุม ระดับโรงงาน การใช้ประโยชน์และระบบความปลอดภัยอย่างไร?หน่วยปฏิกิริยาโรงงานกระบวนการคือหน่วยแปลงแกนในอํานวยการผลิตสารเคมี, ออกแบบเป็นระบบบูรณาการรวมปฏิกิริยาไคนติก, การถ่ายทอดความร้อน (U = 300-1,500 W / m2K),การผสม (CSTR), PFR, หรือระบบเตียงที่บรรจุ) และระบบเครื่องมือความปลอดภัยหน่วยปฏิกิริยาเหล่านี้ทํางานความสามารถการผลิตของ 1การบูรณาการกับ *Distributed Control System (DCS) * ในอัตราการสแกน 1-10 Hz ทําให้สามารถติดตามอัตราอุณหภูมิ ความดัน การประกอบ และการไหลผ่านได้ในเวลาจริงด้วย * Advanced Process Control (APC) * และ * Process Analytical Technology (PAT) * ปรับปรุงผลผลิตและการคัดเลือกภายใน ±00.5% ของเป้าหมายการออกแบบ

1หลักการออกแบบหลักของโรงงานปฏิกิริยา

การออกแบบโรงงานปฏิกิริยากระบวนการรวมวิศวกรรมปฏิกิริยาเคมี (ไคเนติกส์, เทอร์โมไดนามิกส์, ปรากฏการณ์การขนส่ง) กับวิศวกรรมเครื่องจักร (วัสดุ, ความดัน,การถ่ายทอดความร้อน) และการควบคุมกระบวนการ (เครื่องมือ, ความปลอดภัย, การปรับปรุง) สามหลักการควบคุมการออกแบบบูรณาการ:

• ** การเลือกเรอคเตอร์และการวิเคราะห์จํานวนดัมโคฮเลอร์:**จํานวนดัมโคลเลอร์ Da = k·τ ระบุสัดส่วนของอัตราปฏิกิริยากับอัตราการขนส่งโดยการกระบวนการ.สําหรับ Da > 1, การปฏิกิริยาเร็วกว่าการผสมสําหรับ Da < 0.1การปฏิกิริยาจะช้ากว่าการผสมผสาน ผสมผสานจะประพฤติเป็น CSTR ด้วยปริมาณปริมาณที่เท่าเทียมกัน จํานวน Peclet Pe = uL/DaxPe < 1 (CSTR ผสมผสานกลับเต็ม)สําหรับปฏิกิริยาลําดับแรกใน PFR การแปลง X = 1 - exp ((-Da) สําหรับ CSTR X = Da / ((1+Da) การเลือกระหว่าง CSTR และ PFR ขึ้นอยู่กับลําดับปฏิกิริยา ความต้องการการเลือกและการจัดการความร้อน CSTR ให้อุณหภูมิแบบเดียวกันสําหรับปฏิกิริยา exothermic, ขณะที่ PFR ประสบการแปลงต่อการผ่านที่สูงกว่าสําหรับปฏิกิริยาที่จํากัดความสมดุล
• **การบูรณาการโอนความร้อนและการจัดการความร้อน:**เครื่องปฏิกิริยาไฟฟ้าไฟฟ้านอกต้องการการกําจัดความร้อนอย่างต่อเนื่อง เพื่อรักษาการทํางานแบบไอโซเทิร์ม และป้องกันการหลุดออกจากความร้อน*สัดส่วนการถ่ายทอดความร้อนโดยรวม* U = 1/(1/hi + tw/kw + 1/ho + การปนเปื้อน) อยู่ในช่วง 300-500 W/m2K สําหรับ CSTRs ที่มีเสื้อ (มีผนังกระจกลด U 30-40%), 500-1,000 W / m2K สําหรับ CSTRs รุ่นภายใน, และ 800-1,500 W / m2K สําหรับ PFRs เปลือกและท่อ.ความจุในการเย็น: ประเภทที่ 1 (ปลอดภัย, ΔTad < 50 °C), ประเภทที่ 2 (ความเสี่ยงกลาง, 50-200 °C), ประเภทที่ 3 (ความเสี่ยงสูง, > 200 °C ต้องการการเย็นหรือดับฉุกเฉิน) สําหรับปฏิกิริยาที่คล่องตัว (ไนตรัต, โพลิเมอริเซชั่น)ระบบ *การเย็นฉุกเฉิน* และ *การฉีดสารยับยั้ง* ได้กําหนดตามวิธีการ DIERS (สถาบันออกแบบระบบช่วยเหลือฉุกเฉิน).
• **การบูรณาการ DCS และการควบคุมกระบวนการที่ก้าวหน้า:**เครื่องปฏิกิริยามีเครื่องมือ: เครื่องส่งอุณหภูมิ (RTD PT100, 3 สาย, ± 0.5°C) ในตําแหน่ง 5-20; เครื่องส่งความดัน (ความจุหรือแรงต่อรอง Piezoresistive, ± 0.1% FS) บนอาหาร, เครื่องปฏิกิริยาและการปลด;เครื่องวัดกระแส (Coriolis for mass), ± 0.5%; แม็กเนตสําหรับเหลวที่นําไฟ, ± 0.2%; หมุนเวียนสําหรับก๊าซ, ± 1%); และเครื่องวิเคราะห์องค์ประกอบ ( FTIR ออนไลน์, NIR, หรือ GC กับเวลาวงจร 1-5 นาที) สําหรับ *PAT (เทคโนโลยีวิเคราะห์กระบวนการ) *.DCS สแกนที่ 1-10 Hz, พร้อมวงจรควบคุม PID ที่บริหารอุณหภูมิ (กระแส: อุณหภูมิของเรอคเตอร์ → อุณหภูมิของช่องเข้า → วาล์วระเหย/เย็น) ความดัน (ตัวควบคุมความดันกลับในเรอคเตอร์ก๊าซเฟส)และการไหลของอาหาร (การควบคุมอัตราสัมพันธ์สําหรับสมดุลสเตอคิโอเมตร). *APC (Advanced Process Control) * ใช้การควบคุมแบบคาดการณ์ (MPC) เพื่อปรับปรุงการปฏิสัมพันธ์หลายตัวแปร ลดความแตกต่าง 30-60% เมื่อเทียบกับการควบคุม PID ลุปเดียว

2ประเภทหลักของโรงงานปฏิกิริยา

โรงงานกระบวนการอุตสาหกรรมใช้ระบบปฏิกิริยาที่ตรงกับเคมีปฏิกิริยา, ขนาดการผลิต, และเศรษฐกิจกระบวนการสามรูปแบบแสดงถึงการออกแบบที่ก้าวหน้าในการผลิตสารเคมี:

• ** ระบบปฏิกิริยาถังขัดต่อเนื่อง (CSTR):**เรือ ASME เหล่านี้ (1-50 m3, 0.1-10 MPa) มีลักษณะการกวนกลไก (Rushton หรือหมุนใบมีดขนาบ, D / T = 0.33-0.5, N = 50-300 RPM) รักษาอุณหภูมิและความเข้มข้นที่ใกล้เคียงกันที่มีจํานวน Peclet Pe < 1 สําหรับถังเดียวที่ผสมผสานดีCSTRs เป็นที่นิยมสําหรับ: ปฏิกิริยาระยะเหลวที่ต้องการอุณหภูมิแบบเดียวกัน (การพอลิมิเรซ, esterification)และกระบวนการที่ต้องการการเพิ่ม / การกําจัดตัวเร่งอย่างต่อเนื่อง.หลาย CSTR Cascades (3-5 ถัง) ประมาณพฤติกรรม PFR สําหรับการแปลงต่อการผ่านที่สูงกว่า, โดยการแปลง X_n = 1 - (1+Da·n) −n สําหรับ n CSTR ขนาดเท่ากันในชุด
• ** ระบบปฏิกิริยาไหลของพล็อก (PFR) / ระบบปฏิกิริยาท่อ:**หน่วยปฏิกิริยาท่อหรือท่อเดียวของ ASME (ท่อ ID 25-100 มม, ความยาว 5-50 มม.) ประสบพฤติกรรมการไหลของพล็อกด้วยการผสมตัวแกนน้อย (Pe > 50)*ความเร็วในอวกาศ* SV = v/L = 1/τ กําหนดผลิตต่อหน่วยของปริมาณปฏิกิริยาPFRs ถูกเลือกสําหรับ: การปฏิกิริยาในระยะแก๊ส (การปรับปรุงควาย, การออกซิเดชั่นบางส่วน), การปฏิกิริยาที่จํากัดความสมดุลที่ต้องการการแปลงต่อการผ่านสูงและปฏิกิริยาที่รวดเร็ว โดยการกระจายเวลาที่แคบของเวลาที่พักอาศัยทําให้การคัดเลือกสูงสุดสําหรับปฏิกิริยาก๊าซระยะ exothermic การจัดตั้งหลายท่อ (พัน ๆ ท่อ 25-50 มมในเปลือกด้วยตัวเรือนกระตุ้นในท่อและการเย็นในด้านเปลือก) ให้พื้นที่โอนความร้อน 50-500 m2/m3 ของปริมาณปฏิกิริยา.
• ** ระบบปฏิกิริยากระตุ้นที่ซับซ้อน:**ถัง ASME เหล่านี้ (0.5-20 m กว้าง, 2-30 m ความสูง) มีเตียงคงที่ของอนุภาคกระตุ้นแข็ง (3-10 มิลลิเมตร extrudates หรือกลม) โดยที่ไหลของเหลว.สมการ *Ergun* ΔP/L = 150·μ·v·(1-ε)2/(dp2·ε3) + 1.75·ρ·v2·(1-ε) /(dp·ε3) พยากรณ์ความดันลดลง (โดยทั่วไป 0.01-0.5 bar / m), จํากัดขนาดอนุภาคกระตุ้นและอัตราการไหลของกระตุ้น. ระบบปฏิกิริยาเตียงบรรจุใช้: การปฏิรูปกระตุ้น (Pt-Sn / Al2O3, 400-550 ° C, 0.5-3 MPa), การสังเคราะห์เมธานอล (Cu-ZnO-Al2O3, 200-300 °C, 5-10 MPa) และการสังเคราะห์อะโมเนียก (Fe-K2O-Al2O3, 400-550 °C, 10-30 MPa)การออกแบบกระแสระรัศมี (กระแสเข้าหรือออกผ่านเตียงกัมมันตรวงกลม) ลดความดันลง 50-80% เมื่อเทียบกับกระแสแกนสําหรับภาชนะขนาดใหญ่.

ประเภทของโรงงานปฏิกิริยา

คําถามที่พบบ่อย (FAQ)

คําถาม: จํานวนดัมโคฮเลอร์คืออะไร และมันนําทางการเลือกตัวประกอบการอย่างไร?

A: จํานวนดัมโคฮเลอร์ Da = k·τ คือสัดส่วนของอัตราปฏิกิริยา (มีลักษณะโดยความถี่ของอัตรา k) กับอัตราการไหลของ convective (มีลักษณะโดยเวลาการพํานัก τ) สําหรับ Da > 1การปฏิกิริยาเร็วกว่าเวลาที่เหลวอยู่ ผันแปลงเต็มที่สามารถบรรลุได้ใน PFR หรือแรคเตอร์ชุดสําหรับ Da < 0.1, การปฏิกิริยาช้าเมื่อเทียบกับการผสม CSTR กับปริมาณปริมาณที่เท่าเทียมกันเหมาะสม สําหรับ Da ระหว่าง (0.1-1) การเลือกขึ้นอยู่กับความต้องการการเลือกCSTRs ให้สภาพเดียวกัน (ดีกว่าสําหรับการเลือกที่มีความรู้สึกต่ออุณหภูมิ), ขณะที่ PFRs ให้การกระจายเวลาการพํานักที่แคบ (ดีกว่าสําหรับปฏิกิริยาติดต่อกันที่ต้องการผลิตภัณฑ์กลาง)

ถาม: DCS สามารถบูรณาการกับโรงงานปฏิกิริยากระบวนการเพื่อความปลอดภัยและการปรับปรุงได้อย่างไร?

A: DCS มีการบูรณาการในสามระดับ: (1) การควบคุมการควบคุมพื้นฐาน วงจร PID รักษาอุณหภูมิ ความดัน ระดับ และการไหลที่จุดตั้ง (อัตราการสแกน 1-10 Hz การดําเนินวงจร 100-500 ms)(2) ระบบอุปกรณ์ความปลอดภัย (SIS), การเย็นฉุกเฉิน หรือความดันเมื่อตัวแปรกระบวนการเกินขอบเขตความปลอดภัย (SIL 1-3 ระดับ, เวลาตอบสนอง 1-5 วินาที)(3) การควบคุมกระบวนการที่ก้าวหน้า (APC).ตัวอย่างเช่น การผลิตเมื่อเทียบกับการคัดเลือกเมื่อเทียบกับต้นทุนประโยชน์) โดยใช้หลักการแรกหรือแบบจําลองเชิงทัศนศึกษาทําให้การควบคุมการส่งต่อที่คาดการณ์ความผิดปกติก่อนที่จะส่งผลกระทบต่อคุณภาพสินค้า.

คําถาม: การจัดหมวดหมู่ความสําคัญของสโตเซลคืออะไร และทําไมมันจึงสําคัญต่อความปลอดภัยทางความร้อนของเตาปฏิกรณ์?

A: การจัดอันดับของ Stoessel (ที่พัฒนาโดย Francis Stoessel ที่ Ciba-Geigy) แยกประเภทความเสี่ยงทางความร้อนของปฏิกิริยา exothermic ขึ้นอยู่กับ:ΔTad (การเพิ่มอุณหภูมิแบบadiabatic หากสารปฏิกิริยาทั้งหมดปฏิกิริยาโดยไม่กําจัดความร้อน), MTSR (อุณหภูมิสูงสุดของปฏิกิริยาสังเคราะห์) อุณหภูมิที่บรรลุเมื่อสารปฏิกิริยาที่สะสมทั้งหมดปฏิกิริยาแบบอาการ) และอุณหภูมิที่ปฏิกิริยาการละลายเริ่มต้นΔTad < 50°C, MTSR ต่ํากว่าการเริ่มต้นการละลาย ปลอดภัยด้วยการเย็นแบบมาตรฐาน ชั้น 2: 50 < ΔTad < 200 °C, MTSR ใกล้การละลาย ต้องการการเย็นฉุกเฉิน ชั้น 3:MTSR กว่าการเริ่มต้นการละลาย ต้องการการดับคลาส 4-5: การย่อยสลายเร็วและเร่งตัวเอง ต้องการการออกแบบที่ปลอดภัย (ขนาดชุดที่ลดลง การไหลต่อเนื่อง)

Q: อะไรที่กําหนดการเลือกระหว่างโรงงานปฏิกิริยาที่ตั้งและโรงงานปฏิกิริยาที่ระบายน้ําสําหรับกระบวนการกระตุ้น?

A: ระบบปฏิกิริยาที่ติดตั้งง่ายกว่า (ไม่มีการดึงตัวเรือนกระตุ้น, การลดตัวเรือนกระตุ้นต่ํากว่า, ความดันลดลงต่ํากว่าในการออกแบบการไหลระดับรัศมี) แต่มี:จุดร้อนของอุณหภูมิ (สูงถึง 50 °C มากกว่าเฉลี่ย) ในปฏิกิริยา exothermic, ความยากลําบากในการฟื้นฟูกระตุ้น (จําเป็นต้องปิด) และข้อจํากัดการถ่ายทอดความร้อน (U = 100-400 W / m2K)ให้อนุญาตการฟื้นฟูตัวเร่งออนไลน์ (CCR), และมีการถ่ายทอดความร้อนที่ดี (U = 500-2,000 W / m2K) แต่ต้องการ: ขนาดอนุภาคกระตุ้น 20-150 μm (สําหรับการหลั่งน้ํา) การลดความดันสูงต่อหน่วย (0.5-1.0 บาร์)และจัดการกับการลดความอ่อนแอของตัวเร่ง (0.1-1% / วันการเปลี่ยน) ผืนน้ําแข็งถูกเลือกสําหรับ: FCC (Fluid Catalytic Cracking), MTO (Methanol-to-Olefins) และปฏิกิริยาที่จํากัดความสมดุล exothermic

แท็ก:ระบบปฏิกิริยาเหล็กไร้ขัด,ระบบปฏิกิริยาเคมี,ระบบปฏิกิริยาเคมีอุตสาหกรรม