Примерами газожидкостных реакций являются: образование ацетальдегида при гидратации ацетилена, алкилирование бензола пропиленом, окисление изопропилбензола кислородом воздуха. Основными требованиями к газожидкостным реакторам являются создание условий для их межфазного контакта и оптимальный тепловой режим процесса, поскольку газожидкостные реакции всегда сопровождаются межфазным массопереносом и его скорость зависит от температуры.
Машины и аппараты для переработки нефти и газа копия 1
1 Введение. Классификация реакторов. Элементы теории химических реакторов.
2. Аппараты для гомогенных реакций. Реакторы для гомогенных жидкостных и эмульсионных реакций. Конструктивное исполнение, условия для их эксплуатации.
3. смесительные устройства.
4. Проектирование теплообменного оборудования в зависимости от объема реактора и величины теплового эффекта.
Аппарат для высокотемпературных некаталитических газовых реакций.
Введение. Классификация реакторов. Элементы теории химических реакторов.
Химические реакторы или реакционные аппараты – это устройства, используемые для проведения химических реакций с целью получения определенных веществ.
Промышленные химические реакторы очень разнообразны по конструкции. На конструкцию химических реакторов и связанных с ними аппаратов для физических процессов решающее влияние оказывает характер протекающей в них реакции. Приведем несколько примеров:
1) реакция протекает с подходящей скоростью только при высокой температуре и давлении – реактор имеет форму цилиндра с толстыми стенками, в технологическую схему включены машины и аппараты для сжатия и нагрева газообразной реакционной смеси;
2) реакция протекает на катализаторе – используется аппарат для тщательной очистки реакционной смеси от веществ, отравляющих катализатор;
3) реакция обратима и поэтому неполна – используется аппарат для непрерывного отделения продукта от реакционной смеси, циркулирующей в системе, и возврата непрореагировавших веществ в реактор (например, синтез аммиака).
Однако это не означает, что конструкция реактора полностью определяется природой реакции и свойствами реактантов. Одна и та же реакция может осуществляться в реакторах различной конструкции. Во многих случаях использование нового и усовершенствованного реактора позволяет протекать реакции быстрее, с большим выходом целевого продукта и меньшим выходом побочных продуктов, например, за счет создания лучшего температурного или гидравлического режима в аппарате, более высокого давления. Это, в свою очередь, влияет на работу и конструкцию тепло- и массообменного оборудования, обслуживающего реактор.
В зависимости от формы реактора, наличия или отсутствия мешалок, а также вязкости и плотности реакционной смеси в реакторе могут возникать различные гидравлические условия, от которых во многом зависит ход реакции.
Существует два типа проточных реакторов, т.е. реакторов непрерывного потока, с существенно различными гидравлическими условиями – кубический реактор (реактор с мешалкой) и трубчатый реактор (реактор вытеснения). Кубический реактор представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд, как правило, 1-2 в высоту, оснащенный вращающейся мешалкой, установленной на вертикальном валу, и отверстиями для подачи и выгрузки продуктов реакции. Этот аппарат используется для проведения реакций в жидкой среде. При интенсивном перемешивании условия близки к идеальному (или полному) перемешиванию и характеризуются постоянными концентрациями и температурами реактантов по всему объему реактора.
Трубчатые проточные реакторыреакторы, в отличие от кубовых реакторов, не имеют перемешивающих устройств, и перемешивание среды сводится к минимуму. Приблизительной теоретической моделью такого аппарата является идеальный реактор с принудительным вытеснением, в котором среда движется с постоянной скоростью подобно поршню. Отсутствие перемешивания и поступательное (поршневое) движение среды определяет одинаковое время пребывания различных частиц или элементарных объемов реакционной смеси в этом аппарате. Концентрация веществ, участвующих в реакции, плавно изменяется по длине аппарата, и это изменение вызвано самой реакцией. В этом аппарате не происходит разбавления поступающих исходных веществ продуктами реакции.
Конструкция реактора зависит от многих других факторов, таких как состояние агрегации реактантов и формообразователей, тепловой эффект и интенсивность теплопередачи, химические свойства обрабатываемых веществ, наличие катализатора и его состояние. Поскольку один и тот же реактор может принадлежать к разным квалификационным группам, однозначной классификации реакторов не существует. Поэтому часто используется смешанная классификация реакторов. Например, при рассмотрении конструкций реакторов удобно классифицировать реакторы на основе двух характеристик – состояния реактанта и наличия катализатора. Используя этот подход, все химические реакторы можно разделить на следующие большие группы:
– аппарат для жидкостной реакции;
– аппарат для газо-твердых реакций;
– аппарат для проведения газовых реакций на твердом катализаторе;
Газожидкостные реакторы
Газожидкостные реакции требуют контакта газа с жидкостью. В большинстве случаев реакция протекает в жидкой фазе, в которую необходимо ввести реагирующий компонент газовой смеси; поэтому газожидкостная реакция всегда сопровождается межфазным массопереносом. В некоторых случаях определенные этапы процесса происходят в жидкой фазе, а другие – в газовой, как, например, при производстве азотной кислоты. В колонне абсорбции и окисления происходит следующая технологическая цепочка абсорбция диоксида азота жидкостью – реакция диоксида азота с водой с образованием азотной и азотистой кислот – разложение азотной кислоты с образованием оксида азота – десорбция оксида азота в газовую фазу – окисление оксида азота до диоксида азота, причем окисление оксида азота происходит в газовой фазе, а остальные реакции – в жидкой; абсорбция и десорбция также являются важными этапами процесса. Все эти процессы осуществляются одновременно в одном аппарате.
Газожидкостные реакторы конструктивно схожи с абсорберами из-за необходимости межфазного массопереноса. Как и при абсорбции, используются колонки и аппараты с барботажными пластинами. Однако реакции требуют гораздо больших тепловых затрат, чем физическое поглощение, поэтому реакторы, в отличие от поглотителей, всегда оснащаются теплообменными элементами. Кроме того, если скорость реакции низкая, объем жидкости в аппарате должен быть намного больше, чем при абсорбции, где важна только площадь межфазной поверхности. Объем аппарата должен обеспечивать достаточное время реакции для достижения заданной степени трансформации.
Для интенсификации медленных и быстрых реакций можно использовать различные методы. На быстрые реакцииНа стадии массопереноса эффективность аппарата может быть повышена за счет обеспечения хороших условий массопереноса: увеличения площади межфазной поверхности, интенсивности перемешивания или относительной скорости движения фаз. В случае медленные реакцииограничены реакционной способностью вещества, достаточно ускорить их, воздействуя на кинетические факторы, например, увеличивая концентрацию реагирующих веществ, повышая температуру или используя более активный катализатор. Концентрация вещества в газовой фазе может быть увеличена, например, путем повышения давления в аппарате.
В реакциях с участием газа и твердых тел также происходит массоперенос, но он происходит в пределах одной и той же газовой фазы и включает в себя доставку реактантов из ядра газового потока к поверхности твердого тела, где происходит реакция, и удаление продуктов реакции в обратном направлении. Твердое вещество может быть либо одним из реактантов, либо катализатором. В обоих случаях площадь поверхности частиц (гранул) твердого вещества оказывает значительное влияние на скорость процесса. Для увеличения этого показателя твердое вещество либо измельчается на мелкие частицы, либо используется в виде мелкопористых гранул.
Примеры газожидкостных реакций включают получение ацетальдегида при гидратации ацетилена, алкилирование бензола пропиленом и окисление изопропилбензола кислородом воздуха. Основными требованиями к газожидкостным реакторам являются создание условий для их межфазного контакта и оптимальный тепловой режим процесса, поскольку газожидкостные реакции всегда сопровождаются межфазным массопереносом и его скорость зависит от температуры.
Реакторы с агитацией Причина, по которой обычные смесители редко используются в газожидкостных процессах, заключается в том, что они не обеспечивают достаточного контакта газа с жидкостью, затрудняют получение условий теплообмена и мешают организации непрерывного процесса. Следует отметить, что присутствие движущихся частей в газе или едких жидкостях нежелательно.
Реакторы с механическим перемешиванием в основном используются в процессах производства аэрозолей или для поглощения промышленных отходящих газов с очень низкой концентрацией поглощаемого вещества (например, оксида азота).
В качестве примера можно привести весьма оригинальную конструкцию турбоабсорберного реактора (рис. 2.1).
Рисунок 2.1 – Турбоабсорберный реактор
Газ подается через входной патрубок 2 в трубу 1, снабженную снизу неподвижным диском 5 с концентрическими кольцами. На валу 7 установлен вращающийся диск 4, образующий с диском 5 лабиринтный канал. Центробежные силы вызывают радиальный поток газожидкостной смеси по направлению к окружности аппарата. Затем этот поток расслаивается в отстойной части 3 аппарата. Реагирующий газ удаляется из верхней части аппарата, а жидкость находится в непрерывной циркуляции внутри аппарата. Теплообмен происходит через встроенные теплообменные элементы 6 (трубки Фильда).
Реакторы с механическим напылением. Увеличение площади поверхности контакта между газом и жидкостью может быть достигнуто путем распыления жидкости с помощью различных распылителей, форсунок или вращающихся дисков. На рисунке 2.2 показана принципиальная схема реактор с механическим распылением жидкостиРеактор для распыления жидкости, используемый при производстве этанола методом серной кислоты.
Рисунок 2.2 – Вращающийся дисковый реактор
Реактор имеет форму горизонтального цилиндрического корпуса 1, на оси которого установлен ротор, состоящий из вала 2 с дисками 3. Аппарат примерно на треть заполнен жидкостью, которая при быстром вращении дисков разбивается на мельчайшие капли; последние образуют густой туман, заполняющий весь объем реактора. Газ проходит через этот туман. Большая межфазная область, созданная в реакторе, и энергичное перемешивание способствуют интенсивному массообмену между газом и жидкостью.
В аппарате создаются хорошие условия для быстрых реакций в зоне диффузии. Также создаются благоприятные условия для теплопередачи от реактантов к стенкам реактора, через которые тепло отводится (или подводится) рубашкой 4. Чаще всего такие реакторы делают периодически работающими. Недостатками этого аппарата являются наличие реакторов (герметик которых быстро разрушается, особенно при работе с агрессивными веществами), подвижных частей, требующих обслуживания и ремонта, значительное потребление энергии.
Этот тип аппаратов не подходит для медленных реакций, которые обычно протекают в кинетической области.
Реакционный аппарат колонного типа с насадкой или тарелками. Капиллярные или тарельчатые колонны, используемые в абсорбционных процессах, часто применяются в качестве газожидкостных реакторов. Если катализатором является жидкость, то эти аппараты отличаются от абсорберов тем, что жидкость циркулирует по системе в замкнутом контуре. Колонны Cossette имеют простую конструкцию. Они обеспечивают большую площадь контакта реагирующих газа и жидкости даже в небольшом объеме. Жидкость течет по поверхности сопла в виде тонкого слоя, а газ движется противотоком. Их гидравлическое сопротивление невелико, и, следовательно, расход энергии на движение газа незначителен. Колонны обычно изготавливаются из стали с дополнительным покрытием из коррозионностойкого материала. Также используются колонны из чугуна, керамики (для производства серной кислоты), футерованные графитом или кислотоупорным кирпичом.
Как и механические колонны, каталитические колонны не подходят для процессов в кинетической области, поскольку используется не весь объем жидкого реагента или катализатора сразу, а только относительно небольшая его часть. Основная часть находится в системе циркуляции и в коллекторе. В этом отношении тарельчатые колонны предпочтительнее, поскольку в них отсутствует циркуляция основной части жидкости. Необходимый объем жидкости в реакторе может быть обеспечен путем регулировки уровня жидкости на пластинах реактора, например, с помощью переливных устройств. Таким образом, достигается хороший контакт газа с жидкостью.
Лотковая реакторная колонна для медленных реакций существенно отличается от абсорбционной колонны тем, что толщина слоя жидкости на лотке значительно больше. Примером может служить колонка для окисления изопропилбензола (рис. 2.3). Колонка оснащена кюветами 1 с колпачками 2, снабженными переливными устройствами 3, которые обеспечивают толщину слоя жидкости на кювете около 1 м. Для отвода тепла реакции в жидкость погружены теплообменные элементы 4 из U-образных трубок. Жидкость поступает в колонну сверху, движется через переливные устройства 3 от лотка к лотку и удаляется из нижней части колонны. Газ поступает из нижней части колонки, проходит последовательно против течения жидкости через лотки и удаляется из верхней части аппарата.
Рисунок 2.3 – Колонка для окисления изопропилбензола
Реакционный аппарат барботажного типа – являются простыми и широко используемыми аппаратами для проведения газожидкостных реакций. В них газ пузырится через слой жидкости. В большинстве случаев реактор представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд или колонну, заполненную жидкостью и имеющую внизу барботаж. Последний часто имеет форму кольцеобразной трубки с небольшими отверстиями. В трубку подается газ, который, выходя из отверстий в виде пузырьков, плавает в слое жидкости. В пространстве над поверхностью жидкости (отстойная камера) газ освобождается от брызг и капель перед выходом из аппарата. Для достижения более полного разделения часто увеличивают камеру отстаивания или устанавливают дополнительную, удаленную камеру отстаивания. В большинстве случаев аппарат оснащен рубашкой для поддержания заданной температуры, реже – встроенными или выносными теплообменниками.
Эти аппараты особенно подходят для медленных реакций, протекающих в кинетической области, т.е. для большинства реакций между органическими веществами. Они обеспечивают хороший контакт фаз и достаточное перемешивание, необходимое для равномерного протекания реакции в объеме. Недостатками являются высокое гидравлическое сопротивление и необходимость нагрева больших масс жидкости при запуске аппарата.
Рисунок 2.4 – Кожухотрубный реактор Bautotube
На рисунке 2.4 показано Пузырьковый реактор с трубчатой рубашкой для проведения реакций с высоким тепловым эффектом. Он выполнен в виде кожухотрубного теплообменника с центральной циркуляционной трубой 3. Удлиненные нижние концы трубок 4, расположенные под трубным листом 5, имеют боковые отверстия a, расположенные во всех трубках на одном уровне. Трубчатое пространство аппарата заполняется жидкостью до уровня сливной пробки 2 в верхней крышке. Жидкость непрерывно подается в нижнюю крышку через штуцер 7. Газ поступает в реактор через штуцер 8 и распределяется по окружности аппарата через кольцевой канал, образованный стенкой нижней крышки и кольцевой перегородкой 6. Слой газа под нижним листом трубы увеличивается до уровня отверстий трубы. Газ проходит через них в трубки 4, образуя пузырьки, которые поднимаются вверх и увлекают за собой жидкость (принцип газлифта).
Газ выходит из верхней крышки реактора через фитинг 1, а жидкость возвращается вниз через циркуляционную трубу. Постепенно часть жидкости сливается из реактора через штуцер 2. В зависимости от теплового эффекта реакции в межтрубное пространство реактора подается охлаждающая жидкость или хладагент. Реактор характеризуется значительной равномерностью распределения газа в жидкости, большим отношением площади поверхности теплообмена к объему реактора и достаточно высокими коэффициентами теплопередачи. Чтобы использовать преимущества секционирования и противоточного потока, несколько таких аппаратов могут быть объединены в одну колонку.
Пенный аппарат. В отличие от реакторов барботажного типа, в пенных реакторах пузырьки газа попадают в жидкость с большой скоростью. В результате реакционная смесь интенсивно перемешивается и образуется динамическая пена. Такая пенная система характеризуется низким сопротивлением диффузии. Поэтому пенный аппарат эффективен только для быстрых реакций. Для медленных реакций в жидкой фазе они не подходят из-за очень малого объема жидкости в аппарате.
Для постоянного обновления поверхности контакта между реагирующими веществами пена обычно производится без поверхностно-активных веществ. В этом случае пена неустойчива, и когда скорость газа падает ниже определенного значения, пена немедленно разрушается. Таким образом, перетекание жидкости с пластины на пластину может осуществляться без каких-либо проблем. Максимальная скорость газа ограничена условиями увлечения жидкости на тарелке, расположенной выше. Диапазон рабочих скоростей газа в аппаратах для вспенивания составляет 0,8-4 м/с.
Рисунок 2.5 – Схема трехполочного пенопластового аппарата
Рис. 2.5 показана диаграмма пенопластовый аппарат с тремя полками. Аппарат состоит из металлического корпуса 1 прямоугольного или круглого сечения, внутри которого на равных расстояниях расположены перфорированные пластины, решетки 4, снабженные сливными порогами 2. От пластины к пластине жидкость переливается через переливные устройства 3, которые должны иметь достаточную площадь сечения, чтобы выделяющийся из быстро разрушающейся пены газ не образовывал газовых пробок и не мешал переливу. Газ поступает в устройство снизу и проходит последовательно через все решетки, а жидкость движется вниз к верхней решетке. Слой жидкости на пластинах зависит от высоты порогов 2.
Газлифтные реакторы, предназначенные для подъема жидкостей, также используются для реакций, протекающих в диффузионной области. Реакторы такого типа используются, например, для хлорирования этилена.
На рисунке 2.6 показан промышленный реактор (для окисления алкилбензолов в жидкой фазе) газлифтного типа с циркуляционным контуром. Подъемные трубки 5 расположены вокруг центральной циркуляционной трубки 4 по кругу.
Рисунок 2.6 – Реактор с циркуляционным контуром
Газ подается в каждую из подъемных труб через транец 7. Когда пузырьки газа поднимаются в жидкости, заполняющей трубу, они увлекают жидкость вверх. Это позволяет жидкости циркулировать (как в кожухотрубном барботере, о котором говорилось выше). На восходящих трубках расположены теплообменные элементы в виде рубашки 6, которые служат для отвода (или подвода) тепла. Аппарат работает непрерывно. Выходной патрубок продукта 2 расположен над входным патрубком сырья 3. Разделение газа и жидкости происходит в сепараторе 1.
Идеальное вытеснение предполагает, что скорость потока одинакова по всему поперечному сечению реактора. Движение реакционной массы по длине реактора строго возвратно-поступательное. При этом по длине реактора устанавливается определенное распределение концентраций участников реакции, температуры и других параметров в соответствии с закономерностями реакции.
Классификация реакторов
к списку лекций
к списку предметов
Химические реакторы.
Химические реакторы для различных процессов отличаются конструктивными особенностями, размерами и внешним видом. Однако, несмотря на различия, видны общие признаки классификации реакторов, которые облегчают систематизацию информации о них, подготовку математического описания и выбор математических расчетов.
Наиболее часто используемые критерии для классификации химических реакторов и режимов их работы следующие: 1) режим течения реакционной среды (гидродинамическая ситуация в реакторе); 2) условия теплообмена в реакторе; 3) фазовый состав реакционной смеси; 4) режим организации процесса; 5) изменение параметров процесса во времени; 6) конструктивные особенности.
1. Классификация химических реакторов в зависимости от гидродинамических параметров.
В зависимости от гидродинамических условий реакторы делятся на реакторы с перемешиванием и реакторы вытеснения.
Реакторы-смесители – это аппараты в форме сосуда с механической мешалкой или циркуляционным насосом. Иногда в качестве метода перемешивания используется барботаж газообразного реактива через слой жидкой реакционной массы.
Реакторы вытеснения представляют собой трубчатые аппараты, довольно длинные по сравнению с их диаметром. В этих аппаратах поток реакционной струи является возвратно-поступательным. Перемешивание в таких реакторах является локальным и обусловлено неравномерным распределением скорости потока, его флуктуациями и вихрями.
В теории реакторов обычно рассматриваются идеальные версии этих реакторов – идеальный или полный реактор смешения и идеальный или полный реактор вытеснения.
Идеальное перемешивание характеризуется абсолютно полным равенством всех характерных параметров реакции по всему объему реактора.
Идеальное вытеснение предполагает равенство скоростей потока по всему сечению реактора. Движение реакционной массы по длине реактора строго возвратно-поступательное. При этом по длине реактора устанавливается определенное распределение концентраций участников реакции, температуры и других параметров, в соответствии с закономерностями протекания реакции.
2 Классификация химических реакторов по условиям теплообмена.
При отсутствии теплообмена между реактором и окружающей средой химический реактор является адиабатический. Все тепло, выделяемое или поглощаемое при химических реакциях, расходуется на внутренний теплообмен, т.е. нагревание или охлаждение реакционной смеси.
Если теплообмен с окружающей средой происходит намного быстрее, чем выделение или поглощение тепла, то во всех точках реакционной зоны обеспечивается постоянство температуры, и такой реактор называется изотермический.
Реакторы, в которых скорость выделения или поглощения тепла соизмерима со скоростью теплообмена с окружающей средой, температурный режим является результатом баланса между этими процессами и обычно приводит к неравномерному распределению температуры в зоне реакции. Такие реакторы называются политехнический институт.
особое внимание следует уделить автотермические реакторыв котором необходимая температура процесса поддерживается исключительно за счет тепла химического процесса без использования внешних источников энергии. В практике химической технологии существует тенденция к изготовлению автотермических реакторов, особенно в случае крупносерийного производства.
3. Классификация химических реакторов в зависимости от фазового состава реакционной массы.
Реакторы для гомогенных процессов делятся на аппараты для реакций в газовой фазе и в жидкой фазе. Реакционные аппараты для двухфазных систем делятся на газ-жидкость, газ-твердое тело, жидкость-твердое тело и т.д. Особенно выделяются реакторы для гетерогенных каталитических процессов.
4 Классификация по способу организации процесса.
По способу организации процесса (подача реактива и удаление продукта) реакторы делятся на периодические, непрерывные и полунепрерывные (попериодические).
В реакторе реактор периодического действия В реакторе все химические вещества подаются до начала реакции; смесь находится в реакторе в течение всего времени реакции, а затем продукты выгружаются. Продолжительность операции от загрузки до выгрузки соответствует времени реакции. Обычно параметры процесса в реакторе периодического действия меняются с течением времени. Недостатками реакторов периодического действия являются цикличность работы, низкая эффективность, высокие затраты ручного труда. Эти реакторы выгодны для малосерийного производства, поскольку параметры можно тщательно контролировать во время работы, чтобы поддерживать их на оптимальном уровне.
В реакторе непрерывный непрерывный реактор (проточный реакторнепрерывная подача химикатов в зону реакции и непрерывная выгрузка продукта. Эти реакторы характеризуются высокой эффективностью и особенно выгодны для крупномасштабного производства.
Реактор полунепрерывный (полупериодический) характеризуется тем, что один из реактивов подается непрерывно, а другой – периодически. Реагенты могут подаваться в реактор периодически, а продукты реакции выгружаться непрерывно, или наоборот.
(5) Классификация по характеру изменения параметров процесса во времени.
Согласно этой классификации мы различаем стационарные и нестационарные реакторы.
Режим работы реактора называется стационарный режимЕсли ход химической реакции в произвольно выбранной точке реактора характеризуется постоянством концентраций реагентов и продуктов, скоростей и других параметров во времени. В установившемся режиме скорость потока на выходе из реактора не зависит от времени. Это постоянство определяется двумя факторами: стационарностью режима работы и постоянством состава параметров потока на входе в реактор.
Если параметры химического процесса изменяются во времени в произвольной точке, то режим работы реактора называется нестационарным.
Стационарный режим обычно поддерживается в реакторах с непрерывным потоком. Однако даже эти реакторы работают в нестабильном режиме во время пуска и установки. В некоторых случаях наблюдается дрейф в производительности непрерывных процессов, например, когда катализатор меняет свою активность с течением времени.
Все периодические процессы являются нестационарными. Это можно проиллюстрировать на некоторых примерах. Например, если реагенты A и B загружаются в реактор одновременно и реакционная смесь выдерживается в течение длительного времени, то вследствие расходования A и B и накопления продуктов реакции с течением времени их концентрация будет меняться по ходу процесса.
В другом варианте к одной загрузке реагента A равномерно по времени добавляется другой реагент B. В этом случае A будет расходоваться с течением времени, и его концентрация будет уменьшаться. Концентрация B будет постоянной, так как его расход в реакции будет компенсироваться получением новых порций за счет питания. В то же время, количество продуктов реакции будет увеличиваться с течением времени.
Нестационарные реакторы характеризуются положительным или отрицательным накоплением вещества или энергии в реакторе, например, реакторы периодического действия характеризуются положительным накоплением продуктов и отрицательным накоплением (потерей) реактантов. Если в таком реакторе протекает экзотермическая реакция и отсутствует теплообмен с окружающей средой, происходит накопление тепла, что приводит к повышению температуры.
Стационарные проточные реакторы легче моделировать, поскольку их работа описывается более простыми уравнениями. Например, скорости реакций в реакторах с перемешивающимся потоком характеризуются алгебраическими уравнениями. Стационарные процессы легче автоматизировать.
Нестационарные процессы в реакторе вносят некоторые сложности в описание реактора и в управление его работой, но во многих случаях нестационарные режимы технологических процессов, протекающих в химических реакторах, легче приблизить к оптимальным режимам.
6 Классификация по конструктивным особенностям.
Химические реакторы отличаются по многим конструктивным особенностям, которые влияют на проектирование и изготовление оборудования.
Конкретная конструкция реактора зависит от многих факторов: фазового состава реакционной смеси, условий процесса, физических свойств реакционной смеси и т.д. Различают реакторы для гомогенных, гетерогенных и гетерофазных процессов.
Температура в этих реакторах не является постоянной.
В зависимости от тепловых условий
- Адиабатический
В этих реакторах нет теплообмена с окружающей средой; все тепло, выделяемое (поглощаемое) в реакторе, аккумулируется в реакционной смеси.
- Изотермический
Реакторы поддерживают постоянную температуру либо за счет подвода/отвода тепла от реакции, либо за счет регулирования температуры поступающей реакционной смеси.
- Политропический
Температура в этом реакторе не является постоянной.
Химический реактор – это аппарат, в котором происходят взаимосвязанные процессы химического превращения, массо- и теплообмена. Существует множество различных типов и конструкций химических реакторов, которые можно классифицировать по ряду признаков. 1) Давайте рассмотрим основные классификации реакторного оборудования.
Корпус реактора
Сосуд – деталь цилиндрической формы, поперечное сечение представляет собой кольцо, концы не заглушены.
выход
Выбор типа реактора для проведения того или иного химического процесса зависит от многих факторов, наиболее важными из которых являются: необходимость в катализаторе, его свойства и расход; термодинамические характеристики процесса – адиабатические, изотермические или политропные условия протекания химической реакции; методы теплопередачи, используемые для поддержания заданных температурных условий в зоне реакции; свойства используемых теплоносителей; периодическое или непрерывное проведение процесса. 15)
14 с и составляют <5 более 99% от общего числа нейтронов. Некоторые ядра испускают нейтроны со значительной задержкой момента деления исходного ядра. Такие называются запаздывающими нейтронами. Средняя энергия запаздывающих нейтронов составляет около 0,5 МэВ, а их доля - менее 1%. Несмотря на низкий выход нейтронов, они играют огромную роль в ядерных реакторах. Благодаря своей большой задержке, эти увеличивают время жизни одного поколения реакторе примерно 100 раз, что создает возможность управления самоподдерживающейся цепной реакцией деления.
Реакция деления производит два типа y-излучения: a) мгновенное и b) сопровождающее распад продуктов деления p.
Основная масса мгновенных y-квантов испускается через <10-9 с после деления. Число y-квантов, испускаемых в одном акте деления, равно
Состав реактора
Реактор состоит из главного контура реактора, контура теплоносителя и вспомогательных реакторных систем. К последним относятся системы выравнивания давления (только для ВВЭР), водоподготовки реактора, подпитки и дезактивации реактора, воздушные резервуары, дренажи, газовые продувки, бассейн для хранения и обработки топлива, система периодической дезактивации, система газонаполнения графитовой трубы (для реакторов РБМК), система аварийного охлаждения активной зоны реактора, системы локализации неисправностей и другие. Главный контур реактора включает: реактор, трубопроводы с главной запорной арматурой, главные циркуляционные насосы, парогенераторы.
Рисунок 10.4: Схема главной цепи атомной электростанции с ВВЭР:
1 – реактор; 2 – парогенератор; 3 – главный циркуляционный насос”, 4 – главные запорные клапаны
Рис. 10.5. Главная схема многократной принудительной циркуляции (МПКЦ) реактора РБМК-1000:
1 – сепаратор-барабаны, 2 – всасывающий коллектор МСР, 3 – главный циркуляционный насос, 4 – нагнетательный коллектор МСР, 5 – групповой распределительный коллектор, 6 – технологические каналы испарения, 7 – канальный реактор, 8 – линия рециркуляции, 9 – пар на турбину
Главный контур реактора PWR вместе со вспомогательными системами образуют первый контур. Главная схема реактора ВВЭР показана на рис. 10.4. Реактор бакового типа без кипящего теплоносителя имеет несколько циркуляционных контуров. Нагрев воды при прохождении ее через реактор невелик: 28-33°С (см. табл. 10.1). Для отвода большого количества тепла от активной зоны реактора необходимо перекачивать большое количество теплоносителя. Это невозможно при использовании одного контура. Поэтому реактор ВВЭР всегда является многоконтурным реактором. Так, реакторы ВВЭР-365 и ВВЭР-440 имеют шесть циркуляционных петель, а ВВЭР-1000 – четыре.
В реакторах РБМК-1000 имеются два принудительных контура многократной циркуляции (КМЦК) (рис. 10.5). Основные характеристики реакторов РБМК приведены в таблице 10.2.
с – Средняя теплоемкость смеси в диапазоне температур Тн – Тк;
Классификация химических реакторов
Классификация химических реакторов основана на трех принципах: организационно-техническая структура операций, выполняемых в реакторе, характер теплового и проточного режима компонентов.
По организационной и технической структуре операций химические реакторы делятся на реакторы периодического и непрерывного действия.
Для реакторов пакетная обработка характеризуются снижением движущей силы процесса с течением времени, вызванным снижением концентрации реактантов в ходе процесса. Это приводит к нестационарному во времени режиму работы реактора периодического действия, требующему изменения параметров процесса (температуры, давления и т.д.) для компенсации этого снижения и поддержания скорости процесса на заданном уровне (рис. 8.2).
Рисунок 8.2: Режим работы реактора периодического действия: С0, C – концентрация реагентов
T, P – температура и давление в реакторе.
Для реакторов непрерывная работа характеризуются постоянством движущей силы процесса во времени из-за постоянства концентрации реактантов во время процесса. Поэтому режим работы таких реакторов стационарен во времени и не требует корректировки параметров процесса (рис. 8.3).
Рис. 8.3 Непрерывный режим работы реактора
В общем случае производительность реактора рассчитывается по уравнению
где т – масса продукта, произведенного в течение рабочего цикла реактора;
– время химического процесса, загрузки компонентов и выгрузки продукта, соответственно.
Поскольку в непрерывном процессе производительность реакторов непрерывного действия выше, чем реакторов периодического действия, все остальные условия одинаковы.
Реакторы также классифицируются по температуре и степени перемешивания. В зависимости от температуры процесса реакторы делятся на высокотемпературные и низкотемпературные, а также на реакторы высокого давления, высокого давления, нормального давления и низкого давления (вакуумные). Реакторы также классифицируются в зависимости от типа процесса на гомогенные и гетерогенные.
Что касается температурного режима Реакторы и процессы, протекающие в них, делятся на адиабатические, изотермические и политропные.
Адиабатические реакторыв спокойном (несмешивающемся) потоке реактантов не имеют теплообмена с окружающей средой, т.е. обладают хорошей теплоизоляцией. Тепло экзотермической реакции полностью аккумулируется потоком реактантов. Температурный режим в любой точке фронта реактора описывается уравнением
где Tk , Tн – конечная и начальная температуры системы;
Qp / – это тепловое воздействие процесса на полный переход главного компонента из одного состояния в другое;
G – масса реакционной смеси;
с – средняя теплоемкость смеси в диапазоне температур Тн – Тк;
х – это степень трансформации.
Если мы обозначим через Qp / / G c = , приведенное выше уравнение является линейным и может быть записано следующим образом
Знак “+” соответствует экзотермической реакции, знак “-” – тангенс наклона кривой зависимости температуры от степени превращения сырья, показанной на рис. 8.4.
Рисунок 8.4: Изменение температуры вдоль адиабатического фронта реактора:
(a) Экзотермическая реакция; (b) Эндотермическая реакция
На этих графиках значение определяется как тангенс наклона прямой линии к оси абсцисс.
В зависимости от времени контакта реактантов, которое пропорционально размеру реактора H(L)
( = H/w), скорость превращения и температура в адиабатическом реакторе также изменяются по сложным кривым (рис. 8.5, 8.6).
Изотермические реакторы имеют постоянную температуру в каждой точке реакционного объема, т.е. Tк = Тср. во времени и пространстве в соответствии с рис. 8.6, рис. 1. Изотермический режим более благоприятен для производства и облегчает автоматизацию процесса в реакторе по сравнению с адиабатическим режимом.
Изотермический режим может быть достигнут в реакторах со смешанным или псевдоожиженным слоем. В этих реакторах гидродинамический режим обеспечивает приближение к полному перемешиванию с продуктами реакции и инертными компонентами. Температура повышается в экзотермических реакторах и понижается в эндотермических реакторах до конечной температуры, как только реактив оказывается в реакционном пространстве. Приблизиться к изотермическому режиму можно путем введения тепла для компенсации эндотермического эффекта или путем отвода тепла в экзотермическом процессе.
Политехнические реакторы Они характеризуются частичной тепловой компенсацией реакции за счет отвода тепла (сырья). Политехнические реакторы – это реакторы с низким перемешиванием реактантов и теплообменниками, расположенными внутри реакционного объема, например, трубчатые контактные сосуды. Температура по всей высоте (длине) реактора изменяется в соответствии с характеристической кривой (см. рис. 8.6).
В соответствии с гидродинамическим движением реакционной массы (степень перемешивания реактивов) существует два типа непрерывных реакторов (проточные реакторы): Идеальное вытеснение и полное (идеальное) смешивание.
Реактор идеального вытеснения (RIV) характеризуется ламинарным течением реакционной массы вдоль всего фронта реактора. В таких реакторах основные показатели процесса изменяются по длине (высоте) реактора (рис. 8.7 а).
На рисунке 8.8 показан характер изменения движущей силы процесса в реакторах идеального вытеснения и реакторах идеального смешения. Это показывает, что наибольшее значение движущей силы достигается в реакторах идеального вытеснения, а наименьшее – в реакторах идеального смешивания.
Рисунок 8.7: Изменение характеристик в реакторах идеального вытеснения (a)
и идеальное смешивание b) Cн и Cк – начальная и конечная концентрации реагентов;
Х0 и Xк – коэффициент конверсии реактантов в начале и в конце процесса; U0 и Uk – основной
и конечные скорости процесса
Рисунок 8.8: Изменчивость движущей силы процесса в реакторах RIV и RIS: Ts – предельная температура, достигнутая в процессе; Tн – начальная температура в процессе; Tк – конечная температура реактора; Tcp – средняя движущая сила процесса; L – длина (объем) реактора
Типичный пример конструкции реактора идеального вытеснения с политропным режимом для эндотермических процессов показан на рис. 8.9. Примером применения такого типа реактора является производство сингаза путем конверсии метана с паром:
Идеальный реактор вытеснения шахтного типа показан на рис. 8.10. Он представляет собой емкость (шахту), в которой на решетке размещен твердый гранулированный материал. Высота гранулированного слоя обычно больше диаметра реактора. Газ проходит через слой материала и взаимодействует с твердым материалом. Концентрация реактантов в таком реакторе уменьшается логарифмически по высоте слоя. Многие каталитические реакторы работают по этому принципу, например, в реакциях спекания железа или преобразования метана с паром в кислород:
При экзотермических процессах температурный режим реактора близок к адиабатическому. Аналогичные процессы происходят в колоннах абсорбции и десорбции жидких газов.
Конверсия происходит на катализаторе, расположенном в трубках, а топливный газ сжигается в межтрубном пространстве для компенсации эндотермического эффекта реакции.
Реактор с полным перемешиванием характеризуется тем, что каждый элементарный объем газа или жидкости, поступающий в реактор, немедленно перемешивается со всем его содержимым, так как из-за турбулентности потока скорость циркуляционных движений по высоте и поперечному сечению реактора во много раз превышает скорость линейных движений вдоль оси реактора. Концентрация всех веществ и степень превращения во всем объеме такого реактора одинакова и равна конечной концентрации.
На рис. 8.11 показана конструкция каталитического реактора с псевдоожиженным слоем и мешалкой.
В этом реакторе газ и твердый гранулированный катализатор интенсивно перемешиваются благодаря вихревому движению в псевдоожиженном слое и действию лопастной мешалки.
(Источник) газ
Достаточное приближение к полному перемешиванию достигается в реакторах с перемешивающими устройствами в жидкой фазе, а также в суспензиях твердых веществ в жидкости. Реакторы этого типа широко используются в нефтехимической, химической и пищевой промышленности, а также в производстве цветных металлов, строительных материалов и т.д.
Ключевые вопросы
1 Дайте определение термину “химический реактор”. Прогнозировать основные требования к
для них.
2. Приведите классификацию химических реакторов. Какие принципы лежат в основе классификации химических реакторов?
3. Сравнить графики изменения во времени основных параметров химических процессов для реакторов периодического и непрерывного действия.
4. Перечислите особенности адиабатических реакторов. Постройте диаграмму поведения температуры в адиабатических реакторах для эндотермических и экзотермических процессов.
5. Назовите особенности изотермических и политропных реакторов.
6. Сравнить графики изменения основных характеристик вдоль фронта реактора для реакторов типа RIS и RIW.
7. как изменяется движущая сила процесса в реакторах PIC и PWR?
Приведите примеры процессов, происходящих в реакторах RIS и RIW.
ТЕМА 9
ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
Этот процесс является одним из самых многотоннажных в неорганической промышленности и занимает одно из ведущих мест в химической технологии.
В настоящее время в мире насчитывается более 1 500 заводов по производству серной кислоты. Они производят более 160 миллионов тонн серной кислоты. т серной кислоты в год. Его общая емкость превышает емкость соляной, азотной, уксусной и других кислот вместе взятых. Серная кислота используется в производстве минеральных удобрений (около 50%), взрывчатых веществ, минеральных солей и кислот, нефтепродуктов и их синтеза (например, алкилирование изобутана), обработке металлов, продуктов органического синтеза, фармацевтических препаратов и т.д. Разнообразие областей применения серной кислоты показано на диаграмме ниже (рис. 9.1).
Производство хроматов Производство сульфатов Производство минеральных сульфатов
Взрывчатые вещества Травление металлов
Производство спиртов, красящих эфиров, кислот и т.д. Металлургия серной кислоты
Производство красителей Минеральные кислоты
Производство глюкозы Химическая очистка Катализатор В серной кислоте
и волокна мелассы, алкилирование нефти
текстильные изделия и т.д.
Рисунок 9.1: Применение серной кислоты
Динамика производства серной кислоты во второй половине 20 века в СССР, а затем в России представлена в таблице 9.1.
Динамика производства серной кислоты в СССР и России
| Годы | |||||||
| Производство серной кислоты, млн. тонн/год | 2,1 | 5,4 | 12,1 | 23,0 | 28,3 | 7,8 | 5,7 |
Наибольшее количество серной кислоты производится в США – 30 миллионов тонн. Другими крупными производителями являются Германия и Япония.
Большой объем производства серной кислоты обусловлен сложностью ее физических и химических свойств. Эта кислота – самая дешевая из всех сильных кислот, она не имеет запаха и привкуса, ее легко транспортировать, поскольку в концентрированном виде она не разрушает черные металлы.
Технически, серная кислота – это любая смесь SO3 c H2O (mSO3 nH2O). Формула H2SO4 соответствует моногидрату (m = n = 1) с плотностью 1850 кг/м 3 .
Сортовое разделение серной кислоты во многом зависит от ее концентрации и в значительной степени определяется температурой замерзания ее растворов в воде. Диаграмма кристаллизации SO3-H2Система O показана на рисунке 9.2.
| Н2SO4 | xSO3 |
| H2SO4 | x 2SO3 |
| Н2SO4 | SO3 |
| Н2О | |
| H2SO4 x | 4H2O |
| H2SO4 x2H | 2H2O |
0 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100
Рисунок 9.2: Схема кристаллизации H2O – SO3
Из диаграммы видно, что в диапазоне концентраций от 0 до 64, 35 %. SO3 Образуются 6 соединений – гидраты SO3 которые растворимы друг в друге в жидком состоянии и образуют эвтектические смеси при кристаллизации. В диапазоне концентраций от 64,5 % до 100 %. SO3 твердые растворы образуются при замерзании. Чтобы предотвратить замерзание кислоты зимой, все коммерческие марки имеют концентрацию, близкую к эвтектическому составу.
Ниже приведена другая диаграмма – диаграмма температуры кипения системы Н2О–SO3 система при атмосферном давлении (рис. 9.3).
Кислота, содержащая 98,3 % по массе Н2SO4 является азеотропом и кипит при 336,6 o С. Эта диаграмма используется, когда кислота концентрируется путем выпаривания воды. Из диаграммы следует, что когда кислота, содержащая менее 90 Н2SO4 почти исключительно вода преобразуется в пар. При концентрациях выше 93 Н2СО4 состав пара быстро приближается к составу жидкой фазы. Поэтому серная кислота практически концентрируется путем выпаривания только до винного масла, т.е. до 92 %. Н2СО4 . С повышением температуры Н2SO4 диссоциирует на SO3 и Н2Отогда SO3 разлагается на SO2 и О2 . При 700 o С преобладает пар О2, преобладает и выше 900 oC SO3 диссоциирует полностью.
| пары | пары |
| решение | |
| решение |
0 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100
Рисунок 9.3: Диаграмма точки кипения для системы H2O-SO3 при атмосферном давлении
Читайте далее:- Скорость химических реакций.
- Ядерный реактор для посвященных: замыкание топливного цикла в бинарной ядерной энергетике /.
- Типы контактных соединений.
- Что такое электродный потенциал; Школа для инженеров-электриков: электротехника и электроника.
- Как работают токоограничивающие и дугогасительные реакторы в энергетике; Школа инженеров-электриков: электротехника и электроника.
- Топливные элементы/.
- Системы охлаждения. Часть 1.