ХИМИЧЕСКАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
Лекция №4
Химические реакторы – основные
элементы ХТС
Химические реакторы для проведения различных процессов отличаются друг от друга конструктивными особенностями, размерами, внешним видом. Однако, несмотря на существующие различия, можно видеть общие признаки классификации реакторов, облегчающие систематизацию сведений о них, составление математического описания и выбор математического расчета.
Признаки классификации химических реакторов и режимов их работы:
1)Режим движения реакционной среды (гидродинамическая обстановка в реакторе);
2)Условия теплообмена в реакторе;
3)Фазовый состав реакционной смеси;
4)Способ организации процесса;
5)Характер изменения параметров процесса во времени;
6) Конструктивные характеристики. |
2 |
1. Классификация химических реакторов
по гидродинамической обстановке.
Реакторы смешения – |
Реакторы вытеснения – |
Это емкостные аппараты с перемешиванием |
трубчатые аппараты, достаточно большой длины |
механической мешалкой или циркуляционным |
по сравнению с диаметром. В таких аппаратах |
насосом. Иногда в качестве способа |
течение реакционного потока имеет |
перемешивания используется барботаж |
поршнеобразный характер. Перемешивание в |
газообразного реагента через слой жидкой |
таких реакторах имеет локальный характер и |
реакционной массы. |
вызывается неравномерностью распределения |
|
скорости потока и его флуктуациями, а также |
|
завихрениями. |
Втеории реакторов обычно рассматривают идеальные варианты этих аппаратов – реактор идеального или полного смешения и реактор идеального или полного
вытеснения.
Для идеального смешения характерно абсолютно полное выравнивание всех характеризующих реакцию параметров по объёму реактора.
Идеальное вытеснение предполагает равенство по сечению реактора скоростей потока. Перемещение реакционной массы по длине реактора носит строго поршнеобразный характер. В то же время по длине реактора в соответствии с закономерностями протекания реакции устанавливается определённое распределение концентраций
участников реакции, температуры и других параметров. |
3 |
|
2. Классификация химических реакторов
по условиям теплообмена.
Адиабатические реакторы |
Изотермические реакторы |
При отсутствии теплообмена между реактором и |
Если теплообмен с окружающей средой протекает |
окружающей средой химический реактор |
гораздо быстрее, чем тепловыделение или |
является адиабатическим. Вся теплота, |
теплопоглощение, то во всех точках реакционной |
выделяющаяся или поглощающаяся в результате |
зоны обеспечивается постоянство температуры и |
химических реакций, расходуется на внутренний |
такой реактор называется изотермическим. |
теплообмен, т.е. на нагрев или охлаждение |
|
реакционной смеси. |
|
Политермические реакторы |
Автотермические реакторы |
|
Реакторы, в которых скорости тепловыделения |
В автотермических реакторах поддержание |
|
или теплопоглощения соизмеримы со скоростями |
необходимой температуры процесса |
|
теплообмена с окружающей средой, |
осуществляется исключительно за счёт теплоты |
|
температурный режим представляет собой |
химического процесса без использования |
|
результат баланса между этими процессами и в |
внешних источников энергии. В практике |
|
общем случае это обусловливает неравномерность |
химической технологии стремятся к тому, чтобы |
|
распределения температуры в реакционной зоне. |
химические реакторы, особенно в |
|
Такие реакторы называются политермическими. |
крупнотоннажных производствах, были |
|
|
автотермическими. |
4 |
3. Классификация химических реакторов по фазовому составу реакционной массы.
Реакторы для проведения гомогенных |
Аппараты для проведения реакций |
Особо выделяют реакторы для |
|
с двухфазными системами |
|||
процессов подразделяют на аппараты |
гетерогенно- |
||
подразделяют на газо- |
|||
для газофазных и жидкофазных |
каталитических процессов. |
||
жидкостные, реакции для |
|||
реакций. |
систем газ – твёрдое тело, |
|
|
|
жидкость твёрдое тело . |
|
4. Классификация химических реакторов по способу организации процесса.
Периодические
В реакторе периодического действия все реагенты вводят в реактор до начала реакции, смесь выдерживают в реакторе необходимое время, после чего производится выгрузка продуктов. Продолжительность операции от момента загрузки до момента выгрузки соответствует времени реакции. Обычно параметры технологического процесса в периодическом реакторе изменяются во времени.
Недостатки периодических реакторов – цикличность работы, низкая производительность, большие затраты ручного труда. Такие реакторы выгодны при организации малотоннажных производств, т.к. в ходе операции можно строго следить за параметрами, поддерживая их на оптимальном уровне.
Непрерывные
В реакторе непрерывного
действия (проточном) производится непрерывная подача реагентов в реакционную зону и непрерывный отвод продуктов. Эти реакторы обеспечивают высокую производительность и их применение особенно выгодно при организации крупнотоннажных производств.
Полунепрерывные
Реактор полунепрерывного (полупериодического)
действия характеризуется тем, что один из реагентов поступает в него непрерывно, а другой – периодически. Возможны варианты, когда реагенты поступают в реактор периодически, а продукты реакции выводятся непрерывно, или наоборот.
5
5. Классификация химических реакторов по характеру
изменения параметров процесса во времени.
Реакторы, работающие в
стационарном режиме.
Режим работы реактора называют стационарным, если протекание химической реакции в произвольно выбранной точке реактора характеризуется постоянством концентраций реагентов и продуктов, скорости и других показателей во времени. В стационарном режиме показатели потока на выходе из реактора не зависят от времени. Это постоянство показателей определяется двумя факторами: стационарностью режима и постоянством состава параметров потока на входе в реактор.
Стационарный режим обычно выдерживается в непрерывно действующих проточных реакторах.
Но даже эти реакторы работают в нестационарном режиме в период пуска и установки. Стационарные проточные реакторы проще для моделирования, т.к. их работа описывается более простыми уравнениями. Стационарные процессы легче автоматизировать.
Реакторы, работающие в
нестационарном режиме.
Если в произвольно выбранной точке происходит изменение параметров химического процесса во времени, режим работы реактора называется
нестационарным.
Нестационарными являются все периодические процессы. Нестационарные реакторы характеризуются положительным или отрицательным накоплением вещества или энергии в реакторе.
Нестационарность процесса в реакторе вносит определенное усложнение в описание реактора и в управление его работой, однако во многих случаях нестационарные режимы технологических процессов, протекающих в химических реакторах, легче приблизить к оптимальным.
6
6. Классификация химических реакторов по
конструктивным характеристикам
Химические реакторы отличаются друг от друга по ряду конструктивных характеристик, оказывающих влияние на расчет и изготовление аппаратуры.
Конкретная конструкция реактора определяется рядом факторов: фазовым составом реакционной массы, режимом процесса, физическими свойствами реакционной смеси и др.
Различают реакторы для:
•Гомогенных процессов
•Гетерогенных процессов
•Гетерофазных процессов.
7
Промышленные химические реакторы
Реакторы для гомогенных процессов. Емкостные реакторы.
а.) Реактор с пропеллерной мешалкой
д.) Реактор с червячной мешалкой
|
в.) Реактор с турбинный |
г.) Реактор с рамной |
б.) Реактор с |
мешалкой с |
|
лопастной мешалкой |
центральной трубой |
мешалкой |
Емкостные аппараты – периодические и проточные – снабжены мешалками, конструкции которых разнообразны(рис. а,б,в).
Особый тип мешалок – для вязких жидкостей (рис.г,д.)
Реакторы а, б, г) используются в периодических процессах, реакторы в), д) – в непрерывных. В то же время реактор а) может быть приспособлен для непрерывного режима, однако в этом случае необходимо изменить порядок подачи реагентов и отвода продуктов реакции: снизу – реагенты, сверху – продукты. В последнем случае необходимо организовать отвод через боковой штуцер.
8
В случае необходимости подвода или отвода тепла предусматриваются теплообменные устройства в реакторах. В качестве таковых используются рубашки или теплообменники внутри реактора в виде змеевиков или секций трубок.
В высокотемпературных процессах (например) в термическом крекинге углеводородов проще помещать секцию трубок в камеру сгорания, в которой аккумулируется тепло, необходимое для обеспечения необходимой температуры (и,к). Такие реакторы называются трубчатыми печами.
Трубчатые реакторы.
Типичным примером трубчатого реактора является реактор типа “труба в трубе” (з.)
з.) Реактор типа “труба в трубе”
В таком реакторе теплоноситель циркулирует через рубашку реактора. Выбор пространства для теплоносителя и реакционной массы определяется тем, какой из этих потоков быстрее загрязняет пространство. Для того, который загрязняет быстрее, выбирается внутренняя труба, т.к. ее проще прочищать. Если требуется достаточно большое время пребывания реакционного потока в зоне реакции, то выбирается многосекционный аппарат "труба в трубе" (ж).
и.) |
к.) |
ж.) Многосекционный реактор |
|
типа “труба в трубе” |
9 |
||
|
Трубчатые печи |
|
|
Реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой
Простейшим вариантом аппаратурного оформления подобных реакций является полый цилиндрический реактор, заполненный твердой фазой, через которую циркулирует газообразный реагент (а).
В таком реакторе проводят многие процессы адсорбционной очистки газов и жидкостей, например, очистку природного газа от серосодержащих соединений. Вначале S-Содержащие компоненты гидрируются до H2S:
который затем поглощают оксидом цинка:
Поглощение H2S происходит в сравнительно небольшом слое. По мере отработки первых слоев сорбента зона реакции продвигается дальше. После проявления "проскока" H2S (неполного его поглощения
из-за исчерпывания сорбента) поглотитель заменяют.
Недостаток такого процесса – его цикличность.
Для организации непрерывного процесса обновления твердой фазы предлагается процесс, осуществляемый в многоколоночном реакторе, снабженном скребком на каждой полке, которые передвигают материал по полке и пересыпают его с одной полки на другую (б). Так устроен реактор обжига серного колчедана. Удобен и распространен процесс непрерывного движения твердого материала на вращающейся наклонной трубе (в).
Классическим примером является вращающаяся печь получения клинкера в цементном производстве. Такого же |
|
типа реактор аммиачный нейтрализатор в производстве двойного суперфосфата. |
10 |
|
|