4. Технологическая схема разложения аммиака

Для получения азотноводородной атмосферы широко применяется процесс диссоциации жидкого безводного аммиака, часто с последующим дожиганием водорода и глубокой осушкой полученного газа.

Газ (условное обозначение ДА), получаемый при диссоциации аммиака (2NH₃→3H₂ + N₂), содержит до 75% водорода, 25% азота и является взрывоопасным. Он в три раза легче воздуха, а теплопроводность его выше теплопроводности воздуха более чем в 5,5 раза.

Диссоциированный аммиак с различной степенью дожигания применяется для светлого отжига и закалки нержавеющих сталей, отжига малоуглеродистой и трансформаторной стали и медно-никелевых сплавов [6].

Диссоциированный аммиак получают из жидкого аммиака по технологической схеме, приведенной на рис.4.

Рис. 4. Технологическая схема получения диссоциированного аммиака

Из баллона 1 жидкий аммиак поступает в испаритель 2 высо­кого давления, обогреваемый электронагревателями, где аммиак из жидкого состояния переходит в газообразное. Из испарителя Газообразный аммиак поступает в диссоциатор 3, в котором амми­ак при температуре 900° С диссоциирует на азот и водород. При­менение катализатора (окись железа) понижает температуру диссоциации на 100° С и более. Из диссоциатора смесь водорода и азота поступает обратно в испаритель, где отдает свое тепло на подогрев и испарение жидкого аммиака. Из змеевика испарителя диссоциированный аммиак идет в водяной скруббер 4, где освобож­дается от следов неразложившегося аммиака, который растворяет­ся в воде. Далее диссоциированный аммиак поступает в водяной трубчатый холодильник 6 и затем в адсорбер 7, где осушается до точки росы от —45 до —50°С (288—223 К). Затем газовая смесь направляется в печи как защитная атмосфера. Для уменьшения взрывоопасности диссоциированный аммиак подвергают предвари­тельному частичному сжиганию в смеси с воздухом при различном коэффициенте избытка воздуха в камере сжигания 5. В результате содержание водорода в диссоциированном аммиаке может коле­баться в пределах от 24 до 1 %. После сжигания водорода производится осушка продуктов сгорания в адсорбере.

5. Классификация идеализированных реакторов

Химическим реактором называется аппарат, в котором осуществляются химические процессы, сочетающие химические реакции с массо- и теплопереносом, с целью получения определённого вещества. Химические реакторы для проведения различных процессов отличаются друг от друга по конструктивным особенностям, размеру, внешнему виду. Однако, несмотря на существующие различия, можно выделить общие признаки классификации реакторов, облегчающие систематизацию сведений о них, составление математического описания и выбор метода расчета [7].

Классификация реакторов:

1. В зависимости от фазового состояния реагирующих веществ реакторы могут быть гомогенными или гетерогенными.

2. По характеру операций загрузки и выгрузки различают реакторы периодического, непрерывного и полупериодического действия.

3. По режиму движения реакционной среды или по структуре по-

токов вещества:

– реакторы идеального перемешивания;

– реакторы идеального вытеснения;

– реакторы с продольным перемешиванием;

– реакторы с продольным и радиальным перемешиванием;

– реакторы с комбинированной структурой потока.

4. По тепловому режиму реакторы разделяются на изотермические, адиабатические и политропические.

Изотермические реакторы имеют одну постоянную температуру во всех точках реакционного пространства; скорость реакции в них зависит только от состава реакционной среды. Изотермический режим редко достигается без вспомогательных устройств для отвода (подвода) тепла. Обычно для соблюдения изотермических условий нужны теплоноситель, способный передать (отобрать) необходимое количество тепла, и соответствующая поверхность теплообмена.

Адиабатические реакторы характеризуются тем, что они не должны иметь обмена с внешней средой. Это практически достигается хорошей тепловой изоляцией.

В реальных реакционных аппаратах не всегда удается обеспечить изотермический или адиабатический режимы, и процесс протекает политропически [8].

5. По конструктивным признакам: ёмкостные, трубчатые, комбинрованные.

Приведённая классификация свидетельствует о том, что реальные химические реакторы характеризуются большим числом свойств, поэтому при построении математической модели химического реактора необходимо выделить и учесть наиболее важные свойства, так как учесть одновременно все свойства невозможно.

Реакторы полного смешения характеризуются тем, что частицы реагента (ион, молекула или зерно твердого материала), попавшие в данный момент времени в аппарат, благодаря интенсивному перемешиванию имеют равную со всеми части первыми покинуть его. В реакторах полного смешения любой элемент объема мгновенно смешивается со всем содержимым реактора, так как скорость циркуляционных движений по высоте и сечению аппарата во много раз больше, чем скорость линейного перемещения по оси реактора.

Физической моделью реактора полного смешения может служить смеситель с пропеллерной или какой-либо иной интенсивной мешалкой (рис.5).

Рис. 5. Реактор полного смешения

Реактор идеального вытеснения (рис.6.) характеризуются тем, что реагенты последовательно «слой» за «слоем» без перемешивания ламинарным потоком проходят весь реакционный путь, определяемый, как правило, длиной (высотой) аппарата. Время пребывания любого элемента объема равно среднерасходному времени.

Рис. 6. Схема потока идеального вытеснения

Математическое описание реактора идеального вытеснения характеризует изменение концентрации и температуры в реакционной среде во времени и пространстве, обусловленное движением потока (гидродинамический фактор) и химическим превращением (кинетический фактор).