Глава 7. АППАРАТЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ
Химические реакторы – это аппараты для проведения химических превращений исходного сырья в целевой продукт определенного качества
ив заданном количестве. Химические превращения осуществляются при проведении ряда физических процессов (диффузии, теплообмена, перемешивания и других процессов). Все без исключения химические реакторы должны удовлетворять следующим основным требованиям:
-обеспечивать наибольшую производительность при более высокой степени превращения сырья в готовую продукцию;
-иметь минимальные энергетические затраты на транспортировку и перемешивание реагентов;
-быть простыми в устройстве и дешевыми в изготовлении;
-наиболее полно использовать тепло экзотермических реакций и тепло, подводимое извне, для осуществления эндотермических процессов;
-быть надежными в работе, в наибольшей степени автоматизированными и механизированными.
Основными классификационными признаками химических реакторов являются: способ организации химического процесса в реакторе, температурный режим и режим движения реагентов.
По способу организации химического процесса различают реакторы периодического, непрерывного и полунепрерывного действия.
Впериодически действующий реактор (схема периодически действующего реактора показана на рис. 2.3) сырье (реагенты) загружают в начале цикла производственного процесса. При необходимости сырье подогревают, добавляют какие-нибудь ингредиенты, перемешивают, охлаждают
ичерез определенное время после достижения заданной степени превращения аппарат разгружают.
Вреактор непрерывного действия (см. рис. 2.4) исходные вещества поступают непрерывно (или систематическими порциями), непрерывно же отводятся и продукты реакции.
Вреактор полунепрерывного действия сырье поступает периодически,
апродукты реакции отводятся непрерывно или же при непрерывной загрузке сырья осуществляется периодическая выгрузка готовой продукции.
По температурному режиму реакторы подразделяются на адиабатические, изотермические и политермические (программно-регулируемые).
249
Адиабатические реакторы при спокойном (без перемешивания) течении потока реагентов не имеют теплообмена с окружающей средой, так как снабжены хорошей теплоизоляцией. Вся теплота реакции аккумулируется потоком реагирующих веществ. На рис. 7.1 показаны схема адиабатического реактора и графики изменения температуры при протекании экзотермического (а) и эндотермического (б) процессов.
L
Температура процесса
аб
Рис. 7.1. Схема и температурные режимы работы адиабатического реактора: 1–зона реакции; 2–корпус реактора; 3–теплоизоляция (L – длина реакционной зоны)
Температуру в любом i–м сечении адиабатического реактора (рис. 7.1) можно определить из выражения
Тi = Tн + |
q Хi |
, |
(7.1) |
G Cр |
где Тi и Тн – текущая и начальная температуры реакционной смеси; q – тепловой эффект химической реакции; Хi – степень превращения сырья в i-м сечении реактора; G – общее количество реакционной смеси; Ср – средняя удельная теплоемкость смеси в интервале начальной (Тн) и конечной (Тк) температур процесса.
Изотермический реактор имеет постоянную рабочую температуру (Тр) во всех точках реакционного объема в течение всего периода его работы. Схема изотермического реактора и графики изменения температуры при протекании экзотермического (а) и эндотермического (б) процессов приведены на рис. 7.2. Изотермичность процесса достигается: при помощи помещенных в реакционный объем теплообменных устройств для отвода
L
Тр Тр
Температура процесса
аб
Рис. 7.2. Схема и температурные режимы работы изотермического реактора: 1–корпус; 2–реакционный объем; 3–трубы (L – длина реакционной зоны)
тепла в экзотермических (+q) и подвода тепла в эндотермических (–q) реакциях; за счет теплового равновесия экзо- и эндотермических превращений (автотермичности процесса); за счет разбавления реагентов большим количеством инертных компонентов и интенсивным перемешиванием смеси и другими способами.
Политермическими называются реакторы, в которых тепло реакции лишь частично компенсируется за счет отвода (подвода) тепла или процессов с тепловым эффектом, противоположным по знаку основному. Количество подводимого или отводимого тепла рассчитывается на стадии проектирования таких реакторов. Поэтому они называются также программ- но-регулируемыми.
По режиму движения реагентов различают реакторы идеального вытеснения, идеального смешения (перемешивания) и частичного смешения.
Вреакторе идеального вытеснения реагенты без перемешивания ламинарным потоком проходят весь реакционный путь, определяемый длиной или высотой аппарата, которая значительно больше его диаметра. Аппараты идеального вытеснения не имеют приспособлений для механического перемешивания реагентов и обычно представляют собой реакторы трубчатого, шахтного или башенного типов.
Реакторы идеального перемешивания характеризуются тем, что любая частица реагента, попавшая в данный момент в реакционную зону, благодаря интенсивному перемешиванию имеет равную со всеми остальными частицами вероятность первой покинуть ее. В таких реакторах любой элемент объема мгновенно смешивается со всем содержимым реакционного пространства, так как скорость циркуляционных движений по высоте и сечению аппарата во много раз больше скорости линейного перемещения среды по оси реактора. Моделью реактора идеального перемешивания могут служить смесители с механическими мешалками, пневматическими и струйными смесителями, а также реакторы с кипящим слоем.
Сравнивая реакторы идеального вытеснения и смешения, необходимо отметить, что реакторы смешения работают, как правило, в изотермических условиях, а реакторы вытеснения – в адиабатическом или политермическом режимах. При равенстве начальных температур проведение экзотермического процесса в реакторе смешения сопровождается повышенной (в 5–10 раз) константой скорости реакции по сравнению с проведением того же процесса в реакторе вытеснения, однако движущая сила процесса,
выраженная разностью равновесного и действительного выхода (Хр – Х), в реакторе вытеснения во много раз больше, чем в реакторе смешения. Кроме того, реакторы смешения требуют дополнительных затрат энергии на перемешивание реагентов.
Для эндотермических процессов реакторы смешения без подвода тепла извне используются значительно реже, чем для экзотермических, так как в этих процессах снижается и движущая сила и константа скорости.
Всвязи с тем, что идеальные условия вытеснения и смешения создать
вреальных условиях трудно, большинство промышленных реакторов работает в режиме частичного, или локального, перемешивания реагентов с продуктами реакции. Такие реакторы описываются так называемой диффузионной моделью, которая учитывает изменение концентрации не только вследствие химического превращения (как при идеальном вытеснении), но
ивследствие перемешивания реагентов и продуктов реакции.
Помимо указанных классификационных признаков, реакторы, как и химико-технологические процессы подразделяются на низкотемпературные и высокотемпературные, по применяемому давлению – на аппараты, работающие при высоком, повышенном, нормальном и низком (под ва-
