Г л а в а 6

________________________________________________________________

ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

________________________________________________________________

Эта глава посвящена краткому рассмотрению следующих вопросов:

−выбор наилучшего типа промышленного реактора для заданной химической реакции;

−определение его основных размеров;

−подбор оптимальных рабочих условий процесса.

При решении задач такого типа инженер-проектировщик обычно исходит из двух условий: объема производства (т. е. потребной суточной производительности) и кинетики реакции. В остальном же он располагает значительной свободой выбора. Он может остановиться на периодическом реакторе, или одной из разновидностей реакторов непрерывного действия; в определенных пределах он может выбрать наилучшее, с его точки зрения, значение для начальных концентраций реагентов, рабочих температур и давлений; и, наконец, в ходе реакции он имеет возможность вносить изменения в некоторые из этих переменных.

Что же является критерием выбора?

Как правило, основным критерием, влияющим на решения проектировщика, являются экономические соображения (стоимость или прибыль) и агрегатное состояние вещества. Однако не следует обходить молчанием причины принятия данного критерия, как бы очевидны они не были. Несомненно, в химической промышленности действуют и другие взаимосвязанные факторы, не поддающиеся экономическому учету, важнейшим из которых является техника безопасности. В условиях эксплуатации один процесс может оказаться безопаснее другого; он может быть менее пагубным в отношении воздействия на окружающую среду или более удобным для обслуживающего персонала. Однако этот фактор невозможно учесть в обычном критерии стоимости.

6.1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Основным элементом технологической схемы является реактор, от совершенства которого зависит качество выпускаемой продукции. Для всех реакторов существуют общие принципы, на основе которых можно найти связь между конструкцией аппарата и основными закономерностями протекающего в ней химического процесса.

139

Критериями, по которым классифицируют реакционную аппаратуру, являются периодичность или непрерывность процесса, его гидродинамический и тепловой режимы, физические свойства взаимодействующих веществ.

По принципу организации процесса химическая реакционная аппаратура может быть разделена на три группы:

−реактор непрерывного действия;

−реактор периодического действия;

−реактор полунепрерывного (полупериодического) действия.

По гидродинамическому режиму различают следующие типы:

−реактор вытеснения непрерывного действия (РВНД);

−реактор смешения непрерывного действия (РСНД);

−реактор промежуточного типа (с промежуточным гидродинамическим режимом).

По тепловому режиму работы реакторы делят на следующие типы:

−изотермический реактор;

−адиабатический реактор;

−политропический реактор.

Ниже кратко рассматриваются все указанные здесь типы реакторов.

Рис. 6.1. Установка для непрерывного процесса:

1 – теплообменные аппараты; 2 – реактор

Реактор непрерывного действия. В таком реакторе (рис. 6.1) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются параллельно и одновременно. Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме различен в разных точках объема аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема.

140

В реакторе периодического действия (рис. 6.2) все отдельные стадии процесса протекают последовательно в разное время. Характер изменения концентраций реагирующих веществ одинаков во всех точках реакционного объема, но различен во времени для одной и той же точки объема.

Реактор полунепрерывного действия (рис. 6.3) работает в неустановившихся условиях. Такой реактор можно рассматривать как непрерывно действующий аппарат, в котором потоки входящего и выходящего из реактора вещества не равны (вследствие чего изменяется общая масса реагирующих веществ в объеме), и, кроме того, как периодически действующий аппарат, в котором ввод одного из реагирующих веществ или вывод продукта реакции осуществляется периодически.

Рис. 6.4. Реактор вытеснения: а однотрубный; б многотрубный

Реактор полного вытеснения (рис. 6.4) характеризуется переменной концентрацией реагирующих веществ по длине аппарата, наибольшей разницей концентраций на входе и выходе из реактора и, следовательно, наибольшей средней движущей силой процесса.

141

Рис. 6.5. Изменение концентрации веществ в реакторах:

а– аппарат вытеснения; б – аппарат смешения;

в– многосекционный аппарат смешения; г – аппарат промежуточного типа.

Концентрация: С – текущая; Сн – начальная; Ск – конечная; С* − равновесная L – длина (высота) аппарата

Изменение концентрации в реакционном объеме (рис. 6.5,а) носит плавный характер, так как последующие реакционные объемы реагирующих веществ не смешиваются с предыдущими, а полностью ими вытесняются.

Практически к режиму полного вытеснения можно приблизиться в реакторе с малым диаметром и большой длиною при относительно высоких скоростях движения реагирующих веществ. Реакторы вытеснения находят широкое применение для проведения как гомогенных, так и гетерогенных каталитических процессов (например, окисления NО в NO2 и SO2 в SO3, синтеза аммиака и метилового спирта, хлорирования этилена, сульфирования пропилена и бутилена и т. д.).

Реактор полного смешения (рис. 6.6) обычно снабжен каким-либо перемешивающим устройством и характеризуется постоянством концентрации реагирующих веществ во всем объеме реакторов в данный момент времени (рис. 6.5,б) вследствие практически мгновенного смешения реагирующих веществ в реакционном объеме. Поэтому изменение концентрации реагирующих веществ на входе в реактор носит скачкообразный характер.

Средняя движущая сила процесса в таком аппарате будет меньше, чем в аппарате полного вытеснения. Реакторы этого типа наиболее широко применяются для проведения таких процессов, как нитрование, сульфирование, полимеризация и др.

В некоторых случаях процесс химического превращения вещества проводится не в одном аппарате смешения, а в нескольких таких аппаратах, соединенных последовательно (рис. 6.6,г). Такая система, состоящая в некото-

142