31. Химические реакторы. Классификация. Устройство реактора периодического действия. Виды обогрева. Типы теплопередающих поверхностей. Оснастки реакторов.

Классификация.

1. по гидродинамике

2. по типу обогрева

3. по конструкции

По конструкции реакторы делят на:

- вертикальные (рис, рив)

- горизонтальные (рив)

- колонного типа (многосекционные колонны с переливными трубками, роторно-дисковые колонны, пульсационные колонны)

Устройство реактора периодического действия.

Основные элементы:

1) крышка (эллипт.или сферич.формы, съемная. Крепится с помощью фланц.соединения болтами. Фланцы выбираются по ГОСТу. На крышке имеются: привод-редуктор + ЭД во взрывобезоп.исполнении; технолог.люк Д=400 мм, ряд штуцеров для ввода сырья, пробоотбор, автоматики и др; отверстие для вала. Для исключения прорыва газ.выбросов сущ.2 типа уплотнения – сальниковое и торцевое)

2) котел = обечайка + днище. Днище обычно приварное. В нем имеется патрубок для слива продукта реакции. Управление сливов осущ.вручную или дистанционно.

3) Конструктивные размеры и объемы.

Высота реактора Н/ ширина Д = 1,2 – 1,8

Высота днища/ ширина реактора Д = 0,25

Объем: 1.5, 6.3, 10, 12, 15, 20, 32, 60, 80 куб.м.

4) толщина крышки, обечайки. R = 6 – 14 мм. Рассчитывается в зависимости от давления, темп-ры, агресс-ти среды. При учете Р, учитывают Р столба реакц.массы и Р инерт.газа.

Кроме того, учитывается работа реактора при разрежении.

5) материал. Зависит от Т,Р и агресс-ти среды. Наиболее стойкая нержавейка, но на заводах чаще применяют конструкц.сталь, плакированную нержавейкой (2-3 мм)

6) крепление реактора. Как правило, реактор провисает со 2 этажа на первый.

Обогрев реакторов:

1) Обогрев продуктами сгорания топлива. Может применяться жидкое ( мазут ), твердое ( уголь, торф ) , газообразное ( газ природный ) топливо. При применении твердых топлив они сжигаются в выносных топках, и образующиеся дымовые газы собственно и обогревают реактор. Газ непосредственно сжигают под днищем реактора с помощью форсунок – это огневой обогрев. По эффективности : КПД твердое топливо=15%, жидкое=30%, газообразное=60%. Недостатки этого обогрева : 1) взрыво-, пожаро-опасность. 2) местные ( локальные ) перегревы , которые снижают качество олигомера : возрастает полидисперсность и уменьшается молек. масса.3) длительность охлаждения.

2) Обогрев теплоносителями .

а) горячая вода (до 80 ºС) б) водяной пар (до 160 ºС) в) обогрев ВОТ-высокотемпературные органические теплоносители (до 300 ºС).

б)Обогрев водяным паром: его ограниченность в том,что он до 160 ºС – это невысокотемпературный обогрев. Достоинства: 1) высокий коэффициент теплоотдачи от пара к стенке змеевика: =5000-10000 Вт/( *К) 2) Относительная дешевизна- дешевле электроэнергии – существенно. На практике применяют водяной пар с давлением 0,3-0,4 МПа.

в) Обогрев ВОТ: применяются различные ВОТ, но наиболее широкое применение имеет дифенильная смесь ( ДФС : ) = 35% дифенилоксида ( ДФО : ) + 65% дифенил . ДФС-эвтектическая смесь-у отдельных компонентов . Обогрев может проводится как жидкой ДФС , так и ее парами. Достоинством обогрева парами ДФС по сравнению с водяным паром является ≈ в 35 раз более низкое давление. Дифенильная смесь при 320 ºС может эксплуатироваться несколько лет, при 350 ºС – 1 год. Достоинства обогрева жидкой ДФС : 1) короткое время нагрева и охлаждения, т.к. осуществляется змеевиком 2) возможность тонкого регулирования температуры, что обеспечивает хорошее качество 3) не корродирует сталь 4) более низкая стоимость, чем при э/и обогреве. Недостатки : 1) очень высокая проницаемость жидкой ДФС через все уплотнения, соединения в запорной арматуре и др. Поэтому все коммуникации и сальниковые уплотнения требуют высокой герметичности, что усложняет коммуникации и запорную арматуру. 2) при высоких температурах высокий риск пожаро-, взрывоопасности. 3) отрицательное воздействие на человека, т.е. токсичность паров ДФС. 3) Электроиндукционный обогрев. Принцип работы э/и нагревателя : реактор помещают в индуктор –катушка , на которой намотан медный провод в изоляции. На катушку подают переменный эл. ток , в результате образуется переменное магнитное поле, которое пронизывает стенки реактора. Вследствие этого в самой стенке возникают вторичные токи или токи Фуко ( вихревые токи ). Отсюда происходит нагрев самой стенки реактора. Здесь тепло передается от нагретой стенки реактора к реакционной массе. Т.о. здесь этот индуктор вместе с реактором образует как бы трансформатор , где первичная обмотка – катушка, а вторичная – корпус реактора.

Достоинства э/и обогрева : 1) высокий КПД=90% . 2) возможность дистанционного управления температурного режима всех реакторов из единого центра. 3) небольшой перепад температуры между стенкой реактора и температурой реакционной массы при пусковом периоде 20-40 ºС , в стационарный 5-8 ºС . 4) возможность тонкого регулирования температуры из-за малой инерционности. 5) высокая культура обслуживания и относительная простота управления температурного режима . 6) это обогрев высокотемпературный до 300 ºС и выше .

Недостатки : 1) Высокая стоимость электроэнергии . Поэтому часто применяют комбинированный обогрев: до 120 ºС – водяным паром через внутренний змеевик , выше 120 ºС – индуктором.

Устройство реакторов с э/и обогревом . Конструкция реактора с э/и обогревом должна отвечать правилам ПУЭ ( правила устройства электроустановок ) пожаро- и взрывоопасных производств. В таких производствах должен быть исключен контакт катушек ( индуктора ) с атмосферой цеха , поэтому катушки закрываются герметичным кожухом , через который пропускается чистый воздух с определенным давлением = 250 МПа. Этот кожух защищает катушки от газов , искр, от нагревания . Для исключения внештатной работы всей системы предусмотрена автоблокировка по давлению чистого воздуха. Если давление упало , то индуктор автоматически отключится. Требования к кожуху : 1)Достаточная прочность и герметичность . 2) Он должен быть сделан из немагнитного материала, применяют пластмассовый и алюминиевый сплавы. Конструкция индуктора : как правило индуктор выполняют таким образом, чтобы число катушек было кратно 3. Это обусловлено тем , что необходимо избежать перегрузки сети, иначе может быть пожар.

Регулирование температуры : 1 способ - включением и отключением отдельных катушек. 2 способ - изменением соединения фаз : . Тепловая изоляция в виде асбестового картона расположена между корпусом и индуктором.

4) Комбинированный обогрев с помощью ТЭНа ( теплоэлектро-нагреватель ). Непосредственно реакционную массу ТЭНами не греют, т.к. создают неравномерный обогрев и они также взрывоопасны. Поэтому применяют комбинированный обогрев : ТЭН вводят в жидкий ВОТ.

Конструкции теплопередающих поверхностей: 1) Обогрев парами ( водяным или ВОТ ) Здесь применяются гладкие рубашки. В некоторых случаях , когда загрузка сырья осуществляется постепенно, то делают несколько рубашек. 2) Обогрев жидкими теплоносителями. Здесь гладкие рубашки применять нельзя- через гладкие рубашки нельзя достичь необходимой скорости движения теплоносителя, отсюда коэффициент теплоотдачи будет маленьким, поэтому применяют не гладкие рубашки , а профильные конструкции. 3) Э/и обогрев- нет . 4) Огневой обогрев . Греют само днище открытым пламенем. 5) Обогрев внутренним змеевиком . Внутренний змеевик используется не только для обогрева, но и для охлаждения , что эффективно , т.к. он охлаждает реакционную массу очень быстро.

Оснастка реакторов. – это система для улавливания, отвода и конденсации летучих из реактора, а также для соединения реактора с внешней средой. Оснастка определяется характером процесса.

А) Индивидуальные оснастки:

1) Вертикальный обратный конденсатор ( холодильник ): служит для возврата летучих в реактор при синтезе, летучие – мономеры и растворители. Применяется если Тсинт меньше Ткип растворителя.

2) Наклонный обратный конденсатор, соединенный с приемником дистиллята. : Предназначена оснастка для последовательного обеспечения двух последовательных операций : а) возврат летучих веществ в реактор в процесе синтеза, при этом вентиль 1 открыт, 2 закрыт. б) отгонка летучих после завершения синтеза. Вентиль 1 закрыт, 2 открыт. Оснастку ставят при условии, что Тсинт больше Ткип.

3) Наклонный обратный конденсатор , соединенный с разделительным сосудом.

Такая оснастка применятеся в том случае, если необходимо удалять реакц.воду и реакц.массу, в частности, при синтезе алкидов на стадии полиэтерификации (моноглиц.способ) или необх.удалять воду, которая пришла в виде водного раствора вещ-ва, например, при синтезе смолы 101 (формалин), при синтезе ЭО (Э-40, водн.NaOH). Эта оснастка предназначена для азеотропного обезвоживания.

Принцип азеотроп.обезвоживания. В реакц.массу добавляют орг.ж., не смеш-ся с водой (при синтезе алкидов), но дающую с ней азеотр.смесь, т.е. нераздельно кипящую бинарную смесь жидкостей. Т.е. их невозможно разогнать по отдельности, они используются совместно в опр.соотношении. Пары аз.смеси (вода+ксилол) через теплообменник поступают в конденсатор, где они конденсируются, конденсат стекает в разделит.сосуд, в кот.происходит разделение смеси на 2 слоя. Верхний слой – толуол(ксилол), нижний – вода. Аппаратчик видит ПРФ через стекло. По мере накопления воды, она периодически сливается. Ксилол же непрерывно самотеком из верхней части разд.сосуда стекает назад в реактор, где снова образует аз.смесь с водой. Т.о. ксилол циркулирует непрерывно: реактор – конд-р – разд.сосуд – реактор, до тех пор, пока не отобрана вся вода. Вода удаляется, чтобы исключить обратную реакцию.

4)Оснастка для азеотропного обезвоживания фирмы Dupont.

О на вкл.в себя насад.колонну, наклон.конд-р, разд.сосуд другой констр-ии и насос. Нас.колонна устан-ся вместо теплооб-ка.

Принцип работы:

В отличие от класс.варианта, есть нас.кол. вместо тепл-ка. Она обогревается паром. Т внутри колонны строго реглам-на (105-110 град.С). Суть: пары аз.смеси эту колонну пролетают и поступают в конденсатор. Кроме аз.смеси исп-ся также ФА. Пары ФА поступают в нас.кол. и крист-ся на насадках, потому что ТплавФА = 130 градС. Конденсат аз.смеси стекает в разд.сосуд, там он расслаивается. Этот реакц.сосуд имеет глухой кольц.карман, в который заливается ксилол. Насос выкачивает ксилол из ниж.части кармана. Из нижней части разд.сосуда ксилол закачивается насосом в верхнюю часть нас.кол., где он смывает кристаллы ФА назад в реактор. Т.о. дост-вом этой оснастки является исключение потерь ФА.

4. Блочная оснастка. Предназначена для синтеза алкидов.

Вкл.в себя сублимационную трубу и уловитель погонов (летучих). Сублимац.труба обогрев.паром. Внутри трубы темп-ра должна быть такой, чтобы пары ФА пролетали через нее, не кристаллизуясь. Принцип работы: В реактор не добавляют орг.жидкости. Обезвоживание достигается высокой темп-рой синтеза. Кроме воды здесь будет удаляться ФА. Пары ФА поступают в сублимац.трубу (Т = 140 град.С). Пары пролетают через трубу и поступают в уловитель, где они орошаются тонко распыленной водой. ФА гидролизуется и превращается в фторфталевую кислоту с образованием шлама (фт.к-та с водой). Периодически шлам нагревают для уменьшения вязкости и сливают. Уловитель соединен с вакуум-линией, а также со станцией термич.очистки газ.выбросов. Т.о. блочная оснастка имеет сущ.нед-к, т.к. она допускает большие потери ФА.

32. Механические перемешивающие устройства – классификация, конструкции, техническая характеристика, критерии выбора.

Целью перемешивания является максимальное снижение температурных и концентрационных градиентов в реакц.массе. Полным является такое смешение, при котором бесконечно малые пробы реакц.массы, взятые из любой точки объема, имеют одинаковую температуру и концентрацию.

А) Конструкция МПУ. МПУ состоит из 3 частей:

- рабочий орган (лопасть)

- вал

- привод (электродвигатель + редуктор)

Б) Классификация и основные типы МПУ. В основу классификации заложены такие показатели, как тип течения, конструкция, скорость.

Конструкция	Тип течения	Скорость
1. турбинная с вертикальными прямыми и изогнутыми лопатками	радиальное	Быстроходная
2. пропеллерная	Аксиальное	Быстроходная
3. турбинная с наклонными лопатками	Радиально-аксиальное	Быстроходная
4. рамная, лопастная, якорная	Тангенциальное	Тихоходная

*турбинные МПУ (6 лопаток). Технич.хар-ки: п = 2-20 об/мин, w = 3-9 м/мин, d/D = 0,25 (д – диаметр описываемой лопастью окружности, Д – диаметр корпуса реактора). Эти мешалки короткие, вязкость = 1 – 50 000 сПз.

1. с вертикальными прямыми лопатками

2. с вертикальными изогнутыми лопатками

3. с наклонными прямыми (45 град)

4. с горизонтальным диском и приварными вертикальными лопатками.

*пропеллерные (3 лопатки). Технич.хар-ки: п = 7-30 об/мин, w = 6-15 м/мин, d/D = 0,25 – 0,33, вязкость 1 – 10 000 сПз. Легко поднима.т твердые частички со дна реактора вверх, широко применяется для получения дисперсий и суспензий. Имеют насосный эффект. На самом деле это не пропеллер, а корабельный винт.

1. стандартный вариант

2. с отверстиями (для трудносмачиваемых порошков)

3. с зубчатыми краями

«минус» - высокая стоимость

* лопастные (2 лопасти). Тихоходные мешалки, самые дешевые, создают тангенциальное течение. У них лопасти длиннее, чем у турбинных и пропеллерных. W = 1,5 – 4 м/мин, d/D = 0,5 – 0,8, вязкость 10²-10⁴ сПз.

1. с вертикальными прямыми низкими лопатками

2. с вертикальными прямыми высокими лопатками с отверстиями (широко применяются в синтезе алкидов с d/D = 0,5, потому что в реакторах есть внутр.змеевик.

3. с наклонными прямыми лопатками.

*якорные. Тихоходные, создают тангенциальное течение, по форме напоминают морской якорь. Особенность: это длинные мешалки. Их длина характеризуется зазором между лопастью и корпусом реактора. Техн.характеристика: w= 0,5-1,5 м/мин; п = 0,3 – 1 об/мин;

е(зазор)= 0,005 – 0,1 D, вязкость 10²-10⁴ сПз.

1. стандартный вариант

2. с пальцами и отражательными перегородками.

*рамные – тихоходные, тангенциальное течение, длинные, характеризуются зазором.

W = 0,5 – 1,5 м/мин; п = 0,3 – 1 об/мин; зазор е = 0,005 – 0,1 D, вязкость 10³ – 10⁵ сПз

1. якорно-рамная

2. рамная

В) основные критерии выбора МПУ.

1) для гомофазных низковязких систем рекомендуется МПУ всех рассмотренных типов.

2) для гомофазных высоковязких систем (синтез алкидов) чаще всего применяют лопастные с высокими лопаткам и d/D = 0,5, потому что в реакторах синтеза находится внутр.змеевик.

3) для гетерофазных низковязких (дисперсии, эмульсии, суспензии) рекомендуется турбинные и пропеллерные мешалки.