Принципы проектирования химических реакторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принципы проектирования химических реакторов

Главная стадия химико-технологического процесса, определяющая его назначение и место в химическом производстве, реализуется в основном аппарате химико-технологической схемы, в котором протекает химический процесс - химическом реакторе. В технологической схеме химический реактор сопряжен с аппаратами подготовки сырья и аппаратами разделения реакционной смеси и очистки целевого продукта. Конструкция и режим работы химического реактора определяет эффективность и экономичность всего химико-технологического процесса.

Выбор конструкции и размеров химического реактора определяется скоростями протекающих в них процессов массо- и теплообмена и химических реакций. При этом задаются производительность установки, элементом которой является химический реактор, и степень превращения сырья.

Основным показателем работы реактора, свидетельствующим о его совершенстве и соответствии заданной цели, является интенсивность его. Так как от интенсивности зависит время, затрачиваемое на производство единицы продукции, то главной задачей при расчете реактора является установление зависимости:

технологический химический реактор тепловой

ф = F* (X, C, U)(10.13)

где: U -скорость химического процесса, ф - время пребывания реагентов в реакторе,

Х - степень превращения реагентов в целевой продукт, С - начальная концентрация реагентов.

Расчет химического реактора состоит из следующих операций:

-исходя из законов термодинамики и гидродинамики определяется направление химического процесса; выявляют условия равновесия, по которым устанавливаются начальные и конечные значения параметров процесса;

-составляют материальный и тепловой балансы реактора;

-по значениям рабочих и равновесных параметров определяют движущую силу процесса и на основе законов кинетики находят коэффициент скорости процесса;

-по полученным данным определяют основные размеры реактора: емкость, площадь поперечного сечения, поверхность нагрева (охлаждения), поверхность фазового контакта и другие характеристики.

Расчет химического реактора ведется по следующей зависимости:

(10.14)

где: А - основной размер реактора, m -количество вещества, перерабатываемого в единицу времени, Д - движущая сила процесса, К - коэффициент скорости процесса.

Классификация химических реакторов

В основу классификации химических реакторов положены три принципа: организационно- техническая структура операций, осуществляемых в реакторе, характер теплового режима и режима движения компонентов.

По организационно-технической структуре операций химико-технологические реакторы делятся на реакторы периодического действия и ректоры непрерывного действия.

Для реакторов периодического действия характерно падение движущей силы процесса во времени вследствие уменьшения концентрации реагентов в ходе процесса. Это приводит к тому, что режим работы реакторов периодического действия нестационарен во времени и требует изменения параметров процесса (Т, Р и др.) для компенсации этого падения и поддержания скорости процесса на заданном уровне.

Для реакторов непрерывного действия характерно постоянство движущей силы процесса во времени вследствие постоянства концентраций реагентов в ходе процесса. Поэтому режим работы реакторов непрерывного действия стационарен во времени и не требует корректировки параметров процесса.

С₀, С_ф - концентрация реагентов начальная и в момент ф, Т, Р - температура и давление в реакторе.

Производительность реакторов рассчитывается по уравнению:

(10.15)

где: m - масса продукта, полученная за время цикла работы реактора,

- время химического процесса загрузки компонентов в реактор и выгрузки продуктов из реактора , соответственно.

Поскольку в непрерывном процессе ф_з =ф_в =0, то производительность реакторов непрерывного действия выше таковой реакторов периодического действия при прочих равных условиях.

В некоторых многостадийных производствах сочетаются в едином полунепрерывном процессе периодические (например, в доменном, загрузка шихты, выпуск чугуна) и непрерывные (восстановление оксидов железа и образование чугуна) процессы.

Эффективность работы химического реактора во многом зависит от его теплового режима, влияющего на кинетику, состояние равновесия и селективность процесса, протекающего в реакторе. По тепловому режиму реакторы подразделяются на:

- Реакторы с адиабатическим режимом, в которых действует теплообмен с окружающей средой и тепловой эффект химической реакции полностью затрачивается на изменение температуры в реакторе.

- Реакторы с изотермическим режимом, для которых характерно постоянство температуры в реакторе, что обеспечивается подводом тепла из реактора.

- Реакторы с политропическим режимом, характеризующиеся подводом или отводом тепла из реактора при изменяющейся температуре в нем. За счет этого в реакторе устанавливается заданный тепловой режим и достигается автотермичность процесса. Реакторы этого типа наиболее распространены в химическом производстве.

Реакторы непрерывного действия.

Химические реакторы непрерывного действия по режиму движения компонентов делятся на реакторы идеального вытеснения (РИВ-Н), реакторы идеального смешения (РИС - Н) и реакторы промежуточного типа (РПТ-Н).

Реакторами идеального вытеснения называются реакторы непрерывного действия, в которых осуществляется ламинарный гидродинамический режим. В них поток реагентов движется в одном направлении по длине реактора без перемешивания, обратного или поперечного перемещения. В РИВ-Н параметры, движущая сила процесса и скорость процесса изменяются по длине реактора (во времени). Причем отклонение средней движущей силы от постоянного значения является максимальным.

Реакторами идеального (полного) смешения называются реакторы непрерывного действия, в которых осуществляется турбулентный гидродинамический режим. В них потоки реагентов смешиваются друг с другом и с продуктами химического превращения. В РИС-Н параметры, движущая сила процесса и скорость процесса постоянны по объему реактора (т.е. во времени), причем отклонение средней движущей силы от постоянного значения равно нулю.

Реакторы промежуточного типа занимают по характеру изменения параметров и движущей силы процесса промежуточное место между этими крайними случаями.

На рисунке (1) представлен характер изменения концентрации реагентов, степени их превращения и скорости химического процесса в реакторах типа РИВ-Н и РИС-Н.

Характер изменения движущей силы процесса в реакторах различного типа можно проследить на таком параметре как температура. В данном случае движущая сила процесса равна разности между предельным значением температуры t_s и значением действительной (рабочей) температуры t, т.е.

Дt = t_s -t

На рисунке 2 представлен характер изменения температуры и движущей силы процесса в реакторах непрерывного действия идеального вытеснения ( РИВ-Н) и идеального смешения ( РИС-Н). Из него следует, что наибольшая величина движущей силы достигается в реакторах типа РИВ-Н, а наименьшая в реакторах типа РИС-Н.

Рис1. Изменение характеристик в реакторах

а- реактор идеального вытеснения, б- реактор идеального смешения. С_н и С_к - начальные и конечные концентрации реагентов в реакторе, Х_о и Х_к - степень превращения реагентов в начале и конце процесса, U_н и U_к - начальная и конечная скорость процесса в реакторе.

Повышение движущей силы процесса в реакторе РИС большого объема может быть достигнуто разделением его рабочего объема на ряд секций, в каждой из которых создается режим реактора РИС-Н, или созданием каскадной схемы из нескольких реакторов РИС-Н, суммарный объем которых равен объему одного большого реактора (рис.3). В этом случае при сохранении преимуществ режима реактора РИС-Н, средняя движущая сила возрастает от величины для одного реактора РИС-Н большого объема, чему эквивалентна площадь 2, 3, 4, 5 до величины для каскада реакторов, которой эквивалентна площадь 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. При увеличении числа секций или реакторов в каскаде движущие силы реакторов РИС-Н и РИВ-Н становятся практически равными и каскад реакторов РИС-Н можно рассматривать как единичный реактор РИВ-Н большой производительностью (кривая на рис. 2).

Рис.2 Изменение движущей силы ЛТ в реакторах

Рив-Н и РИС-Н Т - предельная температура, достигаемая в процессе (температура теплоносителя), Тн - начальная температура реагентов в реакторе, L - длина реактора (его объем) Тк - конечная температура в реакторе, ДТ - средняя движущая сила процесса

Т

Т

Конструкции химических реакторов

Конструктивно химические реакторы могут иметь различную форму и устройство, т. к. в них осуществляется разнообразные химические и физические процессы, протекающие в сложных условиях массо-и теплопередачи.

По назначению химические реакторы делят на реакторы для гомогенных процессов, реакторы для гетерогенных процессов и реакторы для гетерогенно-каталитических процессов.

1. Реакторыдля гомогенных периодических процессов выполняют в виде резервуаров, кубов или автоклавов, а для непрерывных, в виде трубчатых реакторов вытеснения, реакторов типа РИС - Н и РИП-Н различных конфигураций.

2. Реакторыдля гетерогенных процессов конструируют с учетом обеспечения наилучших условий массопередачи, создания возможно большей поверхности контакта фаз и ее обновления в ходе процесса, обеспечения необходимого режима движения компонентов в каждой фазе. Конструкция реакторов этого типа существенно зависит от агрегатного состояния компонентов процесса.

Реакторы для систем «газ - твердое тело» и «жидкость - твердое тело» выполняют в виде аппаратов, близких к режиму вытеснения (например, печь для обжига известняка, барабанная печь для кальцинации гидроксида алюминия и т.п.), или в виде аппаратов, близких к режиму смешения (печь пылевидного обжига, реакторы кипящего слоя и т.п.).

Реакторы для системы «газ - жидкость» и «жидкость - жидкость» выполняют в виде аппаратов абсорбционного типа. К ним относится скрубберы различного устройства, барботажные колонны, баки с мешалками и др.

Устройство контактных аппаратов

Химические реактора для проведения гетерогенно-каталитических процессов называются контактными аппаратами. В зависимости от состояния катализатора и режима его движения в аппарате, они делятся на: контактные аппараты с неподвижным слоем катализатора, контактные аппараты с движущимся слоем и контактные аппараты с псевдоожиженным слоем.

Кроме того, контактные аппараты различаются структурой материальных потоков компонентов, способом подвода или отвода тепла и рядом других конструктивных особенностей.

1.Контактные аппараты с неподвижным слоем катализатора выполняются в виде реактора типа РИП - Н. Контактная масса в них размещается в несколько слоев на полках (полочные аппараты) или в трубах (трубчатые аппараты). Многополочные контактные аппараты, содержащие несколько слоев катализатора, применяются в процессах с высоким положительным или отрицательным тепловым эффектом. Для поддержания оптимального теплового режима процесса реакционная смесь после прохождения каждого слоя катализатора подогревается или охлаждается путем подачи в пространство между слоями холодного газа, или в выносных и встроенных теплообменниках. Комбинация контактного аппарата с устройствами для отвода или подвода тепла называется контактным узлом.

Для процессов, протекающих с очень высокими скоростями, применяют конструкции, в которых контактные массы размещены в сетках, что обеспечивает лучший их контакт с реагентами.

Недостатки данных аппаратов: низкая производительность катализатора вследствие затруднений использования внутренней поверхности его зерен, сложность конструкции, трудность поддержания оптимального теплового режима.

2.Контактные аппараты с движущимся слоем катализатора работают в режиме реакторов РИС - Н и РПТ - Н. В них катализатор распыляется в движущемся потоке газа или жидкости и переносится вместе с ним. При этом для обеспечения противотока газ поступает в аппарат снизу, а катализатор сверху.

3. Контактныеаппараты с псевдоожиженным слоем катализатора работают по принципу аппарата «КС» в режиме реакторов РИС - Н и применяются, главным образом, в производствах органического синтеза, в которых катализатор быстро теряет активность и требует непрерывной регенерации. Поэтому, в этих установках, как и в установках с движущемся слоем катализатора , контактный аппарат сопряжен с регенератором катализатора

Преимущество данных аппаратов: легкость регенерации и замена катализатора, возможность подачи реагентов с температурой ниже температуры зажигания катализаторов, оптимальный температурный режим работы аппарата и т.п. Недостатки: быстрое истирания зерен катализатора и загрязнение продуктов реакции катализаторной пылью.

Режим работы и производительность контактного аппарата зависит от таких параметров его как время контакта, объемная скорость газа (жидкости) и удельная производительность катализатора

1. Время контакта - время соприкосновения реагентов с катализатором определяют так:

(10.16)

где:V_г - объем газообразной (жидкой) реакционной смеси, проходящей через катализатор в единицу времени, нм/с, V_k -объем катализатора (контактной массы), м , ф _к - время контакта в секундах, с.

2. Объемная скорость - объем реакционной смеси, проходящей через единицу объема катализатора в единицу времени (W), нм³/м³*ч или ч^-1' Следует иметь в виду, что второе обозначение весьма условно, так как объемные единицы относятся к различным фазам: нм³ - к газу, м³ - к твердому катализатору.

Из (10.16) и определения объемной скорости следует, что

W = 1/ф_к(10.17)

3. Удельнаяпроизводительность (интенсивность) катализатора - масса продукта, получаемая с единицы объема катализатора в единицу времени (g к), кг/м^з*ч. Для газообразных систем

(10.18)

где V - объем газообразного продукта, полученного с единицы объема катализатора в единицу времени, нм³ / м³ * ч, с - плотность продукта, кг/м³.

Интенсивность катализатора, от которой зависит эффективность работы контактного аппарата, связана с объемной скоростью реакционной массы и содержанием в ней целевого продукта. При этом для процессов необратимых, проводимых по открытой технологической схеме, учитывается содержание целевого продукта только на выходе из контактного аппарата. Для обратимых процессов проводимых по циклической схеме, следует учитывать как содержание продукта на выходе из аппарата, так и на входе в него.

Размещено на Allbest.ru