Принцип работы химического реактора

Размещено на http://allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНВЕРСИТЕТ»

Институт дистанционного образования

Кафедра Технологии основного органического синтеза

«Химическая технология органических веществ»

Контрольная работа

Основы проектирования и оборудование предприятий органического синтеза

Студент И. С. Шандарева

Руководитель А.А. Ляпков

Томск 2010

Задание

Условия работы химического реактора:

1. Тип реактора: реакторы трубчатые.

2. Режим движения реакционной массы: прямоток + полное вытеснение

3. Рабочая фаза: жидкость + жидкость.

4. Способ обеспечения постоянства оптимальных температур: косвенный теплообмен через поверхность теплообмена.

5. Привести схемы способов перемешивания реакционной массы в емкостных реакторах.

Трубчатые реакторы

Трубчатые реакторы - это, как правило, вертикальные аппараты, конструктивно сходные с кожухотрубчатыми теплообменниками. Они нашли широкое применение при аппаратурном оформлении различных каталитических процессов. Трубчатка заполняется катализатором, и через нее прокачиваются жидкие или газообразные реакции. Для поддержания требуемого температурного режима в межтрубном пространстве циркулирует теплоноситель. Очень часто реактор объединяют в один агрегат со вспомогательными аппаратами: испарителями, паросборниками, насосами для циркуляции теплоносителями и т.п.

Однако важнейшей характеристикой реакторных устройств является его удельная производительность, численно равная количеству основного продукта, получаемого с единицы реакционного объема в единицу времени. Удельная производительность реактора связанна непосредственно с кинетикой химических процессов и типов реактора.

Сравнение непрерывно действующего реактора и реактора периодического действия показывает, что для достижения одной и той же удельной производительности в аппаратах требуется разное время. В реакторах периодического действия ко времени химического процесса t необходимо добавлять время t₀, затрачиваемое на загрузку, выгрузку, охлаждение и нагревание потоков. Влияние дополнительного времени сильнее всего проявляется при поведении быстрых химических реакций. В этом случае явно невыгодно использовать реакторы периодического действия. И, наоборот, для реакций, протекающих медленно и в малом объеме, могут применяться реакторы периодического действия.

Другим очень важным фактором при выборе реакторного устройства является метод подвода или отвода тепла. Известно, что количество тепла, которое выделяется или поглощается при осуществлении химического процесса, всегда пропорционально количеству реагирующих веществ (реакционному объему). С другой стороны, количество тепла, подводимого или отводимого при осуществлении процесса, должно быть пропорционально поверхности теплообмена реактора. В свою очередь, объем реактора, и его поверхность неодинаково зависят от его диаметра. Отсюда следует, что с увеличением размеров аппарата, в том числе его реакционного объема, уменьшает удельный отвод тепла в нем, т.е. количество тепла, приходящееся на единицу объема реактора. Поэтому с увеличением реакционного объема термические условия работы реактора должны приближаться к адиабатическим, а в небольшом по размеру реакторе - к изотермическим. Это значит, что при неинтенсивном теплообмене с окружающей средой на практике целесообразно использовать реакторы большого размера (аппараты с большими реакционными объемами), а при интенсивном - с малыми реакционными объемами (небольшие аппараты).

При выборе типа реактора основное значение имеет анализ кинетических факторов, их возможности, а также механизма процесса. Сравнение выходов продукта (продуктов) в непрерывно работающих реакторах идеального смещения и вытеснения, а также периодически действующего реактора идеального смещения и их реакционных объемов при постоянной конверсии показывает, что в случае последовательных реакций целесообразно использовать реактор периодического действия или реактор вытеснения. Для последовательных реакций, когда продуктом служит промежуточное вещество, объем реактора вытеснения всегда меньше объема реактора смешения (при одинаковой степени превращения). Такое же соотношение между реакционными объемами реакторов наблюдается в случае, когда скорость реакции уменьшается вследствие накопления продуктов. При низких концентрациях исходных веществ, требуемый реакционный объем будет меньше в случае использования аппаратов смешения, а не аппаратов вытеснения. Следовательно, в большинстве случаев наиболее высокопроизводительным являются реакторы непрерывного действия идеального вытеснения.

Большое влияние оказывает тип реактора на селективность процесса и, следовательно, на качество получаемого продукта. Это обусловлено, прежде всего, разным характером распределения концентраций реагентов и продуктов в реакционном объеме аппарата. Этот факт особенно важно учитывать при проведении последовательных и параллельных реакций различного порядка. На качество продуктов основное влияние оказывает время их пребывания в объеме реактора. Эти факторы изменяются по-разному в реакторах разного типа. Так, в реакторе вытеснения трудно обеспечить высокое качество продукта, так как наблюдается большой диапазон изменения времени пребывания продуктов по сечению аппарата.

При выборе и сравнении типов реакторных устройств одним из главных факторов являются кинетические закономерности процесса. Но, естественно, при выборе реакторного устройства необходимо учитывать экономическую эффективность, основными из слагаемых которых являются себестоимость продуктов и ее составляющие, а также доход от удельной производительности реактора. Необходимость экономической оценки объясняется тем, что технологические параметры (концентрации, температура, давление, соотношение реагирующих потоков и др.) могут по- разному влиять на такие показатели, как конверсия, селективность, удельная производительность реактора, а, следовательно, и себестоимость продуктов.

Реакторы для проведения гетерогенных реакций в жидкой фазе

Гетерогенные реакции могут протекать в системе, состоящей из двух или более несмешивающихся жидкостей или частично смешивающихся жидкостей. Реакционная смесь состоит обычно из двух фаз: в первой преобладают кислоты (водная фаза), во второй - углеводороды (органическая фаза). Продукт может распределяться в обеих фазах. Реакция чаще всего проходит на поверхности раздела фаз, реже - в одной из взаимодействующих фаз. Скорость процесса зависит от скорости диффузии компонентов по направлению к поверхности раздела фаз. Поэтому хорошее перемешивание может значительно уменьшить сопротивление диффузии и одновременно увеличить поверхность контакта (межфазную поверхность) несмешивающихся фаз. При полном перемешивании протекающие в такой системе реакции отождествляются с химическими превращениями в гомогенной жидкой фазе, так как межфазная поверхность единицы объема становится очень большой.

Конструктивные типы реакторов

Реакторы, используемые для проведения процессов в гетерогенной системе жидкость-жидкость, должны быть просты по конструкции, кроме того, удовлетворять следующим требованиям:

1) иметь поверхность охлаждения, достаточную для быстрого удаления тепла реакции в случае, когда скорость реакции становится очень большой;

2) обеспечить наибольшую поверхность контакта между органическим веществом и жидким агентом:

3) оказывать сопротивление коррозионному воздействию реагентов и продуктов реакции;

4) иметь автоматическую систему питания, по крайней мере, одного из реагентов, чтобы температура, при которой проводится процесс, не превышала допускаемого максимума.

Рис. 1 Трубчатый аппарат с циркуляцией реагентов: 1-насос; 2-трубка; 3-рубашка.

На рис. 1 показана схема трубчатого аппарата с циркуляцией реагентов. Циркуляция необходима для достижения требуемого режима движения смеси, при котором отвод теплоты достаточен для нормального ведения процесса. Если бы не было циркуляции, смесь необходимо было бы прокачивать через аппарат с большей скоростью для достижения той же степени конверсии. Время пребывания было бы гораздо меньше расчетного, а тепловая нагрузка выше. Следовательно, циркуляция позволяет увеличить время пребывания при турбулентном режиме движения смеси. Однако циркуляция имеет и недостатки: необходим дополнительный насос, увеличивается вредное влияние перемешивания реагентов.

Рис. 2 Секция многотрубного аппарата типа «труба в трубе»: 1-корпус, 2-рубашка.

На рис. 2 показана отдельная секция многотрубного аппарата типа «трубу в трубе». В качестве хладагента применяется вода под давлением, необходимым для получения требуемой температуры. При установке рубашек около каждой трубы появляется возможность использования рубашек меньшей толщины. Этим и объясняется применение аппарата типа "труба в трубе". Внутренний диаметр реакционной трубы составляет 150 мм. Высота отдельного элемента равна 14м. Достоинством данного аппарата является в возможности применения хладагента высокого давления. Недостатком является малая производительность аппарата, большая занимаемая площадь, неудобства выгрузки катализатора.

Рис. 3 Трубчатый контактный аппарат: 1-контактные трубки; 2-корпус; 3-футеровка; 4-перегородка; 5-сальник.

Аппарат имеет концентрические перегородки, обеспечивающие равномерный нагрев всех трубок, и сальник, выполняющий роль компенсатора температурных удлинений. Диаметр реактора - 1,8 м, высота 6,5 м, диаметр трубок - 57 мм.

Достоинствами трубчатых реакторов являются: эффективный отвод реакционного тепла и возможность регулировать температуру в широких пределах, а также близость их к системам идеального вытеснения. В то же время реакционный объём составляет только очень небольшую часть от общих размеров трубчатого реактора, а температура не бывает достаточно постоянной по длине и диаметру труб.

Примером технологического процесса, реализованного с применением трубчатого реактора, может служить получение глицерина хлорным методом.

Рис. 4. Технологическая схема получения глицерина хлорным методом

1-насос; 2 - подогреватель; 3 - реактор; 4 - дроссельный вентиль; 5 сепаратор; 6- выпарные кубы; 7 - фильтры; 8 - колонна отгонки воды; 9 - колонна отделения тяжелой фракции; 10 - конденсатор-дефлегматор; 11 - кипятильники.

Эпихлоргидрин и 5-6% раствор соды эмульгируют в насосе 1, где смесь сжимают до 0,6 - 1 МПа, и закачивают её через подогреватель 2 в трубчатый реактор 3. В нём образуются глицерин и его простые эфиры. Реакционную смесь дросселируют в клапане 4 до атмосферного давления, а в сепараторе 5 отделяют газопаровую фазу (СО₂ и водяной пар) от жидкой.

Ввиду большого различия в летучести воды и глицерина, основную массу воды отделяют выпариванием: жидкость проходит последовательно выпарные кубы 6, из которых первый обогревается постороннем паром, а второй, работающий в вакууме, - соковым паром из первого куба. После каждого выпарного аппарата жидкость проходит фильтры 7, где отделяется NaCl. Примерно 80% глицерин после выпаривания подвергают вакуум-ректифткации в колонне 8 для отделения остатков воды и в колонне 9 для удаления высококипящих эфиров глицерина, остающихся в кубе. Дистиллят последней колонны представляет собой 98 -99% глицерин. Также примерами использования трубчатых реакторов являются: окисление циклогексанола в адипиновую кислоту [1; 393], получение изопрена из изобутена и формальдегида [1; 541], кислотное разложение гидропероксидов [1; 359].

реактор гетерогенный глицерин емкостный

Схемы способов перемешивания реакционной массы в емкостных реакторах

Для перемешивания реакционной массы в емкостных реакторах используются мешалки различного типа.

Рис. 5. Лопастные мешалки.

Рис.6. Якорные мешалки.

Рис.7. Рамные мешалки. а - для эллиптического днища; б - с подъемом нижней ступицы; в - для конического днища.

Рис. 8. Листовая мешалка. Рис. 9. Пропеллерные мешалки.

Рис. 10. Турбинные мешалки.

а - открытого типа; б - закрытого типа.

Наряду с перечисленными мешалками массового применения, изредка применяются мешалки специфических конструкций.

К ним относятся мешалки для перемешивания высоковязких полимерных сред, а также импеллерные мешалки, которые применяют для обеспечения хорошего контакта газа с жидкостью при одновременном интенсивном перемешивании.

Литература

1. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. 3-е изд., перераб. - М.: Химия, 1981г. - 608 с., ил.

2. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. Изд. М.: Химия, 1968г. - 846с.

3. Сутягин В.М., Бочкарев В.В. Основы проектирования и оборудование производств органического синтеза. Учебное пособие. ТПУ, 2004.-168стр.

4. Генкин А. Э. Оборудование химических заводов. 4-е издание., перераб. - М.: Высш. Шк., 1986. - 280 с.

Размещено на Allbest.ru