лекция. Лекция 2. Реакторы. Книга Лекция Реакторы Напечатано Гость Дата Вторник, 13 декабря 2022, 21 31 Описание
 Скачать 453.93 Kb.
|
|
Лекция 2. Реакторы Сайт: MOODLE - Виртуальная среда обучения КНИТУ (КХТИ) Курс: Машины и аппараты нефтегазопереработки копия 1 Книга: Лекция 2. Реакторы Напечатано:: Гость Дата: Вторник, 13 декабря 2022, 21:31 Описание 1. Введение. Классификация реакторов. Элементы теории химических реакторов. 2. Аппараты для гомогенных реакций. Реакторы для проведения гомогенных жидкостных и эмульсионных реакций. Конструктивное оформление, условия их работы. 3. Перемешивающие устройства. 4. Конструкции теплообменных устройств в зависимости от объема реактора и величины теплового эффекта. 5. Аппараты для высокотемпературных некаталитических газовых реакций. Оглавление 1. Введение. Классификация реакторов. Элементы теории химических реакторов 2. Аппараты для гомогенных реакций. Реакторы для проведения гомогенных жидкостных и эмульсионных реакций. Конструктивное оформление, условия их работы 3. Перемешивающие устройства 4. Конструкции теплообменных устройств в зависимости от объема реактора и величины теплового эффекта 5. Аппараты для высокотемпературных некаталитических газовых реакций 1. Введение. Классификация реакторов. Элементы теории химических реакторов Химическими реакторами или реакционными аппаратами называют устройства для проведения химических реакций с целью получения определенных веществ. Промышленные химические реакторы отличаются большим кон структивным разнообразием. На конструкцию химического реактора и связанного с ним оборудования для физических процессов решающим образом влияет характер проводимой в нем реакции. Приведем примеры: 1) реакция протекает с достаточной скоростью лишь при высоких температуре и давлении – реактор в виде цилиндра с толстыми стенками, в технологическую схему включаются машины и аппараты для сжатия и нагревания газовой реакционной смеси; 2) реакция протекает на катализаторе – применяются аппараты для тщательной очистки реакционной смеси от веществ, отравляющих катализатор; 3) реакция обратима и, следовательно, протекает не полностью – применяется аппаратура для непрерывного выделения продукта из циркулирующей в системе реакционной смеси и возвращения непрореагиро вавших веществ в реактор (например, синтез аммиака). Однако это не означает, что конструкция реактора целиком определяется характером реакции и свойствами реагирующих веществ. Одну и ту же реакцию можно проводить в реакторах различных конструкций. Во многих случаях применение нового более совершенного реактора позволяет провести реакцию быстрее, с большим выходом целевого продукта и меньшим выходом побочных продуктов, например созданием лучшего температурного или гидравлического режима в аппарате, более высокого давления. Это, в свою очередь, отражается на работе и конструктивных особенностях обслуживающего реактор тепло- и массообменного оборудования. В зависимости от формы реактора, наличия или отсутствия перемешивающих устройств, вязкости и плотности реакционной смеси в реакторе могут создаваться различные гидравлические условия, от которых существенно зависит течение реакции. Используют два типа проточных, т. е. непрерывного действия, реакторов с существенно различными гидравлическими условиями – кубовый (реактор смешения) и трубчатый (реактор вытеснения). Кубовый реактор представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд высотой, как правило, 1–2 диаметра, снабженный вращающейся мешалкой, установленной на вертикальном валу, и штуцерами для подвода реагентов и отвода продуктов реакции. Такой аппарат используют для проведения реакций в жидкой среде. При интенсивной работе мешалки условия в нем близки к идеальному (или полному) смешению и характеризуются постоянством концентраций реагирующих веществ и температуры по всему объему реактора. Трубчатые проточные реакторы, в отличие от кубовых, не имеют перемешивающих устройств, в них перемешивание среды сведено к минимуму. Приближенной теоретической моделью такого аппарата является реактор идеального вытеснения, в котором среда движется с постоянной скоростью подобно поршню. Отсутствие перемешивания и поступательное (поршневое) течение среды определяют одинаковое время пребывания различных частиц или элементарных объемов реакционной смеси в таком аппарате. Концентрация веществ, участвующих в реакции, плавно изменяется по длине аппарата, и это изменение обусловлено только реакцией. В таком аппарате не происходит разбавления поступающих в него исходных веществ продуктами реакции. Конструкция реактора зависит еще от многих факторов, таких как агрегатное состояние реагирующих и образующих веществ, теплового эффекта и интенсивности теплообмена, химических свойств перерабатывающих веществ, наличия катализатора и его состояния. Поскольку один и тот же реактор может попасть в разные квалификационные группы, нет четкой классификации реакторов. Поэтому часто используют классификацию реакторов по смешанным признакам. Так, при рассмотрении конструкций реакторов удобна классификация по двум признакам – агрегатному состоянию реагентов и наличию катализатора. При таком подходе все химические реакторы можно подразделить на следующие большие группы: - аппараты для жидкостных реакций; - газожидкостные аппараты; - аппараты для проведения реакций между газом и твердым телом; - аппараты для проведения газовых реакций на твердом катализаторе; - технологические печи. Газожидкостные реакторы Для протекания газожидкостной реакции необходим контакт газа и жидкости. В большинстве случаев реакция протекает в жидкой фазе, в которую должен вводиться реагирующий компонент газовой смеси; поэтому газожидкостные реакции всегда сопровождаются межфазным массообменом. В некоторых случаях одни стадии процесса протекают в жидкой фазе, другие – в газовой, например в производстве азотной кислоты. В абсорбционно-окислительной колонне происходит следующая цепочка процессов: абсорбция диоксида азота жидкостью – реакция диоксида азота с водой с образованием азотной и азотистой кислот – разложение азотистой кислоты с образованием моноксида азота – десорбция моноксида азота в газовую фазу – окисление моноксида азота в диоксид, причем окисление моноксида азота происходит в газовой фазе, остальные реакции – в жидкой; необходимые стадии процесса также абсорбция и десорбция. Все эти процессы проводят одновременно в одном аппарате. Газожидкостные реакторы конструктивно сходны с абсорберами в связи с необходимостью межфазного массопереноса. Как и при абсорбции, применяют, например, насадочные колонны и аппараты с барботажными тарелками. Однако реакции сопровождаются значительно большим тепловым эффектом, чем физическая абсорбция, поэтому реакторы, в отличие от абсорберов, всегда снабжают теплообменными элементами. Кроме того, при малой скорости реакции объем жидкости, находящейся в аппарате, должен быть значительно больше, чем для абсорбции, при которой важна лишь площадь межфазной поверхности. Объем аппарата должен обеспечивать достаточное время проведения реакции, необходимое для достижения заданной степени превращения. Для интенсификации медленных и быстрых реакций различные методы. При проведении быстрых реакций, течение которых лимитирует массообменная стадия, производительность аппарата можно увеличить обеспечением хороших условий массопередачи: увеличением межфазной поверхности, интенсивности перемешивания или относительной скорости фаз. При проведении медленных реакций, лимитируемых реакционной способностью веществ, достаточно ускорить воздействием на кинетические факторы, например увеличением концентраций реагирующих веществ, повышением температуры или применением более активного катализатора. Концентрации веществ в газовой фазе можно увеличить, например, повышением давления в аппарате. Реакции с участием газа и твердого вещества также сопровождаются массопереносом, но он происходит в пределах одной газовой фазы и заключается в подводе реагирующих веществ из ядра потока газа к поверхности твердого вещества, на которой протекает реакция, и отводе продуктов реакции в обратном на правлении. Твердое вещество может быть либо одним из реагентов, либо катализатором. В обоих случаях на скорость процесса существенно влияет площадь поверхности частиц (гранул) твердого вещества. Для ее увеличения твердое вещество либо дробят на мелкие частицы, либо используют в виде мелкопористых гранул. В качестве примеров газожидкостных реакции можно привести производство уксусного альдегида гидратацией ацетилена, алкилирование бензола пропиленом, окисление изопропилбензола кислородом воздуха. Главные требования к газожидкостным реакторам – создание условий для их межфазного контакта и оптимального теплового режима процесса, так как газожидкостные реакции всегда сопровождаются межфазным массообменном, а скорость их зависит от температуры. Реакторы с мешалками обычного типа для проведения процессов с участием газа и жидкости применяют довольно редко объясняется тем, что при использовании мешалок обычного типа в таких аппаратах не достигается достаточный контакт газа с жидкостью, затрудняются условия для теплообмена, а также организация непрерывного процесса. Следует отметить, что наличие движущихся частей в аппаратах, работающих с газом или aгpecсивными жидкостями, весьма нежелательно. Реакторы с механической мешалкой используют главным образом для процессов получения аэрозолей или для абсорбции отходящих промышленных газов с очень небольшой концентрацией абсорбируемого вещества (например, моноксида азота). В качестве примера можно привести весьма оригинальную конструкцию реактора-турбоабсорбера (рис. 2.1). Рисунок 2.1 – Реактор-турбоабсорбер Газ поступает через входной патрубок 2 в трубу 1, снабженную в нижней части неподвижным диском 5 с концентрическими кольцами. На валу 7 установлен вращающийся диск 4, образующий с диском 5 лабиринтный канал. Под действием центробежных сил возникает радиальный поток газожидкостной смеси, направленный к периферии аппарата. Затем этот поток расслаивается в отстойной части 3 аппарата. Прореагировавший газ удаляется из верхней части аппарата, а жидкость постоянно циркулирует внутри нeгo. Теплообмен обеспечивают встроенные теплообменные элементы 6 (трубки Фильда). Реакторы с механическим распылением жидкости. Развитую поверхность контакта между газом и жидкостью можно получить распылением жидкости различными распылителями, форсунками или вращающимися дисками. На рис. 2.2 приведена схема реактора с механическим распылением жидкости, применяемого в производстве этилового спирта сернокислотным методом. Рисунок 2.2 – Реактор с вращающимися дисками Реактор представляет собой горизонтальный цилиндрический корпус 1, по оси которого установлен ротор, состоящий из вала 2 с дисками 3. Аппарат примерно на одну треть заполнен жидкостью, которая при быстром вращении дисков дробится на мельчайшие капли; последние образуют густой туман, заполняющий весь объем реактора. Через этот туман проходит газ. Создаваемая в реакторе развитая межфазная поверхность и энергичное перемешивание способствуют интенсивному массообмену между газом и жидкостью. В аппарате создаются хорошие условия для быстрых реакций, протекающих в диффузионной области. Благоприятны также и условия теплоотдачи от реагирующих веществ к стенкам реактора, через которые отводится (или подводится) теплота с помощью рубашки 4. Чаще такие реакторы выполняют периодически действующими. К недостаткам этого аппарата можно отнести наличие сальников (набивка которых быстро разрушается, особенно при работе с коррозионными веществами), движущихся частей, требующих ухода и ремонта, значительный расход энергии. Для медленных реакций, протекающих обычно в кинетической области, аппараты этого типа использовать нецелесообразно. Реакционные аппараты колонного типа с насадкой или тарелками. В качестве газожидкостных реакторов часто применяют насадочные или тарельчатые колонны, используемые для процессов абсорбции. Если жидкость является катализатором, эти аппараты отличаются от абсорберов тем, что жидкость циркулирует в системе по замкнутому контуру. Насадочные колонны просты по устройству. И обеспечивают большую поверхность контакта реагирующих газа и жидкости даже в небольшом объеме. Жидкость стекает по поверхности насадки в виде тонкой пленки, а газ движется противотоком. Их гидравлическое сопротивление невелико и, следовательно, расход энергии на перемещение газов незначителен. Колонны изготовляют обычно из стали с дополнительным покрытием из материала, стойкого к коррозионному действию рабочей среды. Применяют также колонны из чугуна, керамики (в производстве серной кислоты), футерованные графитом или кислотоупорным кирпичом. Насадочные колонные аппараты, как и механические, мало пригодны для проведения процессов, протекающих в кинетической области, поскольку одновременно используется не весь объем жидкого peaгeнтa или катализатора, а лишь сравнительно небольшая его часть. Основная часть находится в системе циркуляции и в сборнике. В этом отношении предпочтительнее тарельчатые колонны, так как в них нет циркуляции основной массы жидкости. Необходимый объем жидкости в реакторе можно обеспечить регулированием уровня жидкости на тарелках реактора, например, переливными устройствами. При этом достигается хороший контакт газа с жидкостью. Тарельчатая колонна-реактор для проведения медленных реакций существенно отличается от колонны-абсорбера тем, что толщина слоя жидкости на тарелке значительно больше. Примером может служить колонна для окисления изопропилбензола (рис. 2.3). Колонна имеет тарелки 1 с капсульными колпачками 2, снабженные переливными устройствами 3, которые обеспечивают толщину слоя жидкости на тарелке около 1 м. Для отвода теплоты реакции в жидкость погружены теплообменные элементы 4 из U-образных труб. Жидкость поступает в колонну сверху, движет ся по переливным устройствам 3 с тарелки на тарелку и удаляется из нижней части колонны. Газ поступает в нижнюю часть колонны, последовательно проходит противотоком к жидкости через тарелки и удаляется из верхней части аппарата. Рис. 2.3 - Колонна для окисления изопропилбензола Реакционные аппараты барботажноrо типа – простые и распространенные аппараты для газожидкостных реакций. В них газ проходит пузырьками через слой жидкости. В большинстве случаев такой реактор представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд или колонну, заполненные жидкостью и имеющие в нижней части барботер. Последний часто выполняют в виде согнутой в кольцо трубы, снабженной мелкими отверстиями. Газ подается внутрь трубы и, выходя из отверстий в виде пузырьков, поднимается в слое жидкости. В пространстве над поверхностью жидкости (в отстойной камере) газ перед выходом из аппарата освобождается от брызг и капель. Для более полного их отделения отстойную камеру часто выполняют расширенной или дополнительно устанавливают выносную отстойную камеру. Для поддержания заданной температуры в большинстве случаев аппарат снабжают рубашкой, реже используют встроенные или выносные теплообменники. Такие аппараты особенно пригодны для проведения медленных реакций, протекающих в кинетической области, т.е. для большей части реакций между органическими веществами. В них обеспечивается хороший контакт фаз и достаточное перемешивание, необходимое для равномерного течения реакции в объеме. Недостатки – большое гидравлическое сопротивление и необходимость нагрева больших масс жидкости при пуске аппарата. Рис. 2.4 - Барботажный кожухотрубчатый реактор На рис. 2.4 показан барботажный кожухотрубчатый реактор для проведения реакций с большим тепловым эффектом. По конструкции он представляет собой кожухотрубчатый теплообменник с центральной циркуляционной трубой 3. Удлиненные нижние концы трубок 4, Haходящиеся под трубной решеткой 5, имеют боковые отверстия а, расположенные во всех трубах на одном уровне. Трубное пространство аппарата заполнено жидкостью до уровня сливного штуцера 2 в верхней крышке. Жидкость непрерывно подается в нижнюю крышку через штуцер 7. Газ поступает в реактор по штуцеру 8 и по кольцевому каналу, образованному стен кой нижней крышки и кольцевой перегородкой 6, распределяется по периметру аппарата. Слой газа под нижней трубной решеткой нарастает до тех пор, пока не достигнет уровня отверстий в трубках. Сквозь них газ поступает в трубки 4, образуя пузырьки, поднимающиеся вверх и увлекающие за собой жидкость (по принципу газлифта). Газ отводится из верхней крышки реактора через штуцер 1, а жидкость возвращается вниз по циркуляционной трубе. Постепенно часть жидкости сливается из реактора через штуцер 2. В межтрубное пространство реактора в зависимости от теплового эффекта реакции подается теплоноситель или хладагент. Реактор отличается значительной равномерностью распределения газа в жидкости, большим отношением теплопередающей поверхности к объему реагирующих веществ и достаточно высокими коэффициентами теплоотдачи. Для использования преимуществ секционирования и противотока ряд таких аппаратов можно объединить в одну колонну. Пенные аппараты. В отличие от реакторов барботажного типа в пенных аппаратах пузырьки газа поступают в жидкость с большой скоростью. В результате реакционная масса интенсивно перемешивается и образуется динамическая пена. Такая пенная система характеризуется малым диффузионным сопротивлением. В связи с этим пенные аппараты эффективны лишь для проведения быстрых реакций. Для медленных реакций, протекающих в жидкой фазе, они непригодны из-за крайне малого объема жидкости в аппарате. Для непрерывного обновления поверхности контакта между реагентами пену получают обычно без использования поверхностно- активных веществ. В этом случае пена нестабильна, и при уменьшении скорости газа ниже определённого значения пена мгновенно разрушается. Это позволяет без затруднений реализовать перетекание жидкости с тарелки на тарелку. Максимальная скорость газа ограничена условиями уноса жидкости на расположенную выше тарелку. Диапазон рабочих скоростей газа в пенных аппаратах 0,8-4 м/ с. Рис. 2.5 - Схема трехполочного пенного аппарата На рис. 2.5 дана схема трехполочного пенного аппарата. Аппарат состоит из металлического корпуса 1 прямоугольного или круглого сечения, внутри которого на равных расстояниях расположены перфорированные тарелки-решетки 4, снабженные сливными порогами 2. С тарелки на тарелку жидкость переливается через переливные устройства 3, которые должны иметь достаточную площадь сечения, чтобы быстро выделяющийся из разрушающейся пены газ не создавал газовых пробок и не препятствовал переливу. Газ поступает в аппарат снизу и проходит последовательно через все решетки, по которым сверху вниз перемещается жидкость, подаваемая на верхнюю решетку. Слой жидкости на тарелках зависит от высоты порогов 2. Для проведения реакций, протекающих в диффузионной области, используют также реакторы типа газлифта, предназначенные для подъема жидкостей. Реакторы этого типа применяют, например, для хлорирования этилена. На рис. 2.6 показан промышленный реактор (для жидкофазного окисления алкилбензолов) типа газлифта с циркуляционным контуром. Подъемные трубы 5 расположены вокруг центральной циркуляционной трубы 4 по окружности. Рисунок 2.6 – Реактор с циркуляционным контуром В каждую подъемную трубу через барботер 7 подается газ. Всплывая в жидкости, заполняющей трубу, пузырьки газа увлекают жидкость вверх. Это обеспечивает циркуляцию жидкости (как в рассмотренном барботажном кожухотрубчатом реакторе). Для отвода (или подвода) теплоты на подъемных трубах предусмотрены теплообменные элементы в виде рубашек 6. Аппарат работает непрерывно. Штуцер 2 для выхода продукта располагается выше штуцера 3 для ввода сырья. Разделение газа и жидкости происходит в сепараторе 1. 2. Аппараты для гомогенных реакций. Реакторы для проведения гомогенных жидкостных и эмульсионных реакций. Конструктивное оформление, условия их работы Реакторы для проведения гомогенных жидкостных и эмульсионных реакций Реакторы, в которых реакционная среда является жидкостью, довольно часто используют в химической промышленности. В качестве примеров можно привести процессы органического синтеза, получения каучука, персульфата калия, полимеризацию бутадиена. Реакции в жидкой среде могут протекать как в однофазной системе, так и в двухфазной, т.е. в эмульсии. При гомогенных процессах перемешивание необходимо для обеспечения равномерного протекания реакции в объеме; этого достигают выравниванием температур и концентраций по объему аппарата. Кроме того, перемешивание создает достаточно высокие скорости жидкости у теплопередающих поверхностей, что способствует улучшению условий теплообмена. В эмульсионных процессах исходные вещества растворены в двух несмешивающихся жидкостях. Для течения реакции необходим контакт фаз. При этом одна из жидкостей обычно в виде капель взвешена в другой (дисперсионной среде). В большинстве случаев этого достигают применением вращающихся мешалок. Иногда эмульсии стабилизируют поверхностно - активными веществами, что позволяет уменьшить интенсивность перемешивания (следовательно, снизить необходимую мощность), но это затрудняет последующее отстаивание эмульсии. Течения эмульсионных жидкостных реакций возможны в кинетической и диффузионной области. Это определенным образом влияет на выбор конструкции реактора. В диффузионной области (быстрые реакции) необходимо обеспечить возможно большую поверхность контакта фаз, а в кинетической области (медленные реакции) большое значение приобретает объем реактора, т. е. время протекания реакции. Разнообразие конструкций жидкостных реакторов обусловлено использованием различных перемешивающих и теплообменных устройств в зависимости от вязкости жидкости и теплового эффекта. 3. Перемешивающие устройства Рис. 2.7 - Перемешивающие устройства для жидкости: а-з – мешалки (а- лопастная, б – турбинная, в – якорная, г – рамная, д – комбинированная лопастно-винтовая, е – барабанная, ж – винтовая, з – планетарная); и – пневматическое, к- воздушный подъемник (газлифт); м – струйный смеситель На рис. 2.7 показаны различные перемешивающие устройства. Перемешивание можно осуществить с использованием мешалок различных конструктивных форм, пневматических, центробежных и шнековых устройств, сопл, различного типа тарелок и насадок, реализацией турбулентного течения реагентов. Применение тoгo или иного способа перемешивания определяется необходимым гидродинамическим режимом течения реагентов в аппарате. Режим идеального смешения можно реализовать применением мешалок (рис. 2.7, а–з). В реакторах идеального вытеснения перемешивание допускается лишь в поперечном сечении аппарата, что при обработке высоковязких жидкостей может быть достигнуто применением шнека (рис. 2.7, л). Среды с небольшой вязкостью перемешивают турбулизацией потока реакционной смеси в трубчатом реакторе. Для предварительного смешения реагентов перед подачей в реактор применяют струйный смеситель (рис. 2.7, м). Для поддержания оптимального температурного режима в реакторах используют различные теплообменные устройства, обеспечивающие нагрев или охлаждение реакционной массы. Выбор конструкции теплообменного устройства зависит, прежде всего, от теплового эффекта реакции, а также от температурных условий ведения процесса, гидродинамического режима движения pеагeнтoв, физических, теплофизических и химических свойств теплоносителя. 4. Конструкции теплообменных устройств в зависимости от объема реактора и величины теплового эффекта По конструктивному оформлению поверхностные теплообменные устройства можно разделить на встроенные и выносные. Встроенные в аппарат устройства в свою очередь подразделяют на наружные и внутренние. Примером устройств первой группы является греющая рубашка (рис. 2.8, а), а представителем второй группы, погруженный внутрь аппарата змеевик (рис. 2.8, б). Рис. 2.8 – Схемы теплообменных устройств реакторов: а – рубашка, б – встроенный внутренний теплообменник, в – выносной конденсатор, г – выносной теплообменник, д – встроенный внутренний теплообменник, ИВ – исходные вещества, ПР – продукты реакции, Т – теплоноситель В качестве примеров на рис. 2.8 показаны наиболее распространенные способы организации теплообмена и теплообменные устройства, применяемые в реакторах. Остановимся на встроенных теплообменных устройствах, выносные теплообменные аппараты рассмотрены ранее. Выбор и конструктивное оформление встроенного теплообменного устройства зависят от характера технологического процесса и количества передаваемой в единицу времени теплоты, а также от физических свойств, температуры и давления теплоносителя, агрегатного состояния, агрессивных и физических свойств нагреваемой среды. Наружные теплообменные устройства отличаются удобством контроля состояния реактора и теплообменного устройства, а также простотой конструкции и обеспечения более мягкого и равномерного нaгpeвa реакционной массы. Гладкая рубашка (рис. 2.8, й, исполнение 1) эффективна, кода скорость движения теплоносителя мало влияет на теплопередачу, например, при обогреве паром. При использовании жидких теплоносителей для увеличения скорости их движения к рубашке приваривают спираль (рис. 2.8, й, исполнение 2). Это увеличивает эффективность теплообмена иногда в 6–7 раз. Если давление теплоносителя превышает 0,6–0, 7 МПа или необходимы высокие скорости движения теплоносителей, применяют приваренные снаружи к стенке реактора змеевики, выполненные из целой трубы (рис. 2.9, а), полутрубы (рис. 2.9, б) или профильного проката (рис. 2.9, в). К недостаткам приварных змеевиков следует отнести большую длину сварных швов, трудность обеспечения герметичности, повышенное гидравлическое сопротивление. Последнее обстоятельство особенно важно при естественной циркуляции теплоносителя. Рисунок 2.9- наружные и внутренние теплообменные элементы реакторов: ИВ- исходные вещества, ПР – продукты реакции, Т – теплоноситель На наружных стенках реактора не всегда удается разместить теплообменный элемент с необходимой поверхностью нaгpeвa или охлаждения. Следовательно, наружными теплообменными устройствами можно снабжать реактор небольшого объема или реакторы с умеренными тепловыми нагрузками. Если поверхность наружных теплообменных устройств недостаточна и не обеспечивает теплообмена, дополнительно устанавливают внутренние теплообменные элементы. Их выполняют в виде трубчатой (рис. 2.9, б), установленной около стенки или плоской (рис. 2.9, г), установленной у дна реактора. В качестве теплообменных элементов вместо змеевиков часто используют полые диффузоры в виде цилиндрического или конического стакана с двумя гладкими, легко очищаемыми стенками (рис. 2.9, д) или пучки прямых труб (рис. 2.9, д). Иногда применяют выносные конденсаторы или теплообменники (см. рис. 2.9, в, г). Внутренние устройства имеют большую поверхность теплообмена, выдерживают достаточно высокие давления, просты в изготовлении и монтаже. К недостаткам их можно отнести усложнение конструкции реактора, трудность очистки аппарата, наружной поверхности змеевика и удаления воздуха из спирали. 5. Аппараты для высокотемпературных некаталитических газовых реакций Рассмотрим конструкцию реакторов для эмульсионной полимеризации, которую проводят как непрерывный процесс. Для этого используют агрегаты, состоящие из ряда последовательно соединенных полимеризаторов, каждый из которых работает в близких к идеальному смешению условиях. Реактор для полимеризации дивинила со стиролом при температуре 50 С (рис. 2.10) представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат (автоклав) объемом 12-20 м . Аппарат состоит из корпуса 1 с рубашкой 2 для охлаждения, крышки 3, опоры 6, на которой укреплены электродвигатель 7 с редуктором 8 для привода вала 10 и рамной мешалки 11. Вал проходит через сальник 5 крышки. Продукт поступает в аппарат по трубе 4, доходящей почти до дна реактора, и выходит сверху через штуцер 9 (полимеризатор во время работы загружен полностью). В качестве хладагента применяют воду. На внутренних стенках аппарата в процессе его эксплуатации постепенно оседает полимер, что ухудшает теплопередачу; поэтому периодически, (2 раза в год), реактор чистят. Рисунок 2.10 – реактор для полимеризации дивинила со стиролом Реактор типа многосекционной колонны для полимеризации или поликонденсации (рис. 2.11) применяют в процессах получения полистирола и фенолоформальдегидных смол. Рисунок 2.11 – Многосекционный реактор для полимеризации или поликонденсации Реактор состоит из нескольких последовательно соединенных между собой секций 5, каждая из которых имеет рубашку 11 со штуцерами 13 и 10 для подвода и отвода теплоносителя. На крышке 4 верхней секции укреплены электромотор 1 и редуктор 2, передающий вращение валу 7, проходящему через всю колонну и установленному в двух подшипниках - верхнем 3 и нижнем 12. Для исключения утечки реагирующих веществ через отверстия для вала в днищах секций предназначены предохранительные трубы 8, верхний уровень которых выше уровня жидкой смеси в секции. В каждой секции на валу 7 укреплены мешалки 6. О 3 Для перелива реакционной смеси служат переливные трубы 9. Исходные вещества поступают в нижнюю часть верхней секции через штуцер 15, перемешиваются, переливаются через трубу 9 в следующую секцию и т. д. Из нижней секции продукт выгружается через штуцер 14. Таким образом, реактор является непрерывно действующим. Реактор целесообразно использовать для осуществления процессов химического превращения с малыми скоростями, т.е. протекающих в кинетическом режиме. Наличие отдельных теплообменных устройств в виде рубашек 11 позволяет поддерживать необходимый температурный режим в каждой секции. Аппараты с внутренними теплообменными элементами большой поверхности используют для проведения реакций с большим тепловым эффектом. Примером может служить реактор с пучком двойных теплообменных труб для алкилирования углеводородов, в частности. Для получения изооктана из изобутана и бутилена. В реакторе циркулирует эмульсия смеси углеводородов с серной кислотой. Реактор (рис. 2.12) имеет вертикальный цилиндрический корпус 6, рассчитанный на давление 1 МПа, внутри которого для отвода теплоты реакции расположен пучок 8 двойных теплообменных труб (трубок Фильда), окруженный кожухом 7, играющим роль направляющего диффузора. Рисунок 2.12 – Реактор с пучком двойных теплообменных труб В нижней суженной части кожуха помещено колесо 11 oceвoгo насоса (винтовая мешалка), обеспечивающее циркуляцию жидкости, перемешивание и обтекание теплообменной поверхности. Вал колеса выведен наружу через двойное торцовое уплотнение, привод расположен внизу. Вращение жидкости предотвращается продольными ребрами. Для подвода хладагента в верхней части расположены две распределительные камеры с трубными решетками 2 и 4. Верхние концы наружных теплообменных труб, заглушенных снизу, развальцованы в трубной решетке 4, верхние концы внутренних труб закреплены в решетке 2. Нижняя решетка 9 служит для крепления шпильками нижних концов теплообменных труб, чтобы обеспечить жесткость трубного пучка. Концы внутренних труб снабжены продольными ребрами. Хладагент (жидкие аммиак или пропан) подается через штуцер 1 в верхнюю распределительную камеру, проходит по внутренним трубам вниз до заглушенных концов наружных труб и поднимается по зазору между трубами, испаряясь за счет теплоты реакции. Газ (пар) отводится из приемной камеры, расположенной между трубными решетками 2 и 4, по штуцеру 3. Исходные вещества вводятся в нижнюю часть корпуса через штуцера 10 и 12, продукт отводится сверху через штуцер 5. Аналогично сконструированы горизонтальные реакторы с пучком U-образных теплообменных труб. Реакционный агрегат с выносным теплообменником состоит из реактора 1 (рис. 2.13), выносного перемешивающего устройства 3 (обычно центробежного насоса) и выносного теплообменника 2. Этот агрегат сравнительно прост в изготовлении и эксплуатации и особенно удобен в случаях, когда необходимы интенсивный теплообмен (например, при разложении гидроперекиси изопропилбензола) или расслоение эмульсии на два слоя. При этом реактор 1 одновременно служит отстойником. Именно по такой схеме извлекают изобутилен из газов нефтепереработки, разделяют углеводороды медно-аммиачными растворами (один из вариантов технологического оформления процесса). Рисунок 2.13 - Схема агрегата с выносным теплообменником Недостатки непрерывных реакторов с мешалками, основные из которых-громоздкость и большой расход электроэнергии на перемешивание потребовали создания непрерывно действующих реакторов, работающих по принципу идеального вытеснения. Этот принцип может быть осуществлен, если выполнить аппарат в виде трубы достаточной длины. Теплообмен в такой трубе можно осуществить достаточно просто, если ее снабдить рубашкой. Сложность применения таких аппаратов определяется небольшими скоростями реакций в жидкой фазе, что требует создания реакционной зоны очень большой длины для достижения необходимой конверсии. Достаточно сказать, что непрерывно действующий проточный реактор для гидролиза дихлорэтана имеет длину труб порядка 1 км. Большая длина реактора необходима для обеспечения достаточной скорости течения жидкости в аппарате, чтобы поток был турбулентным. Только при этом условии достигаются, требуемое перемешивание реакционной смеси по сечению трубы и достаточная теплопередача. Для увеличения скорости уменьшают площадь сечения трубы при сохранении ее объема или используют рециркуляцию. Однако в последнем случае агрегат по своим характеристикам приближается к реактору идеального смешения, и его объем следует увеличить, например, использованием труб большего диаметра. Вследствие этого длина реактора сравнительно невелика. Рециркуляцию обеспечивают специальными циркуляционными насосами. Кратность циркуляции выбирают так, чтобы обеспечить турбулентный режим течения жидкости. |