Лекции химическая технология. Курс лекций 3 Введение
 Скачать 1.06 Mb.
|
|
химический реактор – аппарат, в котором протекает химический процесс. Выбор типа, конструкции и расчѐт химического реактора, создание системы управления его работой – одна из важных задач химической технологии. Типичные реакторы – промышленные печи, контактные аппараты, реакторы с механическим, пневматическим и струйным перемешиванием, варочные котлы, гидраторы. 5.1. Основные требования к промышленным реакторам 1. Максимальная производительность и интенсивность работы. 2. Высокий выход продукта и наибольшая селективность процесса. 3. Минимальные энергетические затраты на перемешивание и транспортировку материалов через реактор, а также наилучшее использование теплоты экзотермических реакций или теплоты, подводимой в реактор для нагрева реагирующих веществ для оптимальных температур. 4. Лѐгкая управляемость и безопасность работы. 5. Низкая себестоимость изготовления реактора и его ремонта. 6. Устойчивость работы реактора при значительных изменениях основных параметров режима. 5.2.Классификация химических реакторов Главная стадия химико-технологического процесса, определяющая его назначение и место в химическом производстве, реализуется в аппарате химико-технологической схемы, в котором протекает химический процесс - химическом реакторе. В технологической схеме химический реактор сопряжѐн 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 нем химических реакций и процессов массо - и теплообмена. 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 его интенсивность. Так как от интенсивности зависит время, затрачиваемое на производство единицы продукта, то главной задачей при расчѐте химического реактора является установление зависимости: где: τ - время пребывания реагентов в реакторе, X-степень превращения реагентов в целевой продукт, С - начальная концентрация реагентов, U - скорость химического процесса. Расчѐт химического реактора состоит из следующих операций: 32 - 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: ѐмкость, площадь поперечного сечения, поверхность нагрева (охлаждения), поверхность фазового контакта и другие характеристики. Расчѐт ведется по общей зависимости: A = m/ΔК, где: A - основной размер реактора, m - количество вещества, перерабатываемое в единицу времени, Δ - движущая сила процесса, К- коэффициент скорости процесса. Многообразие химических и физических явлений, лежащих в основе разнохарактерных технологических процессов, выдвигает самые различные требования к химическим реакторам. Однако все без исключения реакторы должны удовлетворять следующим основным требованиям: 1) обеспечивать большую производительность; 2) давать возможно более высокую степень превращения при максимальной селективности процесса; 3) иметь малые энергетические затраты на транспортировку и перемешивание реагентов; 4) быть достаточно простыми в устройстве и дешѐвыми, для чего при изготовлении реакторов необходимо использовать чѐрные металлы, недорогие изделия силикатной промышленности, недефицитные пластмассы; 5) наиболее полно использовать теплоту экзотермических реакций и теплоту, подводимую извне, для осуществления эндотермических процессов; 6) быть надѐжными в работе, по возможности наиболее полно механизированными и обеспечивать автоматическое регулирование процесса. Реакторы так же, как и химические процессы, делят по наивысшей температуре процесса на низко- и высокотемпературные; по применяемому давлению - на аппараты, работающие на высоком, повышенном, нормальном и низком (под вакуумом) давлениях. Реакторы также классифицируют по фазовому состоянию реагентов на аппараты для осуществления гомогенных и различных гетерогенных процессов. Наиболее важными критериями для классификации химических реакторов являются: 1) непрерывность, или периодичность, операции; 2) режим движения и перемешивания реагентов; 3) температурный режим в реакционном объѐме аппарата. Рассмотрим классификацию реакторов по этим признакам. Непрерывность или периодичность операции. По аналогии с технологическими процессами различают реакторы периодического, непрерывного и полунепрерывного действия. В реакторы периодического действия реагенты загружаются в начале операции. После определенного времени, необходимого для достижения заданной степени превращения, аппарат разгружают. Основные параметры процесса (концентрация реагентов и продуктов реакции, температура, давление и т. п.) изменяются во времени. Реакторы периодического действия работают, как правило, при сильном перемешивании реагентов, близком к полному смешению, и, соответственно, при одинаковой температуре во всем реакционном объѐме в любой момент времени работы. 33 Реакторы непрерывного действия от пуска до остановки непрерывно (или систематическими порциями) питают исходными веществами и выводят из них продукты реакции. Реакторы полунепрерывного действия характеризуются тем, что сырьѐ поступает в аппарат непрерывно или определенными порциями через равные промежутки времени, а продукты реакции выгружаются периодически. Возможна и непрерывная выгрузка продукта при периодической подаче сырья. Такие реакторы работают в переходном режиме, основные параметры процесса изменяются во времени. Режим движения реагентов. По режиму движения реагентов различают два предельных типа реакторов непрерывного действия: идеального вытеснения и полного (идеального) смешения (перемешивания). Реактор идеального вытеснения (РИВ) характеризуется тем, что реагенты последовательно «слой» за «слоем», без перемешивания, ламинарным потоком проходят весь реакционный путь, определяемый, как правило, длиной (высотой) аппарата, которая обычно бывает значительно больше его диаметра. Рис. 5.1. Модель аппарата идеального вытеснения Реактор полного смешения характеризуется тем, что частицы реагента (ион, молекула, или зерно твѐрдого материала), попавшие в данный момент времени в аппарат, благодаря интенсивному перемешиванию, имеет равную со всеми частицами вероятность первыми покинуть его. В реакторах полного смешения любой элемент объѐма мгновенно смешивается со всем содержимым реактора, так как скорость циркуляционных движений по высоте и сечению аппарата во много раз больше, чем скорость линейного перемещения по оси реактора. Рис. 5.2. Реактор полного смешения – смеситель с пропеллерной мешалкой 34 Поскольку в единичном реакторе смешения при больших степенях превращения движущая сила стремится к нулю, скорость процесса оказывается очень низкой. Поэтому для обеспечения достаточного общего выхода продукта применяют каскад реакторов полного перемешивания (рис. 6.3) со сравнительно небольшой степенью превращения в каждой ступени. В каскаде реакторов полного перемешивания состав реакционной смеси изменяется при переходе из одного аппарата в другой, а в каждом реакторе концентрационные и температурные поля безградиентны. Расчѐт каскада реакторов осуществляется путем суммирования всех изменений, происходящих в каждой ступени каскада. Рис. 5.3. Каскад реакторов смешения: а) принципиальная схема; б) изменение концентрации основного исходного вещества по ступеням каскада (1) и среднее (2). Температурный режим. По температурному режиму реакторы подразделяются на адиабатические, изотермические и политермические, называемые также программно- регулируемыми. Адиабатические реакторы при спокойном (без перемешивания) течении потока реагентов не имеют теплообмена с окружающей средой, т.е. снабжены хорошей тепловой изоляцией. Вся теплота реакции аккумулируется потоком реагирующих веществ. Реакторы для гомогенных процессов. Гомогенные реакторы в большинстве случаев являются типовой химической аппаратурой. Основные типы гомогенных реакторов приведены на рис. 5.4. Газофазные процессы проводят, как правило, в камерных и трубчатых реакторах. Часто применяют пламенные реакторы-горелки и камеры сгорания, в которых для смешивания газовых реагентов имеются специальные устройства - сопло, эжектор, центробежный смеситель и др. Камерные реакторы используются для синтеза хлороводорода (рис. 5.4, а), для сжигания серы, термического хлорирования метана (рис. 5.4, б), термоокислительного пиролиза метана и др. По гидродинамическому режиму некоторые камерные реакторы, например, с центробежным смесителем (рис.5.4, в), приближаются к полному смешению, а некоторые - к идеальному вытеснению (рис. 5.4, а). Камерные реакторы обычно футерованы кислотоупорным или жароупорным материалом; горелки выполняют из легированных сталей или специальных металлов (например, тантал для синтеза НС1 из элементов). Трубчатые реакторы выполняются в виде газовых теплообменников (рис. 5.4, г) или охлаждаемых реакторов типа труба в 35 трубе (рис. 5.4, д) и работают при режиме идеального вытеснения. Для проведения жидкофазных процессов наиболее характерны реакторы с различными перемешивающими устройствами. Периодические процессы ведут обычно в одиночных резервуарах с механическими мешалками и другими видами перемешивания (рис. 5.4, е) или в автоклавах. Для непрерывных жидкофазных процессов применяют проточные реакторы - одиночные с перемешиванием (рис. 5.4, ж), каскад реакторов с мешалками (рис. 5.4, з), а также реакторы вытеснения такие же, как и для газофазных процессов, например, охлаждаемый трубчатый реактор вытеснения (рис. 5.4, д). Жидкофазные гомогенные реакторы применяются для реакций обмена в растворах (например, нейтрализация), этерификации, диазотирования, полимеризации, поликонденсации и др. Рис. 5.4. Типы реакторов для гомогенных процессов газофазных (а-д) и жидкофазных (д- з): а, б – камерные ректоры с горелками (а – режим идеального вытеснения, б – промежуточный); в – камерный реактор с сильным перемешиванием, изотермический; г, д – трубчатые реакторы вытеснения политермического режима; е – з – реакторы полного смешения (е – одиночный периодического действия, ж – одиночный непрерывного действия, з – каскад реакторов); А, Б – исходные реагенты; Д – продукты реакции. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1.Сформулируйте основные требования, предъявляемые к математической модели химического реактора. 2.Какие признаки могут быть положены в основу классификации химических реакторов? 3.Каковы различия в условиях перемешивания в проточных реакторах смешения и вытеснения? 4.Сформулируйте допущения модели идеального смешения. 37 Лекция 6 ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ (ХТС). СТРУКТУРА И ОПИСАНИЕ ХТС 6.1. Общая характеристика ХТС Реальное химическое производство представляет собой совокупность большого числа взаимосвязанных технологических аппаратов, предназначенных для переработки сырья в продукты потребления и средства производства. Это сложный комплекс, в котором во многих случаях оптимальные параметры работы аппаратов не совпадают между собой. Химико-технологическая система представляет собой совокупность взаимосвязанных технологических потоков и действующих как одно целое аппаратов, в которых осуществляется определѐнная последовательность технологических операций. С развитием химической технологии как науки началось более детальное изучение ХТС и поиск оптимальных вариантов еѐ содержания и функционирования. Для этого целесообразно создать такую модель ХТС, которая отражала бы технологические связи между элементами, сущность химико-механического процесса и экономику процесса. 6.2. Классификация моделей ХТС По определению В.В.Кафарова, существует два вида моделей ХТС: математическая и обобщѐнная. Математические модели - формализованное представление системы, позволяющее анализировать еѐ математическими методами, в том числе математическим моделированием. Эти модели дают математическое описание функционирования ХТС в виде формул, графиков. Математические модели делятся на символические и иконографические. Символические математические модели в виде формул, уравнений, неравенств передают взаимосвязь между элементами, параметрами и показателями эффективности функционирования системы. Иконографические математические модели в графической форме отображают качественные свойства ХТС или количественные соотношения между параметрами ХТС. Они дают возможность качественного и частично количественного установления связей между элементами ХТС. Обобщѐнные модели дают общее представление о функционировании ХТС, об элементах, об исходном сырье, промежуточных и конечных продуктах ХТС. Обобщѐнные модели бывают двух типов — операционно-описательные и иконографические. Операционно-описательная даѐт упрощѐнное представление о ХТС, т.е. словесные сведения о функционировании системы. Эти модели включают так называемую химическую схему процесса, в основу которой положены химические реакции, протекающие при переработке сырья. Иконографические обобщѐнные модели представляют ХТС в графическом изображении. Такая модель позволяет получить наглядное представление о способе соединения отдельных элементов системы. Это дается в виде схем: функциональной, технологической, структурной, операторной. Функциональная схема ХТС показывает технологические связи между основными подсистемами, каждая из которых выполняет какую-либо технологическую операцию. Технологическая схема ХТС показывает тип и способы соединения элементов, последовательность технологических операций. 38 Операторная схема ХТС построена таким образом, что каждый элемент ХТС представляет собой совокупность нескольких типов технологических операторов. Операторная схема ХТС не только показывает взаимосвязь между отдельными элементами ХТС, но она даѐт сведения о физико-химической сущности процессов, протекающих в системе. 6.3. Типы технологических связей Существует определенное взаимодействие между отдельными элементами (технологическими операторами) ХТС. Это взаимодействие обеспечивается наличием технологических связей между ними. Различают следующие технологические связи: последовательные, последовательно-обводные (байпас), параллельные, обратные (рециклы) и перекрѐстные. Последовательная технологическая связь, т.е. типичная схема с открытой цепью характерна тем, что выходящий из элемента ХТС поток целиком поступает в следующий элемент, т.е. выходящий из данного элемента поток является входящим для последующего элемента. При этом все технологические потоки пребывают в элементе только один раз, т.е. не возвращаются в него. В каждом из реакторов происходит увеличение степени превращения и соответственно, растѐт суммарная степень превращения. Последовательно-обводная технологическая связь (байпас): операторы химического превращения соединены последовательно, т.е., например, имеется батарея реакторов или многополочный реактор. Параллельные технологические связи применяются в тех случаях, когда ставится задача увеличения производительности и мощности ХТС без увеличения степени превращения и мощности отдельных реакторов. Обратная технологическая связь (циклическая схема, рецикл) заключается в том, что имеется обратный технологический поток, который связывает выходной поток какого- либо последующего элемента ХТС с входом одного из предыдущих элементов. ХТС, состоящую из нескольких элементов химического превращения с отводом целевых продуктов из первого и второго элементов, называют системой или сопряжѐнным рециклом. Наличие обводного потока (рецикла) обеспечивает многократное возвращение в один и тот же элемент системы потоков реагентов, что создаѐт условия более полного превращения исходного сырья. Например, синтез аммиака, метанола и др. При проведении сложных реакций различного порядка наличие рецикла в некоторых случаях способствует увеличению селективности. Циркуляция даѐт возможность использования теплоты реакции для подогрева исходных реагентов. Указанные достоинства обратной технологической связи обусловили ее широкое применение в ХТС. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1.Что собой представляет ХТС? 2.Что является конструкционными параметрами ХТС? 3.Что представляют собой ХТС? A V B 0 X A X A V V V V 40 Лекция 7 СЫРЬЕВАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПОДСИСТЕМЫ ХТС 7.1. Сырьевая и энергетическая база химической промышленности В нашей стране имеется мощная минерально-сырьевая база, позволяющая практически полностью удовлетворять потребности народного хозяйства в минеральном сырье. Россия занимает первое или одно из первых мест в мире по разведанным запасам большинства полезных ископаемых, например, фосфатов, калийных солей, сульфата натрия, поваренной соли, асбеста, природного газа, угля, железных и марганцевых руд, ряда цветных металлов. С точки зрения использования сырья |