Промышленные реакторы. Промышленные реакторы Промышленные реакторы Основные требования к промышленным реакторам
 Скачать 1.32 Mb.
|
|
Промышленные реакторы Промышленные реакторы Основные требования к промышленным реакторам: - высокая производительность - высокая селективность - низкие энергетические затраты - надежность регулирования и установки технологического режима - простота обслуживания - безопасность работы - низкая стоимость – это основной аппарат технологической схемы, в котором осуществляется химическая реакция и сопутствующие ей физические процессы Химический реактор Показатели эффективности работы химического реактора: - коэффициент полезного действия - производительность - интенсивность (средняя скорость, удельная производительность) - пропускная способность Классификация химических реакторов По организационной структуре процесса (по способу подвода сырья и отвода продуктов): - реакторы непрерывного действия (проточные) - реакторы периодического действия - реакторы полупериодического действия цикла = хим.р. + вспомог. операций = V реактора / об. По гидродинамическому режиму: - реакторы смешения - реакторы вытеснения По тепловому режиму: - адиабатические реакторы - изотермические реакторы - политропические реакторы По фазовому составу реакционной смеси: - реакторы для гомогенных процессов - реакторы для гетерогенных процессов - реакторы для гетерогенно-каталитических процессов По конструктивным характеристикам: печи колонны трубчатые аппараты - емкостные аппараты и др. Реакторы для гомогенных процессов Газофазные процессы Камерные реакторы пламя горелка Cl2 H2 HCl камеры дожигания форкамера печной газ сера 100 м/с воздух Устройства смешения газов: сопло эжектор центробежная подача газов и др. Пламенный реактор Циклонная печь Трубчатые реакторы сырье теплоноситель Кожухотрубный теплообменник Реактор «труба в трубе» до 1500 атм Жидкофазные процессы Емкостные аппараты с перемешивающими устройствами сырье продукты теплоноситель Автоклав сырье продукты 50-100 атм продукты воздух сырье сырье Реактор струйно-эжекторного смешения насос приемник теплообменник продукты Реактор с пневматическим перемешиванием Колонные реакторы сырье сырье продукты Реакторы для гетерогенных процессов Необходимость создания наилучших условий для массопередачи; Обновление поверхности контакта фаз - Зависимость конструкции реактора от типа гетерогенной системы - Возможность различного направления потоков сырья, подаваемых в реактор (прямоток, противоток, перекрестный ток и др.) Система «Т- Г» Печь – аппарат, в котором вырабатывается тепло, используемое для тепловой обработки твердых материалов в самой печи По источнику тепла: сгорание топлива электрический ток тепловой эффект реакции Печи По способу нагрева: Печи прямого нагрева косвенного нагрева По способу создания ПРФ: шахтные полочные пылевидного обжига «кипящего» слоя ротационные Печи Полочные печи воздух обжиговый газ огарок колчедан обжиг колчедана обжиг руд цветных металлов целлюлозно-бумажная промышленность высокая производительность устойчивость работы сложность конструкции малая интенсивность Шахтные печи газогенератор доменная печь известковая печь воздух печь прямого нагрева противоток реактор вытеснения высокая производительность простота устройства и обслуживания легкость механизации и автоматизации малая интенсивность массо- и теплообмена недопустима высокая степень измельчения противоток высокая скорость дутья обогащение воздуха кислородом Способы интенсификации массо- и теплообмена: Барабанная печь 0,5 – 2 об/мин 3 - 40 прямой нагрев реактор вытеснения получение силикатных материалов получение соды, солей, щелочей сушилки высокая производительность простота устройства и обслуживания легкость механизации и автоматизации устойчивость работы универсальность большая движущая сила теплопередачи невысокая интенсивность массообмена Печь пылевидного обжига обжиговый газ огарок воздух колчедан обжиг колчедана прямой нагрев прямоток реактор смешения большая ПКФ высокая интенсивность процесса высокие требования к сырью (отсутствие влаги, высокая степень измельчения, монодисперсность большой унос материала с потоком газа неустойчивость работы Печь КС воздух колчедан огарок обжиговый газ обжиг колчедана обжиг руд цветных металлов обжиг известняка сжигание и газификация твердого топлива перекрестный ток реактор смешения большая ПКФ обновляемость ПКФ высокая интенсивность массо- и теплопередачи высокий к.п.д. возможность использования тепла химической реакции высокие требования к сырью (отсутствие влаги, высокая степень измельчения, монодисперсность большой унос материала с потоком газа Система «Ж-Т», «Ж- Ж» Реактор с фильтрующим слоем твердого реагента Реактор со взвешенным слоем твердого реагента Реактор с фонтанирующим слоем жидкость твердый реагент твердый реагент жидкость твердый реагент жидкость Емкостные аппараты с перемешивающими устройствами Перемешивающие устройства: - механические мешалки (лопастные, пропеллерные, рамные, якорные и др.) - пневматическое перемешивание - циркуляционный насос незначительная вязкость – пропеллерные мешалки, пневматическое перемешивание средняя вязкость – лопастные мешалки, мешалки спирального типа высокая вязкость – якорные, рамные мешалки Система «Ж - Г» Реакторы - колонны Полые колонны Емкостные аппараты с перемешивающими устройствами Трубчатые реакторы жидкость газ жидкость газ скрубберный режим Реакторы с разбрызгиванием жидкости жидкость газ Ректор типа «труба Вентури» жидкость газ 100-150 м/с - высокая интенсивность большие энергозатраты большое гидравлическое сопротивление трудность регулирования режима скрубберный режим режим смешения жидкость Насадочные колонны газ простота хорошая управляемость устойчивость режима малая интенсивность большие энергозатраты по жидкости, малые – по газу пленочный режим режим вытеснения насадка Насадки: кольца Рашига винты седла и др. Тарельчатые колонны жидкость газ Тарелки: ситчатые колпачковые клапанные барботажный режим сложность конструкции, монтажа и эксплуатации большие энергозатраты средняя интенсивность надежность и устойчивость работы возможность тонкого разделения жидкости и газа Пенный реактор жидкость газ 1 – 3,5 м/с Реактор типа «эрлифт» инжектор диффузор газ жидкость барботажный режим высокая интенсивность большая ПКФ Контактные аппараты с неподвижным (стационарным) слоем катализатора с движущимся слоем катализатора с «кипящим» (псевдоожиженным, взвешенным) слоем катализатора Реакторы для гетерогенно- каталитических процессов Реакторы с неподвижным слоем катализатора Емкостные реакторы катализатор реагенты - простота конструкции - небольшая стоимость - плохая массо- и теплопередача - высокое гидравлическое сопротивление реакции с малым тепловым эффектом Полочные реакторы реагенты слои катализатора возможность ступенчатого регулирования температуры невысокое гидравлическое сопротивление простота конструкции неравномерность распределения газа по сечению - сильно экзотермические реакции - большой срок жизни катализатора Реакторы - теплообменники реагенты теплоноситель - сильно экзотермические реакции - большой срок жизни катализатора реагенты теплоноситель катализатор теплоноситель 1 : 0,6 : 0,7 универсальность простота эксплуатации возникновение температурных градиентов вдоль и поперек труб, а также между трубами большой расход теплоносителя ограниченный объем реакционной зоны трудность загрузки и выгрузки катализатора Контактные аппараты с неподвижным слоем катализатора низкая скорость массо- и тепло-обменных процессов спекание катализатора снижение интенсивности процесса повышение гидравлического сопротивления Реакторы с «кипящим» слоем катализатора реагенты катализатор - тарелка провального типа (перфорированные решетки) - тарелки непровального типа (трубные решетки с колпачками) решетка форма корпуса число слоев условия псевдоожижения (СКС, ОКС) однородность слоя высокая скорость массо- и теплообменных процессов - возможность утилизации тепла - большой износ катализатора и аппарата - загрязнение реакционной массы пылью - потеря катализатора Реакторы с движущимся слоем катализатора сепаратор - малый срок жизни катализатора реагенты реактор регенератор эжектор трудность отделения катализатора от реакционного потока катализатор Основные принципы выбора реактора 1. Учет фазового состава исходной смеси и наличия катализатора 2. Выбор концентрационного и гидродинамического режима 3. Выбор температурного и теплового режима выход продукта скорость процесса селективность РИВ-Н РИС-Н К-РИС-Н Температурный режим реактора Критерии выбора: тип химического процесса техника безопасности Типы температурных режимов: режим постоянных температур режим переменных температур Тип химического процесса Критерии эффективности процесса Температурный режим Простой необратимый процесс скорость процесса режим постоянной оптимально максимальной температуры Простой обратимый процесс - эндотермический - экзотермический - скорость процесса - положение равновесия - режим постоянной оптимально максимальной температуры - режим понижающейся температуры Сложный необратимый процесс Еа1 = Еа2 Еа1 > Еа2 Еа1 < Еа2 - скорость процесса - селективность 1 – целевая реакция 2 – побочная реакция режим постоянной оптимально максимальной температуры режим постоянной оптимально минимальной температуры Тепловой режим Процессы с большим тепловым эффектом изотермический реактор Экзотермические необратимые процессы с небольшим тепловым эффектом адиабатический реактор Экзотермические обратимые процессы каскад реакторов многосекционный реактор Выбор гидродинамического режима с учетом концентрационного и температурного режимов (адиабатический режим) Простой необратимый эндотермический процесс С↓, Т ↓ РИВ-Н Простой необратимый экзотермический процесс С↓, Т↑ r↓ r↓, если ΔН небольшой РИВ-Н Если ΔН большой, то r проходит через максимум РИС-Н + РИВ-Н r α РИС-Н РИВ-Н |