загрузка...
загрузка...
На головну

Конструкції хімічних реакторів

  1. Безсполучникові приєднувальні конструкції
  2. Бетонування з застосуванням протиморозних хімічних добавок.
  3. вантові конструкції
  4. Величину максимального навантаження задає викладач. Перевищення максимального навантаження може привести до руйнування конструкції.
  5. Види і конструкції стропів, їх вибір
  6. Вплив хімічних факторів на мікроорганізми. Поняття про дезінфекцію.
  7. Вплив хімічних факторів навколишнього середовища на систему крові

Конструктивно хімічні реактори можуть мати різну форму і пристрій, тому що в них здійснюється різноманітні хімічні і фізичні процеси, що протікають в складних умовах масо-і теплопередачі.

За призначенням хімічні реактори ділять на реактори для гомогенних процесів, реактори для гетерогенних процесів і реактори для гетерогенно-каталітичних процесів.

1 Промислові реактори для гомогенних процесів займають проміжне положення між реакторами ідеального витіснення і повного змішання. Якщо вихідні реагенти перед надходженням в реактор добре перемішані, то ХТП протікає в кінетичній області і перемішування усередині реакційної зони може бути небажаним фактором. Часто вихідні реагенти подають в реактор окремими потоками без попереднього змішування. Перемішування потоків відбувається безпосередньо в реакторі, і від інтенсивності перемішування залежить не тільки швидкість ХТП, але і вибухонебезпечність. Слід враховувати, що перемішування у всіх випадках інтенсифікує теплообмін.

Реактори для проведення гомогенних процесів за участю рідких реагентів можуть бути періодичної і безперервної дії. Як правило, вони представляють собою камеру, забезпечену будь-яким пристроєм, що перемішує. Виконують у вигляді резервуарів, кубів або автоклавів, а для безперервних, у вигляді реакторів витіснення - колонного або трубчастого типу, реакторів типу РІС-Н та РВП-Н різних конфігурацій. Для газофазних процесів застосовують камерні і трубчасті реактори тільки безперервної дії. Змішання реагентів здійснюють за допомогою інжекторів, відцентрових змішувачів.

2. Конструкція реакторів для гетерогенних процесів складніше, ніж для гомогенних ХТП. Це пов'язано з необхідністю забезпечення найкращих умов массопередачі, створення можливо більшої поверхні контакту фаз і її поновлення в ході процесу, забезпечення необхідного режиму руху компонентів в кожній фазі. Конструкція реакторів цього типу істотно залежить від агрегатного стану компонентів процесу. Від конструкції реактора залежить можливість проведення ХТП в найбільш вигідною області - дифузійної або кінетичної.

Як реакторів для систем «газ - тверде тіло» часто використовують типові апарати, що застосовуються також і для здійснення фізичних, масообмінних процесів: абсорбції, десорбції, ректифікації, теплообміну та ін. До таких апаратів відносять різні типи колонних апаратів - плівкові, барботажні, розбризкують , пінні. В основному це реактори безперервної дії. Всі вони виконані у вигляді колон, внутрішній устрій яких призначене для розвитку поверхні контакту фаз і її оновлення в процесі взаємодії реагентів. Рух рідини відповідає режиму змішування, а рух газу - ближче до режиму витіснення.

Реактори для систем «рідина - тверде тіло» це апарати періодичної або безперервної дії з механічним пристроєм, що перемішує, наприклад реактор з лопатевою мішалкою

Реактори для системи «газ - рідина» і «рідина - рідина» виконують у вигляді апаратів абсорбційного типу. До них відносяться скрубери різного пристрою, барботажні колони, баки з мішалками і ін.

Найбільш типовими ХТП за участю Г-Т є піроліз твердого палива, різні види випалу твердих матеріалів. Більшість некаталітичного ХТП в системі Г-Т протікають при температурах вище 7000С. Високотемпературні процеси здійснюються в печах різних типів, контактних апаратах, автоклавах, випарних апаратах, котлах, топках і ін. Основний апаратурою для проведення високотемпературних процесів є промислові печі.

Промислова піч - це апарат, в якому виробляється тепло, яке використовується для теплової обробки матеріалів в самій печі. Тепло в ній виділяється за рахунок горіння палива або протікання екзотермічних реакцій, або ж за рахунок перетворення електричної енергії в теплову. Особливістю промислових печей є поєднання в одному агрегаті реакційного апарату (здійснення виробничого процесу) і енергетичного пристрою (виділення і використання тепла). Відповідно до цього до промислової печі пред'являються і технологічні і енергетичні вимоги:

1) найбільш інтенсивна передача тепла від джерела енергії до нагрівається матеріалу або реакційної суміші;

2) найбільш високий коефіцієнт використання тепла, зводячи до мінімуму теплові втрати і застосовуючи різні способи регенерації тепла;

3) максимальний вихід продуктів при високому їх якості;

4) простота і міцність конструкції;

5) стійкість в роботі;

6) механізація і автоматизація роботи печі.

Різноманітність застосовуваних у промисловості високотемпературних процесів призвело до великої кількості різних типів і конструкцій використовуваних печей. Промислові печі класифікуються за різними ознаками: за галузями виробництва, за джерелом теплової енергії, за способом нагріву, за способом завантаження, за технологічним призначенням.

За джерела теплової енергії розрізняють:

1) паливні печі, що використовують тверде, рідке і газоподібне паливо;

2) електричні печі, в яких джерелом тепла є електрична енергія;

3) печі, в яких необхідна температура досягається за рахунок тепла реакції, що відбувається.

За способом нагріву розрізняють:

1) печі прямого нагрівання, в яких джерело теплової енергії знаходиться в безпосередньому зіткненні з нагрівається матеріалом; 2) печі непрямого нагріву, в яких тепло від джерела теплової енергії передається нагрівається матеріалу через стінки.

Для інтенсифікації процесів масо-і теплопередачі в цих печах застосовують такі прийоми:

- Збільшення рушійної сили теплопередачі підвищенням температури теплоносія і застосуванням противотока теплоносія і нагрівається матеріалу;

- Збільшення поверхні теплообміну подрібненням нагрівається матеріалу і перемішуванням його в потоці теплоносія, розпиленням або зважуванням матеріалу в потоці газу;

- Збільшенням коефіцієнта тепловіддачі використанням тепла випромінювання стін і склепіння печей, збільшенням коефіцієнта теплопровідності при розплавленні нагрівається матеріалу.

За технологічним призначенням розрізняють печі для видалення вологи з твердих матеріалів, які називають сушарками; нагрівальні печі для нагріву матеріалу без зміни його агрегатного стану; плавильні печі для розплавлення оброблюваного матеріалу; випалювальні печі для випалення мінеральної сировини і виробів з нього; печі піролізу для термічної переробки палива без доступу повітря.

У хімічній технології розглядають печі, призначені для здійснення хіміко-технологічних процесів. Печі класифікують за принципом роботи і пристрої:

- Шахтні (доменні - виплавка чавуну, газифікація твердого палива);

- Поличні (випал колчедану, залізних руд);

- З розпиленням твердого матеріалу (сушка матеріалів);

- Киплячого (зваженого) шару (випал колчедану, сушка зернистих матеріалів, газифікація та піроліз, полукоксование вугілля, торфу);

- Барабанні, обертові (відновлення сульфатів, сушка руд, мінералів, солей, розкладання, спікання, плавлення фосфатів з добавками і т. Д.);

- Тунельні (випал вогнетривів, плавка сірчаної руди, піроліз деревини);

- Камерні (випал кераміки, отримання соляної кислоти, розкладання магнезіальних солей і т.п.);

- Трубчасті (перегонка нафти і нафтопродуктів, крекінг нафти, піроліз вуглеводнів);

- Ванні (виплавка сталі мартенівським способом, плавка їдкого натрію);

- Електричні (варіння кварцового скла, переплавлення металів і сплавів, отримання штучного графіту і т.д.).

У сучасних печах максимальна інтенсифікація процесів масо-і теплообміну повинна поєднуватися з максимально високим тепловим ККД і найкращою якістю продукції.

Апаратурнеоформлення каталітичних процесів

Апарати, в яких здійснюються каталітичні процеси, називають контактними апаратами. Пристрій контактних апаратів досить різноманітно і залежить від способу контакту між каталізатором і реагують речовинами (гомогенний і гетерогенний каталіз), характеристик потоку взаємодіючих речовин (реактори витіснення і змішання), способу здійснення теплообміну (реактори з теплообміном безпосередньо в реакційній зоні і реактори з виносними теплообмінниками) , необхідного температурного режиму в реакторі (реактори з політермічні, адиабатическим або ізотермічним температурним режимом).

Апарати гомогенного каталізу не мають яких-небудь характерних особливостей, проведення каталітичних реакцій в однорідному середовищі технічно легко здійсненно і не вимагає апаратів спеціальної конструкції.

Апарати, в яких проводять гомогенні каталітичні процеси в газовій фазі, можуть бути камерами, колонами, трубчастими теплообмінниками. Гомогенне окислення SО2, Окислення оксидами азоту в сірчанокислої нитрозного системі йде, наприклад, як в рідкій, так частково і в газовій фазі, в вільному обсязі насадки веж. Рідкофазний гомогенний каталіз виробляють зазвичай в реакторах із пристроями.

Апарати гетерогенного каталізу, Особливо контактні апарати, в яких реагують гази на твердих каталізаторах, специфічні і різноманітні. Контактні апарати повинні працювати безперервно, володіти високою інтенсивністю, забезпечувати режим процесу, близький до оптимального, особливо оптимальний температурний режим.

Реактори для проведення гетерогенних каталітичних реакцій класифікуються по фазового стану реагентів і каталізатора, за способом контакту між каталізатором і реагентами, а також за конструктивним оформленням теплообмінних процесів. Класифікація каталітичних реакторів по фазового ознакою: контактні апарати поверхневого контакту: труби або сітки, виконані з каталізатора; контактні апарати з фільтруючим і зі зваженим шаром каталізатора; апарати з нерухомим і каталізатором; апарати з мішалками; колони з насадкою; барботажні колони і т.д.

Контактні апарати поверхневого контакту з розміщенням каталізаторів у вигляді труб або сіток, через які пропускається газ, застосовуються в меншій мірі, ніж апарати з фільтруючим або зваженим шаром каталізатора. При поверхневому контакті активна поверхня каталізатора невелика. Тому апарати такого типу доцільно застосовувати лише для швидких екзотермічніреакцій на високоактивні каталізаторі, що забезпечує вихід, близька до теоретичного. При цих умовах в контактному апараті не потрібно розміщувати велику кількість каталізатора. Схема контактного апарату з каталізатором у вигляді сіток застосовується у виробництві азотної кислоти для окислення аміаку на платиново-родієвим сітках.

Апарати з фільтруючим шаром каталізатора найбільш поширені. Вони застосовні для будь-яких каталітичних процесів. У цих апаратах шар або кілька шарів каталізатора нерухомо лежать на гратчастої опорі (полиці) або завантажені в труби, і через нерухомий шар каталізатора пропускають потік реагує газу. Газовий потік надходить в реактор зверху чи знизу і проходить через нерухомий шар каталізатора. Каталізатор має форму зерен, таблеток або гранул різних розмірів, але, як правило, не менше 4-5мм в поперечнику, так як при більш дрібних частинках різко зростає гідравлічний опір шару каталізатора і легше відбувається його спікання. Температура газу на вході в реакційну зону повинна забезпечити автотермічное протікання процесу, а обсяг каталізатора повинен бути достатній для досягнення заданого ступеня перетворення.

Кількість завантаженого каталізатора, висота, число шарів і розташування їх в апараті залежать від активності каталізатора, характеру каталітичного процесу, умов теплообміну. Чим активніше каталізатор і більше рівноважний вихід, і швидкість реакції, тим менше контактної маси потрібно завантажувати в апарат і тим менше висота шару каталізатора.

Якщо тепловий ефект реакції невеликий і рівноважна ступінь перетворення близька до заданої або для реакцій з низькою концентрацією реагентів застосовують контактні апарати шахтного типу. Простота конструкції кантатно апаратів шахтного типу не компенсує неможливість забезпечення оптимального температурного режиму при проведенні екзотермічніреакцій з великим тепловим ефектом. Для цих випадків використовують каскад шахтних реакторів з проміжними зовнішніми теплообмінниками, в яких здійснюють охолодження газу після кожного контактного апарату. Внаслідок цього параметри процесу віддаляються від рівноважних значень, і збільшується рушійна сила процесу на вході в кожен реактор. Хладоагентом, як правило, служить вихідний газ, який проходячи через теплообмінники, нагрівається перед входом в 1-ий реактор до необхідної температури.

Особливості конструкції контактних апаратів залежать в основному від конструктивного оформлення теплообмінних пристроїв. Підтримка оптимального температурного режиму - найбільш складне завдання при конструюванні контактних апаратів.

Існує кілька способів теплообміну в контактних апаратах, причому конструктивні прийоми відведення тепла з реакційного обсягу і підведення тепла однотипні для проведення як екзотермічних, так і ендотермічних реакцій. Орієнтовна класифікація контактних апаратів з фільтруючим шаром каталізатора по способам відведення (або підведення) тепла: 1) контактні апарати з періодичним підведенням і відводом тепла; 2) із зовнішніми і внутрішніми теплообмінниками.

Поличні контактні апарати - Один з найбільш поширених типів контактних апаратів. Принцип їх пристрою полягає в тому, що підігрів або охолодження газу між шарами каталізатора, що лежать на полицях, виробляється в самому контактному апараті з використанням різних теплоносіїв або способів охолодження. Проміжне охолодження між стадіями контактування вирішується іноді розміщенням водяних холодильників між шарами каталізатора. У деяких процесах проміжне охолодження можливо виробляти додатковим введенням одного з реагентів між стадіями контактування. Таким реагентом може бути холодний газ, повітря, водяна пара. Прикладом може служити каталітична конверсія окису вуглецю з водяною парою, що застосовуються у виробництві водню.

СО + Н2Про -СО2 + Н2 + Q

Вихід водню з цієї реакції збільшується при надлишку водяної пари. Тому застосовують контактні апарати - конвертори, в яких газ охолоджується і додатково насичується водяною парою при випаровуванні води в випарнику.

У поличних контактних апаратах каталітичну реакцію і теплообмінні процеси проводять окремо, послідовно. Режим руху газу в поличних апаратах, як і в шахтних, відповідає витіснення. Температурний режим при протіканні ХТП з високим тепловим ефектом, як правило, адіабатичний.

У трубчастих контактних апаратах теплообмін відбувається безпосередньо в реакційній зоні, безперервно і одночасно з каталітичної реакцією. Апарати з каталізатором в трубах використовуються для ендотермічних і екзотермічних реакцій. У першому випадку в міжтрубний простір апарату подаються гарячі топкові гази, які омивають труби каталізатором. За таким типом влаштовані контактні апарати каталітичної конверсії метану.

Контактні апарати з киплячим шаром каталізатора знаходять все більш широке застосування. Вони забезпечують протікання каталітичних процесів при ізотермічному температурному режимі навіть при високих теплових ефекти реакції. Незалежність гідравлічного опору киплячих шарів від розміру часток дає можливість застосування дрібнозернистих каталізаторів. Це дозволяє ефективно проводити процеси в кінетичної області при повному використанні внутрішньої поверхні каталізатора. Висока теплопровідність киплячого шару, обумовлена ??рухливістю часток, створює сприятливі умови для відводу або підведення тепла безпосередньо в шарі каталізатора. Властивість плинності киплячого шару дозволяє здійснювати безперервне відведення каталізатора для регенерації. Саме це властивість зумовило промислове застосування контактного апарату КС при каталітичному крекінгу нафтопродуктів. Контактні апарати з киплячим шаром по режиму руху відносяться до реакторів змішання.

Контактні апарати з рухомим шаром каталізатора використовують в тих випадках, коли потрібна безперервна циркуляція каталізатора між реактором і регенератором, наприклад, в установках каталітичного крекінгу. Контактна маса в таких апаратах може рухатися в двох режимах: а) у вигляді суспензії дрібнозернистого каталізатора в висхідному потоці газу; б) щільним шаром крупнозернистого каталізатора, що опускається під дією сили тяжіння в апараті шахтного типу при прямоточном або протівоточном русі газу. Режим руху газу і каталізатора відповідає витіснення. Температурний режим близький до адіабатичного.

Показники роботи контактного апарату.

Режим роботи і продуктивність контактного апарату залежить від таких параметрів його як час контакту, об'ємна швидкість газу (рідини) і питома продуктивність каталізатора

1 Час контакта- час зіткнення реагентів з каталізатором визначають так:

tК = v кат / V г (1.5.6)

де Vг-Обсяг газоподібної (рідкої) реакційної суміші, що проходить через каталізатор в одиницю часу, нм3/ С; Vk -Обсяг каталізатора (контактної маси), м3; t к - Час контакту в секундах, с.

2 Об'ємна швидкість - обсяг реакційної суміші, що проходить через одиницю об'єму каталізатора в одиницю часу (W), нм3/ м3* Год або ч-1. Слід мати на увазі, що друге позначення вельми умовно, так як об'ємні одиниці відносяться до різних фаз: нм3 - До газу, м3 - До твердого каталізатору.

W = 1 / tк (1.5.7)

3 Питома продуктивність (інтенсивність) каталізатора - маса продукту, що отримується з одиниці об'єму каталізатора в одиницю часу (g к), Кг / мз* Год. Для газоподібних систем

g к = V пр * R, (1.5.8)

де Vпр - Обсяг газоподібного продукту, отриманого з одиниці об'єму каталізатора в одиницю часу, нм3 / м3 * Год; r - щільність продукту, кг / м3.

Інтенсивність каталізатора, від якої залежить ефективність роботи контактного апарату, пов'язана з об'ємною швидкістю реакційної маси і вмістом в ній цільового продукту. При цьому для процесів необоротних, що проводяться по відкритій технологічною схемою, враховується зміст цільового продукту тільки на виході з контактного апарату. Для оборотних процесів, що проводяться по циклічної схемою, слід враховувати як зміст продукту на виході з апарату, так і на вході в нього



Попередня   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27   28   Наступна

Повітря і вода в хімічній промисловості | Поняття про хіміко-технологічному процесі | Рівні аналізу, опису та розрахунку ХТП. | Основні показники хіміко-технологічного процесу | Характеристика гомогенних процесів | Гомогенні процеси в рідкій фазі | Закономірності проведення гетерогенних процесів | Особливості протікання гетерогенно-каталітичних процесів | Тема 1.5 Хімічні реактори, закономірності їх роботи і конструкції. | Класифікація та основні показники роботи хімічних реакторів |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати