4 Лекция ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ Бишимбаева Г К

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

4 Лекция ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ Бишимбаева Г. К. , д. т. н. , профессор email: bigauhar@mail. ru

Основные характеристики процесса l l Химическими реакторами принято считать аппараты, в которых осуществляются химические процессы с целью получения определенного вещества в рамках одного технологического процесса. При оценке работы реактора очень важно знать основные его характеристики (степень превращения, выход и избирательность-селективность), определяемые с помощью следующих соотношений:

Классификация химических реакторов l l Рассматривая все многообразие реакционных устройств, можно сделать вывод о том, что во всех реакторах имеют место определенные физические процессы (гидродинамические, тепловые и диффузионные), с помощью которых создаются оптимальные условия для проведения собственно химического превращения вещества (химической реакции). Для осуществления этих физических процессов реактор имеет в своем устройстве конструктивные элементы, широко применяемые в аппаратах для проведения собственно физических процессов (мешалки, контактные устройства, теплообменники и т. д. ). Поэтому все химические реакторы можно рассматривать как аппараты комплексные, состоящие из известных конструктивных элементов, большинство из которых отдельно используется для проведения технологических операций, не сопровождающихся химическим превращением перерабатываемых веществ. Критериями, по которым классифицируют реакционную аппаратуру является периодичность или непрерывность процесса, его гидродинамический и тепловой режимы, физические свойства взаимодействующих веществ.

Классификация химических реакторов l l l l По принципу организации процесса химическая реакционная аппаратура может быть разделена на три группы: - непрерывного действия; - периодического действия; - полунепрерывного действия. По гидродинамическому режиму различают следующие типы реакторов: - полного вытеснения; - полного смешения; - промежуточного типа (с промежуточным гидродинамическим режимом).

а) периодический реактор; б) непрерывный (проточный) реактор с идеальным смешением; в) непрерывный (проточный) реактор с идеальным вытеснением; г) Каскад реакторов (ступенчатый реактор) с идеальным смешением

Классификация химических реакторов l l l По тепловому режиму работы реакторы делят на следующие типы: - изотермический реактор; - адиабатический реактор; - реактор с программированным тепловым режимом. По конструктивным особенностям - классификация реакторов объединяет всю реакционную аппаратуру в следующие группы: - типа реакционной камеры; - типа колонны; - типа теплообменника; - типа печи. По фазовому состоянию: - гомогенные; - гетерогенные.

Схемы химических реакторов: Г - газ; Ж - жидкость; Т – теплоноситель; Н - насадка; ТВ - твердый реагент; К -катализатор; Хг – холодный газ; Топл - топливо

Аппараты идеального вытеснения Реакторы идеального вытеснения (рисунок). Реактор идеального вытеснения характеризуется переменной концентрацией реагирующих веществ по длине аппарата, наибольшей разницей концентраций на входе и выходе из реактора и, следовательно, наибольшей средней движущей силой процесса. Изменение концентрации в реакционном объеме носит плавный характер, так как последующие реакционные объемы реагирующих веществ не смешиваются с предыдущим, а полностью вытесняются. Практически к режиму идеального вытеснения можно приблизиться в реакторе с малым диаметром и большой длиною при относительно высоких скоростях движения реагирующих веществ. Реакторы идеального вытеснения находят широкое применение для проведения как гомогенных, так и гетерогенных каталитических процессов (например, окисления NO в NO 2, SO 2 в SO 3, синтеза аммиака и метилового спирта, хлорирование этилена, сульфирования пропилена и бутилена и т. д. ).

Реактор полного смещения обычно снабжен перемешивающим устройством и характеризуется постоянством концентрации реагирующих веществ во всем объеме реактора в данный момент времени, вследствие практически мгновенного смещения реагирующих веществ в реакционном объеме. Поэтому изменение концентрации реагирующих веществ на входе в реактор носит скачкообразный характер. Средняя движущая сила процесса в таком аппарате будет меньше, чем в аппарате полного вытеснения. Реакторы этого типа наиболее широко применяются для проведения таких процессов, как нитрование, сульфирование, полимеризация и т. д. Реакторы идеального смещения а) одноступенчатый аппарат; б) характер изменения концентрации в одноступенчатом аппарате; в) вертикальный многоступенчатый аппарат; г) многосекционный горизонтальный аппарат; д) батарея аппаратов смешения; е) характер изменения концентрации в многоступенчатом аппарате. В некоторых случаях процесс химического превращения вещества проводится не в одном аппарате смешения, а в нескольких таких аппаратах, соединенных последовательно. Такая система, состоящая в некоторых случаях из 20 и более аппаратов, получила название каскада реакторов (рисунок д). В каскаде реакторов изменение концентрации реагирующих веществ носит ступенчатый характер, так как продукт реакции предыдущего аппарата является исходным реагирующим веществом в последующем аппарате.

Классификация реакторов по характеру операции, протекающей в реакторе l l l периодические, непрерывные и полунепрерывные. Реакторы непрерывные - с непрерывной подачей реагентов и отводом продуктов, в свою очередь, делятся по характеру движения реакционной среды (т. е. по гидродинамической обстановке в реакторе) на реакторы идеального вытеснения (РИВ)и реакторы идеального смешения (РИС)

Реактор идеального смешения периодического действия (РИС-П) l l l l Реакторы периодические характеризуются единовременной загрузкой реагентов. При этом процесс складывается из трех стадий: загрузки сырья, его обработки (химическое превращение) и выгрузки готового продукта. п = + всп. где п – полное время цикла; – рабочее время (затрачиваемое на проведение химической реакции); всп – вспомогательное время (загрузка реагентов и выгрузка продукта). l После завершения последовательности этих стадий они повторяются вновь, т. е. работа реактора осуществляется циклически. l Реактор идеального смешения периодический, РИС-П, представляет собой аппарат с мешалкой, в который периодически загружают исходные реагенты а) б) Распределение концентрации реагента в РИС-П: а) по времени б) по месту (объему)

Реакторы непрерывного действия l В реакторах непрерывного действия (или проточных реакторах) питание реагентами и отвод продуктов реакции осуществляется непрерывно. l Если в периодическом реакторе можно непосредственно измерить продолжительность реакции, то в реакторе непрерывного действия этого сделать нельзя, так как при установившемся режиме в этих реакторах параметры не меняются со временем. В связи с этим для непрерывных реакторов применяют понятие условного времени пребывания реагентов в системе (времени контакта) l = Vr/ Vо , где Vr – объем реактора; Vо – объем реакционной смеси, поступающей в реактор в единицу времени (объемный расход реагентов).

РИС-Н l l Реактор идеального смешения непрерывный (РИС-Н) представляет собой аппарат с мешалкой, в который непрерывно подаются реагенты, и также непрерывно выводятся из него продукты реакции. В РИС-Н наблюдается резкое изменение концентрации исходного реагента при входе в реактор в результате мгновенного смешения поступающей смеси с реакционной массой, уже находящейся в реакторе, где концентрация исходного реагента значительно ниже, чем концентрация исходного реагента в поступающей смеси. Изменение параметров процесса в РИС-Н: а – концентрация реагента СА; б – степень превращения ХА; в – скорость реакции r. А

Реактор идеального вытеснения (РИВ). l l l Химическую реакцию можно проводить в трубчатом реакторе, при этом предварительно перемешанные реагенты вводятся с одной стороны реактора, а конечная смесь выводится с другой. Такой реактор называется реактором идеального вытеснения. Если нет перемешивания вдоль реактора и линейная скорость перемещения реакционной массы вдоль реактора u постоянна: реагирующая смесь как бы (или на самом деле) вытесняется поршнем. Тогда время пребывания реагирующей смеси в реакторе длиной L равно L / u и одинаково для любой ее части. Такой реактор работает в непрерывном режиме, а каждый элемент реакционной смеси проходит такой же путь, что и в РИС-П. Поэтому описание работы обоих реакторов полностью идентично, причем параметр L / u для РИВ просто соответствует времени реакции для РИС-П. Один из вариантов получения полиэтилена является примером промышленного процесса с РИВ.

Заключение l l Таким образом, подбор реактора для конкретного химического процесса, его расчет, оптимизация конструкции и условий проведения - задача очень сложная, требующая глубоких знаний в различных областях физики и химии. Применение идеальных моделей химических реакторов, конечно, значительно упрощает расчеты, однако требует внимательного и осторожного подхода, поскольку необходимо следить за соблюдением условий идеальности в каждом конкретном случае. Особые трудности возникают при проведении реакций в сильно вязких средах, где значительно ухудшаются условия массо- и теплообмена. Глубокий научный подход, с одной стороны, и случайные открытия с другой, играют большую роль в развитии современной химической технологии

Скачать презентацию 4 Лекция ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ Бишимбаева Г К

4лекция++ОХТ.ppt

Количество слайдов: 20