КЛАССИФИКАЦИЯ ХТП И РЕАКТОРОВ ПАРАМЕТРЫ ХТП В

КЛАССИФИКАЦИЯ ХТП И РЕАКТОРОВ

ПАРАМЕТРЫ ХТП В классификации технологических процессов большое значение имеет необходимый для их оптимизации технологический режим. Технологическим режимом называется совокупность основных факторов (параметров), влияющих на скорость процесса, выход и качество продукта. Для большинства химико-технологических процессов основными параметрами режима являются температура, давление, применение катализатора и активность его, концентрация взаимодействующих веществ, способ и степень перемешивания реагентов. Параметры технологического режима определяют принципы конструирования соответствующих реакторов. Оптимальному значению параметров технологического режима соответствуют максимальная производительность аппаратов и производительность труда персонала, обслуживающего процесс. Однако все параметры технологического режима взаимосвязаны и обусловливают друга. Изменение одного из параметров влечет за собой резкое изменение оптимальных величин других параметров режима. Необходимо выбрать параметры, оказывающие решающее влияние на технологический процесс.

КЛАССИФИКАЦИЯ ХТП И РЕАКТОРОВ Классификационные признаки характеризуются: параметрами технологического режима; гидродинамическими условиями проведения процесса в реакторе; теплообменными условиями процесса в реакторе; способом организации процесса; фазовым составом смеси; временными изменениями процесса; конструктивными особенностями реактора; агрегатным состоянием фазы и др.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА По значениям параметров технологического режима процессы и реакторы можно разделить на высоко- и низкотемпературные, протекающие при нормальном, повышенномом давлении и под вакуумом, с высокой и низкой концентрацией исходных веществ (процессы очистки реагирующих веществ от вредных примесей при малой концентрации газов), на каталитические и некаталитические процессы и реакторы. По гидродинамическому режиму различают два предельных случая перемешивания реагирующих компонентов с продуктами реакции (идеальное смешение и вытеснение) и соответствующие реакторы. РИС и РИВ. По температурному режиму , происходящие в них процессы и проточные реакторы, делят на изотермические, адиабатические и политермические.

ПОДРОБНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКТОРОВ 1 - по режиму движения агентов в аппарате ( гидродинамические условия). Аппараты для осуществления химических реакций разделяют на реакторы смешения (аппараты с мешалками), реакторы вытеснения (трубчатые) и промежуточного типа. 2 - по тепловым эффектам процессов рассматривают реакторы адиабатические (без теплообмена с окружающей средой), автотермические (температура поддерживается без внешних источников тепла), изотермические (постоянная температура в аппарате поддерживается за счет внешних источников теплоты). 3 -по способу подвода сырья и отвода продукта различают периодические, полунепрерывные непрерывно действующие аппараты-реакторы. 4 - по фазовому признаку для проведения гетерогенных процессов выделяют системы и реакторы Г-Ж , Ж-Т, и Г-Т ; реакторы для гетерогенно-каталитических процессов; для проведения гомогенных процессов - газо- и жидкофазные реакторы. 5 - по статическому ( стационарные) и динамическому (нестационарные ) режиму работы различают реакторы (аппараты с мешалкой, барбостационарные колонны, автоклавы). 6 - конструктивно различают реакторы емкостные, колонные (с насадкой или тарелками); по организация теплообмена (трубчатые, пленочные и пр. ); реакторы со взвешенным, движущимся и неподвижным слоем катализатора; аппараты высокого давления и температуры, электролизеры , печи. 7 - по агрегатному состоянию основной фазы в реакторе : различают аппараты с Г, Ж и Т фазой. Первые делят на контактные (с неподвижным и движущимся слоем катализатора) и высокотемпературные; вторые делят по конструктивным признакам на емкостные (вертикальные и горизонтальные), колонные (насадочные, тарельчатые и пустотелые) и змеевиковые; третьи - на камерные, барабанные, лопастные и с псевдоожиженным слоем.

Химический реактор - устройство, аппарат для проведения химических превращений (химических реакций). На практике, исходя из назначения или даже внешнего вида, используют много различных названий химических реакторов -реактор, колонна, башня, автоклав, камера, печь, контактный аппарат, полимеризатор, дожигатель, гидрогенизатор, окислитель и другие. Общие схемы некоторых из них приведены на рис. 2. 1.

СИСТЕМЫ Г: Ж, Г: Т , Ж: Т

ОПИСАНИЕ ТИПОВ РЕАКТОРОВ Реактор 1 - емкостной. Реагенты (чаще жидкость, суспензия) загружают в начале рабочего цикла. Мешалка обеспечивает перемешивание реагентов. Температурный режим поддерживается с помощью теплоносителя, циркулирующего в рубашке или во встроенном теплообменнике. После проведения реакции продукты выгружают, и после очистки реактора цикл повторяется. Процесс периодический. Реактор 2 - емкостной, проточный. Реагенты (чаще газ, жидкость, суспензия) непрерывно проходят через реактор. Газ барботирует через жидкость. Реактор 3 - колонный. Характерное для промышленных колонных реакторов отношение высоты к диаметру составляет 4 -6 (в емкостных реакторах это отношение около 1). Взаимодействие газа и жидкости подобно таковому в реакторе 2. Реактор 4 - насадочный. Взаимодействуют газ и жидкость. Объем реактора заполнен кольцами Рашига или другими нбольшими элементами - насадкой. Жидкость стекает по насадке. Газ движется между элементами насадки. Реакторы 5 -8 используют в основном для взаимодействия газа с твердым реагентом. В реакторе 5 твердый реагент неподвижен, газообразный (или жидкий) реагент непрерывно проходит через реактор. Процесс периодический по твердому веществу.

ПРОДОЛЕНИЕ ОПИСАНИЯ ТИПОВ РЕАКТОРОВ В реакторах 6 -8 процесс по твердому реагенту непрерывный. Твердый реагент продвигается вдоль вращающегося наклонно установленного круглого реактора 6 или просыпается через реактор 7 (подобно песочным часам). В реакторе 8 газ подается снизу, и при достаточно большой скорости подачи газа твердые частицы оказываются во взвешенном состоянии. Это -псевдоожиженный, или кипящий, слой, который обладает некоторыми свойствами жидкости. Можно организовать непрерывный поток твердого материала через аппарат. Реакторы 5, 9 используют также для проведения процессов на твердом катализаторе. Реактор 9 - трубчатый. По виду он подобен кожухотрубному теплообменнику. Через трубки, в которых протекает реакция, проходят газообразные или жидкие реагенты. Обычно в трубки загружен катализатор. Температурный режим обеспечивается циркуляцией в межтрубном пространстве теплоносителя. Трубчатый реактор 10 используют часто для проведения высокотемпературных гомогенных реакций, в том числе вязкой жидкости (например, пиролиз тяжелых углеводородов). Нередко такие реакторы называют печами. Реактор 11 - многослойный реактор (несколько слоев, например, катализатора) с промежуточным охлаждением (или нагревом) реагирующей смеси. На рисунке показано охлаждение путем ввода холодного газа после первого слоя и нагрев при помощи теплообменников после второго и третьего слоев. Реактор 12 - многослойный для газожидкостных процессов.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОМУ РЕЖИМУ По гидродинамическому режиму различают два предельных случая перемешивания реагирующих компонентов с продуктами реакции. Полное смешение представляет собой режим, при котором турбулизация столь сильна, что концентрация реагентов в проточном реакторе одинакова во всем объеме аппарата от ввода исходной смеси до места вывода продукционной смеси. Идеальное вытеснение наблюдается тогда, когда исходная смесь не перемешивается с продуктами реакции, а проходит ламинарным потоком по всей длине или высоте аппарата. Происходит плавное изменение концентраций в направлении потока реагентов, тогда как в реакционном объеме полного смешения нет градиента концентраций. В промышленных проточных реакторах степень перемешивания всегда меньше, чем в аппаратах полного смешения, и больше, чем в аппаратах идеального вытеснения. В некоторых типах реакторов режим перемешивания близок к одному из предельных случаев.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ТЕМПЕРАТУРНОМУ РЕЖИМУ В адиабатических процессах нет отвода или подвода теплоты, вся теплота реакции аккумулируется потоком реагирующих веществ. Такой режим возможен лишь в реакторах идеального вытеснения при полной изоляции от внешней среды, температура потока вдоль оси реактора прямо или обратно пропорциональна степени превращения исходного вещества в продукт. При изотермических процессах температура постоянна во всем реакционном объеме. Такой режим возможен лишь в реакторах с достаточно сильным перемешиванием, приближающимся к полному смешению. Например, процессы, в которых происходят реакции с малым тепловым эффектом (изомеризация) или при малой концентрации реагирующих веществ. Последнее характерно для процессов очистки газов от вредных примесей. В политермических реакторах теплота реакции лишь частично отводится из зоны реакции или компенсируется подводом для эндотермических процессов. В результате температура по длине (или высоте) реакционного объема изменяется неравномерно, и температурный режим выражается различными кривыми.

НЕПРЕРЫВНЫЕ ПРОЦЕССЫ По характеру протекания процесса во времени соответствующие аппараты и осуществляемые в них процессы делят на периодические и непрерывные. Непрерывными называются процессы, в которых поступление сырья и выпуск продукции происходят непрерывно (или систематическими порциями) в течение длительного времени. Непрерывно действующие реакторы называют проточными, так как через них постоянно протекают потоки реагирующих масс. При этом производительность аппаратов выше , нет простоев оборудования. Во всех точках аппарата соблюдаются постоянные температуры, концентрация веществ, давление, поэтому легко вести наблюдение за работой аппарата, механизировать загрузку сырья и выгрузку продукта, автоматизировать процесс. При этом, как правило, улучшается и качество продукции. Большинство химических производств уже работает непрерывно, оставшиеся периодические процессы постепенно заменяются непрерывными.

ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Периодическим называется процесс, в котором порция сырья загружается в аппарат, проходит в нем ряд стадий обработки и затем из аппарата выгружаются все образовавшиеся вещества. Таким образом, от загрузки сырья до выгрузки продукта проходит определенное время, в течение которого аппарат работает. В период же загрузки и выгрузки аппарат простаивает. Механизация и особенно автоматизация этих операций затруднена, так как требует периодически действующих механизмов. Еще труднее автоматизировать периодические процессы, так как показатели режима, по которым производится автоматизация (температура, давление, концентрация веществ), меняются в течение всего периода реакции. Периодические процессы сложны в обслуживании. Продолжительность цикла периодического производственного процесса всегда больше, чем непрерывного; энергетические затраты выше. Все эти причины и побуждают заменять периодические процессы непрерывными. Замена периодических процессов непрерывными - характерное для химической промышленности направление технического прогресса, тесно связанное с интенсификацией процессов, улучшением качества продукции и условий труда. Переход к непрерывным процессам, так же как применение конвейеров в механической технологии, повышает производительность труда.

ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЕРИОДИЧЕСКИХ И НЕПРЕРЫВНЫХ РЕАКТОРОВ Для периодических процессов присуще единство места протекания всех стадий процесса, т. е. в них операции загрузки сырья, проведение процесса и выгрузки готового продукта осуществляются в одном аппарате, но в разное время. Для непрерывных процессов присуще единство времени протекания всех стадий процесса, т. е. в них перечисленные выше операции осуществляются одновременно, но в различных аппаратах.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ФАЗОВОМУ СОСТОЯНИЮ На конструкцию реакторов и скорость процессов сильно влияют способ и степень перемешивания реагентов. В свою очередь, способ и интенсивность перемешивания реагирующих масс зависят от агрегатного состояния последних. Именно агрегатное состояние перерабатываемых веществ определяет способы их технологической переработки и принципы конструирования аппаратов. Поэтому при изучении общих закономерностей химической технологии принято делить процессы и соответствующие им реакторы прежде всего по агрегатному (фазовому) состоянию взаимодействующих веществ. По этому признаку все системы взаимодействующих веществ и соответствующие им технологические процессы делят на однородные, или гомогенные, и неоднородные, или гетерогенные.

ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Гетерогенные системы включают две или большее число фаз. Существуют следующие двухфазные системы: газ - жидкость, газ твердое тело; жидкость - жидкость (несмешивающиеся); жидкость твердое тело и твердое тело - твердое тело. В производственной практике наиболее часто встречаются системы Г-Ж, Г-Т, Ж-Т. Нередко производственные процессы протекают в многофазных гетерогенных системах, например Г-Ж-Т, Г-Т-Т, Ж-Т-Т, Г-Ж-Т-Т и т. п. Гетерогенные процессы более распространены в промышленной практике, чем гомогенные. При этом, как правило, гетерогенный этап процесса (массопередача) имеет диффузионный характер, а химическая реакция происходит гомогенно в газовой или жидкой среде. Однако в ряде производств протекают гетерогенные реакции на границе Г-Т, Г-Ж, Ж-Т, которые обычно и определяют общую скорость процесса. В гетерогенных системах различают прямоточные, противоточные и перекрестные процессы. Такой вид классификации необходим для определения характера изменения движущей силы процесса по высоте (длине) реактора.

ГОМОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Гомогенными называются такие процессы, в которых все реагирующие вещества находятся в одной какой-либо фазе: газовой (Г) или жидкой (Ж). В гомогенных системах взаимодействие веществ реакции происходят обычно быстрее, чем в гетерогенных, механизм всего технологического процесса проще и соответственно управление процессом легче, поэтому технологи на практике часто стремятся к гомогенным процессам. Обычно переводят твердые реагирующие вещества или по крайней мере одно из них в жидкое состояние плавлением или растворением; с той же целью производят абсорбцию или конденсацию газов.