Размещено на http://www.allbest.ru/

Хімічні реактори



Зміст

Вступ

1. Класифікація хімічних реакторів

2. Структура математичної моделі хімічного реактора

3. Реактор ідеального змішування періодичний

4. Реактори ідеального змішування безупинної дії

5. Реактор ідеального витиснення (РІВ)

6. Каскад реакторів ідеального змішування

7. Вибір хімічних реакторів

8. Причини відхилення реальних реакторів від моделей РІЗ та РІВ

9. Реактори для окремих хіміко-технологічних процесів

9.1 Реактори для гомогенних процесів

9.2 Реактори для проведення гетерогенних процесів

9.3 Реактори для каталітичних процесів

9.4 Класифікація

Висновок

Література



Вступ

Тема реферату «Хімічні реактори» з дисципліни «Загальна хімічна технологія».

Мета роботи -

1.надати:

- визначення хімічного реактора;

- класифікацію хімічних реакторів;

2.розглянути:

- модельні реактори (РІВ, РІЗ-П, РІЗ-б) та каскад реакторів;

- реактори для окремих хіміко-технологічних процесів;

3.робити вибір реакторів;

4.виявляти причини відхилення реальних реакторів від моделей.

Хімічним реактором називається апарат, у якому здійснюються хімічні процеси, що поєднують хімічні реакції з масо- і теплопереносом.

Всі апарати, розташовані до реактора, призначені для підготовки сировини до хімічної переробки. Усе те, що знаходиться після реактора, необхідно для поділу продуктів, що виходять у результаті реакції.



1. Класифікація хімічних реакторів

За гідродинамічною обстановкою розрізняють:

- реактори змішування - ємкісні апарати з перемішуванням механічною мішалкою, або циркуляційним насосом;

- реактори витиснення - трубчаті апарати ( апарати, які мають вигляд подовженого каналу.

Реальні апарати в більшому, або меншому ступені наближуються до двох моделей:

- Реактор ідеального змішування (РІЗ);

- Реактор ідеального витиснення (РІВ).

За умовами теплового обміну виділяють такі типи реакторів:

- адіабатичні, для них характерна відсутність теплообміну із зовнішнім середовищем;

- ізотермічні - за рахунок теплового обміну із зовнішнім середовищем забезпечується постійне значення температури;

- з проміжним тепловим режимом - тепловий ефект реакції частково компенсується обміном тепла з оточуючим середовищем, а частково визиває зміну температури оточуючого середовища;

- авто термічні реактори - підтримка температури здійснюється за рахунок теплового ефекту реакції без використання зовнішніх джерел енергії.

За фазовим складом:

- гомогенні реактори (газофазні та рідиннофазні);

- гетерогенні реактори( для систем: Г-Р, Р-Т, Г-Т);

- гетерогенно-каталітичні реактори.

За способом організації процесу:

- періодичної дії - всі реагенти поміщуються в реактор до початку реакції, а вивантажуються після її закінчення;

- безперервної дії - всі окремі стадії процесу (подача реагентів, реакція, вивантаження продуктів реакції) здійснюються паралельно;

- полу періодичної дії - один з реагентів подається безперервно, а інший періодично.

За характером зміни параметрів процесу в часі:

- зі стаціонарним режимом роботи - параметри потоку (концентрація, температура, швидкість руху) не залежать від часу;

- нестаціонарні - всі періодичні процеси.

За конструктивними ознаками:

- ємкісні реактори;

- вертикальні і горизонтальні циліндричні конвертори;

- колонні реактори - насадкові та тарілкові;

- каталітичні реактори з нерухомим, рухомим та псевдозрідженим шаром каталізатору;

- поличні реактори;

- реактори типу «теплообмінник»;

- реактори типу «реакційна піч».



2. Структура математичної моделі хімічного реактора

хімічний реактор реакція теплопренос

Методи розрахунку і проектування хімічних реакторів засновані на моделюванні реакторів і процесів у них.

Моделювання - це метод вивчення різних об'єктів, при якому дослідження проводять на моделі, а результати кількісно поширюють на оригінал. Модель може являти собою зменшену по визначених законах (чи в деяких випадках збільшену) копію реального об'єкта. Але моделлю може бути і визначена система представлень про реальний об'єкт, що виражається як сукупність математичних структур, рівнянь, нерівностей, таблиць, графіків. Таку модель називають математичним описом об'єкта чи його математичною моделлю.

При розробці математичної моделі доцільно використовувати ієрархічний підхід до реактора як до складної системи. (Ієрархія - це розташування частин елементів цілого в порядку від вищого до нижчого). Суть цього підходу полягає в тому, що складна система розглядається як сукупність підсистем, зв'язаних між собою.

Реактор і реакційний вузол, будучи складними об'єктами, мають багатоступінчасту структуру і їхні математичні моделі будуються послідовно на основі попередньої побудови їхніх складових частин і введення співвідношень, що зв'язують перехід з одного рівня на іншій. Важливу роль математичного опису хімічного реактора грають балансові рівняння, що є вираженням загальних законів збереження маси й енергії.

де С_0,j - початкова концентрація речовини j в матеріальному потоці;

v₀ - об'ємна витрата потоку на вході в реактор;

С_j - концентрація речовини j на виході з реактору;

v - об'ємна витрата потоку на виході з реактору;

w_r,j - швидкість хімічної реакції за реагентом j;

V - об'єм реактору.

Усі члени цього рівняння виміряються в одиницях кількості речовини (кмоль). Розділимо ліву і праву частину на dф

Права частина рівняння являє собою швидкість накопичення речовини j в реакторі. При постійному об'ємі V швидкість накопичення можна представити у вигляді .



3. Реактор ідеального змішування періодичний

Реактор ідеального змішування періодичний називаний скорочено РІЗ - П, являє собою апарат з мішалкою, у який періодично завантажуються реагенти. Реагенти завантажуються спочатку операції. При цьому процес складається з трьох стадій: завантаження сировини, його обробки (хімічне перетворення) і вивантаження готового продукту. Після проведення всіх цих операцій вони повторюються знову. тривалість одного циклу, проведеного в періодичному реакторі, визначається по рівнянню

,

де ф_п - повний час циклу;

ф - робочий час, затрачуваний на проведення хімічної реакції;

ф_доп - допоміжний час.

У такому реакторі створюється дуже інтенсивне перемішування, тому в будь-який момент часу концентрація реагентів однакова у всьому об'ємі апарата і змінюється лише в часі, по мірі протікання хімічної реакції. Таке перемішування можна вважати ідеальним, звідси і назва реактору.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Зміна концентрації вихідного реагенту j в часі й в об'ємі в РІЗ - П

C_j,0 - початкова концентрація реагенту А в вхідної суміші.

ф - час;

у - просторова координата (координата місця).

Періодичні хімічні процеси по своїй природі завжди є нестаціонарними (тобто несталими), тому що в ході хімічної реакції змінюються параметри процесу в часі (наприклад, концентрація речовин), тому що відбувається нагромадження продуктів реакції.

Для розрахунку періодичного реактора треба знати його рівняння, що дозволяє визначити робочий час ф, необхідне для досягнення заданого ступеня перетворення х_j, при відомій початковій концентрації речовини С_j,0 і відомій кінетиці процесу, тобто при відомій швидкості хімічної реакції w_j.

Підставою для одержання рівняння реактора будь-якого типу є матеріальний баланс, складений по одному з компонентів реакційної суміші.



4. Реактори ідеального змішування безупинної дії

У реакторах безупинної дії (чи проточних) живлення реагентами і відвід продуктів реакції здійснюється безупинно.

Режим роботи такого реактору стаціонарний (сталий).

Стаціонарність процесу в проточному реакторі можна забезпечити, якщо об'ємні витрати на вході v та виході v₀ однакові. Тоді,

Рівняння можна записати у вигляді:

Величина в рівнянні вимірюється в одиницях часу і характеризує середній час на протязі якого оновлюється вміст проточного реактору. Цю величину називають середній час перебування реагентів. Дійсний час перебування частинок в проточному реакторі змішування є випадковою величиною на відміну від часу перебування реагентів в періодичному реакторі. В періодичному реакторі всі завантажені до нього частинки речовин знаходяться від завантаження до вивантаження. В проточному реакторі ідеального змішування ці частинки миттєво і рівномірно розподіляються по всьому об'єму апарату, і так як з апарату безперервно виходить потік продуктів, то в момент входу частинок до апарату якась їх кількість може влучити до вихідного потоку. Деякі частинки, рівномірно розподіляючись в нових порціях реакційної суміші, яка надійшла до апарату, можуть знаходитись в ньому безкінечно довго. Таким чином, дійсний час перебування частинок в проточному реакторі - це випадкова величина, яка може змінюватися від 0 до ?. Таку величину можна задавати за допомогою вірогідних характеристик, наприклад, за допомогою функції розподілу випадкової величини.

Допущення, які прийняті для гідродинамічного опису такого реактору наступні - у потоці відбувається повне змішування частинок, тобто будь-яка зміна концентрації речовини на вході потоків у зону ідеального змішування миттєво розподіляється по всьому об'єму зони ідеального змішування. Графічно зміну концентрації та ступеня перетворення відображують характеристичними кривими, представленими на рис.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Зміна концентрації вихідного реагенту j в часі й в об'ємі в РІЗ - Б

Для розрахунку реактору безупинного реактору ідеального змішування (РІЗ-Б) в якому протікає проста незворотна реакція n-го порядку в загальному випадку використовують характеристичне рівняння:

,

де x_j - ступінь перетворення реагенту j;

С_j,0 - початкова концентрація реагенту j.



5. Реактор ідеального витиснення (РІВ)

Являє собою трубчастий апарат, у якого відношення довжини труби L до її діаметра d - досить велике. В реактор безупинно подаються реагенти, що перетворюються в продукти в міру переміщення їх по довжині реактора.

Гідродинамічний режим у РІВ характеризується тим, що будь-яка частка потоку рухається тільки в одному напрямку по довжині реактора, подовжнє перемішування відсутнє, відсутнє також перемішування по перетині реактору.

Передбачається, що розподіл речовин по цьому перетині рівномірний, тобто значення параметрів реакційної суміші по перетині однакові. Кожен елемент об'єму реакційної маси dV не змішується ні з попередніми, ні з наступними обсягами, і поводиться як поршень у циліндрі. Такий режим називається поршневим чи повним витисненням. Склад кожного елемента обсягу послідовно змінюється внаслідок протікання хімічної реакції.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3. Зміна концентрації реагенту С_А і ступеня перетворення Х_А по довжині



Для складання математичного опису РІВ виходять з диференціального рівняння матеріального балансу.

Оскільки в РІВ реакційна суміш рухається тільки в одному напрямку (по довжині L), то в реакторі РІВ джерелом зміни концентрації є рух потоку реагентів та хімічна реакція, тому балансове рівняння, яке визначає швидкість зміни концентрації має виглядати так:

,

де w -лінійна швидкість руху потоку реагентів;

w_r - швидкість хімічної реакції.

Для сталого стану (стаціонарного режиму):

,

З урахуванням цього рівняння можна перебудувати таким чином:

,

Лінійну швидкість руху можна виразити через координату х:

,

Тоді рівняння може бути спрощено:



,

Модель РІВ відповідає кінетиці процесу.



6. Каскад реакторів ідеального змішування

В одиничному реакторі ідеального змішання (РІЗ - Б) унаслідок того, що концентрація реагентів миттєво знижується до скінченої величини, швидкість реакції при великому ступені перетворення невелика, тому для досягнення високого ступеня перетворення потрібен реактор великого об'єму. Тому дуже часто застосовують ряд послідовно розташованих РІЗ - Б, тобто К - РІЗ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4. Зміна концентрації в каскаді реакторів.

Каскад являє собою декілька послідовно з'єднаних проточних реакторів (секцій) ідеального змішування Математична модель каскаду реакторів ідеального змішування, що працює в ізотермічному режимі, являє собою систему рівнянь матеріального балансу по якомусь учаснику реакції, що включає, щонайменше, m рівнянь по числу секцій каскаду. Концентрація вихідного реагенту в такій системі знижується до кінцевого значення не відразу, а поступово від реактора до реактора.

У розрахунку каскаду для кожної ступіні використовується проектне рівняння проточного безупинно діючого реактора ідеального змішування.

Для одиничного реактора ідеального змішування.

Час перебування розраховується по рівнянню:

Нехай m - число реакторів у каскаді, тоді для будь-якого реактора каскаду:

Звідки :

За законом діючих мас швидкість реакції 1 порядку записується

Нехай час перебування у всіх реакторах каскаду буде однаковим



Логарифмуючи це рівняння одержимо кількість ступенів каскаду, необхідних для досягнення заданої концентрації реагенту А.



7. Вибір хімічних реакторів

Основними факторами порівняння хімічних реакторів, які мають визначати вибір типу апарату, є кінетика хімічних реакцій, відношення порядків основної та побічної реакцій, а також розподіл часу перебування концентрацій реагентів та температур в реакційному об'ємі.

Ці фактори в різних типах реакторів можуть по-різному впливати на ступінь перетворення і селективність хімічного перетворення.

Загальне правило вибору реактора:

Якщо залежність між ступенем перетворення й вибірковістю падає, то варто вибирати реактор змішування періодичної дії або реактор витиснення, для реакцій зі зростаючою залежністю - реактор змішування безперервної дії.

За співвідношенням швидкостей прямої та побічної реакцій для вибору реактору можна користуватися рекомендаціями наведеними в таблиці.

Тип реакції	Співвідношення швидкостей	Реактор
		РІЗ-П	РІВ	РІЗ-Б та каскад
	wA1 ? wA2
	wB1 > wB2
	wA1 < wA2 wB1 < wB2		с рециркуляцією	одиночний апарат
	wA1 ? wA2		З багато точковою подачею реагентів	каскад з паралельним живленням



8. Причини відхилення реальних реакторів від моделей РІЗ та РІВ

При складанні математичної моделі реакторів ідеального змішання і витиснення був зроблений ряд допущень, що полегшують як побудову моделей, так і розрахунки на їхній основі. Однак ці допущення не завжди близькі до реальних умов. Роботу проточного безперервно діючого реактору можна охарактеризувати наступним чином: в апарат поступає реакційний потік і якимсь способом від вхідного отвору до вихідного. При цьому припускається, що всі елементи реакційного потоку знаходяться в реакторі якийсь час, на протязі якого може протікати хімічна реакція. В загальному випадку час перебування окремих елементів потоку в проточному апараті це безперервна випадкова величина, значення якої може змінюватися від 0 до . Може виявиться так, що якийсь елемент потоку в реакції фактично не приймає участі, так як він попадає в реакторі в так звану застійну зону. Тут реакційна суміш затримується і швидкість хімічної реакції значно відрізняється від швидкості в загальному потоку реагентів.

Другою причиною, по якій частина реакційного потоку може не приймати участь у реакції, є наявність байпасів.

Рис.5. Механізм утворення внутрішніх байпасах ліній.

Особливо часто байпаси виникають при недостатньо продуманому конструктивному рішенні в апараті, де реакційним простором є поверхня зернистого каталізатора.

Найкращі результати могли б бути отримані, якби всі елементи реакційного потоку знаходилися в зоні реакції строго однаковий час. Це можливо в апараті ідеального витиснення, що характеризується плоским профілем лінійних швидкостей потоку. Однак у реальних реакторах, навіть близьких до ідеального витиснення, все-таки існує якийсь розподіл елементів потоку в часі перебування, можливо внаслідок часткового перемішування елементів потоку в осьовому напрямку. Таке перемішування може виникнути в результаті молекулярної дифузії в двох сусідніх точках потоку, по довжині реактора витиснення концентрації учасників реакції будуть різними, різниця концентрації ДС є рушійною силою дифузії. Наявність подовжньої дифузії приводить до порушення поршневого плину потоку - відбудеться розмивання поршня, якщо розглядати деякий елемент потоку як поршень.

Поряд з молекулярною дифузією відбувається турбулентна дифузія. Турбулентний потік відрізняється наявністю спрямованих в усі сторони хаотичних пульсацій швидкості щодо її середнього значення. При цьому пульсації в радіальному напрямку приводять до вирівнювання умов (концентрацій, температури) за поперечним значенням і отже необхідні для реактора ідеального витиснення. Пульсації в подовжньому напрямку, навпаки, приводять до того, що одні елементи потоку обганяють основну масу, інші відстають від її, тобто відбувається перемішування чи дифузія. Дифузія в осьовому напрямку відбувається не тільки в турбулентному режимі потоку. Подовжнє перемішування може бути наслідком нерівномірності полю швидкостей, наприклад, при ламінарному режимі руху рідини. У цьому випадку елементи потоку рухаються в центрі каналу швидше, ніж у стінки, результат буде той же, що й у випадку молекулярної дифузії - розмивання поршня. Такий вид дифузії зветься - тейлоровська дифузія.



9. Реактори для окремих хіміко-технологічних процесів

9.1 Реактори для гомогенних процесів

Реактори для гомогенних процесів є типовою хімічною апаратурою, серійно випускаються машинобудівними заводами та вибираються по відповідним машинобудівним каталогам.

Газофазні процеси, як правило, проводять в камерних та трубчастих реакторах.

Камерні реактори використовують для синтезу хлороводню та спалювання сірки (рис.6).

Рис.6. Камерний реактор

Камерні реактори звичайно футеровані кислототривким та жароміцним матеріалом. Пальники виконують з легованих сталей або спеціальних металів, наприклад з танталу у виробництві хлороводню.

Трубчасті реактори виконують у вигляді газових теплообмінників. (рис.7).



Рис.7. Трубчастий реактор

Для проведення гомогенних рідиннофазних процесів використовують реакційні казани - реактори з різноманітними перемішуючими приладами. (рис.8).

Рис.8. Реактор з мішалкою

Для проведення безперервних рідиннофазних процесів (нейтралізації, полімеризації, поліконденсації) використовують проточні реактори - одиночні, каскади та реактори ідеального витиснення.

9.2 Реактори для проведення гетерогенних процесів

Конструкції реакторів для проведення гетерогенних процесів відрізняються насамперед за фазовим складом реакційного середовища.

Так, для процесів в системах «газ-рідина» Найчастіше використовуються такі реактори:

Насадкова колона (плівковий реактор - рис.9.)- рідина стікає з поверхні насадки тонкою плівкою, взаємодіючи з газом. Застосовують у виробництві сірчаної та азотної кислот та оргсинтезах.

Барботажний реактор (рис.10) - колонні апарати з сітчастими (а) та ковпачковими (б) тарілками.

Рис.9. Насадкова колона

На кожній тарілці відбувається диспергування газу в шарі рідини. Такі апарати використовуються в процесах концентрування кислот, у виробництві соди а також для процесів дистиляції та ректифікації.

Використовуються також порожні башти з розбризкуванням рідини. Тут розвиток поверхні рідкої фази відбувається розпиленням її пневматичним або механічним шляхом в потоці газу (використовуються у виробництві сірчаної кислоти.

Рис.10. Колонні апарати з сітчастими (а) та ковпачковими (б) тарілками



Одними з найефективніших апаратів для проведення газорідинних процесів вважаються апарати пінної абсорбції. В пінних апаратах потік газу проходить знизу в гору з такою швидкістю, що вона утримує шар рідини на сітчастій поверхні.

Реактори для реакційних систем «газ-тверде» звичайно представляють собою печі різноманітної конструкції, безперервної та періодичної дії з прямоточною та протиточною подачею газоподібного та твердого реагентів.

9.3 Реактори для каталітичних процесів

Апарати для гомогенних газових реакцій можуть бути камерами, колонками, трубчастими теплообмінниками і т.д. Їх називають контактними апаратами. Контактні апарати повинні працювати безупинно, мати високу інтенсивність, забезпечувати режим процесу, близький до оптимального, особливо температурний, мати просту конструкцію і легко обслуговуватися (тобто досить суперечливі вимоги).

9.4 Класифікація

1.По фазовій ознаці - газофазний, рідиннофазний, із твердим чи рідким каталізатором. Найбільше число промислових процесів здійснюють у газовій фазі на твердих каталізаторах.

2.По температурному режимі:

адіабатичні

ізотермічні

політропічні

3.По ступені перемішування розрізняють граничні режими;

ідеального змішання, чи повного змішання

ідеального витиснення

неповного змішання, що фактично існують і характеризуються дифузійною моделлю.

4.По гідродинамічному режимі зернистого каталізатора з потоком газу

з нерухомим шаром каталізатора (фільтруючим)

зі зваженим (киплячим) шаром каталізатора

з каталізатором, який безупинно рухається по усій висоті об'єму.

У цю класифікацію не ввійшли апарати поверхневого контакту у вигляді труб чи сіток, через які пропускається газ.

При поверхневому контакті поверхня каталізатора мала. Тому апарати такого типу застосовують для швидких екзотермічних реакцій на високо активних каталізаторах.

У корпусі апарата розміщені одна над інший кілька сіток, виготовлених з активного для даної реакції чи металу сплаву. Час контакту складає тисячні і менше частки секунди. Прості по пристрої і високо продуктивні. (Окислювання аміаку на паладієво-родієвих сітках, окислювання ізопропилового спирту до ацетону, окислювання ацетону до формальдегіду на срібних сітках),

Апарати з фільтруючим шаром каталізатора - найбільш розповсюджений тип реактора. У цих реакторах шар чи каталізатора кілька шарів лежать на решітчастій опорі чи завантажені в труби і через нерухомий шар каталізаторів пропускається суміш реагуючих газів при режимі, близькому до ідеального витиснення.

Поличний контактний апарат. Один з найбільш розповсюджених типів контактних апаратів. Принцип пристрою полягає в тому, що при підігріві чи охолодженні газу між шарами каталізатора, що лежать на полках, виробляється в самому контактному апараті з використанням різних теплоносіїв чи способів охолодження.

Між дірчастими полками, на яких розташовані шари каталізатора, розміщені теплообмінники. В апаратах такого типу висота нижчерозташованого шару каталізатора більше, ніж розташованого над ним, а висота теплообмінників зменшується, тому що в міру зростання загального ступеня перетворення швидкість реакції знижується, і відповідно знижується кількість теплоти, що виділилася.

У міжтрубному просторі теплообмінників послідовно знизу нагору проходить свіжий газ, прохолоджуючи продукти реакції і нагріваючись до температури початку реакції.

У великомасштабних виробництвах маються контактні апарати великих розмірів (до 18м у діаметрі). Установка внутрішніх теплообмінників, що складаються з тисяч труб, значно ускладнює конструкцію й утрудняє обслуговування, особливо заміна прогорілих труб. Тому застосовують контактні апарати з виносними теплообмінниками. У деяких процесах проміжне охолодження можна здійснити введенням одного з реагентів між стадіями контактування (азото - воднева суміш при синтезі аміаку

Апарати зі зваженим (киплячим, псевдозрідженим) шаром каталізатору.

Дозволяє усунути недоліки фільтруючого шару. Звичайно застосовується дрібний 0,1 - 2 мм каталізатор. Зовнішній вигляд шару нагадує киплячу рідину, він також пронизаний міхурами газу. По ступені перемішування апарат наближається до моделі ідеального перемішування, температурний режим ізотермічний. Найважливіша перевага - це підвищення продуктивності каталізатора.

Головний недолік - зниження рушійної сили процесу внаслідок повного перемішування газу, а також велике віднесення пилу.



Висновок

В процесі виконання роботи були розглянуті наступні питання:

Визначення хімічного реактора. Класифікація хімічних реакторів;

Модельні реактори (РІВ, РІЗ-П, РІЗ-б) та каскад реакторів;

Вибір реакторів;

Причини відхилення реальних реакторів від моделей;

Реактори для окремих хіміко-технологічних процесів.



Література

1.Мухленов И.П. и др. Общая химическая технология. - М.: Высшая школа, 1991.-С. 164-191

2.Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. - М.: Высшая школа, 1990.-С. 265-270

Размещено на Allbest.ru