48201

Реактори хімічної промисловості

Лекция

Химия и фармакология

Тому на відміну від швидкості хімічної реакції користуються поняттям загальної спільної швидкості процесу. Хімічна кінетика вчення про швидкості хімічної реакції. Під кінетикою реакції розуміють залежність швидкості даної реакції від концентрацій температури тиску. Термодинаміка дає уявлення про можливість здійснення а також про напрям розвитку як самої хімічної реакції так і окремих її етапів.

Украинкский

2013-12-08

143 KB

10 чел.

PAGE  1

ЛЕКЦІЯ №1

1.  Реактори хімічної промисловості

Хімічними реакторами називають апарати, в яких здійснюються хімічні перетворення з метою отримання|здобуття| певної речовини в рамках| одного технологічного процесу. Конструкції їх багато чисельні|різноманітні|, а хімічні| перетворення часто складні.

Реактор є головним апаратом технологічної установки і за значенням займає провідне місце у виробництві хімічних продуктів.

Основним показником при оцінці роботи реактора є|з'являється| його продуктивність, що виражається|виказує| кількістю продукту, утвореною в одиниці об'єму|обсягу| реактора за одиницю часу. Продуктивність визначається перш за все|передусім| швидкістю, з|із| якою розвивається процес. Зазвичай|звично| хімічна реакція, що проводиться в реакторі, супроводжується|супроводиться| фізичними явищами масопередачі|. Тому на відміну від швидкості хімічної реакції користуються поняттям загальної|спільної| швидкості процесу. Загальну|спільну| швидкість отримують|одержують| підсумовуванням швидкостей всіх хімічних і фізичних етапів процесу по певних законах.

Знання механізму процесу не є головним при вивченні реакторів, тоді як знання хімічної кінетики і термодинаміки абсолютно необхідне.

Хімічна кінетика - вчення про швидкості хімічної реакції. Під кінетикою реакції розуміють залежність швидкості даної реакції від концентрацій, температури, тиску. Велике значення має знання кінетики реакцій, що пов'язане не тільки із завданнями проектування реакторів, але і із завданнями теорії механізму реакцій.

Термодинаміка дає уявлення про можливість здійснення, а також про напрям розвитку як самої хімічної реакції, так і окремих її етапів. Крім того, термодинаміка дозволяє отримати дані, необхідні для визначення ступеня перетворення при рівновазі, теплового ефекту реакції, залежності константи рівноваги від температури і так далі Проте термодинаміка не визначає час, необхідний для отримання заданого ступеня перетворення; це питання можна вирішити розглядаючи спільно кінетику і термодинаміку хімічної реакції.

1.1 Класифікація хімічних реакцій

Для хімічних реакцій прийнято декілька класифікацій, заснованих на критеріях молекулярності|, порядку|ладу|, гомогенності, складності і теплового ефекту.

 Молекулярність і сумарний порядок реакції іноді співпадають. В цьому випадку стехіометричне рівняння простий реакції відповідає її механізму.

По агрегатному стану взаємодіючих речовин (гомогенності) реакції можуть бути розділені на гомогенні і гетерогенні. У гомогенних реакціях бере участь одна фаза (газоподібна або рідка). У гетерогенних реакціях беруть участь дві або більше  фази.

По складності розрізняють реакції прості і складні.

Прості реакції:

- необоротні

- оборотні

Складні реакції:

- паралельні

- послідовні

- змішані

- (паралельні і послідовні)

До складних реакцій можна також віднести ланцюгові реакції.

По тепловому ефекту реакції класифікують на ендотермічні і екзотермічні.

Ізотермічний режим найпростіше здійснюється в апаратах ідеального змішування.

Адіабатичний режим - відсутність теплообміну через зовнішні і внутрішні поверхні реактора.

1.1.1 Швидкість хімічної реакції

Основний величиною в хімічній кінетиці є швидкість реакції. Її можна виразити зміною кількості моль (або маси) речовин, що беруть участь в реакції, в одиниці об'єму за одиницю часу:

, (1.1)

де - швидкість реакції, кмоль(м-3с-1); - число моль реагенту і продукту, відповідно; - час, с; - об'єм реакційної системи (необхідний об'єм розчину), м3.

Швидкість реакції залежить від властивостей взаємодіючих реагентів, концентрації реакційної системи і температури. Для однієї і тієї ж хімічної реакції тільки два чинники можуть змінюватися, а властивості реагентів (теплота, хімічна активність і так далі) залишаються тими ж.

Отже  (температура, концентрація реакційної системи)

У ізотермічних умовах:  (концентрація реакційної системи)

Величина  к в останньому рівнянні - константа швидкості реакції (або питома швидкість реакції). Насправді ця константа, згідно закону Ареніуса, є функцією температури:

, (1.2)

де - константа, що характеризує реакцію; - енергія активації, кДж/кмоль; R - універсальна газова стала, кДж/(кмоль.К); Т - абсолютна температура, при якій відбувається реакція, К;

Активні маси, що визначають швидкість хімічної реакції, у разі|в разі| ідеальної системи, можна виразити|виказувати| через концентрації або парціальний тиск|тиснення|, в інших же випадках -| через активності.

Виходячи з об'єму реактора отримуємо:

(кількість молей, що утворилися /(об'єм реактора).час) (1.3)

У двофазних системах, виходячи з поверхні контакту фаз маємо:

( кількість молей, що утворилися /(поверхня контакту).час), (1.4)

У реакціях з твердою фазою

( кількість молей, що утворилися /(маса твердого тіла).час), (1.5)

У залежностях (1.3), (1.4), (1.5) - швидкість реакції, кмоль.с-1; - кількість моль речовини, кмоль; - об'єм реакційної суміші, м3; - поточний час, з; S - площа поверхні контакту взаємодіючих фаз, м2; M- кількість речовини, кмоль.

Швидкість хімічної реакції можна записати таким чином:

, (1.6)

Це рівняння називається кінетичним рівнянням хімічної реакції. K - константа швидкості реакції, с-1; - порядки реакції по компонентах і Залежність швидкості реакції від температури. З|із| рівняння Ареніуса  виходить експоненціальна залежність констант швидкості реакції від температури. Швидкість реакції стає, таким чином, залежною від температури через константу швидкості. Характер|вдача| зміни швидкостей хімічних реакцій від температури залежать від типу|типа| реакцій. На рис.| 1 представлено|уявляти| декілька таких випадків.

Швидкість простих необоротних|незворотних| реакцій залежить від температур по рівнянню Ареніуса (рис. 1.а|).|.

                  Рис. 1 - Залежність швидкості реакції від температури.

Для реакцій в гетерогенній системі загальна|спільна| швидкість процесу є|з'являється| результатом швидкостей хімічних реакцій і швидкостей масопередачі|. Якщо масопередача| є|з'являється| визначальним етапом гетерогенного процесу, то залежність від температури мало помітна (рис. 1.б|).

Реакції в полум'ї характеризуються температурою горіння, при якій швидкість реакції раптово зростає до великих значень (рис. 1 в).

Оборотні реакції мають максимальну швидкість при певних температурах, часто оптимальних. При такій температурі швидкість зворотної реакції зростає швидше, ніж швидкість прямої реакції, так що загальна|спільна| швидкість реакції зменшується (рис. 1.г|).

Крива такої ж форми відповідає оборотним фізичним явищам: наприклад, у разі каталітичних реакцій оборотним буде процес адсорбція-десорбція.

Відомо декілька випадків, коли швидкість реакції знижується із|із| збільшенням температури (рис. 1д|). Як приклади|зразки| можуть служити окислення|окислений| окислу азоту і вуглеводів.

1.2 Класифікація реакторів

Хімічними реакторами прийнято вважати апарати, в яких здійснюються хімічні процеси з метою отримання певної речовини в рамках одного технологічного процесу.

При оцінці роботи реактора дуже важливо знати основні його характеристики (ступінь перетворення, вихід і вибірковість-селективність), визначувані за допомогою наступних співвідношень:

1.2.1 Класифікація хімічних реакторів

Розглядаючи все різноманіття реакційних пристроїв в хімічній промисловості, можна зробити висновок про те, що у всіх реакторах мають місце певні фізико-хімічні процеси (гідродинамічні, теплові і дифузійні), за допомогою яких створюються оптимальні умови для проведення власне хімічного перетворення речовини (хімічній реакції). Для здійснення цих фізико-хімічних процесів реактор має в своєму пристрої конструктивні елементи, що використовуються в апаратах для проведення власне фізичних процесів (мішалки, контактні пристрої, теплообмінники і так далі).

Тому всі хімічні реактори можна розглядати як апарати комплексні, що складаються з відомих конструктивних елементів, більшість з яких окремо використовується для проведення технологічних операцій, що не супроводжуються хімічним перетворенням речовин, які переробляються.

Критеріями, по яких класифікують реакційну апаратуру є періодичність або безперервність процесу, його гідродинамічний і тепловий режими, фізичні властивості взаємодіючих речовин.

За принципом організації процесу хімічна реакційна апаратура може бути розділена на три групи:

- безперервної дії;

- періодичної дії;

- напівбезперервної дії.

По структурі потоків:

- ідеального перемішування,

- ідеального витіснення|,

- дифузійні,

- коміркові,

- з|із| комбінованою структурою потоку.

 По тепловому режиму роботи реактори ділять на наступні типи:

- ізотермічний реактор;

- адіабатичний реактор;

- політропічний реактор;

- реактор з програмованим тепловим режимом.

По конструктивних особливостях - класифікація реакторів об'єднує всю реакційну апаратуру в наступні групи:

- типу реакційної камери;

- типу колони;

- типу теплообмінника;

- типу печі.

По  фазовому складу реагуючих речовин :

- гомогенні;

- гетерогенні;

гетерогенно – каталітичні.

Найважливішим з чинників, що визначають пристрій реактора, можна віднести наступні: агрегатний стан початкових речовин і продуктів реакції, а також їх хімічні властивості, температури і тиск, при яких протікає процес, тепловий ефект процесу і швидкість теплообміну; інтенсивність перемішування реагентів, безперервність або періодичність процесу; зручність монтажу і ремонту апарату, простоту його виготовлення; доступність конструкційних матеріалів і так далі

Зі всіх перерахованих вище чинників агрегатний стан речовини чинить найбільший вплив на принцип дії реактора, і його конструктивне оформлення. Крім того, залежно від цього чинника визначається вибір деяких основних і допоміжних вузлів апарату, таких, як, наприклад, живильник, перемішуючий пристрій, поверхня теплообміну і так далі.

1.3 Вплив умов проведення процесу на вибір конструкційних матеріалів

Для виготовлення типової реакційної апаратури використовують різні конструкційні матеріали, що володіють різноманітними, часто специфічними властивостями. Зокрема вони повинні мати достатню механічну міцність, хімічну стійкість до корозійної дії початкових речовин і продуктів реакції, володіти хорошою теплопровідністю або навпаки малою теплопровідністю, не надавати каталітичної дії на процес хімічного перетворення, мати достатньо хорошу і термічну оброблюваність, а також бути доступними і дешевими.

Всі конструктивні матеріали, що вживаються для виготовлення реакційної апаратури можна об'єднати в дві групи: метали і неметалічні матеріали.

Метали. Найбільш широкого поширення в реакторобудуванні набули сталі і чавуни. Для виготовлення апаратів використовуються сталі різних марок: вуглецева сталь (фланці, болти, трубні решітки, корпуси); високоякісна вуглецева сталь (корпуси, днища, деталі емальованої апаратури, а також апаратура працює при високому тиску і при температурі від -40 до +450 оС і так далі); сталеве литво (реактори типу автоклавів, фасонні деталі); листова сталь (апарати працюють під тиском до 60 ат. і температурі 450 оС); леговані (спеціальні) стали - нержавіючі, кислотостійкі жароміцні, окалиностійкі і так далі (апарати, що працюють в умовах дії азотної або соляної кислоти).

Найчастіше застосовують наступні|слідуючі| марки чавунів: сірий чавун (корпуси апаратів); ковкий і високоміцний чавун (окремі деталі апаратів, що володіють високою міцністю); лугостійкий чавун (апарати працюють в умовах NаOH|, KOH|)

Багато кольорових і рідкісних металів.

Алюміній (апаратура, що працює при дії азотної кислоти, при температуре150 оС під нормальним тиском);

Мідь і нікель -| апарати працюють в умовах дії гарячих хімічних агресивних середовищ|середи|.

Тантал - апаратура стійка до дії гарячої соляної кислоти або суміші азотної і соляної кислот при температурі до 3500С і тиску до 70 ат.

Титан - облицювання внутрішніх поверхонь реакторів що працюють в умовах дії оцетової кислоти, розбавленої соляної кислоти, розчинів хлористого магнію і так далі

Для виготовлення реакторів використовують також двошаровий конструкційний листовий матеріал. Основний шар -| вуглецева сталь: другий шар (плануючий) з|із| кольорового або легованого металу наносяться|завдають| на основній і безпосередньо стикається|торкається| з|із| реакційним середовищем|середою|.

Тим самим знижується витрата дефіцитного дорогого металу, здешевлення вартості конструкційного матеріалу при підвищенні його корозійної стійкості.

Неметалічні матеріали - кераміка, фарфор, стекло, кислотостійкий бетон, і так далі (неорганічні матеріали). З органічних матеріалів - графіт і графітові матеріали, фаоліт, текстоліт, вініпласт, тефлон і так далі

Крім того, застосовуються захисні покриття від коррозії -| свинець, емаль, скло. Найчастіше застосовують футерування з|із| метлахскої| плитки, кислототривкої цегли, графітові плитки, гуму, каучук, пластичні маси і так далі За допомогою гуми і каучуку проводять|виробляють| гумування устаткування|обладнання|.

1.4 Апарати ідеального витіснення, ідеального змішування і проміжного типу

Реактори ідеального витіснення (рис. 2). Реактор ідеального витіснення характеризується змінною концентрацією реагуючих речовин по довжині апарату, найбільшою різницею концентрацій на вході і виході з реактора і, отже, найбільшою середньою рушійною силою процесу.

                а) однотрубний реактор; б) багатотрубний реактор.

                      Рис. 2 - Реактори ідеального витіснення.

Зміна концентрації в реакційному об'ємі носить плавний характер, оскільки подальші реакційні об'єми реагуючих речовин не змішуються з попереднім, а повністю витісняються.

Практично до режиму ідеального витіснення можна наблизитися в реакторі з малим діаметром і великою довжиною при високих швидкостях руху реагуючих речовин. Реактори ідеального витіснення знаходять широке застосування для проведення як гомогенних, так і гетерогенних каталітичних процесів (наприклад, окислення NO в NO2, SO2 в SO3, синтезу аміаку і метилового спирту, хлорування етилену, сульфування пропилену і бутилену і так далі).

Реактори ідеального змішування (рис. 3). Реактор повного змішування зазвичай забезпечений перемішуючим пристроєм і характеризується постійністю концентрації реагуючих речовин у всьому об'ємі реактора в даний момент часу, внаслідок практично миттєвого змішування  реагуючих речовин в реакційному об'ємі.

Тому зміна концентрації реагуючих речовин на вході в реактор носить стрибкоподібний характер. Середня рушійна сила процесу в такому апараті буде менша, ніж в апараті повного витіснення.

Реактори цього типу найширше застосовуються для проведення таких процесів, як нітрування, сульфування, полімеризація і так далі

В деяких випадках процес хімічного перетворення речовини проводиться не в одному апараті змішування, а в декількох таких апаратах, сполучених|з'єднаних| послідовно. Така система, що складається в деяких випадках з 20 і більш  апаратів, отримала|одержувала| назву каскаду реакторів (рис. 3 д|). У каскаді реакторів зміна концентрації реагуючих речовин носить ступінчастий|східчастий| характер|вдача|, оскільки|тому що| продукт реакції попереднього апарату є|з'являється| початковою|вихідною| реагуючою речовиною в подальшому|наступному| апараті.

а) одноступінчатий апарат; б) характер зміни концентрації в одноступінчатому апараті; в) багатосекційний горизонтальний апарат; г) вертикальний багатоступінчатий апарат;  д) батарея апаратів змішування; е) характер зміни концентрації в багатоступінчатому апараті.

                           Рис. 3 - Реактори ідеального змішування.

Гідродинамічний режим роботи каскаду реакторів є проміжним і залежить від числа апаратів; із збільшенням числа реакторів в каскаді він наближається до режиму витіснення, а при зменшенні до режиму змішування.

У каскаді збільшується час перебуванняя реагуючих речовин в порівнянні з одним реактором змішування, а також зростає вихід продукту реакції в порівнянні з реактором витіснення.

Реактор проміжного типу. У реакторі проміжного типу не можна здійснювати повністю жоден з перерахованих вище гідродинамічних режимів руху реагуючих речовин. Середня рушійна сила процесу в такому апараті більша, ніж в апараті повного змішування, але менше, ніж в апараті повного витіснення. Слід зазначити, що значна частина реакційної хімічної апаратури працює саме в цьому гідродинамічному режимі.

Реактори проміжного типу застосовують в тих випадках, коли процес хімічного перетворення речовини супроводжується великим тепловим ефектом або протікає при високих концентраціях реагуючих речовин, а також у разі, коли одна з реагуючих речовин має низьку швидкість розчинення в реакційній суміші.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65326. НЕЙРОМЕРЕЖНА ОБРОБКА БАГАТОВИМІРНИХ СИГНАЛІВ 457 KB
  Обрана тема дисертаційної роботи є актуальною тому що штучні нейронні мережі ШНМ протягом останнього часу переконливо довели свою ефективність при вирішенні різноманітних задач адаптивної обробки інформації таких як апроксимація нелінійних функцій класифікація управління...
65327. ОРГАНІЗАЦІЯ РОЗСЛІДУВАННЯ ЗЛОЧИНІВ ТА ЇЇ МІСЦЕ У СТРУКТУРІ КРИМІНАЛІСТИКИ 147.5 KB
  Чільне місце серед функцій держави займає правоохоронна яка реалізується зокрема за допомогою організації розслідування злочинів. Організаційна діяльність дозволяє підвищувати ефективність розслідування сприяє його всебічності повноті та об’єктивності...
65328. МІСТОБУДІВНІ ПРИНЦИПИ КОМПЛЕКСНОГО РОЗВИТКУ ПРИМОРСЬКИХ МІСТ (В УМОВАХ АЗОВО-ЧОРНОМОРСЬКОГО РЕГІОНУ) 182.5 KB
  Активізація урбанізаційних процесів суттєві зміни в соціальноекономічних відносинах посилення антропогенних навантажень на природні системи порушення екологічної рівноваги на територіях прибережної смуги...
65329. НАУКОВІ ОСНОВИ ФУНКЦІОНАЛЬНО-СТРУКТУРНОЇ ОПТИМІЗАЦІЇ МОДЕЛЕЙ МЕРЕЖ ГІРНИЧИХ ВИРОБОК ВУГІЛЬНИХ ШАХТ 544 KB
  Мережа гірничих виробок вугільної шахти є важливим її елементом який визначає надійність функціонування й технікоекономічні показники роботи. Питома вага витрат пов'язаних зі спорудженням гірничих виробок під час будівництва...
65330. Визначення контрольованих параметрів арматури експлуатованих залізобетонних конструкцій методом локального руйнування 7.43 MB
  Завдання досліджень: узагальнити результати досліджень в області визначення контрольованих параметрів матеріалів конструкцій при різних впливах неруйнівними методами обґрунтувати необхідність проведення досліджень у цій області сформулювати передумови і припущення...
65331. ДІАГНОСТУВАННЯ РУЙНУВАННЯ КРИХКИХ ВКЛЮЧЕНЬ МЕТОДОМ АКУСТИЧНОЇ ЕМІСІЇ 5.45 MB
  Таким чином за початок руйнування матеріалу втрату його міцності можна вважати розтріскування у ньому крихких включень. Особливо актуальними вони є у випадку діагностування руйнування крихких включень оскільки останні...
65332. ОДНОФАЗНI ПЕРЕТВОРЮВАЧI ЗМIННОЇ НАПРУГИ НА ПОСТIЙНУ З КОРЕКЦIЄЮ КОЕФIЦIЄНТА ПОТУЖНОСТI ТА ГАЛЬВАНІЧНИМ ЗВ’ЯЗКОМ ВХОДУ З ВИХОДОМ 346 KB
  Останнім часом все більше електроенергії споживається за допомогою систем електроживлення СЕЖ з ланкою постійної напруги. Перспективним вирішенням зазначеної проблеми при якому також покращується комплекс техніко-економічних показників...
65333. ДЕРЖАВНИЙ КОНТРОЛЬ В СИСТЕМІ УПРАВЛІННЯ ЗАГАЛЬНООСВІТНІМИ НАВЧАЛЬНИМИ ЗАКЛАДАМИ 611 KB
  Україна проходить складний і незворотний шлях державного та громадянського становлення. Реалізується стратегія забезпечення прискореного та випереджального розвитку освіти і науки, створюються умови для самоствердження...
65334. Створення генетичних джерел групової расоспецифічної стійкості проса до сажки (Sorosporium destruens (Schlecht) Yanki) 329 KB
  Актуальність теми обумовлена обмеженістю в існуючому світовому генофонді проса генетичних джерел стійкості до окремих рас сажки та відсутністю джерел одночасної стійкості до різних груп патотипів збудника цього захворювання.