Similar presentations:
Реакторы по конструктивным особенностям
1.
Реакторы по конструктивнымособенностям
Емкостные
Автоклавы
Вертикальные и
горизонтальные
цилиндрические
конверторы
Типа
Колонные
Типа реакционные
печи
теплообме
Насадочного и
тарельчатого
типа
нники
С неподвижным,
движущимся и
псевдоожиженным
слоем катализатора
2.
Реакторы по конструктивнымособенностям
Емкостные реакторы:
- автоклавы
- вертикальные и
горизонтальные
цилиндрические
конверторы
/дегидратация ЭБ/
3.
Реакторы по конструктивнымособенностям
Колонные реакторы:
- реакторы с колоннами
насадочного и тарельчатого
типа /Окисление ИПБ/
- каталитические реакторы с
неподвижным, движущимся
и псевдоожиженным слоем
катализатора /крекинг
углеводородов/
4.
Реакторы по конструктивнымособенностям
Реакторы типа
теплообменники
Реакторы типа
реакционные печи
/шахтные, камерные/
5.
Расчет и конструктивноеоформление реакционного
узла
6.
Основные стадии химико-технологическогопроцесса
1
2
3
4
7.
Основные стадии химико-технологическогопроцесса
На стадии подготовки и разделения веществ в
подавляющем числе случаев используются физические
операции.
Химические реакторы – аппараты, применяемые на
второй стадии – играют наиболее существенную роль во
всей технологической цепи. В первую очередь от их
работы зависит возможность получения товарного
продукта в заданном количестве.
8.
Стадия химического превращения. Основныепроблемы выбора и расчета оборудования
реакторов.
В химических реакторах протекают те же физические процессы,
что и в аппаратах первой и третей стадии, но на них дополнительно
накладываются процессы химического превращения веществ. Это
приводит к тому, что для нормального функционирования
химического реактора в промышленных условиях необходимо
учитывать как закономерности химической кинетики, так и
переноса массы, энергии, количества движения. Одновременно с
этим должны быть учтены структура потоков и режимы их
движения, т.е. все то, что определяет макрокинетику процесса.
Учет всех этих факторов делает задачу расчета химического
реактора, т.е нахождения объема реактора в зависимости от
начальных условий её производительности по целевому
продукту, весьма сложной.
9.
Стадия химического превращения.Основные проблемы выбора и расчета
оборудования реакторов.
Протекающие в химических реакторах химические
реакции сопровождаются тепловыми эффектами (это
тепловые
эффекты
химических
реакции
и
сопровождающих
их
физических
явлений:
растворение, кристаллизация, испарение и т.д).
Вследствие выделения или поглощения теплоты
изменяется температура и возникает резкость
температур между реактором и окружающей средой, а
в определенных случаях – температурные градиенты
внутри реактора.
10.
При отсутствии теплообмена сокружающей средой химический реактор
является адиабатическим. В этом случае вся
теплота,
выделяющаяся
или
поглащающаяся в результате химических
процессов расходуется на внутренний
теплообмен – на нагрев или охлаждение
реакционной смеси.
Реактор называется изотермическим,
если за счет теплообмена с окружающей
средой в нем обеспечивается постоянство
температуры.
11.
Стадия химического превращения.Моделирование реакторов.
Наиболее распространенным методом при решении
таких
задач
является
метод
математического
моделирования, учитывающий в каждом конкретном случае
реально протекающие в химическом реакторе физические и
химические процессы. Формализовано учет этих процессов
осуществляется путем задания системы математических
уравнений, которые в зависимости от типа реактора будут
алгебраическими или дифференциальными.
12.
Моделирование реакторов.13.
Моделирование реакторовМоделирование – это метод изучения различных
объектов при котором исследования проводят на
модели, а результаты количественно распространяют
на оригинал. Модель может представлять собой
уменьшенную по определенным законам копию
реального объекта. Но моделью может быть и
определенная система представлений о реальном
объекте,
выражаемая
как
совокупность
математических структур
- уравнений, таблиц,
графиков. Такую модель называют математическим
описанием объекта или математической моделью.
14.
Моделирование реакторов.Математическая
модель
–
некоторое
упрощенное изображение процесса в реакторе,
которое сохраняет наиболее существенные
свойства реального объекта и передает их в
математической форме.
15.
Моделирование реакторов.Очевидно, что математическая модель
должна достаточно точно количественно
описывать
свойства
и
поведение
изучаемого объекта, т.е быть адекватной.
16.
Моделирование реакторов.При разработке математической модели
целесообразно использовать иерархический
подход к реактору как сложной системе.
Иерархия – это расположение частей или
элементов
целого порядка от высшего к
низшему.
17.
Основные уровни химическогопроцесса, протекающего в реакторе
1.Молекулярный
уровень
–
межмолекулярное
взаимодействие
на
расстоянии
порядка
размеров
молекул,
определяемое прежде всего закономерностями
кинетики( учитываются стехиометрические
соотношения, законы химического равновесия).
18.
Основные уровни химическогопроцесса, протекающего в реакторе
2. Уровень малого объема – элемент реакционного
объема микроскопического размера – одно зерно
катализатора,
пузырек
газа,
поднимающийся
в
барботажном слое, один элемент насадки в насадочной
колонне. Закономерности предыдущего уровня должны
быть заполнены закономерностями тепло и массопереноса.
3. Уровень рабочей зоны аппарата – статистическая
совокупность изученных на предыдущем уровне
элементов малого объема, например слой катализатора,
насадочный слой. На этом уровне необходимо учитывать
эффекты, связанные с характером движения потока.
19.
Основные уровни химическогопроцесса, протекающего в реакторе
4. Уровень аппарата – конфигурация, взаимная
связь и взаимное расположение рабочих зон аппарата
(например несколько слоев катализатора, разделенных
теплообменниками в многослойном каталитическом
реакторе).
5. Уровень агрегата – взаимные связи между
отдельными
аппаратами.
В
общем
случае
математическая модель реактора – это достаточно
сложная система уравнений и количественные расчеты
на основании этой модели целесообразно проводить
используя ЭВМ.
20.
Математическое моделированиеВажную роль в математическом описании
химического реактора играют балансовые
уравнения, являющиеся выражениями общих
законов сохранения массы и энергии.
Математическая модель реактора всегда
включает уравнения материального и теплового
балансов.
21.
Классификацияреакторов
22.
Классификация реакторов.23.
Классификация реакторов.24.
Классификация реакторов.25.
Классификация реакторов.26.
Классификация реакторов.27.
Решение системы уравнений, описывающих работу химическогореактора в зависимости от варьирования начальных (концентрация
и расход реагентов, температура, степень превращения ключевого
реагента и др.) и с учетом граничных условий, осуществляется с
помощью следующих методов:
Последний находит все большее применение в связи с широким
использованием ЭВМ в инженерных расчетах.
28.
Требованияпредъявляемые к
химическим
реакторам
29.
Требования предъявляемые кхимическим реакторам
Основным
требованием
является
возможность
получения целевого продукта заданного качества и в
необходимом количестве за определенный промежуток
времени при минимальных экономических издержках. Это
достигается созданием реактора нужных размерах, в
котором обеспечивается наилучший гидродинамический
режим и контакты между реагирующими веществами, а
так же между ними и катализатором. Кроме того в нем
должны быть предусмотрены устройства, создающие
требуемый температурный режим.
30.
Требования предъявляемые кхимическим реакторам
Известны процессы, проводимые при очень
высоких (1500 – 1600 0С, пиролиз метана) и
низких (около -100 0С полимеризация бутилена)
температурах. Рабочее давление в реакторах
может меняться от 3 . 102 Па(поликонденсация
дигликольтерефталата) до (700 – 1000) . 105 Па
(синтезы на основе окиси углерода).
31.
Требования предъявляемые кхимическим реакторам
Большинство
производств
основного
органического синтеза отличается
их
повышенной пожаро и взрывоопасностью,
вредностью и ядовитостью перерабатываемых
и получаемых веществ. Все перечисленные
факторы
накладывают
дополнительные
требования на химические реакторы.
32.
Требования предъявляемые кхимическим реакторам
33.
Реакторные устройстваКлассификация
реакторных
устройств
34.
Реакторные устройстваВ реакторных устройствах при проведении
собственно химического превращения протекают
различные физические процессы (гидродинамические,
тепловые, диффузионные и др.), с помощью которых
создаются необходимые условия.
Для осуществления физических процессов в
реакторных устройствах используются различные
конструктивные элементы (мешалки, контактные
устройства, теплообменники и др.). Так как сочетаний
этих элементов и реакционных процессов может быть
много, то и количество реакторных устройств также
значительно.
Классификация
реакторных
устройств
35.
Выбор того или иного типа реакторногоустройства обусловливается:
Классификация
-требуемой
селективностью
реакторных
превращений
исходных веществ,
-производительностью
по
устройств
целевому продукту
продуктам).
(целевым
36.
Требования к реакторным устройствам37.
Реакторныеустройства
должны также обеспечивать
оптимальную
скорость реакций.
Классификация
Кромереакторных
того,
выбор
конструктивного типа реактора
устройств
зависит от
условий проведения
процессов
и
свойств
участвующих в них веществ.
38.
Факторы определяющиеустройство реакторного аппарата
39.
Классификация реакторныхустройств
Все реакторы, применяемые в отрасли основного органического и
нефтехимического синтеза, могут быть отнесены к тому или иному типу в
зависимости от:
• состояния реагентов (газ, жидкость, твердое тело, газ-жидкость,
жидкость—жидкость, газ—твердое тело, жидкость—твердое тело);
• состояния катализатора: твердый (в стационарном состоянии, в
псевдоожиженном состоянии, в диспергированном состоянии), жидкий;
• расположения поверхности теплообмена (внешнее, внутреннее);
• способа отвода тепла (через поверхность теплообмена, за счет
испарения реагентов или продуктов реакций, за счет подачи холодных
реагентов);
• способа диспергирования газа, жидкости и твердых частиц (реагентов и
катализатора);
• способа развития поверхности контакта фаз.
40.
Классификация реакторныхустройств
41.
Классификация реакторныхустройств
В частности, для процессов газ—жидкость
конструктивное оформление определяется
методом развития поверхности контакта
газовой и жидкой фаз, т.е. приемом
увеличения поверхности жидкой фазы.
42.
Классификация реакторныхустройств
Процессы газ — жидкость проводят
в:
• пленочных реакторах с насадкой
(насадочных колоннах): жидкость
распределяется по поверхности
насадки пленкой и стекает вниз
противотоком взаимодействующему
с ней газовому реагенту, иногда
применяется прямоток;
43.
Классификация реакторныхустройств
барботажных
реакторах,
которые
могут иметь от одной
до
нескольких
десятков колпачковых
или ситчатых тарелок;
44.
Классификация реакторныхустройств
• полых башнях с разбрызгиванием
жидкости (а также полых камерах с
разбрызгиванием жидкости), в которых
развитие поверхности жидкой фазы
происходит
за
счет
ее
диспергирования,т. е. разбрызгивания,
распыления
пневматическим
или
механическим путем в объеме или
потоке газа;
45.
Классификация реакторныхустройств
• пенных реакторах, в
которых газ проходит
снизу
вверх
через
решетку и находящийся
на ней слой жидкости, а
иногда
в
многополочных пенных
аппаратах;
46.
Классификация реакторныхустройств
трубчатых реакторах
(типа «труба в трубе»),
которые используются
главным образом для
высокотемпературных
процессов.
47.
Классификация реакторныхустройств
Для осуществления процессов газ
—твердое
тело
в
основном
применяются печи различного типа.
И наконец, для осуществления
процессов в системе жидкость—
твердое тело применяют:
• реакторы с фильтрующим слоем,
состоящие из ситчатых или
колпачковых тарелок (иногда
колосниковых),
на
которых
располагается слой пористого
материала,
через
который
пропускается жидкость;
48.
Классификация реакторныхустройств
• реакторы со взвешенным
слоем зернистого твердого
материала в жидкости или с
фонтанирующим слоем;
49.
Классификация реакторныхустройств
реакторы с механическими
мешалками,
а
также
с
пневматическими
перемешивающими
устройствами (для растворения,
выщелачивания и т. д.). Эти же
реакторы применяются для
проведения
гомогенных
реакций в жидкой фазе и
взаимодействия
несмешивающихся жидкостей;
50.
Классификация реакторныхустройств
реакторы со шнеком,
которые
редко
используются в отрасли
основного органического
и
нефтехимического
синтеза. 1 — бункер;
2 — верхний па трубок;
3 — вертикальный шнек;
4 — нижний патрубок;
5 — разгрузочный клапан;
6 — сбрасывающая лопасть;
7 — привод
51.
Классификация реакторныхустройств
Реакторы для гетерогенных реакций в
жидкой фазе обычно снабжены мешалками
разного типа и имеют теплообменные
устройства
(обычно
доя
косвенного
теплообмена). Эти реакторы с мешалками
работают при режиме, близком к режиму
полного смешения.
52.
Классификация реакторныхустройств
Здесь
представлены
наиболее
часто
встречающиеся устройства для перемешивания
взаимодействующих реагентов или фаз.
а — сопло; б — горелка; в — мешалка
53.
Классификация реакторныхустройств
По фазовому признаку реагентов, продуктов и катализатора реакторы
для гетерогенных процессов можно разделить на четыре класса.
Выбор способа теплообмена определяется прежде всего теплотами
реакций и температурными условиями химического процесса. Необходимо
также учитывать физические, теплофизические и химические свойства
теплоносителя.
По этому признаку все реакторы могут быть разделены на два типа:
В случае прямого теплообмена передача тепла в реакторе осуще
ствляется при непосредственном контакте реакционной смеси и
теплоносителя (при этом тепло может выделяться за счет экзо
термической реакции или его необходимо подводить для осуще
ствления эндотермической реакции).
54.
Классификация реакторных устройствТаблица 3.4. Классификация реакторов с фильтрующим (стационарным) слоем
катализатора по типу подвода и отвода тепла
Класс
Тип подвода (отвода) тепла
Вид реакторного
устройства
Тип процесса
Примеры химических
процессов
1
Периодический
Реактор с
мешалкой
Изотермический
Реакции полимеризации,
поликонденсации
2
За счет внешних теплообменников Трубчатый
реактор
Изотермический
Получение акриловой
кислоты окислением
пропилена
3
За счет внутренних тепло
обменников:
3.1.
ступенчатый
3.1.1.
3.1.2.
с теплообменниками между
полками
с охлаадением между полками за
счет дополнительного введения
холодных реагентов
Колонный
аппарат
Политермический (на
ступенях
адиабатический)
Получение уксусной
кислоты окислением
уксусного альдегида
Газофазное
гидрирование
Гидрирование насыщенных
альдегидов; синтез метано
ла из СО и Нг
55.
Классификация реакторных устройствКак
было
показано
ранее,
по
гидродинамическому
режиму
реакторы
делятся на:
56.
Классификация реакторных устройствПо температурному режиму на:
57.
Классификация реакторных устройствТаблица 3.5. Классификация реакторов для гомогенных химических
процессов по температурному режиму
Процесс
Тип реактора
Температурный режим работы
Пример
химического
процесса
Гомогенный
Камерные реакторы
Адиабатический
процесс в газовой фазе
С эжектроными смесителями газов и паров
Близок к изотермическому
Камерный реактор . с центробежным пере
мешиванием газовой смеси
Политермический идеального
вытеснения
Прямая гидратация
Этилена
Пиролиз углеводородов в олефины, пиро
лиз ацетона в кетен
Реактор типа «труба
в трубе» с водным или
другим охлаждением
или нагревом
Гомогенный процесс в
жидкой фазе
Прямоточные аппараты большой длины с
теплообменом
Батарея из нескольких реакторов
Изотермический полного вытеснения Полимеризация этилена, теломеризация
олефйнов, синтез альдоля
Политермический идеального вытес
нения
-
Многосекционные аппараты
То же
Реакторы с различными мешалками или
Изотермический полного смешения
другими перемешивающими устройствами
Гомогенный процесс в
жидкой фазе
Насадочные колонны или колонны,
секционированные решетками
Изотермический идеального
вытеснения
Алкилирование углеводородов жидкими
олефинами
Сульфатирование спиртов, нитрование
ароматических углеводородов
Реакция нейтрализации