Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Химическая технология: Курс лекций

Голосов: 38

Курс лекций по дисциплине "Химическая технология" подготовлен на кафедре химии и экологии НовГУ и включает разделы: Человечество и окружающая среда; Химическое производство в системе антропогенной деятельности; Химическая наука и производство; Основные компоненты химического производства; Вода в химической промышленности; Энергетика химической промышленности; Экономика химического производства; Основные закономерности химической технологии; Организация химического производства; Процессы и аппараты химического производства; Гомогенные процессы; Гетерогенные процессы; Важнейшие химические производства.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                               10 Процессы и аппараты химического производства
                         10.1 Общая характеристика и классификация процессов
      Процессы, используемые в химической промышленности для производства продукции, весьма
разнообразны и многочисленны.
      В них применяется сырье различного агрегатного состояния, разнообразные виды энергии,
агрессивные и коррозионно-активные вещества. Управление этими процессами требует высокой степени
точности в выборе параметров процесса и автоматизации управления им. Все эти условия определили с
одной стороны – многообразие используемых в химическом производстве процессов и аппаратов, а
другой – тенденцию к их унификации и общие требования независимо от конкретного химико-
технологического процесса.
      Процессы химической технологии, в зависимости от кинетических закономерностей,
характеризующих их протекание, делятся на 5 групп:
     – гидромеханические процессы, скорость которых определяется только законами гидравлики;
     – тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередач;
     –массообменные (диффузионные) процессы, скорость которых определяется законами
массопередач;
     – механические процессы;
     – химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики. Среди
последних особую группу составляют процессы, протекающие под воздействием катализаторов.
       По организационно-технической структуре процессы химической технологии делятся на
периодические и непрерывные.
      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.
      Характеристикой процесса, позволяющего отнести его к той или иной группе, является степень
непрерывности процесса.
                                 Хн = τ /Δτ,                           (10.1)
      где τ - продолжительность процесса, т.е. время необходимое для завершения всех стадий процесса.
      Δτ - период процесса, т.е. время, протекающее от начала загрузки сырья данной партии до начала
загрузки сырья следующей партии.
       Для периодического процесса Δτ > 0, следовательно, Хн< 1; для непрерывного процесса Δτ→0,
следовательно, Хн→∞.
       Химическая аппаратура, используемая в ХТП, подразделяется на основную – химические
реакторы и вспомогательную, назначение которой является подготовка, перемещение и разделение
веществ, участвующих в процессе.
      Устройство аппаратов зависит от типа осуществляемых в них процессов, но при всем
многообразии химической аппаратуры, к ней предъявляется ряд общих требований: простота и
дешевизна конструкции; возможность реализации процесса при оптимальных условиях; применение
конструкционных материалов, обладающих необходимой коррозионной, термической стойкостью и
механической прочностью; возможность контролировать и регулировать параметры процесса.
       Для обеспечения стабильности необходимо постоянное поддержание параметров ХТП на
заданном уровне, или управление процессом. При этом различают: контроль процесса, т.е.
своевременное обнаружение отклонений от режима и быстрое устранение их, и регулирование
процессов, т.е. поддержание заданного оптимального режима на каждой стадии процесса.
                  10.2 Основные процессы химической технологии и аппаратура для них
                                    10.2.1 Гидромеханические процессы
     Гидромеханическими процессами называются процессы, протекающие в гетерогенных, минимум
двухфазных системах и подчиняющихся законам гидродинамики. Подобные системы состоят из

                                                                                              41


дисперсной фазы, находящейся в раздробленном состоянии, и дисперсной среды. В зависимости от
агрегатного состояния дисперсионной среды и размеров частиц дисперсной фазы различают:
     – для газовой среды: пыль(5-10мкм), дым(0.3-5мкм), туман (0.3-3мкм);
     – для жидкой среды: суспензии (0.1-100мкм), коллоидные растворы (менее 0.1мкм), эмульсии и
пены.
      К гидромеханическим процессам относятся: осаждение, фильтрование, псевдоожижение,
перемешивание в жидкой фазе.
     Осаждение – процесс разделения жидких или газовых неоднородных систем путем выделения из
жидкой или газовой фазы твердых или жидких частиц дисперсной фазы. Скорость осаждения их
подчиняется закону Стокса:
                             U = d2* (ρt -ρж) / К*ν,               (10.2)
      где: К - постоянная, равная для частиц сферической формы, d-диаметр частицы,
     ρт и ρж – плотность частиц и дисперсионной среды, соответственно, ν - вязкость дисперсионной
среды.
     Процесс осаждения может происходить под действием различных сил. В соответствии с этим к
осаждению относятся следующие процессы:
     – отстаивание, т.е. осаждение под действием силы земного тяготения;
      – циклонирование и центрифугирование, т.е. осаждение под действием центробежной силы;
      – электроосаждение, т. е. осаждение под действием сил электрического поля.
      Для осаждения используют аппараты различной конструкции, которые должны удовлетворять
двум требованиям: время пребывания частицы в аппарате должно быть равно или больше времени ее
осаждения, и линейная скорость потока в аппарате должна быть значительно меньше скорости
осаждения.
      Для отстаивания применяются отстойники различного типа периодического и непрерывного
действия, снабженные в ряде случаев гребками для удаления твердого осадка.
      Циклонирование применяется для разделения пылей и реже для разделения суспензий
(гидроциклонирование). Для этой цели применяют аппараты – циклоны, в которых центробежная сила
возникает за счет вращения потока газа или жидкости. Из выражения:
                                  Gц = m*w2 /r.                      (10.3)
     G ц – центробежная сила, m- масса частицы, r-радиус циклона, w-окружная скорость частицы в
циклоне.
      Из формулы следует, что производительность аппарата возрастает с уменьшением его диаметра.
На этом основано использование серии параллельно работающих аппаратов малого диаметра, но с той
же поверхностью осаждения, что и одного большого циклона.
        Центрифугирование применяется для разделения суспензий и эмульсий и осуществляется в
центрифугах, в которых центробежная сила создается за счет вращения самого аппарата. Процесс
центрифугирования подчиняется тем же законам, что и циклонирование. Центрифуги для разделения
эмульсий называются сепараторами.
       Электроосаждение применяется для осаждения взвешенных в газе твердых (пыль) или жидких
(туман) частиц под действием электрического тока и осуществляется в аппаратах называемых сухими и
мокрыми электрофильтрами. Процесс электроосаждения состоит из последовательных стадий:
     – ионизация молекул за счет потоков электронов излучаемых катодом при создании в аппарате
высокой разности потенциалов:
                           К → nе,        М + е →Мn
     – адсорбция образовавшихся ионов на частицах пыли или каплях:
                            П +mМ-n→П(М-n)m,
     – перемещение заряженных частиц к аноду, их разряд на нем и осаждение:
                           П(М-n)m–mnе →П +mМ
     В этой схеме: М- молекулы газа, П – частица ( пылинка, капля)
     Метод электроосаждения обеспечивает высокую степень разделения и применяется для систем,
содержащих частицы малого размера.


                                                                                          42


     Фильтрование – процесс разделения суспензий, пылей или туманов путем пропускания их через
пористую перегородку (фильтр), способную задерживать взвешенные в дисперсионной среде частицы. В
качестве материала фильтров используются зернистые материалы (гравий, песок), ткань, сетки из
металлических и полимерных нитей, пористые керамика и пластмассы.
       Движущей силой процесса фильтрования служит разность давлений перед фильтром и после него
или центробежная сила, оказывающая давление на фильтр. В соответствии с этим процессы
фильтрования подразделяются на:
     -фильтрование под действием перепада давления или собственно фильтрование за счет разности
давления перед фильтром и за ним,
     -фильтрующее центрифугирование, протекающее под действием центробежной силы, возникающей
в фильтрующей центрифуге.
       Разновидность процесса фильтрования – вакуум – фильтрование, в котором движущая сила
процесса возрастает за счет создания разряжения за фильтром.
       Конструкции фильтрующих аппаратов весьма разнообразны. Они подразделяются на газовые и
жидкостные фильтры, фильтры непрерывного и периодического действия, фильтрующие центрифуги.
Наиболее распространены ленточные и барабанные вакуум-фильтры, обладающие максимальной
производительностью.
     Псевдоожижение – процесс приведения твердого зернистого материала в состояние, при котором
его свойства приближаются к свойствам жидкости. Псевдоожиженные системы способны принимать
форму аппарата, перемещаться по трубопроводу, выталкивать тела меньшей плотности, обладают
свойствами вязкости и текучести. Режим псевдоожижения (режим кипящего слоя) достигается при таком
состоянии системы, когда вес зернистого материала, приходящийся на единицу площади сечения
аппарата, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя.
                                 ΔР =mсл : S
      Для проведения процессов в кипящем слое используются аппараты различной конструкции, в
которых по всей высоте аппарата обеспечивается стабильный и одинаковый гидродинамический режим.
Это достигается регулированием подачи газообразного агента, применением мешалок, использованием
центробежной силы. Эти аппараты широко используются для проведения химических (обжиг руд,
крекинг углеводорода), физических, физико-химических (сушка, адсорбционная очистка газов) и
механических (обогащение, транспортировка сыпучих материалов) процессов.
                                         10.2.2. Тепловые процессы
       Тепловыми называются процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода
или отвода тепла. В тепловых процессах принимают участие минимум две среды с различными
температурами, причем теплота передается самопроизвольно (без затраты работы) от среды с более
высокой температурой Τ1 к среде с более низкой температурой Т2, т.е. если соблюдается неравенство
Т1>Т2.
       При этом среда с температурой Т1 называется теплоносителем, а среда с температурой Т2 –
хладагентом. Для тепловых процессов, используемых в химическом производстве, эти температуры
колеблются в весьма широких пределах – от близких к 0К до тысяч градусов.
       Основная характеристика теплового процесса – количество передаваемого тепла, по которому
рассчитывается теплопередающая поверхность аппарата. Для установившегося процесса количество
передаваемого тепла в единицу времени определяется по формуле:
                                        Q = KΔT*F,            (10.4)
     К – коэффициент теплопередачи, Т – средняя разность температур между средами,
     F – поверхность теплообмена.
      Движущей силой тепловых процессов является градиент температуры
                                            ΔТ = Т1 – Т2.  (10.5)
       К тепловым процессам относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, испарение и
выпаривание, теплообмен.
       1. Нагревание – процесс повышения температуры перерабатываемых материалов путем подвода
к ним тепла. Нагревание применяется в химической технологии для ускорения массообменных и
химических процессов. По природе применяемого для нагревания теплоносителя различают:

                                                                                          43


     – нагревание острым водяным паром через барботер или глухим водяным паром через змеевик или
рубашку;
     – нагревание топочными газами через стенку аппарата ил непосредственным контактом;
     – нагревание предварительно нагретыми промежуточными теплоносителями водой: минеральными
маслами, расплавами солей;
       – нагревание электрическим током в электрических печах различного типа (индукционных,
дуговых, сопротивления);
       – нагревание твердым зернистым теплоносителем, в т.ч., катализатором в потоке газа.
     Схема нагрева зернистым теплоносителем                             теплоноситель

                                                                               5


                                           2              топочные
                                                            газы



                         1


                                               3    нагретый
                                                    компонент
                                                                           4
                                                                                     газ
               холодный компонент                                         транспортирующий


       1 – топка, 2 – аппарата для нагрева зернистого материала, 3 – аппарат для нагрева газа, 4 –
       загрузочное устройство, 5 – сепаратор зернистого материала
     2.Охлаждение – процесс понижения температуры перерабатываемых материалов путем отвода от
них тепла. В качестве хладоагентов для охлаждения применяются: вода, воздух, холодильные агенты.
Аппараты для охлаждения подразделяются на:
     – аппараты косвенного контакта охлаждаемого материала с хладоносителем через стенку
(холодильники) и
     – аппараты непосредственного контакта охлаждаемого материала с хладоагентом (холодильные
башни или скрубберы).
      Выбор конструкции аппарата определяется природой охлаждаемого материала и хладоагента.
     3.Конденсация – процесс сжижения паров вещества путем отвода от них тепла. По принципу
контакта хладоагента с конденсируемым паром различают следующие виды конденсации:
       – поверхностная конденсация, при которой сжижение паров происходит на поверхности
охлаждаемой водой стенки аппарата, и
       – конденсация смешением, при которой охлаждение и сжижение паров происходит при
непосредственном контакте их с охлаждающей водой. Аппараты первого типа называются
поверхностными конденсаторами, аппараты второго типа – конденсаторами смешения и
барометрическими конденсаторами. Конденсация смешением применяется в тех случаях, когда
испаренная жидкость не смешивается с водой.
     4 .Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления
из них летучего растворителя в виде пере. Выпаривание представляет собой разновидность теплового
процесса испарения. Условием протекания процесса выпаривания является равенство давления пара над
раствором давлению пара в рабочем объеме выпарного аппарата.
      При соблюдении этого условия температура вторичного пара, образующегося над кипящим
растворителем, теоретически равна температуре насыщенного пара растворителя. Выпаривание может


                                                                                           44


производиться под давлением или в вакууме, что позволяет снизить температуру процесса. Выпаривание
может проводиться в двух вариантах: многократное выпаривание и выпаривание с тепловым насосом.
      Многократным выпариванием называется процесс выпаривание с использованием в качестве
греющего пара вторичного пара. Для этого выпаривание проводится в вакууме или с применением
греющего пара высокого давления.
        Число корпусов установки определяется экономическими соображениями, в частности,
затратами на производство пара и на обслуживание и зависит от начальной и конечной концентрации
упариваемого раствора.
     Процесс выпаривания с тепловым насосом основан на том, что вторичный пар нагревается до
температуры греющего пара путем сжатия его в турбокомпрессоре или инжекторе и затем вновь
используется для испарения растворителя в том же выпарном аппарате.



    Схема многократного выпаривания.
                                                                                    Ргр2



                           Раствор
                                       1                                 2
                                                                                 раствор

                    ргр1
                                           ргр2

                       конденсат                                                       конденсат

     1 – первый выпарной аппарат, 2 – второй выпарной аппарат, ргр1 – давление греющего пара первого
аппарата (свежего пара), р ат1 –давление вторичного пара из первого аппарата, равное ргр2 – давлению
греющего пара второго аппарата, р ат2 – давление вторичного пара из второго аппарата.

    Схема выпаривания с тепловым насосом.


                                                                   упариваемая жидкость
                                                      1

                                2
                                           пар            пар

                                                                  упаренная жидкость


     1 – выпарной аппарат, 2 – устройство для нагрева вторичного пара.

                                       10.2.3 Массообменные процессы
      Массообменными называются процессы, скорость которых определяется скоростью переноса
вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия (скоростью массопередачи). В
процессе массообмена принимают участие три компонента: распределяющее вещество, составляющее
первую фазу, распределяющее вещество, составляющее вторую фазу и распределяемое вещество,
переходящее из первой фазы во вторую.


                                                                                              45


      Движущей силой процесса массообмена является градиент концентрации распределяемого
вещества:
                                                ΔС = С- С р                  (10.6)
     где: С - фактическая концентрация вещества в данной фазе;
          Ср – равновесная концентрация его.
       Процесс массопередачи выражается основным уравнением ее для единицы времени:
                                               Δm = KΔC F                      (10.7)
      где Δm – количество вещества, перешедшее из одной фазы в другую,
       F- поверхность раздела фаз; ΔС – движущая сила процесса массообмена.
       К массообменным процессам относятся: абсорбция, ректификация, экстракция, адсорбция, сушка.
       1.Абсорбция – процесс поглощения газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими
поглотителями (абсорбентами). В основе процесса абсорбции лежит закон Рауля, согласно которому
парциальное давление абсорбента над раствором равно давлению пара чистого абсорбента,
умноженному на его мольную долю в растворе:
                                       раб = Раб (1-Х),                       (10.8)
     где: раб – давление паров абсорбента над раствором,
           Раб - давление паров чистого абсорбента,
         Х - мольная доля абсорбированного газа в растворе.
     Абсорбция – процесс избирательный и обратимый. Поэтому в сочетании с обратным процессом
десорбции он используется для разделения газовых и паровых смесей на отдельные компоненты.
     Аппараты для проведения абсорбции (абсорберы) делятся на три типа:
     – абсорберы, в которых контакт фаз между жидкостью и газом (паром) осуществляется в слое
жидкости, растекающейся по насадке;
     – абсорберы, в которых контакт фаз создается между потоками газа и жидкости (абсорбционные
колонны);
      – абсорберы, в которых контакт фаз создается за счет разбрызгивания жидкости в газе с помощью
форсунок.
       Во всех случаях с помощью этих приемов достигается увеличение поверхности контакта фаз и
движущей силы процесса массообмена.
      2.Адсорбция – процесс поглощения газов или паров твердыми поглотителями или поверхностным
слоем жидких поглотителей.
      3.Ректификация - процесс разделения жидких однородных смесей на составляющие их
компоненты или группы компонентов (фракции) в результате взаимодействия паровой и жидкой фаз.
Процесс ректификации основан на различии состава пара над жидкостью и самой жидкости в условиях
равновесия между паровой и жидкой фазами. Это равновесие в системе « жидкость – пар » описывается
уравнением
                                  у = х *α / [1 + (α +1) *х ,]        (10.9)
      где: у – мольная доля компонента в паровой фазе,
           х – мольная доля компонента в жидкой фазе,
          α - относительная летучесть компонента.
     По закону Коновалова пар по сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкостью,
относительно более богат тем компонентом, прибавление которого к смеси понижает температуру ее
кипения. При ректификации происходит многократное испарение жидкости и конденсации паров,
движущихся противотоком, в результате чего осуществляется непрерывный массо - и теплообмен между
ними. При этом на нижней ступени из жидкой смеси извлекается низкокипящий компонент, который
переходит на верхнюю ступень, а высококипящий компонент переходит из паровой фазы в жидкую. В
результате после конденсирования паров смесь разделяется на дистиллят и остаток.




                                                                                            46


                                          Схема ректификации

                                              ИСХОДНАЯ СМЕСЬ
                                                   m1Х1


                                           Процесс ректификации

                              ДИСТИЛЛЯТ                        ОСТАТОК m3 Х3
                                   m2Х2
        m1, m2, m3 –количество поступившей на ректификацию смеси, образовавшегося дистиллята и
остающегося остатка, х1, х2, х3 –содержание легколетучего компонента в них, соответственно
     Из общего баланса m1= m2 + m3 и баланса летучего компонента m1X1 = m2X2 + m3X3 содержание
последнего и дистиллята равно:
                                            m2 = m1 *[(X1-X3 )/ (X2 – X3)],  (10.10)
     По своей конструкции аппараты для ректификации аналогичны абсорберам и называются
ректификационными колоннами. По типу контакта паровой и жидкой фаз они подразделяются на
колонны с насадкой и колонны тарельчатые. В колоннах первого типа увеличение поверхности контакта
паровой и жидкой фаз обеспечивается применением насадки в форме различных элементов и устройства,
распределяющего жидкость по насадке. Эффективность насадки обратно пропорциональна «
эевивалентному диаметру» ее, определяемую по формуле:
                               dэкв = 4f /S
     где: f – сечение кагалов между элементами насадки, S – суммарный периметр каналов.
     В колоннах второго типа для увеличения поверхности контакта фаз используются тарелки
различного типа.
      Разделяющая способность ректификационной колонны определяется числом теоретических
тарелок в ней. Теоретической тарелкой называется единица высоты ректификационной колонны, на
которой достигается обогащение пара низкокипящим компонентом смеси, отвечающее равновесию
между паром и жидкостью. Число теоретических тарелок зависит от заданной полноты разделения и
летучести (практически – температуры кипения) компонентов ректификационной смеси. Эти величины
связаны зависимостью:
                                              уп /(1-уп) = х1/ (1-х1) * αп ,         (10.11)
     где: n – число теоретических тарелок,         хп – число теоретических тарелок,
         х1 – мольная доля низкокипящего компонента в жидкой фазе,
         уп - мольная доля этого же компонента в паровой фазе,
         α - относительная летучесть компонентов, равная отношению парциальных давлений
компонентов в паровой фазе.
       4.Экстракция – это процесс извлечения одного или нескольких растворенных веществ из одной
жидкой фазы другой фазой, практически несмешивающейся с первой. Процесс экстракции основан на
законе распределения, согласно которому отношение равновесных концентраций вещества ,
распределенного между двумя жидкими фазами, при постоянной температуру есть величина
постоянная., называемая коэффициентом распределения:
                                     ηр = С1/С2,                                 (10.12)
     где: ηр – коэффициент распределения,
      С1 –равновесная концентрация распределяемого вещества в первой распределяющей фазе,
      С2 –то же во второй фазе.
      Экстракция осуществляется в аппаратах- экстракторах, которые конструктивно делятся на:
      – смесительно-отстойные, в которых последовательно проводятся две стадии процесса экстракции:
перемешивание жидкостей и их отстаивание для разделения жидких фаз;
     – колонные, в которых поверхность раздела фаз увеличивается путем диспергирования капель
одной жидкости в другой;

                                                                                            47


       – центробежные и пульсационные, в которых диспергирование жидких фаз достигается за счет
перемешивания или пульсации жидкости.
        В отдельных случаях процесс экстракции сочетают с процессом ректификации для снижения
затрат тепла в последнем и повышении его эффективности.
              Схема ректификации с предварительной абсорбцией.
     Разбавленный
     раствор А+В
                       ЭКСТРАКЦИЯ    концентрированный раствор В + С РЕКТИФИКАЦИЯ
              С

     А – растворитель, В – экстрагируемое вещество, С – экстрагент.
     Подобная схема применяется для извлечения веществ из сильно разбавленных растворов, для
получения концентрированных растворов, для разделения жидких однородных смесей.
     5.Сушка - процесс удаления летучего компонента (чаще всего влаги) из твердых материалов путем
его испарения и отвода образующегося пара. Условием сушки является обеспечения неравенства Рм> Рс,
где Рм – давление пара во влажном материале, Рс – парциальное давление пара в окружающей среде.
Давление пара Рм зависит от температуры, влажности высушиваемого материала, типа связи влаги с
материалом (абсорбционная, конституционная, гигроскопическая).
Скорость процесса сушки увеличивается с повышением температуры, понижением давления над
высушиваемым материалом, уменьшением влагосодержания высушивающего газа (рс) и повышением
скорости циркуляции газа над материалом.
     Существуют следующие варианты процесса сушки:
     – контактная сушка с нагревом материала через стенку;
     – непосредственная сушка нагретым газом или воздухом;
     – сушка нагревом токами высокой частоты;
     – диационная сушка нагревом инфракрасным излучением.
      В соответствии с этими вариантами для сушки используются аппараты – сушилки различной
конструкции:
     – для контактной сушки – сушильные шкафы, сушилки, оборудованные мешалками, вальцовые
сушилки;
       – для газовой сушки применяются камерные, туннельные, ленточные, барабанные и
          распылительные сушилки периодического и непрерывного действия.

     Схема контактной сушки                                         Схема газовой сушки
                          пар
                                                                                           увлж.
                                                                                            газ
                                                                        1
                                                        2
                       Т1              сухой газ                                       4

        ТНС                  ТНС
                                                                                   3
         Т1                   Т2
                                                                  ВлМ


      ВлМ-влажный материал       1-камера контакта сырого материала с сыпучим агентом,
      ТНС – теплоноситель, Т1>Т2 2-–узел подогрева и подачи сушильного агента,
                                  3 – узел транспортировки материала,
                                  4 –вентилятор
      Максимальной эффективностью обладают сушилки кипящего слоя, распылительные сушилки



                                                                                               48


       В последнее время в химико-технологическом процессах широко используются аппараты,
которые совмещают несколько элементарных процессов. Это позволяет повысить эффективность,
упростить технологическую схему. К подобным аппаратам совмещенного действия относятся:
      – распылительная сушилка, совмещающая выпарной аппарат и сушилку;
      – распылительная сушилка – гранулятор и аммонизатор - гранулятор в производстве аммофоса,
совмещающие процессы нейтрализации кислоты и грануляции полученного продукта.

                                        10.3 Химические реакторы
                         10.3.1 Принципы проектирования химических реакторов
       Главная стадия химико-технологического процесса, определяющая его назначение и место в
химическом производстве, реализуется в основном аппарате химико-технологической схемы, в котором
протекает химический процесс - химическом реакторе. В технологической схеме химический реактор
сопряжен с аппаратами подготовки сырья и аппаратами разделения реакционной смеси и очистки
целевого продукта. Конструкция и режим работы химического реактора определяет эффективность и
экономичность всего химико-технологического процесса.
      Выбор конструкции и размеров химического реактора определяется скоростями протекающих в
них процессов массо- и теплообмена и химических реакций. При этом задаются производительность
установки, элементом которой является химический реактор, и степень превращения сырья.
       Основным показателем работы реактора, свидетельствующим о его совершенстве и соответствии
заданной цели, является интенсивность его. Так как от интенсивности зависит время, затрачиваемое на
производство единицы продукции, то главной задачей при расчете реактора является установление
зависимости:
                                       τ = F* (X, C, U)             (10.13)
        где: U –скорость химического процесса, τ - время пребывания реагентов в реакторе,
       Х – степень превращения реагентов в целевой продукт, С – начальная концентрация реагентов.
      Расчет химического реактора состоит из следующих операций:
      -исходя из законов термодинамики и гидродинамики определяется направление химического
процесса; выявляют условия равновесия, по которым устанавливаются начальные и конечные значения
параметров процесса;
      -составляют материальный и тепловой балансы реактора;
      -по значениям рабочих и равновесных параметров определяют движущую силу процесса и на
основе законов кинетики находят коэффициент скорости процесса;
      -по полученным данным определяют основные размеры реактора: емкость, площадь поперечного
сечения, поверхность нагрева( охлаждения), поверхность фазового контакта и другие характеристики.
      Расчет химического реактора ведется по следующей зависимости:
                                       А = m / ΔК,                    (10.14)
       где: А - основной размер реактора,      m –количество вещества, перерабатываемого в единицу
времени, Δ - движущая сила процесса,    К – коэффициент скорости процесса.

                              10.3.2 Классификация химических реакторов
       В основу классификации химических реакторов положены три принципа: организационно-
техническая структура операций, осуществляемых в реакторе, характер теплового режима и режима
движения компонентов.
       По организационно-технической структуре операций химико-технологические реакторы делятся
на реакторы периодического действия и ректоры непрерывного действия.
       Для реакторов периодического действия характерно падение движущей силы процесса во
времени вследствие уменьшения концентрации реагентов в ходе процесса. Это приводит к тому, что
режим работы реакторов периодического действия нестационарен во времени и требует изменения
параметров процесса (Т, Р и др.) для компенсации этого падения и поддержания скорости процесса на
заданном уровне.
       Для реакторов непрерывного действия характерно постоянство движущей силы процесса во
времени вследствие постоянства концентраций реагентов в ходе процесса. Поэтому режим работы

                                                                                            49


реакторов непрерывного действия стационарен во времени и не требует корректировки параметров
процесса.
   Режим работы реактора периодического действия             Режим работы реактора
                                                             непрерывного действия
                С, Р, Т                              С, Р, Т
                         С0                                   С0


                           Сτ

                                                        τ                                    τ

     С0, Сτ - концентрация реагентов начальная и в момент τ,
      Т, Р – температура и давление в реакторе.
       Производительность реакторов рассчитывается по уравнению:
                                             П = m/ (τр +τз +τв)    (10.15)
      где: m- масса продукта, полученная за время цикла работы реактора,
           τр,τз, τв – время химического процесса загрузки компонентов в реактор и выгрузки продуктов
из реактора , соответственно.
       Поскольку в непрерывном процессе τз =τв =0, то производительность реакторов непрерывного
действия выше таковой реакторов периодического действия при прочих равных условиях.
        В некоторых многостадийных производствах сочетаются в едином полунепрерывном процессе
периодические (например, в доменном, загрузка шихты, выпуск чугуна) и непрерывные (восстановление
оксидов железа и образование чугуна) процессы.
        Эффективность работы химического реактора во многом зависит от его теплового режима,
влияющего на кинетику, состояние равновесия и селективность процесса , протекающего в реакторе. По
тепловому режиму реакторы подразделяются на:
     – Реакторы с адиабатическим режимом, в которых действует теплообмен с окружающей средой и
тепловой эффект химической реакции полностью затрачивается на изменение температуры в реакторе.
     – Реакторы с изотермическим режимом, для которых характерно постоянство температуры в
реакторе, что обеспечивается подводом тепла из реактора.
     – Реакторы с политропическим режимом, характеризующиеся подводом или отводом тепла из
реактора при изменяющейся температуре в нем. За счет этого в реакторе устанавливается заданный
тепловой       режим и достигается автотермичность процесса. Реакторы этого типа наиболее
распространены в химическом производстве.
       Реакторы непрерывного действия.
        Химические реакторы непрерывного действия по режиму движения компонентов делятся на
реакторы идеального вытеснения (РИВ-Н), реакторы идеального смешения (РИС - Н) и реакторы
промежуточного типа (РПТ-Н).
       Реакторами идеального вытеснения называются реакторы непрерывного действия, в которых
осуществляется ламинарный гидродинамический режим. В них поток реагентов движется в одном
направлении по длине реактора без перемешивания, обратного или поперечного перемещения. В РИВ-Н
параметры, движущая сила процесса и скорость процесса изменяются по длине реактора (во времени).
Причем отклонение средней движущей силы от постоянного значения является максимальным.
       Реакторами идеального (полного) смешения называются реакторы непрерывного действия, в
которых осуществляется турбулентный гидродинамический режим. В них потоки реагентов
смешиваются друг с другом и с продуктами химического превращения. В РИС-Н параметры, движущая
сила процесса и скорость процесса постоянны по объему реактора (т.е. во времени), причем отклонение
средней движущей силы от постоянного значения равно нулю.
        Реакторы промежуточного типа занимают по характеру изменения параметров и движущей силы
процесса промежуточное место между этими крайними случаями.


                                                                                                 50



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика