книги / Химические реакторы.-1

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.Г. Хлуденёв

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2019

1

УДК 66.023(075.8) Х60

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент Н.М. Рябчиков (ООО «УралПромБезопасность»); канд. техн. наук, доцент Н.П. Углев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Хлуденёв, А.Г.

Х60 Химические реакторы : учеб. пособие / А.Г. Хлуденёв. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2019. – 120 с.

ISBN 978-5-398-02176-9

Рассмотрены теоретические закономерности химических процессов и основы теории химических реакторов. Изложены вопросы стехиометрии простых и комплексных реакций, термодинамики, химической кинетики применительно к расчёту и выбору химического реактора. Освещены методы изучения структуры потоков в реакторах, модели реакторов с идеальной и неидеальной гидродинамической обстановкой, тепловые режимы реакторов.

Предназначено для подготовки бакалавров по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», может быть полезно для магистров, инженеров и специалистов соответствующего профиля.

УДК 66.023(075.8)

2

3

4

5

ВВЕДЕНИЕ ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ КУРСА «ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ»

Любой промышленный химический процесс предназначен для получения целевого продукта из исходного сырья. Весь процесс можно разбить на три фазы (рис. 1):

1)фаза подготовки веществ к реакции;

2)фаза химического превращения;

3)фаза обработки продуктов реакции.

Рецикл

Рис. 1. Фазы химического процесса

Исходные материалы подвергают ряду физических операций и, доведя до состояния, необходимого для химического превращения, пропускают через реактор – специальный аппарат или устройство, где осуществляется химическое превращение вещества. Для окончательного получения целевого продукта реакционную смесь перерабатывают дальше, применяя такие физические операции, как разделение, сушка, очистка и т.д.

Вопросы теории и расчёта оборудования для физических стадий процесса изучают в курсе «Процессы и аппараты». В курсе

«Химические реакторы» будет рассматриваться химическая стадия процесса – фаза превращения веществ.

В широком смысле слова химическим реактором можно назвать любой аппарат (или устройство), в котором имеет место химическая реакция. Однако не всегда такие аппараты используются для получения непосредственно химического продукта. Например, двига-

6

тель внутреннего сгорания, аккумулятор, газовая горелка, в которых происходят химические реакции, предназначены для получения не химического продукта, а энергетического эффекта. Поэтому в курсе «Химические реакторы» изучаются вопросы инженерного (промышленного) оформления химических реакций, но не рассматриваются процессы в энергетических установках.

Реактор является главным (центральным) аппаратом технологической схемы, от совершенства которого зависит во многих случаях надёжность и устойчивость, а также экономичность работы всей химико-технологической схемы.

Выбор оптимальной конструкции химического реактора – дело далеко не простое. Знать кинетику реакций, лежащих в основе того или иного процесса (хотя это важно само по себе), ещё не значит уметь осуществить промышленный вариант процесса. Это связано с тем, что протекание химических реакций в промышленном реакторе всегда осложняется определёнными физическими процессами (гидродинамическими, тепловыми и диффузионными), с помощью которых создаются оптимальные условия для проведения собственно химического превращения вещества (химической реакции). Поэтому процесс превращения веществ в техническом (промышленном) масштабе имеет комплексный характер, и для его изучения используются данные термодинамики, химической кинетики, гидродинамики, тепло- и массопередачи и экономики. Кроме того, необходимо располагать расчётным методом, позволяющим выбрать тип химического реактора определённого размера, в котором желаемая реакция могла бы протекать в оптимальных условиях. На пути к выполнению этой задачи имеются большие трудности, исключающие возможность стандартного решения. Реальный процесс обычно значительно сложнее идеализированных моделей, рассматриваемых теорией.

Помимо чисто кинетических аспектов, в курсе рассматриваются и другие аспекты, связанные с тем, что химический реактор одновременно является и теплообменником, и массообменным аппаратом, кроме того ему часто присущи некоторые черты устройств для перемещения потоков и транспорта твёрдого материала. Приходит-

7

ся нередко обеспечивать контакт между твёрдой, жидкой и газовой фазами, применять мешалки и другие подобные устройства, а также вести реакцию в условиях высоких температур и давлений.

Успехи в области изучения явлений переноса тепла и массы позволяют более строго подходить к расчёту промышленных реакторов. Это особенно важно в настоящее время, когда в промышленности имеет место тенденция перехода к агрегатам большой единичной мощности.

К задачам учебной дисциплины относятся:

–изучение закономерностей протекания реакционных процессов;

–изучение методов расчёта химических реакторов;

–формирование навыков оптимизации режимов работы реакторов.

Таким образом, в ходе изучения данной дисциплины можно получить ответы на следующие вопросы:

–как выбрать наилучший тип промышленного реактора для заданной химической реакции;

–как определить размеры реактора;

–как подобрать оптимальные рабочие условия.

8

1.РЕАКЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Всоответствии с системным подходом реакционно-техническая система (РТС), или реакционный узел, – это основной элемент структуры любой химико-технологической системы, выполняющий функции химических превращений, а также процессов переноса (тепло-, массопереноса и переноса импульса).

Всвою очередь, химический реактор и реакционный узел рассматривают как сложную систему, т.е. множество элементов, находящихся

вопределённых отношениях друг с другом и образующих единое целое. Прежде чем перейти к общим закономерностям протекания хи-

мических процессов, необходимо вспомнить некоторые понятия

иопределения, характеризующие РТС.

1.1.Качественная характеристика РТС

Впроцессе превращения, протекающем в химическом реакторе, возможно участие большого количества различных веществ. Они могут при этом сами подвергаться вещественному изменению или оказывать влияние на процесс своим присутствием.

Для качественной (вещественной) характеристики РТС применяются следующие понятия:

– реакционная масса;

– реакционные компоненты;

– реагенты;

– промежуточные продукты;

– сопровождающие (сопутствующие) вещества.

Реакционная масса – это все вещества, находящиеся в реакционной зоне РТС.

Реакционные компоненты – химически различные составные части реакционной массы.

Реагенты – вещества, которые химически превращаются. В простых реакциях это партнеры реакций (исходные вещества) и продукты реакций.

9

Промежуточные продукты – реагенты, которые возникают в одной реакции и расходуются в другой, одновременно протекающей реакции.

Сопровождающие (сопутствующие) вещества – компоненты реакционной массы, которые прямо или косвенно влияют на протекание реакции, но не являются реагентами (инерты, катализаторы). Наряду с этим в реагирующей смеси могут содержаться компоненты, количество которых незначительно, но в силу своей активности они влияют на реакцию нежелательным образом. Эти вещества называют-

ся загрязнениями (например, яды для катализаторов).

Для протекания химической реакции имеет большое значение соотношение фаз в реакционной зоне.

По этому признаку различают следующие химические процессы:

–гомо- и гетерофазные;

–гомо- и гетерогенные.

Гомофазными называют процессы, в которых все компоненты находятся в пределах одной фазы: газовой (газофазные процессы) или жидкой (жидкофазные процессы).

Гетерофазные процессы – это процессы, в которых компоненты находятся в двух (или более) фазах (системы «газ–жидкость», «газ–твёрдое тело», две несмешивающиеся жидкости).

Гомо- и гетерогенные процессы различают по зоне протекания химической реакции: гомогенные процессы осуществляются в объёме какой-либо фазы, гетерогенные – на поверхности раздела фаз.

Понятия фазового состояния компонентов реакции и зоны её протекания неоднозначны. Например, газофазная реакция на твёрдом катализаторе – это гомофазный гетерогенный процесс.

По роду обмена веществ и энергии с окружающей средой РТС разделяются на открытые, закрытые и изолированные.

Реакционно-техническая система будет называться открытой, если во время процесса превращения вещества она находится в состоянии постоянного обмена веществ с окружающей средой. При этом может быть один поток или несколько потоков вещества в различных направлениях. Обмен веществ между системой и окружающей средой целесообразно связывать с обменом энергии

10