Глава 6 выбор технологического оборудования химических производств

Эта глава посвящена краткому рассмотрению следующих вопросов:

- выбор наилучшего типа промышленного реактора для заданной химической реакции;

- определение его основных размеров;

- подбор оптимальных рабочих условий процесса.

При решении задач такого типа инженер-проектировщик обычно исходит из двух условий: объема производства (т.е. потребной суточной производительности) и кинетики реакции. В остальном же он располагает значительной свободой выбора. Он может остановиться на периодическом реакторе, или одной из разновидностей реакторов непрерывного действия; в определенных пределах он может выбрать наилучшее, с его точки зрения, значение для начальных концентраций реагентов, рабочих температур и давлений; и, наконец, в ходе реакции он имеет возможность вносить изменения в некоторые из этих переменных.

Как правило, основным критерием, влияющим на решения проектировщика, являются экономические соображения (стоимость или прибыль) и агрегатное состояние вещества. Однако не следует обходить молчанием причины принятия данного критерия, как бы очевидны они не были. Несомненно, в химической промышленности действуют и другие взаимосвязанные факторы, не поддающиеся экономическому учету, важнейшим из которых является техника безопасности. В условиях эксплуатации один процесс может оказаться безопаснее другого; он может быть менее пагубным в отношении воздействия на окружающую среду или более удобным для обслуживающего персонала. Однако этот фактор невозможно учесть в обычном критерии стоимости.

6.1. Основные типы химических реакторов

Основным элементом технологической схемы является реактор, от совер-

шенства которого зависит качество выпускаемой продукции. Для всех реакторов существуют общие принципы, на основе которых можно найти связь между конструкцией аппарата и основными закономерностями протекающего в нем химического процесса.

Критериями, по которым классифицируют реакционную аппаратуру, являются периодичность или непрерывность процесса, его гидродинамический и тепловой режимы, физические свойства взаимодействующих веществ.

По принципу организации процесса химическая реакционная аппаратура может быть разделена на три группы:

- реактор непрерывного действия;

- реактор периодического действия;

- реактор полунепрерывного (полупериодического) действия.

По гидродинамическому режиму различают следующие типы:

- реактор вытеснения непрерывного действия (РВНД);

- реактор смешения непрерывного действия (РСНД);

- реактор промежуточного типа (с промежуточным гидродинамическим режимом).

По тепловому режиму работы реакторы подразделяют на следующие типы:

- изотермический;

- адиабатический;

- политропический.

Реактор непрерывного действия. В таком реакторе (рис. 6.1) все отдель-

ные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются парал-

лельно и одновременно. Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме различен в разных точках объема аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема.

вещество тель

Рис. 6.1. Установка для непрерывного процесса:

1 - теплообменные аппараты; 2 - реактор

Рис. 6.2. Аппарат периодического действия

Рис. 6.3. Аппарат промежуточного типа

В реакторе периодического действия (рис. 6.2) все отдельные стадии процесса протекают последовательно в разное время. Характер изменения концентраций реагирующих веществ одинаков во всех точках реакционного объема, но различен во времени для одной и той же точки объема.

Реактор полунепрерывного действия (рис. 6.3) работает в неустановившихся условиях. Такой реактор можно рассматривать как непрерывно действующий аппарат, в котором потоки входящего и выходящего из реактора вещества не равны (вследствие чего изменяется общая масса реагирующих веществ в объеме), и, кроме того, как периодически действующий аппарат, в котором ввод одного из реагирующих веществ или вывод продукта реакции осуществляется периодически.

Реактор полного вытеснения (рис. 6.4) характеризуется переменной концентрацией реагирующих веществ по длине аппарата, наибольшей разницей концентраций на входе и выходе из реактора и, следовательно, наибольшей средней движущей силой процесса.

а

б

Рис. 6.4. Реактор вытеснения: а - однотрубный, б - многотрубный

Изменение концентрации в реакционном объеме (рис. 6.5, а) носит плавный характер, так как последующие реакционные объемы реагирующих веществ не смешиваются с предыдущими, а полностью ими вытесняются.

Рис. 6.5. Изменение концентрации веществ в реакторах: а - аппарат вытеснения; б - аппарат смешения; в - многосекционный аппарат смешения; г - аппарат промежуточного типа. Концентрация: С - текущая; С_н - начальная; С_к - конечная;

С* - равновесная; L - длина (высота) аппарата

Практически к режиму полного вытеснения можно приблизиться в реакторе с ма-

лым диаметром и большой длиною при относительно высоких скоростях движения реагирующих веществ.

Реакторы вытеснения находят широкое применение для проведения как гомогенных, так и гетерогенных каталитических процессов (например, окисления NO в NO₂ и SO₂ в SO₃, синтеза аммиака и метилового спирта, хлорирования этилена, сульфирования пропилена и бутилена и т.д.).

Реактор полного смешения (рис. 6.6) обычно снабжен каким-либо перемешивающим устройством и характеризуется постоянством концентрации реагирующих веществ во всем объеме реакторов в данный момент времени (рис. 6.5, б) вследствие практически мгновенного смешения реагирующих веществ в реакционном объеме.

Рис.6.6 Реакторы смешения: а - одноступенчатый; б - вертикальный многоступенчатый; в - многосекционный горизонтальный: г - батарея аппаратов смешения

Поэтому изменение концентрации реагирующих веществ на входе в реактор носит скачкообразный характер. Средняя движущая сила процесса в таком аппарате будет меньше, чем в аппарате полного вытеснения. Реакторы этого типа наиболее широко применяются для проведения таких процессов как нитрование, сульфирование, полимеризация и др.

В некоторых случаях процесс химического превращения вещества проводится не в одном аппарате смешения, а в нескольких таких аппаратах, соединенных последовательно (рис. 6.6, г). Такая система, состоящая в некоторых случаях из 20 и более аппаратов, получила название каскада реакторов (батареи реакторов). В каскаде реакторов изменение концентрации реагирующих веществ носит ступенчатый характер (рис. 6.5, в), так как продукт реакции предыдущего аппарата является исходным реагирующим веществом в последующем аппарате.

Гидродинамический режим работы каскада реакторов является промежуточным и зависит от числа аппаратов: с увеличением числа реакторов в каскаде он приближается к режиму вытеснения, а при уменьшении - к режиму смешения.

В каскаде увеличивается время пребывания реагирующих веществ по сравнению с одним реактором смешения, а также растет выход продуктов реакции по сравнению с реактором вытеснения.

В реакторе промежуточного типа (с промежуточным гидродинамическим режимом) нельзя осуществить полностью ни один из перечисленных выше гидродинамических режимов движения реагирующих веществ. Средняя движущая сила процесса в таком аппарате больше, чем в аппарате полного смешения, но меньше, чем в аппарате полного вытеснения (рис. 6.5, г). Следует отметить, что значительная часть реакционной химической аппаратуры работает именно в этом гидродинамическом режиме.

Реакторы промежуточного типа применяют в тех случаях, когда процесс химического превращения вещества сопровождается большим тепловым эффектом или протекает при высоких концентрациях реа­гирующих веществ, а также в случае, когда одно из реагирующих ве­ществ имеет низкую скорость растворения в реакционной смеси.

Изотермический реактор характеризуется постоянством температуры во всем реакционном объеме. В таком реакторе скорость подвода или отвода тепла должна быть строго пропорциональна количеству тепла, выделенного или поглощенного в процессе химического превращения вещества. На практике такой тепловой режим может быть достигнут лишь в условиях полного перемешивания реагирующих веществ. В качестве примера можно назвать реактор с кипящим слоем катализатора для получения изооктана.

Адиабатический реактор. В таком реакторе полностью отсутствует теплообмен с окружающей средой. Все тепло реакции как бы аккумулируется самим реакционным объемом. В адиабатическом реакторе имеет место наибольший перепад температур реагирующих веществ на входе и выходе из аппарата, который возрастает для экзотермических процессов и убывает - для эндотермических.

Примером реакторов, работающих в адиабатическом тепловом режиме, могут служить реакторы для проведения процессов прямой гидратации этилена и дегидрирования бутиленов.

В политропическом реакторе тепловой режим (изменение температуры в реакционном объеме) будет определяться не только собственно тепловым эффектом процесса химического превращения вещества, но и теплотехническими, и конструктивными факторами реакционной аппаратуры.