Классификация энергетических ресурсов 4 страница

одной жидкости в другой;

– 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

Т1 сухой газ 4

ТНС ТНС

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

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

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.

На рисунке (1) представлен характер изменения концентрации реагентов, степени их превращения

и скорости химического процесса в реакторах типа РИВ-Н и РИС-Н.

Характер изменения движущей силы процесса в реакторах различного типа можно проследить на

таком параметре как температура. В данном случае движущая сила процесса равна разности между

предельным значением температуры ts и значением действительной (рабочей) температуры t, т.е.

Δt = ts –t

На рисунке 2 представлен характер изменения температуры и движущей силы процесса в

реакторах непрерывного действия идеального вытеснения (РИВ-Н) и идеального смешения (РИС-Н). Из

него следует, что наибольшая величина движущей силы достигается в реакторах типа РИВ-Н, а

наименьшая в реакторах типа РИС-Н.

С Сн

С1

Сн

Ск

L(v) L(v)

Х Х

Хк

Хн

Х0 L(v) L(v)

U U

Uн U0

Uк Uк

L(v) L(v)

а б

Рис1. Изменение характеристик в реакторах

а– реактор идеального вытеснения, б- реактор идеального смешения.

Сн и Ск – начальные и конечные концентрации реагентов в реакторе,

Х0 иХк – степень превращения реагентов в начале и конце процесса,

Uн и Uк – начальная и конечная скорость процесса в реакторе.

Повышение движущей силы процесса в реакторе РИС большого объема может быть достигнуто

разделением его рабочего объема на ряд секций, в каждой из которых создается режим реактора РИС-Н,

или созданием каскадной схемы из нескольких реакторов РИС-Н, суммарный объем которых равен

объему одного большого реактора (рис.3). В этом случае при сохранении преимуществ режима реактора

РИС-Н, средняя движущая сила возрастает от величины для одного реактора РИС-Н большого объема,

чему эквивалентна площадь 2, 3, 4, 5 до величины для каскада реакторов, которой эквивалентна площадь

1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. При увеличении числа секций или реакторов в каскаде движущие силы

реакторов РИС-Н и РИВ-Н становятся практически равными и каскад реакторов РИС-Н можно

рассматривать как единичный реактор РИВ-Н большой производительностью (кривая на рис. 2).

Т

Тн

Тs Т

Тs

Тк Тн

ΔТср

Тн ΔТср

РИВ-Н L(v)

Рис.2 Изменение движущей силы ΔТ в реакторах Рив-Н и РИС-Н

Тs – предельная температура, достигаемая в процессе (температура теплоносителя),

Тн – начальная температура реагентов в реакторе, L – длина реактора (его объем)

Тк – конечная температура в реакторе, ΔТ – средняя движущая сила процесса

Т

Тs 3 4

Тк

2 5

8 7

11 L(v)

Тн

Рис.3.Движущая сила в каскаде реакторов РИС-Н

10.3.3 Конструкции химических реакторов

Конструктивно химические реакторы могут иметь различную форму и устройство, т.к. в них

осуществляется разнообразные химические и физические процессы, протекающие в сложных условиях

массо-и теплопередачи.

По назначению химические реакторы делят на реакторы для гомогенных процессов, реакторы

для гетерогенных процессов и реакторы для гетерогенно-каталитических процессов.

1.Реакторы для гомогенных периодических процессов выполняют в виде резервуаров, кубов или

автоклавов, а для непрерывных, в виде трубчатых реакторов вытеснения, реакторов типа РИС – Н и

РИП-Н различных конфигураций.

2.Реакторы для гетерогенных процессов конструируют с учетом обеспечения наилучших условий

массопередачи, создания возможно большей поверхности контакта фаз и ее обновления в ходе процесса,

обеспечения необходимого режима движения компонентов в каждой фазе. Конструкция реакторов этого

типа существенно зависит от агрегатного состояния компонентов процесса.

Реакторы для систем «газ – твердое тело» и «жидкость – твердое тело» выполняют в виде

аппаратов, близких к режиму вытеснения (например, печь для обжига известняка, барабанная печь для

кальцинации гидроксида алюминия и т.п.), или в виде аппаратов, близких к режиму смешения (печь

пылевидного обжига, реакторы кипящего слоя и т.п.).

Реакторы для системы «газ – жидкость» и «жидкость – жидкость» выполняют в виде аппаратов

абсорбционного типа. К ним относится скрубберы различного устройства, барботажные колонны, баки с

мешалками и др.

10.3.4 Устройство контактных аппаратов

Химические реактора для проведения гетерогенно–каталитических процессов называются

контактными аппаратами. В зависимости от состояния катализатора и режима его движения в аппарате,

они делятся на: контактные аппараты с неподвижным слоем катализатора, контактные аппараты с

движущимся слоем и контактные аппараты с псевдоожиженным слоем.

Кроме того, контактные аппараты различаются структурой материальных потоков компонентов,

способом подвода или отвода тепла и рядом других конструктивных особенностей.

1.Контактные аппараты с неподвижным слоем катализатора выполняются в виде реактора типа

РИП – Н. Контактная масса в них размещается в несколько слоев на полках (полочные аппараты) или в

трубах (трубчатые аппараты). Многополочные контактные аппараты, содержащие несколько слоев

катализатора, применяются в процессах с высоким положительным или отрицательным тепловым

эффектом. Для поддержания оптимального теплового режима процесса реакционная смесь после

прохождения каждого слоя катализатора подогревается или охлаждается путем подачи в пространство

между слоями холодного газа, или в выносных и встроенных теплообменниках. Комбинация

контактного аппарата с устройствами для отвода или подвода тепла называется контактным узлом.

Для процессов, протекающих с очень высокими скоростями, применяют конструкции, в

которых контактные массы размещены в сетках, что обеспечивает лучший их контакт с реагентами.

Недостатки данных аппаратов: низкая производительность катализатора вследствие

затруднений использования внутренней поверхности его зерен, сложность конструкции, трудность

поддержания оптимального теплового режима.

2.Контактные аппараты с движущимся слоем катализатора работают в режиме реакторов РИС –

Н и РПТ – Н. В них катализатор распыляется в движущемся потоке газа или жидкости и переносится

вместе с ним. При этом для обеспечения противотока газ поступает в аппарат снизу, а катализатор

сверху.

3.Контактные аппараты с псевдоожиженным слоем катализатора работают по принципу аппарата

«КС» в режиме реакторов РИС – Н и применяются, главным образом, в производствах органического

синтеза, в которых катализатор быстро теряет активность и требует непрерывной регенерации. Поэтому,

в этих установках, как и в установках с движущемся слоем катализатора, контактный аппарат сопряжен

с регенератором катализатора

Преимущество данных аппаратов: легкость регенерации и замена катализатора, возможность

подачи реагентов с температурой ниже температуры зажигания катализаторов, оптимальный

температурный режим работы аппарата и т.п. Недостатки: быстрое истирания зерен катализатора и

загрязнение продуктов реакции катализаторной пылью.

регенератор

газ

газ

контактный

аппарат подъемник

катализатора

вода

.

газ кат. на реген

газ газ

контактный аппарат с неподвижным контактный аппарат с

слоем катализатора движущимся слоем

катализатора

регенератор

реактор пневмотранспорт

регенерирующий газ

газ

Контактный аппарат с псевдоожиженным слоем катализатора

Показатели работы контактного аппарата.

Режим работы и производительность контактного аппарата зависит от таких параметров его как

время контакта, объемная скорость газа (жидкости) и удельная производительность катализатора

1.Время контакта – время соприкосновения реагентов с катализатором определяют так:

τК = v кат / V г, (10.16)

где:Vг – объем газообразной (жидкой) реакционной смеси, проходящей через катализатор в единицу

времени, нм3/с, Vk –объем катализатора (контактной массы), м3, τ к – время контакта в секундах, с.

2. Объемная скорость – объем реакционной смеси, проходящей через единицу объема катализатора

в единицу времени (W), нм3/м3*ч или ч-1. Следует иметь в виду, что второе обозначение весьма условно,

так как объемные единицы относятся к различным фазам: нм3 – к газу, м3 – к твердому катализатору.

Из (10.16) и определения объемной скорости следует, что

W = 1/τк (10.17)

3.Удельная производительность (интенсивность) катализатора – масса продукта, получаемая с

единицы объема катализатора в единицу времени (g к), кг/мз*ч. Для газообразных систем

g к = V пр * ρ, (10.18)

где Vпр – объем газообразного продукта, полученного с единицы объема катализатора в единицу

времени, нм3 / м3 * ч, ρ - плотность продукта, кг/м3.

Интенсивность катализатора, от которой зависит эффективность работы контактного аппарата,

связана с объемной скоростью реакционной массы и содержанием в ней целевого продукта. При этом

для процессов необратимых, проводимых по открытой технологической схеме, учитывается содержание

целевого продукта только на выходе из контактного аппарата. Для обратимых процессов проводимых по

циклической схеме, следует учитывать как содержание продукта на выходе из аппарата, так и на входе в

него

11 Гомогенные процессы

11.1 Характеристика гомогенных процессов

Гомогенные процессы, т.е. процессы, протекающие в однородной среде (жидкие или газообразные

смеси, не имеющие поверхностей раздела, отделяющих части системы друг от друга), сравнительно

редко встречаются в промышленности. Чисто гомогенную систему получить трудно, так как любое

вещество содержит примеси. Для многих промышленных процессов воздух считается гомогенной

средой, а для процесса окисления аммиака тот же воздух из-за наличия в нем пыли, влаги считается

гетерогенной средой. Исходное сырье всегда имеет примеси. Поэтому лишь условно можно принять за

гомогенные те производственные процессы, которые протекают в газовой или жидкой фазе. В

гомогенных системах реакции проходят быстрее, чем в гетерогенных.

Осуществление и управление гомогенными процессами, протекающими в гомогенной среде,

значительно облегчается. Аппаратура тоже проще. Поэтому многие промышленные гетерогенные

процессы включают в качестве этапа гомогенный химический процесс в газовой или жидкой фазе. Для

гомогенизации системы при проведении химической реакции в однородной среде в промышленности

используют разные способы:

1) Поглощение газов, конденсация паров, растворение или плавление твердых материалов

приводящей к получению жидкой среды, в которой быстрее протекают реакции.

2) Испарение жидкостей или выделение из них в газовую фазу нужных компонентов и проведение

реакции в газовой фазе.

Например, в башенном методе получения серной кислоты после поглощения окислов азота

гомогенно идет образование нитрозилсерной кислоты. В этом же способе используется и газовая реакция

окисления двуокиси серы в трехокись при каталитическом действии газообразных окислов азота. Так

проводятся многие реакции синтеза, разложения. Рассмотрим характеристики некоторых реакций.

Ассоциацией называется соединение некоторого числа одинаковых молекул в более крупные

частицы. Ассоциация молекул происходит как в индивидуальных веществах в жидком и газообразном

состоянии, так и в растворах. Например, газообразная двуокись азота в определенных условиях дает

четырехокись

NО2 + NО2 ↔N2О4,

что и используется при прямом синтезе концентрированной азотной кислоты.

Уменьшение температуры и рост давления и концентрации увеличивают степень ассоциации и,

наоборот, при повышении температуры и снижении давления и концентрации полученный компонент

диссоциирует, т. е. процесс является обратимым.

Полимеризацией называют процесс соединения большого числа молекул мономера в одну большую

молекулу того же состава. Следовательно, при полимеризации не происходит выделения каких- либо

побочных продуктов. К полимеризации склонны ненасыщенные соединения, имеющие двойные и

тройные связи, а также и насыщенные соединения циклического строения. Полимеризация

непредельных углеводородов идет с выделением тепла и уменьшением общего числа молекул в системе,

т.е. с уменьшением объема, например,

nСН2=СН2 →(-СН2-СН2-)n

Поэтому повышение давления и понижение температуры способствует ходу процесса.

При деполимеризации происходит отщепление мономерных единиц от цепи макромолекулы. В

промышленности широко используется гомогенная реакция диссоциации электролита на ионы. При

высокой температуре диссоциирует и аммиак.

2NН3 ↔ N2 + 3 Н2

Эта реакция в газовой фазе начинается при 900-10000С

Крекинг – метод деструктивной переработки, являющийся частным случаем пиролиза для

жидкостей и газов.

Пиролиз – это термическая переработка горючих материалов при температуре 400-15000С без

доступа воздуха. При пиролизе в результате воздействия высоких температур органические вещества

расщепляются с образованием свободных радикалов, предельных и непредельных углеводородов

меньшего молекулярного веса, чем исходные.

Процессы крекинга углеводородов, полимеризации, да и многие другие химические реакции

протекают по цепному механизму. Зарождение цепи происходит вследствие инициирующего действия

некоторых высокоактивных веществ или света, высокой температуры и т.п. Развитие цепи протекает

самопроизвольно. Цепные реакции затухают из-за обрыва цепи.

11.1.1 Гомогенные процессы в газовой фазе

Гомогенные процессы в газовой фазе широко применяются в технологии органических веществ.

Для осуществления этих процессов органическое вещество испаряется, и затем его пары обрабатываются

тем или иным газообразным компонентом: хлором, окислами азота, сернистым ангидридом и т.п.

Значительное применение получил парофазный пиролиз, в котором химические реакции разложения

осуществляются в паровой фазе, хотя процесс в целом относится к гетерогенным, поскольку химическим

реакциям в паровой фазе предшествует испарение углеводородов.

Хлорирование углеводородов или их производных осуществляется при получении органических

растворителей, ядохимикатов и разнообразных продуктов органического синтеза. В зависимости от

применяемых средств инициирования различают следующие методы хлорирования: термическое,

фотохимическое и каталитическое. Первые два метода - гомогенные. При термическом хлорировании

энергия активации равна 20 ккал/моль. Процесс осуществляется при Т=250-4000С. Чем менее

реакцинноспособны углеводороды, тем выше температура. При хлорировании метана последовательным

замещением его водородных атомов получается смесь четырех производных

СН4 + Сl2 →СН3Сl + НСl

Хлористый метил

СН3Сl + Сl2 →СН2Сl2 + НСl

Хлористый метилен

СН2Сl2 + Сl2 → СНСl3 + НСl

Хлороформ

СНСl3 + Сl2 →ССl4 + НСl

Четыреххлористый углерод

Изменяя условия процесса, соотношение исходных продуктов, режим хлорирования, можно

направить реакцию в сторону преимущественного образования того или иного хлорпроизводного.

Фотохимическое хлорирование углеводородов осуществляется по цепному механизму с большой

скоростью при невысоких температурах в жидкой или паровой фазе, и направление этой реакции часто

бывает иное, чем при термическом хлорировании. Энергия активации фотохимического хлорирования

равна 10-15 ккал/ моль.

Сульфохлорирование, т.е. одновременное действие сернистого ангидрида и хлора на предельные

углеводороды (RН + SО2 +Сl2 → R –SО2Сl + НСl), используется для производства моющих средств. Это

типичная цепная реакция, которую действием ультрафиолетового света удается селективно направить в

сторону образования сульфохлорида.

Интерес представляет получение хлористого винила высокотемпературным хлорированием

этилена. В этом случае с повышением температуры выше 3000С реакция замещения водорода на хлор

начинает преобладать над реакцией присоединения хлора по двойной связи, при этом получается

хлористый винил с высоким выходом.

Гомогенно в жидкой или паровой фазе осуществляются и процессы нитрования. При парофазном

нитровании исходные реагенты можно смешивать в любых соотношениях и процесс ведется при

высоких температурах. При этом возрастает скорость реакции, более полно используется азотная

кислота или окислы азота и резко снижается выход полинитросоединений.

11.1.2 Гомогенные процессы в жидкой фазе

Из большого числа процессов, идущих в жидкой фазе, можно отнести к гомогенным процессы

нейтрализации щелочи в технологии минеральных солей без образования твердой соли. Например,

получение сульфата аммония при взаимодействии аммиачной воды и серной кислоты. По такому

принципу протекают и некоторые обменные реакции, идущие в растворах

КСl +NаNО3 ↔ NаСl +КNО3

В жидкой фазе получают простые и смешанные эфиры из спиртов, так, например, этилсульфат

разлагают спиртом

С2Н5ОSО2ОН + СН3ОН ↔С2Н5ОСН3 +Н2SО4,