Химический реактор

1.

Химический реактор — аппарат, в котором происходят
разнообразные химические процессы, связанные с реакциями массо‐
и теплопереноса.
Применяемые в промышленности реакторы по своему устройству могут
быть самыми разнообразными:
• простой резервуар
• емкость с мешалкой,
• полая или с насадкой колонна,
• доменная печь или сложный аппарат с катализатором,
• атомный реактор и многие другие.
Разнообразие химических реакторов затрудняет проведение их полной
классификации.
Конструирование реактора не поддается шаблону, и для проведения
процесса можно предложить много разных конструкций.
В поисках оптимальной конструкции не обязательно останавливаться на
наиболее дешевой.

2.

Химические реакторы
Примеры химических реакторов

3.

Химические реакторы
Химические реактора на производстве

4.

Химические реакторы
Классификация
Признаки классификации химических
реакторов:
• гидродинамическая обстановка,
• условия теплообмена,
• фазовый состав реакционной
смеси,
• способ организации процесса,
• характер изменения параметров
процесса во времени,
• конструктивные характеристики.

5.

Химические реакторы
Классификация гидродинамическая обстановка
По режиму движения реакционной среды все реакторы можно разделить на:
• реакторы смешения
• реакторы вытеснения
Реакторы смешения – это
емкостные аппараты с мешалкой
или циркуляционным насосом
Реакторы вытеснения – трубчатые
аппараты, имеющие вид удлиненного
канала

6.

Химические реакторы
Классификация
условия теплообмена с окружающей средой
• Адиабатический реактор ‐ в реакторе отсутствует теплообмен с
окружающей средой и тепло химической реакции полностью
расходуется на изменение температуры реакционной смеси.
• Изотермический реактор ‐ в реакторе поддерживают постоянную
температуру в ходе всего процесса путем отвода или подвода тепла.
• Политропический реактор ‐ температура в реакторе непостоянна,
при этом часть тепла может отводиться от реакционной смеси или
подводиться к ней.
Адиабатический и изотермический режимы представляют собой предельные
идеальные случаи.
Однако режимы многих ректоров в производственных условиях приближаются к
этим моделям.

7.

Химические реакторы
Классификация
фазовый состав реакционной смеси
По фазовому составу реагирующей смеси реакторы подразделяют на:
• гомогенные (служащие для проведения реакции в одной фазе)
• гетерогенные (предназначенные для проведения химических превращений в
многофазных системах).

8.

Химические реакторы
Классификация
способ организации процесса
По способу подвода реагентов и отвода продуктов реакторы подразделяют на:
• периодические,
• непрерывные
• полунепрерывные (полупериодические)

9.

Химические реакторы
Классификация способ организации процесса
периодические
В реактор периодического действия все реагенты загружают до начала реакции, а смесь
продуктов отводят по окончании процесса
Параметры технологического процесса
в периодически действующем
реакторе изменяются во времени.
Между отдельными реакционными
циклами выполняют вспомогательные
операции:
• загрузку реагентов
• выгрузку продуктов,
• Чистку реактора.
Наличие вспомогательных операций снижает
производительность периодического реактора
по сравнению с непрерывным.

10.

Химические реакторы
Классификация
способ организации процесса
непрерывные
В реакторе непрерывного действия (проточном) все стадии процесса − подача
реагентов, химическая реакция, вывод готового продукта − осуществляются
одновременно, т.е. как бы параллельно друг другу
В данном случае вспомогательные операции отсутствуют, поэтому такие
реакторы характеризуются высокой производительностью.
Современные крупнотоннажные производства
непрерывно‐действующих реакторах.
реализуются
в

11.

Химические реакторы
Классификация
способ организации процесса
полунепрерывные (полупериодические)
В реактор полунепрерывного (полупериодического) действия один из реагентов поступает
непрерывно, а другой периодически.
Возможны варианты, когда реагенты поступают в реактор периодически, а продукты
реакции выводятся из него непрерывно, или наоборот.
Химические реакторы
Классификация
Конструктивные характеристики
По типу конструкции химические реакторы подразделяют на:
• емкостные,
• колонные,
• трубчатые.

12.

Химические реакторы
Классификация
Конструктивные
характеристики емкостные
Емкостные реакторы − полые аппараты, часто снабженные перемешивающим
устройством (рис. а). Теплообмен осуществляется через поверхность химических
реакторов или путем частичного испарения жидкого компонента реакционной смеси.
К реакторам этого типа относят также аппараты с неподвижным или
псевдоожиженным слоем (одним или несколькими) катализатора (рис. б).
Основные типы емкостных реакторов:
а − проточный емкостный реактор с мешалкой и
теплообменной рубашкой,
б − многослойный каталитический реактор с
промежуточными и теплообменными элементами.
И − исходные вещества, П −
продукты реакции, Т −
теплоноситель,
К − катализатор, Н –
насадка,
ТЭ − теплообменные элементы.

13.

Химические реакторы
Классификация
Конструктивные
характеристики
Колонные и трубчатые
Реакторы колонного типа используют в основном для проведения
непрерывных процессов в двух‐ или трехфазных системах.
Трубчатые химические реакторы применяют часто для каталитических реакций с
теплообменом в реакционной зоне через стенки трубок и для осуществления
высокотемпературных процессов газификации.
Колонный реактор с насадкой для двухфазного
процесса (а)
трубчатый реактор (б)
И − исходные вещества,
П − продукты реакции,
Т − теплоноситель,
К − катализатор,
Н – насадка,
ТЭ − теплообменные элементы.

14.

Химические реакторы
Емкостной аппарат. конструкция
1- привод,
2 - стойка привода,
3 - уплотнение вала,
4 - вал мешалки,
5 - корпус,
6 опора(лапа),
7 гладкая рубашка,
8 - отражательная перегородка,
9 - мешалка,
10 - труба передавливания.

15.

Химические реакторы
Классификация
Признаки классификации химических
реакторов:
• гидродинамическая обстановка,
• условия теплообмена,
• фазовый состав реакционной смеси,
• способ организации процесса,
• характер изменения параметров
процесса во времени,
• конструктивные характеристики.
Полимеризация стирола в
толуоле

16.

Химические реакторы
Корпус реактора
• крышка
• обечайка
• днище

17.

Схема реактора с неподвижным слоем
катализатора:
1— катализатор;
2— пусковой греющий элемент;
3 —смотровое окно.

18. Слои катализатора

19.

20. Реакторы с неподвижным слоем катализатора

Схема
полочного
реактора
с Схема
полочного
реактора
с
внутренними теплообменниками: 1 — выносными теплообменниками:
катализатор; 2 — теплообменники
1
—
катализатор;
теплообменники
2
—

21.

Колосниковая
решетка

22.

. Трубчатый реактор с отводом тепла расплавом солей:
Схема закрепления
1 — трубки; 2 — компенсатор: 3 — штуцер для ввода
катализатора в трубках
водяного пара или азота; 4 — газовый распределитель; 5 —
пружинами
гильзы термопар; б — штуцер для выхода расплава солей; 7
— трубные решетки: 8 — штуцер для слива расплава солей; 9
— штуцер для входа расплава солей

23.

Трубчатый реактор с обогревом дымовыми газами

24.

Схемы
трубчатых
реакторов с внутренним
теплообменом:
1 — нижняя крышка; 2 —
верхняя крышка; 3 —
верхняя трубная решетка;
4
—
трубки
для
катализатора: 5 — кожух;
6 — нижняя трубная
решетка

25. Реакторы с компактным движущимся слоем шарикового катализатора

Схема установки с движущимся
слоем зернистого катализатора:
1 — бункер; 2 — реактор; 3 —
регенератор; 4 и 5 — подъемники
катализатора; I — вход сырья; II —
выход продуктов реакции; III —
вход регенерационных газов; IV —
выход регенерационных газов

26.

Реактор в установках с движущимся слоем
катализатора состоит из следующих основных
частей:
верхнего распределительного
устройства;
реакционной секции;
устройства для ввода сырья;
нижнего распределительного устройства

27.

Реактор с движущимся
слоем катализатора

28.

Узел крепления внутренней и внешней изоляции

29. Реакторы с псевдоожиженным слоем зернистого или пылевидного катализатора

Различные состояния слоя сыпучего материала:
а — неподвижный слой; б — псевдоожиженный («кипящий») слой; в — унос
частиц

30.

Схема реактора с псевдоожиженным
(«кипящим»)
слоем
пылевидного
катализатора

31.

Регенератор с
псевдоожиженным
слоем пылевидного
катализатора

32. РЕАКТОРЫ НЕКАТАЛИТИЧЕСКИХ ГАЗОФАЗНЫХ ПРОЦЕССОВ

Реактор конструкции Саксе
Реактор
для
получения ацетилена
системы Саксе

33.

Реактор пиролиза метана

34. Электродуговые реакторы

Реактор
для
электрокрекинга
углеводородов:
1- цилиндрический корпус; 2реакционная труба; 3 - верхний электрод
(катод); 4 - шина высокого напряжения; 5
- нижний электрод; 6 - вспомогательный
электрод; 7 - труба для подачи воды в
форсунки; I - вход исходной смеси; 11 вход и выход охлаждающей воды; III подача азота; IV - выход продуктов
реакции

35. Технологические печи

• Трубчатая
печь
—
высокотемпературное
термотехнологическое
устройство
с
рабочей
камерой, огражденной от окружающей атмосферы.
Печь предназначена для нагрева углеводородного
сырья теплоносителем, а также для нагрева и
осуществления химических реакций за счет тепла
выделенного
при
сжигании
топлива
непосредственно в этом аппарате. Трубчатые печи
используются при необходимости нагрева среды
(углеводородов) до температур более высоких, чем
те, которых можно достичь с помощью пара, т. е.
примерно свыше 230 °С.

36.

Современная трубчатая печь

37.

Змеевик трубчатой
печи типа ГС

38.

По способу передачи тепла нагреваемому
продукту печи подразделяются:
• на конвективные;
• радиационные;
• радиационно-конвективные

39.

• Конвективные печи — это один из старейших типов печей. Они
являются как бы переходными от нефтеперегонных установок к
печам радиационно-конвективного типа.
• Печь состоит из двух основных частей — камеры сгорания и
трубчатого пространства, которые отделены друг от друга стеной,
так что трубы не подвергаются прямому воздействию пламени и
большая часть тепла передается нагреваемому веществу путем
конвекции.
Конвективная печь:
1 — горелки; 2 — камера сгорания;
3 — канал для отвода дымовых
газов; 4 — камера конвекции

40. Радиационные печи

В радиационной печи все трубы, через которые проходит
нагреваемое вещество, помещены на стенах камеры сгорания.
Поэтому у радиационных печей камера сгорания значительно больше,
чем у конвективных.
Все трубы подвергаются прямому воздействию газообразной среды,
которая имеет высокую температуру. Этим достигается:
а) уменьшение общей площади теплоотдачи печи, так как количество
тепла, отданного единице площади труб, путем радиации при
одинаковой температуре среды (особенно при высоких температурах
этой среды), значительно больше, чем количество тепла, которое
можно передать путем конвекции;
б) хорошая сохранность футеровки за трубчатыми змеевиками,
благодаря тому что снижается ее температура, во-первых, за счет
прямого закрытия части ее трубами, во-вторых, за счет отдачи тепла
излучением футеровкой более холодным трубам.

41. Радиационно-конвективные печи

• Радиационно-конвективная печь имеет две
отделенные
друг
от
друга
секции:
радиационную и конвективную. Большая часть
используемого
тепла
передается
в
радиационной секции (обычно 60-80 % всего
использованного тепла), остальное – в
конвективной секции. Конвективная секция
служит для использования физического тепла
продуктов
сгорания,
выходящих
из
радиационной секции обычно с температурой
700-900 °С

42.

Радиационно-конвективная печь:
1 — камера радиации; 2 — камера конвекции; 6 —
дымоход; 4 — змеевик; 5 — футеровка;6 — горелочные
устройства

43.

По конструктивному оформлению трубчатые печи
классифицируются:
по форме каркаса:
а) коробчатые ширококамерные, узкокамерные;
б) цилиндрические;
в) кольцевые;
г) секционные
Форма каркаса печи:
а — коробчатой ширококамерной печи; б — коробчатой узкокамерной
печи; в —цилиндрической печи

44.

— по расположению трубного змеевика:
а) горизонтальное ;
б) вертикальное;
Расположение трубного змеевика:
а — горизонтальное; б — вертикальное

45.

Каждая трубчатая печь характеризуется тремя основными
показателями:
— производительностью,
— полезной тепловой нагрузкой,
— коэффициентом полезного действия.
Производительность печи выражается количеством сырья,
нагреваемого в трубных змеевиках в единицу времени (обычно в
т/сутки).
Полезная тепловая нагрузка — это количество тепла, переданного
в печи сырью (МВт, Гкал/ч).
Коэффициент полезного действия печи характеризует
экономичность ее эксплуатации и выражается отношением
количества полезно используемого тепла Qпол к общему количеству
тепла Qобщ, которое выделяется при полном сгорании топлива.

46. Оборудование трубчатых печей и особенности его эксплуатации

Печной двойник

47. Футеровка печей

48.

• Футеровка – один из основных конструктивных
элементов печей, который дает возможность
осуществления высокотемпературных
термотехнологических и теплотехнических
процессов в печной среде при наличии
механических нагрузок с сохранением в течение
длительного времени геометрической формы
рабочей камеры, механической и строительной
прочности.
• Во многих печах футеровку выполняют из
фасонных шамотных кирпичей с огнеупорностью:
• 1730 °С — класс А;
• 1670 °С — класс Б;
• 1580 °С — класс В.

49.

• Огнеупорная обмуровка должна удовлетворять следующим
требованиям:
• — обеспечивать длительную работоспособность печей в течение 68 лет;
• — создавать условия высокой теплоотдачи в радиантных секциях
печи с тем, чтобы уменьшить теплопотери в окружающую среду,
обеспечивать нормальные санитарно-гигиенические условия
работы обслуживающего персонала;
• — исключать присосы воздуха в топку, камеру конвекции, газоходы
и боров печи;
• — обладать достаточной термостойкостью и прочностью, чтобы
выдерживать значительные колебания температуры в топке;
• — иметь минимальную массу и хорошую ремонтоспособность,
обеспечивающую минимальные затраты на ремонт;
• — стоимость материалов и их монтаж должны быть экономически
оправданы.

50.

Блочная конструкция стен трубчатых
печей:
1 — элемент блочной футеровки
(блочный кирпич); 2 — несущие
горизонтальные швеллеры; 3 —
кронштейны для блоков

51.

Металлический каркас

52.

Каркас печи

53.

Двухкамерная (двухскатная) печь с наклонным сводом

54.

Схема работы печи:
а) конструкция шатровой печи: 1 — камера радиации; 2 —
камера конвекции; 3 — дымоход; 4 — змеевик; 5 — футеровка;
6 — горелочные устройства; б) схема потоков в печи: 1 — вход
продукта; 2 — выход продукта; 3 — движение дымовых газов

55.

Трубы змеевика

56.

Вертикальные цилиндрические печи тип ЦС

57.

58.

Вертикальные плоские печи тип ГС

59.

Печь типа ГС:
1 — лестничная площадка; 2 — корпус;3 — змеевик; 4 — футеровка; 5 —
горелка

60.

Схема печи
с объемно-настильным пламенем:
1 — горелку; 2 — вертикальная стенка; 3 —
боковой экран; 4 — потолочный экран; 5 —
конвекционная камера

61.

Многокамерная печь типа Р:
1 — смотровое окно; 2 — камера конвекции; 3 — змеевики; 4 — канал
топочных газов; 5 — окно для отвода продуктов сгорания; 6 — камера
радиации

62.

Схема многокамерной печи
двухстороннего облучения:
1 — радиантная камера; 2 —
конвекционная камера; 3 — горелки;
4 — дымовые трубы