Реакторы по конструктивным особенностям

1.

Реакторы по конструктивным
особенностям
Емкостные
Автоклавы
Вертикальные и
горизонтальные
цилиндрические
конверторы
Типа
Колонные
Типа реакционные
печи
теплообме
Насадочного и
тарельчатого
типа
нники
С неподвижным,
движущимся и
псевдоожиженным
слоем катализатора

2.

Реакторы по конструктивным
особенностям
Емкостные реакторы:
- автоклавы
- вертикальные и
горизонтальные
цилиндрические
конверторы
/дегидратация ЭБ/

3.

Реакторы по конструктивным
особенностям
Колонные реакторы:
- реакторы с колоннами
насадочного и тарельчатого
типа /Окисление ИПБ/
- каталитические реакторы с
неподвижным, движущимся
и псевдоожиженным слоем
катализатора /крекинг
углеводородов/

4.

Реакторы по конструктивным
особенностям
Реакторы типа
теплообменники
Реакторы типа
реакционные печи
/шахтные, камерные/

5.

Расчет и конструктивное
оформление реакционного
узла

6.

Основные стадии химико-технологического
процесса
1
2
3
4

7.

Основные стадии химико-технологического
процесса
На стадии подготовки и разделения веществ в
подавляющем числе случаев используются физические
операции.
Химические реакторы – аппараты, применяемые на
второй стадии – играют наиболее существенную роль во
всей технологической цепи. В первую очередь от их
работы зависит возможность получения товарного
продукта в заданном количестве.

8.

Стадия химического превращения. Основные
проблемы выбора и расчета оборудования
реакторов.
В химических реакторах протекают те же физические процессы,
что и в аппаратах первой и третей стадии, но на них дополнительно
накладываются процессы химического превращения веществ. Это
приводит к тому, что для нормального функционирования
химического реактора в промышленных условиях необходимо
учитывать как закономерности химической кинетики, так и
переноса массы, энергии, количества движения. Одновременно с
этим должны быть учтены структура потоков и режимы их
движения, т.е. все то, что определяет макрокинетику процесса.
Учет всех этих факторов делает задачу расчета химического
реактора, т.е нахождения объема реактора в зависимости от
начальных условий её производительности по целевому
продукту, весьма сложной.

9.

Стадия химического превращения.
Основные проблемы выбора и расчета
оборудования реакторов.
Протекающие в химических реакторах химические
реакции сопровождаются тепловыми эффектами (это
тепловые
эффекты
химических
реакции
и
сопровождающих
их
физических
явлений:
растворение, кристаллизация, испарение и т.д).
Вследствие выделения или поглощения теплоты
изменяется температура и возникает резкость
температур между реактором и окружающей средой, а
в определенных случаях – температурные градиенты
внутри реактора.

10.

При отсутствии теплообмена с
окружающей средой химический реактор
является адиабатическим. В этом случае вся
теплота,
выделяющаяся
или
поглащающаяся в результате химических
процессов расходуется на внутренний
теплообмен – на нагрев или охлаждение
реакционной смеси.
Реактор называется изотермическим,
если за счет теплообмена с окружающей
средой в нем обеспечивается постоянство
температуры.

11.

Стадия химического превращения.
Моделирование реакторов.
Наиболее распространенным методом при решении
таких
задач
является
метод
математического
моделирования, учитывающий в каждом конкретном случае
реально протекающие в химическом реакторе физические и
химические процессы. Формализовано учет этих процессов
осуществляется путем задания системы математических
уравнений, которые в зависимости от типа реактора будут
алгебраическими или дифференциальными.

12.

Моделирование реакторов.

13.

Моделирование реакторов
Моделирование – это метод изучения различных
объектов при котором исследования проводят на
модели, а результаты количественно распространяют
на оригинал. Модель может представлять собой
уменьшенную по определенным законам копию
реального объекта. Но моделью может быть и
определенная система представлений о реальном
объекте,
выражаемая
как
совокупность
математических структур
- уравнений, таблиц,
графиков. Такую модель называют математическим
описанием объекта или математической моделью.

14.

Моделирование реакторов.
Математическая
модель
–
некоторое
упрощенное изображение процесса в реакторе,
которое сохраняет наиболее существенные
свойства реального объекта и передает их в
математической форме.

15.

Моделирование реакторов.
Очевидно, что математическая модель
должна достаточно точно количественно
описывать
свойства
и
поведение
изучаемого объекта, т.е быть адекватной.

16.

Моделирование реакторов.
При разработке математической модели
целесообразно использовать иерархический
подход к реактору как сложной системе.
Иерархия – это расположение частей или
элементов
целого порядка от высшего к
низшему.

17.

Основные уровни химического
процесса, протекающего в реакторе
1.Молекулярный
уровень
–
межмолекулярное
взаимодействие
на
расстоянии
порядка
размеров
молекул,
определяемое прежде всего закономерностями
кинетики( учитываются стехиометрические
соотношения, законы химического равновесия).

18.

Основные уровни химического
процесса, протекающего в реакторе
2. Уровень малого объема – элемент реакционного
объема микроскопического размера – одно зерно
катализатора,
пузырек
газа,
поднимающийся
в
барботажном слое, один элемент насадки в насадочной
колонне. Закономерности предыдущего уровня должны
быть заполнены закономерностями тепло и массопереноса.
3. Уровень рабочей зоны аппарата – статистическая
совокупность изученных на предыдущем уровне
элементов малого объема, например слой катализатора,
насадочный слой. На этом уровне необходимо учитывать
эффекты, связанные с характером движения потока.

19.

Основные уровни химического
процесса, протекающего в реакторе
4. Уровень аппарата – конфигурация, взаимная
связь и взаимное расположение рабочих зон аппарата
(например несколько слоев катализатора, разделенных
теплообменниками в многослойном каталитическом
реакторе).
5. Уровень агрегата – взаимные связи между
отдельными
аппаратами.
В
общем
случае
математическая модель реактора – это достаточно
сложная система уравнений и количественные расчеты
на основании этой модели целесообразно проводить
используя ЭВМ.

20.

Математическое моделирование
Важную роль в математическом описании
химического реактора играют балансовые
уравнения, являющиеся выражениями общих
законов сохранения массы и энергии.
Математическая модель реактора всегда
включает уравнения материального и теплового
балансов.

21.

Классификация
реакторов

22.

Классификация реакторов.

23.

Классификация реакторов.

24.

Классификация реакторов.

25.

Классификация реакторов.

26.

Классификация реакторов.

27.

Решение системы уравнений, описывающих работу химического
реактора в зависимости от варьирования начальных (концентрация
и расход реагентов, температура, степень превращения ключевого
реагента и др.) и с учетом граничных условий, осуществляется с
помощью следующих методов:
Последний находит все большее применение в связи с широким
использованием ЭВМ в инженерных расчетах.

28.

Требования
предъявляемые к
химическим
реакторам

29.

Требования предъявляемые к
химическим реакторам
Основным
требованием
является
возможность
получения целевого продукта заданного качества и в
необходимом количестве за определенный промежуток
времени при минимальных экономических издержках. Это
достигается созданием реактора нужных размерах, в
котором обеспечивается наилучший гидродинамический
режим и контакты между реагирующими веществами, а
так же между ними и катализатором. Кроме того в нем
должны быть предусмотрены устройства, создающие
требуемый температурный режим.

30.

Требования предъявляемые к
химическим реакторам
Известны процессы, проводимые при очень
высоких (1500 – 1600 0С, пиролиз метана) и
низких (около -100 0С полимеризация бутилена)
температурах. Рабочее давление в реакторах
может меняться от 3 . 102 Па(поликонденсация
дигликольтерефталата) до (700 – 1000) . 105 Па
(синтезы на основе окиси углерода).

31.

Требования предъявляемые к
химическим реакторам
Большинство
производств
основного
органического синтеза отличается
их
повышенной пожаро и взрывоопасностью,
вредностью и ядовитостью перерабатываемых
и получаемых веществ. Все перечисленные
факторы
накладывают
дополнительные
требования на химические реакторы.

32.

Требования предъявляемые к
химическим реакторам

33.

Реакторные устройства
Классификация
реакторных
устройств

34.

Реакторные устройства
В реакторных устройствах при проведении
собственно химического превращения протекают
различные физические процессы (гидродинамические,
тепловые, диффузионные и др.), с помощью которых
создаются необходимые условия.
Для осуществления физических процессов в
реакторных устройствах используются различные
конструктивные элементы (мешалки, контактные
устройства, теплообменники и др.). Так как сочетаний
этих элементов и реакционных процессов может быть
много, то и количество реакторных устройств также
значительно.
Классификация
реакторных
устройств

35.

Выбор того или иного типа реакторного
устройства обусловливается:
Классификация
-требуемой
селективностью
реакторных
превращений
исходных веществ,
-производительностью
по
устройств
целевому продукту
продуктам).
(целевым

36.

Требования к реакторным устройствам

37.

Реакторные
устройства
должны также обеспечивать
оптимальную
скорость реакций.
Классификация
Кромереакторных
того,
выбор
конструктивного типа реактора
устройств
зависит от
условий проведения
процессов
и
свойств
участвующих в них веществ.

38.

Факторы определяющие
устройство реакторного аппарата

39.

Классификация реакторных
устройств
Все реакторы, применяемые в отрасли основного органического и
нефтехимического синтеза, могут быть отнесены к тому или иному типу в
зависимости от:
• состояния реагентов (газ, жидкость, твердое тело, газ-жидкость,
жидкость—жидкость, газ—твердое тело, жидкость—твердое тело);
• состояния катализатора: твердый (в стационарном состоянии, в
псевдоожиженном состоянии, в диспергированном состоянии), жидкий;
• расположения поверхности теплообмена (внешнее, внутреннее);
• способа отвода тепла (через поверхность теплообмена, за счет
испарения реагентов или продуктов реакций, за счет подачи холодных
реагентов);
• способа диспергирования газа, жидкости и твердых частиц (реагентов и
катализатора);
• способа развития поверхности контакта фаз.

40.

Классификация реакторных
устройств

41.

Классификация реакторных
устройств
В частности, для процессов газ—жидкость
конструктивное оформление определяется
методом развития поверхности контакта
газовой и жидкой фаз, т.е. приемом
увеличения поверхности жидкой фазы.

42.

Классификация реакторных
устройств
Процессы газ — жидкость проводят
в:
• пленочных реакторах с насадкой
(насадочных колоннах): жидкость
распределяется по поверхности
насадки пленкой и стекает вниз
противотоком взаимодействующему
с ней газовому реагенту, иногда
применяется прямоток;

43.

Классификация реакторных
устройств
барботажных
реакторах,
которые
могут иметь от одной
до
нескольких
десятков колпачковых
или ситчатых тарелок;

44.

Классификация реакторных
устройств
• полых башнях с разбрызгиванием
жидкости (а также полых камерах с
разбрызгиванием жидкости), в которых
развитие поверхности жидкой фазы
происходит
за
счет
ее
диспергирования,т. е. разбрызгивания,
распыления
пневматическим
или
механическим путем в объеме или
потоке газа;

45.

Классификация реакторных
устройств
• пенных реакторах, в
которых газ проходит
снизу
вверх
через
решетку и находящийся
на ней слой жидкости, а
иногда
в
многополочных пенных
аппаратах;

46.

Классификация реакторных
устройств
трубчатых реакторах
(типа «труба в трубе»),
которые используются
главным образом для
высокотемпературных
процессов.

47.

Классификация реакторных
устройств
Для осуществления процессов газ
—твердое
тело
в
основном
применяются печи различного типа.
И наконец, для осуществления
процессов в системе жидкость—
твердое тело применяют:
• реакторы с фильтрующим слоем,
состоящие из ситчатых или
колпачковых тарелок (иногда
колосниковых),
на
которых
располагается слой пористого
материала,
через
который
пропускается жидкость;

48.

Классификация реакторных
устройств
• реакторы со взвешенным
слоем зернистого твердого
материала в жидкости или с
фонтанирующим слоем;

49.

Классификация реакторных
устройств
реакторы с механическими
мешалками,
а
также
с
пневматическими
перемешивающими
устройствами (для растворения,
выщелачивания и т. д.). Эти же
реакторы применяются для
проведения
гомогенных
реакций в жидкой фазе и
взаимодействия
несмешивающихся жидкостей;

50.

Классификация реакторных
устройств
реакторы со шнеком,
которые
редко
используются в отрасли
основного органического
и
нефтехимического
синтеза. 1 — бункер;
2 — верхний па трубок;
3 — вертикальный шнек;
4 — нижний патрубок;
5 — разгрузочный клапан;
6 — сбрасывающая лопасть;
7 — привод

51.

Классификация реакторных
устройств
Реакторы для гетерогенных реакций в
жидкой фазе обычно снабжены мешалками
разного типа и имеют теплообменные
устройства
(обычно
доя
косвенного
теплообмена). Эти реакторы с мешалками
работают при режиме, близком к режиму
полного смешения.

52.

Классификация реакторных
устройств
Здесь
представлены
наиболее
часто
встречающиеся устройства для перемешивания
взаимодействующих реагентов или фаз.
а — сопло; б — горелка; в — мешалка

53.

Классификация реакторных
устройств
По фазовому признаку реагентов, продуктов и катализатора реакторы
для гетерогенных процессов можно разделить на четыре класса.
Выбор способа теплообмена определяется прежде всего теплотами
реакций и температурными условиями химического процесса. Необходимо
также учитывать физические, теплофизические и химические свойства
теплоносителя.
По этому признаку все реакторы могут быть разделены на два типа:
В случае прямого теплообмена передача тепла в реакторе осуще
ствляется при непосредственном контакте реакционной смеси и
теплоносителя (при этом тепло может выделяться за счет экзо
термической реакции или его необходимо подводить для осуще
ствления эндотермической реакции).

54.

Классификация реакторных устройств
Таблица 3.4. Классификация реакторов с фильтрующим (стационарным) слоем
катализатора по типу подвода и отвода тепла
Класс
Тип подвода (отвода) тепла
Вид реакторного
устройства
Тип процесса
Примеры химических
процессов
1
Периодический
Реактор с
мешалкой
Изотермический
Реакции полимеризации,
поликонденсации
2
За счет внешних теплообменников Трубчатый
реактор
Изотермический
Получение акриловой
кислоты окислением
пропилена
3
За счет внутренних тепло
обменников:
3.1.
ступенчатый
3.1.1.
3.1.2.
с теплообменниками между
полками
с охлаадением между полками за
счет дополнительного введения
холодных реагентов
Колонный
аппарат
Политермический (на
ступенях
адиабатический)
Получение уксусной
кислоты окислением
уксусного альдегида
Газофазное
гидрирование
Гидрирование насыщенных
альдегидов; синтез метано
ла из СО и Нг

55.

Классификация реакторных устройств
Как
было
показано
ранее,
по
гидродинамическому
режиму
реакторы
делятся на:

56.

Классификация реакторных устройств
По температурному режиму на:

57.

Классификация реакторных устройств
Таблица 3.5. Классификация реакторов для гомогенных химических
процессов по температурному режиму
Процесс
Тип реактора
Температурный режим работы
Пример
химического
процесса
Гомогенный
Камерные реакторы
Адиабатический
процесс в газовой фазе
С эжектроными смесителями газов и паров
Близок к изотермическому
Камерный реактор . с центробежным пере
мешиванием газовой смеси
Политермический идеального
вытеснения
Прямая гидратация
Этилена
Пиролиз углеводородов в олефины, пиро
лиз ацетона в кетен
Реактор типа «труба
в трубе» с водным или
другим охлаждением
или нагревом
Гомогенный процесс в
жидкой фазе
Прямоточные аппараты большой длины с
теплообменом
Батарея из нескольких реакторов
Изотермический полного вытеснения Полимеризация этилена, теломеризация
олефйнов, синтез альдоля
Политермический идеального вытес
нения
-
Многосекционные аппараты
То же
Реакторы с различными мешалками или
Изотермический полного смешения
другими перемешивающими устройствами
Гомогенный процесс в
жидкой фазе
Насадочные колонны или колонны,
секционированные решетками
Изотермический идеального
вытеснения
Алкилирование углеводородов жидкими
олефинами
Сульфатирование спиртов, нитрование
ароматических углеводородов
Реакция нейтрализации