Способы обеспечения температурного режима химических процессов

КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Основу большинства химико-технологических процессов составляют реакторные процессы, в ходе которых сырье и реагенты превращаются в новые химические продукты.

Главными показателями, которые характеризуют процесс, являются скорость реакции и степень превращения сырья в готовый продукт.

Задача управления заключается в поддержании оптимальных значений этих показателей, обеспечивающих получение продукта заданного качества при максимальной производительности реактора и минимальных затратах.

Скорость реакции зависит от температуры и давления в реакторе, от концентрации реагирующих веществ и активности или концентрации катализатора. Следовательно, каждый из перечисленных факторов может быть использован в качестве управляющего воздействия на реакторный процесс.

Классификация химических реакторов и режимов их работы.

Химические реакторы для проведения различных процессов отличаются друг от друга по конструктивным признакам. Однако, несмотря на существующие различия, можно выделить общие признаки классификации реакторов, облегчающие систематизацию сведений о них, составление математического описания и выбор метода расчета.

Наиболее употребимы следующие признаки классификации химических реакторов и режимов их работы: 1) режим движения реакционной среды (гидродинамическая обстановка в реакторе); 2) условия теплообмена в реакторе; 3) фазовый состав реакционной смеси; 4) способ организации процесса; 5) характер изменения параметров про­цесса во времени; 6) конструктивные характеристики.

Классификация реакторов по гидродинамической обстановке. В зависимости от гидродинамической обстановки можно разделить все реакторы на реакторы смешения и вытеснения.

Реакторы смешения - это емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом. Реакторы вытеснения - трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала. В трубчатых реакторах перемешивание име­ет локальный характер и вызывается неравномерностью распределения скорости потока.

В теории химических реакторов обычно сначала рассматривают два идеальных аппарата - реактор идеального или полного смешения и реактор идеального или полного вытеснения.

Для модели идеального смешения принимается ряд допущений. Допускается, что в результате интенсивного перемешивания устанавливаются абсолютно одинаковые условия в любой точке реактора: концентрации реагентов и продуктов, степени превращения реагентов, температура, скорость химической реакции и т.д.

Реактор идеального вытеснения представляет собой длинный канал, через который реакционная смесь движется в поршневом режиме. Идеальное вытеснение возможно при выполнении следующих допущений: 1) движущий поток имеет плоский профиль линейных скоростей; 2) отсутствует обусловленное любыми причинами перемешивание в направлении оси потока.

Реальные реакторы в большей или меньшей степени приближаются к модели идеального вытеснения или идеального смещения. Внесение определенных поправок на неидеальность позволяет использовать модели идеальных аппаратов в качестве исходных для описания ре­альных реакторов.

Классификация по условиям теплообмена. Протекающие в реакторах химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами (это тепловые эффекты химических реакций и сопровождающих их физических явлений, таких, например, как процессы растворения, кристаллизации, испарения и т.п.). Вследствие выделения или поглощения теплоты изменяется температура и возникает разность температур между реактором и окружающей средой, а в определенных случаях температурный градиент внутри реактора. Разность температур DТ является движущей силой теплообмена.

При отсутствии теплообмена с окружающей средой химический реактор является адиабатическим. В нем вся теплота, выделяющаяся или поглощающаяся в результате химических процессов, расходуется на «внутренний» теплообмен и на нагрев или охлаждение реакционной смеси.

Изотермические реакторы. Для сохранения постоянной температуры процесса в реакторах этого типа необходимо подводить или отводить тепло в соответствии с тепловым эффектом реакции. Однако, изотермические реакторы сравнительно редко используются в крупномасштабных производствах; высокая стоимость оборудования или теплообмена делает процесс неэкономичным. Поэтому промышленные реакторы чаще проектируются как адиабатическими или политропическими.

Политропические реакторы. В этих аппаратах предусмотрен подвод или отвод тепла.

В реакторах с промежуточным тепловым режимом тепловой эффект химической реакции частично компенсируется за счет теплообмена с окружающей средой, а частично вызывает изменение температуры реакционной смеси.

Особо следует выделить автотермические реакторы, в которых поддержание необходимой температуры процесса осуществляется только за счет теплоты химического процесса без использования внешних источников энергии. Обычно стремятся к тому, чтобы химические реакторы, особенно применяемые в крупнотоннажных производствах, были автотермическими.

Классификация по фазовому составу реакционной смеси. Реакто­ры для проведения гомогенных процессов подразделяют на аппараты для газофазных и жидкофазных реакций. Аппараты для проведения гетерогенных процессов, в свою очередь, подразделяют на газожидко­стные реакторы, реакторы для процессов в системах газ - твердое вещество, жидкость твердое вещество и др. Особо следует выделить реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов.

Классификация по способу организации процесса. По способу ор­ганизации процесса (способу подвода реагентов и отвода продуктов) реакторы подразделяют на периодические, непрерывно-действующие и полунепрерывные (полупериодические).

В реакторе периодического действия все отдель­ные стадии протекают последовательно, в разное время. Все реагенты вводят в аппарат до начала реакции, а смесь продуктов отводят после окончания процесса. Продолжительность реакции можно измерить непосредственно, так как время реакции и время пребывания реагентов в реакционном объеме одинаковы. Параметры технологического процесса в периодически действующем реакторе изменяются во вре­мени.

Между отдельными реакционными циклами в периодическом реакторе необходимо осуществить вспомогательные операции - загрузку реагентов и выгрузку продуктов. Поскольку во время этих вспомога­тельных операций не может быть получено дополнительное количество продукта, их наличие обусловливает снижение производительности периодического реактора.

В реакторе непрерывного действия (проточном) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества и подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются одновременно и, следова­тельно, непроизводительные затраты времени на операции загрузки и выгрузки отсутствуют. Поэтому на современных крупнотоннажных химических производствах, где требуется высокая производительность реакционного оборудования, большинство химических реакций осу­ществляют в непрерывно действующих реакторах.

Время пребывания отдельных частиц потока в непрерывно-действующем реакторе, в общем случае, случайная величина. Так как от времени, в течение которого происходит реакция, зависит глубина химического превращения, то она будет разной для частиц с разным временем пребывания в реакторе. Средняя глубина превращения оп­ределяется видом функции распределения времени пребывания от­дельных частиц, зависящим, в свою очередь, от характера перемешива­ния, структуры потоков в аппарате и для каждого гидродинамическо­го типа реактора индивидуальным.

Реактор полунепрерывного (полупериодиче­ского) действия характеризуется тем, что один из реагентов поступает в него непрерывно, а другой - периодически. Возможны варианты, когда реагенты поступают в реактор периодически, а про­дукты реакции выводятся непрерывно, или наоборот.

Классификация по характеру изменения параметров процесса во времени. В зависимости от характера изменения параметров процес­са во времени одни и те же реакторы могут работать в стационарном и нестационарном режимах.

Рассмотрим некоторую произвольную точку, находящуюся внут­ри химического реактора. Режим работы реактора называют стационарным, если протекание химической реакции в произволь­но выбранной точке характеризуется одинаковыми значениями кон­центраций реагентов или продуктов, температуры, скорости и других параметров процесса в любой момент времени. В стационарном режиме параметры потока на выходе из реактора не зависят от времени. Обычно это постоянство выходных параметров обеспечивается постоян­ством во времени параметров на входе в реактор.

Если в произвольно выбранной точке происходят изменения пара­метров химического процесса во времени по тому или иному закону, режим работы реактора называют нестационарным. Неста­ционарный режим является более общим. Стационарный режим возмо­жен для непрерывно-действующих проточных реакторов. Но даже эти реакторы работают в нестационарном режиме в моменты их пуска и ос­тановки. Нестационарными являются все периодические процессы.

Нестационарные реакторы характеризуются положительным или отрицательным накоплением вещества или энергии в реакторе. На­пример, для периодического реактора характерно положительное накопление продуктов реакции и отрицательное накопление (убыль) ис­ходных реагентов. При протекании в таком реакторе экзотермической реакции в отсутствие теплообмена с окружающей средой будет иметь место накопление теплоты (энергии), которое приведет к росту темпе­ратуры.

Стационарные проточные реакторы (описываются более простыми уравнениями); протекающие в них про­цессы легче автоматизировать.

Нестационарность процесса в реакторе, естественно, вносит опре­деленные усложнения и в описание реактора, и в управление его работой, однако во многих случаях нестационарные режимы техноло­гических процессов, протекающих в химических реакторах, легче приблизить к оптимальным.

Классификация по конструктивным характеристикам. Химиче­ские реакторы отличаются друг от друга и по ряду конструктивных ха­рактеристик, оказывающих влияние на расчет и изготовление аппара­тов. По этому принципу классификации можно выделить такие типы реакторов: емкостные реакторы (автоклавы; реакторы-камеры; вер­тикальные и горизонтальные цилиндрические конверторы и т.п.). Колонные реакторы (реакторы-колонны насадочного и тарельчатого типа; каталитические реакторы с неподвижным, движущимся и псевдоожиженным слоем катализатора; полочные реакторы); реакторы ти­па теплообменника; реакторы типа реакционной печи (шахтные, полочные, камерные, вращающиеся печи и т.п.).

Температура для большинства процессов - это наиболее чувствительный индикатор и наиболее сильное возмущение. Поэтому в состав системы автоматизации реактора, входит САР температуры. Реализация САР зависит от характера процесса и его аппаратного оформления. В реакторе с мешалкой и теплообменником температура регулируется путем изменения расхода хладоагента.

При некоторых экзотермических реакциях с большим температурным коэффициентом скорости реакций в случае превышения определенной температуры скорость тепловыделения становится больше максимальной возможности теплоотвода реактора; тогда в нем быстро возрастает температура, что может привести к аварии. В подобных случаях особенно высокие требования предъявляются к точности САР температуры, а безопасность проведения технологического процесса обеспечивается применением системы автоматической блокировки реактора по температуре.

Важнейшим технологическим параметром химических процессов является температура реакционной массы. Практически все химические процессы сопровождаются выделением или поглощением тепла, либо осуществляются при температурах, отличающихся от нормальных. Температура процесса влияет на скорость почти всех химических реакций и ее увеличение или уменьшение вызывает изменение как количества получаемого продукта, так и его качества. В связи с этим при проектировании реакторов особое внимание уделяют обеспечению необходимого температурного режима. Эта задача чаще всего решается путем подвода или отвода тепла горячим или холодным теплоносителем см. рис. 3:

В некоторых случаях регулирование температуры экзотермических процессов осуществляют путем управления работой рекуперативного теплообменника, в котором исходная смесь подогревается до необходимой температуры за счет тепла прореагировавшей массы (рис. 4). Такой рекуперативный теплообменник может быть выносным или встроенным.

Необходимый температурный режим иногда обеспечивается:

- введением в состав реакционной массы инертного теплового агента (вода, азот, водяной пар и т.п.);

- изменением количества или соотношения реагентов в смеси;

- организацией ввода наиболее активного реагента одновременно в различные точки или сечения реактора (рис. 5).

Рис.3. Способы регулирования температурного режима химического процесса с использованием внешних теплоносителей.

а) тепловые рубашки реакторов;

б) поверхность встроенных теплообменных устройств;

в) поверхность выносных теплообменников

циркуляционных потоков;

г) поверхность промежуточных теплообменников между адиабатическими реакционными секциями.

Рис. 5. Методы управления температурой без использования теплообменной аппаратуры.

Конкретный способ поддержания температурного режима или их комбинации выбирается в зависимости от следующих параметров: скорости и теплового эффекта химического процесса; величины необходимой температуры и допустимого интервала ее изменения; фазового состояния и свойств реакционной массы; производительности и типа реактора.

Дата добавления: 2015-06-04