Реакторлар

Химиялық технологияда химия-технологиялық процесс келесі операциялардан тұрады: шикізатты дайындау, оны химиялық немесе көп жағдайда физика-химиялық өңдеу, дайын өнімді бөлу және тазалау. Өндірістің технологиялык, және технико-экономикалық көрсеткіштері осы операциялардың сапасына тікелей байланысты болады. Шикізатты дайындау мен өнімді бөлу және тазарту операцияларының маңызын ескере отырып, химиялық технологияның негіздерін зерттеу барысында физика-химиялық өңдеу операцияларының басты орын алатынын атап өткен жөн.

2.1.1 Химия-технологиялық процестер туралы түсінік

Химия-технологиялық процесс физикалық және химиялық құбылыстардың жиынтығынан құралады. Ол келесі өзара байланысты элементарлы сатылардан тұрады. Соңғы өнім дайындайды. Ол үшін бірнеше операциялар іске асыру қажет, шикізатты реакциялық күйге айналдыру үшін даярлау, шикізат компоненттерінің химиялық әрекеттесуі және алынған реакциялық қоспаның қорытынды өңделуі. Бұл процесс кезінде химиялық, сонымен қатар физикалық әдістер: араластыру, қосу, бөлу, өнімнің дисперсті өзгеруі, гидромеханикалық, жылу, масса алмасу қолданылады.

Химия – технологиялық процесс (ХТП) дегеніміз дайын өнім алу үшін бір – бірімен байланысып, тізбектеліп жүретін химиялық, физика – химиялық, физикалық және механикалық операциялар жиынтығы. Негізінен ХТП тізбектеліп жүретін 3 кезеңнен тұрады:

1. Химиялық өңдеуге дайындау кезеңі:

А¹ А₁

2. Дайындалған өнімнің 2 жақты химиялық өзгеру кезеңі:

3. Көзделген өнімнің бөлінуі және тазалануы:

В В¹ және D D¹

Бұл тізбекті төмендегі суреттен көруге болады.

Сурет 2.1. ХТП принципті үлгісі.

А¹ - шикізатты дайындау; А – дайындалған шикізат; В+Д – реакциялық қоспа; В¹ – бөлінген мақсатты өнім; Д¹ – қосалқы өнім.

II және III кезеңде физикалық, механикалық, физика – химиялық процестер жүреді.II кезеңде химиялық операциялар да орындалады. Сонымен осы 3 кезеңнің ішінде I және III кезеңде физикалық, ал II кезеңде химиялық процесс жүреді. Бұл жүретін әр реакцияның эффективтілігі белгілі жағдайларға байланысты. Сондықтан әрқайсысының арнайы технологиялық режимі бар.

Технологиялық режим дегеніміз – ХТП - тің тұрақты және жоғарғы эффективтілікпен өтуіндегі көрсеткіштердің жиынтығы.

Ал технологиялық режим параметрі дегеніміз – реакция өтуіндегі белгілі бір құрылымның немесе жұмыс аппаратының көрсеткіші. Ол көрсеткіш негізінен процестің сандық бағасын көрсетеді. Көрсеткіштердің мәні ХТП түріне және аппарат құрылымына тікелей байланысты. ХТП – ның негізгі өлшемдері: температура, қысым, реагент концентрациясы, катализатор интенсивтілігі, реагентпен жанасу уақыты, реагенттің көлемдік жылдамдығы, ток күші, қуат және т.б. ХТП – ны жүргізудің оптималдық шарттары оның негізгі параметрлерінің қосылысында жетеді, онда көзделген өнімнің жоғары жылдамдықпен үлкен шығымы және өзіндік құндылығы төмендейді.

ХТП-ның II кезеңі – бір немесе бірнеше химиялық реакцияларды қарастыратын химиялық процесс, ол масса және жылу алмасу өзгерістері арқылы жүреді. ХТП – ны зерттеу кезінде олардың классификациясының негізі болып түрлі принциптер қабылданған. Химиялық реакциялардың бөлінуі:

- фазалық құрылымы бойынша: гомогенді және гетерогенді;

- реагенттің әсер ету механизмі бойынша, гомолитикалық және гетеролитикалық;

- уақыты бойынша қайтымды және қайтымсыз;

- жылу бөлуіне байланысты: экзотермиялық және эндотермиялық;

- катализатор қолдануына байланысты: катализаторлы және катализаторсыз;

- температура бойынша: төмен температуралы және жоғары температуралы;

- реагентпен жанасуы бойынша: гетерогенді жүйе;

- реакция түріне байланысты: жай және күрделі деп бөледі.

Жай реакция үшін бір ғана энергетикалық барьер болады (I кезең). Ал күрделі реакция параллель немесе тізбектеліп жүретін реакциядан тұрады:

ХТП – ны зерттеу үшін реакцияның классификациясы үлкен мәнге ие, олар жүйенің фазалық жағдайына, уақыт ішіндегі ағу шарттарына, реагенттердің контакт типіне және катализатор құрамына байланысты. Дәл осы классификация түріне жататын химиялық реакциялардың типтеріне байланысты, ХТП – ның параметрлерін және аппарат конструкциясын таңдайды.

2.1.2 Химиялық өндірістің процестері мен аппараттары

Процестердің классификациясы мен жалпы сипаттамасы.

Химиялық өндірісте өнімді өндіруге қолданатын процестер әртүрлі және өте көп. Оларға түрлі агрегатты күйдегі шикізаттар, энергияның түрлері, коррозияға төзімді активті заттар қолданылады. Бұл процестерді қолдану процестің өлшемдерінің дәлдігін қажет етеді. Бұл жағдай біріншіден – қолданылатын химиялық процестер мен аспаптардың көптігі, екіншіден жалпы сұраныстағы химия – технологиялық процестердің тәуелсіздігі. Химиялық технологиядағы процестер кинетикалық заңдылығына қарай 5 топқа бөлінеді:

- жылдамдығы тек гидравлика заңдылығымен анықталатын гидромеханикалық процестер;

- жылдамдығы тек жылу өткізгішпен анықталатын жылу процестері;

- жылдамдығы тек масса өтімділік заңдылығымен анықталатын диффузиялық процестер;

- механикалық процестер;

- химиялық кинетика заңдылықтарымен анықталатын химиялық процестер.

Соңғы процестердің ішінде ерекше орын алатын катализатор қолданатын процестер.

Химиялық технологияда техникалық ұйымдастыру құрылымы периодттық және үздіксіз болып бөлінеді. Периодтық процесте барлық процестер бір аппаратта әр түрлі уақытта өтеді.

Үздіксіз процесте барлық процестер әр түрлі аппаратта немесе бір аппараттың түрлі секциясында өтеді. Екі топтың біріне жататын процестің сипаттамасы үздіксіз процесс дәрежесі болып табылады.

(2.1)

мұндағы: - процестің уақыты, процестің басталып, шикізатты салғаннан дайын өнім алғанға дейін;

- шикізатты салғаннан екінші шикізатты салғанға дейінгі аралықтағы процесс уақыты.

>0 периодтық процесі үшін Х_н<1, ал үздіксіз процес үшін Х_н Осы екі аралықтағы уақыт жартылай үздіксіз процесс, ал Х_н

ХТП-да қолданылатын химиялық аппарат негізгі – химиялық реактор (мұнда шикізаттың дайын өнімге айналу процесі) және көмекші мұнда қатысатын процестерде заттарды бөледі және орналастырады.

Аппараттың құрылысы көбіне ондағы жүргізілген процеске байланысты, бірақ оған қойылатын талаптар өндірістің экономикасына да байланысты. Оларға конструкциялық қарапайымдылығы және арзандылығы, жалпы түрде жүргізілетін процестердің мүмкіндігі, коррозияға төзімділігі, термиялық беріктігі және механикалық шыдамдылығы, процестің өлшемдерін реттеп отыруы жатады.

Процестің дұрыс өтуі үшін ХТП өлшемдерін белгілі дәрежеде немесе процесті басқаруда қолданады. Бұл жағдайда былайша бөлінеді: процесті бақылау, яғни тәртіптен ауып кетуін бақылау және оны жөндеу, және процесті реттеу, яғни процестің әр сатысында тәртіпті қадағалау.

Реттеу өлшемдеріне көбіне температура, реагенттің концентрациясы немесе реагент шығымы және хлодоагенттің жылуы жатады. Қазіргі таңда қолданылатын реттеу автоматты үлгісіне негізгі үш элемент (температура, қысым, концентрация) кіреді.

2.1.2.1 Гидромеханикалық процестер.

Гидромеханикалық процесс деп – кемінде екі фазалы гетерогенді процесте өтетін гидродинамика заңына бағынатын процестер. Мұндай жүйелер дисперсті фазадан және дисперсиялық ортадан тұрады. Дисперсиялық ортаның агрегатты күйіне байланысты дисперсті бөлшектердің фазалары ажыратылады:

- газдық ортаға байланысты: шаң (5-10мкм), бу (0,3-5мкм), тұман (0,3-3мкм);

- сұйық ортаға арналған: суспензия (0,1-100мкм), коллоидты қоспа (0,1мкм-ден кем), эмульсия және көбіктер.

Гидромеханикалық процестерге мыналар жатады: тұндыру, фильтрлеу, жалған сұйылту, сұйық фазада араластыру.

1. Тұндыру – сұйық және газ түріндегі біркелкі емес жүйелерді сұйық және газ түріндегі қатты және сұйық дисперсті фазаның бөліктерінен ажырату процесі. Тұндыру жылдамдығы Стокс заңына бағынады:

мұндағы: К –тұрақты, сфералық бөліктердің формасында 18 тең;

- бөлшек диаметрі;

және - бөлшектің және дисперсті ортаның тығыздығы;

- дисперсиялық ортаның тұтқырлығы.

Тұну процесі әртүрлі күштердің әсер етуімен жүруі мүмкін, тұну процесіне мыналар жатады:

- тұндыру, яғни жердің тартылыс күшіне байланысты;

- электрлі тұндыру, электрлі кеңістіктің әсерінен тұндыру. Тұндыру үшін әртүрлі конструкциялы аппарат қолданылады. Олар екі талапқа жауап беру керек: бөліктердің аппаратта болу уақыты олардың тұндыру уақытымен тең немесе одан артық болуы керек; аппараттағы ағынның жылдамдығы тұну жылдамдығынан кем болуы керек. Тұндыру үшін әр түрлі типтегі периодтық немесе үздіксіз әрекетті тұндырғыштар қолданылады. Кейбір жағдайларда бұлар қатты тұнбаларды ұстауға арналған ескектермен қамтамасыз етіледі.

2. Циклондау – шаңдарды ажыратуға және сирек түрде суспензияларды ажыратуға қолданылады. Мұнда орталықтан тепкіш күш газ бен сұйықтықтың айналуы есебінен пайда болады:

мұндағы: G_орт – орталықтан тепкіш күш;

m – бөлшек массасы;

r – циклон радиусы;

w – циклондағы бөлшектің айналу жылдамдығы.

3. Сүзу - суспензияларды, шаң және тұманды тесіктері бар кедергіден өткізу арқылы бөлу әдісі. Фильтр ретінде мынадай материалдар қолданылады: майда түйіршікті материалдар, мата, металды және полимерлі жіптен істелген торлар, тесіктері бар керамика және пластикалық материалдар. Фильтрлеуге әсер етуші күш фильтрлеу алдында және фильтрлеуден кейінгі қысымның айырмашылығы есебінен әр түрлілігі және орталыққа тепкіш күш фильтрге қысым береді.

4. Центрифугалық фильтрлеу. Фильтрлеуші центрифугада пайда болатын орталықтан тепкіш күш әсерімен жүргізіледі. Фильтрлеу процесінің бір түрі– вакуум фильтрлеу. Мұнда процестің қозғаушы күші фильтрден кейін қысымның сиреуі есебінен ұлғаяды. Фильтрлеуші аппараттардың конструкциясы әртүрлі, олар сұйықтық, газдық, үзіліссіз, периодттық әрекет болып бөлінеді. Ең көп тараған ленталық және барабандық вакуум фильтрлері максималды өндіргіштігімен ерекшеленеді.

5. Жалған сұйылту – қатты материалды оның құрылымын сұйықтық құрылымына жақындату процесі. Жалған сұйылтуды жүйелер аппарат формасын қабылдай алады, аз тығыздықтағы денелерді қалқытуға ие, өздерінің ағындылығымен және тұтқырлығымен ерекшеленеді. Жалған сұйылту режимі бөлшекті материалдың салмағы m_қ.қ гидравликалық кедергінің күшімен теңескенде пайда болады, яғни:

Жалған сұйылту (қайнау қабаты) кезінде газдың жылдамдығы қатты зат түйіршігінің қайнау (немесе қалқу) жылдамдығымен теңеседі:

W_г = W_қ.з

6. Электрлі тазалау. Құрғақ және дымқыл электрофильтр деп аталатын аппараттар арқылы электр тогының әсерінде қатты және сұйық бөлшектерді тұндыру процесі. Электрлі тазалау процесі төмендегідей кезеңдерден тұрады:

- катодтан шыққан (тәжді электродтан) электрондар газ молекулаларын иондайды. Бұл аппаратта жоғарғы потенциалдардың әр түрлілігінде пайда болады:

- шаң және тамшы бөліктерінде пайда болған иондардың адсорбциясы:

П+mM^-п П(М^-п)m

- зарядтталған бөлшектердің анодқа орналасуы, олардың разряды және тазалауы.

П(М^-п)m - mп П + mM

Бұл үлгіде М – газ молекуласы;

П – бөлшек (шаң, сұйық).

Электрлі тазалау әдісі бөлінудің жоғары деңгейін көрсетеді және аз мөлшерлі бөлшегі бар жүйелер үшін қолданылады.

Дата добавления: 2014-12-10