ЛЕКЦИЯ. Реакторлар 1 страница

Әрбір химиялык өнімдер транспорттық қүрылғылармен өзара дәйекті жағдайластырылған әртүрлі құрылысты және арнайы тағайындалған аппараттарда алынады. Технологиялық үлгінің аппараттарының ішінде химиялық айналдыру жүретін аппараттарды, яғни негізгі технологиялық операция жүргізілетін аппаратты атап көрсетуге болады. Мұндай аппараттар реакторлар деп аталады. Сонымен. ішінде массатасымалдау (диффузиялык) процесі мен химия-технологиялық процестер жүретін аппаратты химиялық реактор деп атайды.

Мысалы, күкірт қышқылын өндіретін цехтың пештік бөлімінде реактор деп күкіртті немесе колчеданды жандыру пешін айтады, ал байланыстыру бөлімінде байланыстырғыш аппарат және т.б. саналады. Көмекші аппараттарда дайындау операциялары – ұнтақтау, еріту, кептіру немесе ылғалдандыру, жылыту немесе суыту, жуу және т.б. жүргізіледі, әдетте олар технологиялық үлгіде реактордың алдында да, немесе соңында да орналаса береді. Реактордың алдындағы аппараттардың негізгі міндеті шикізатты реакцияға дайындау, ал реактордан кейінгі орналасқан аппараттардың міндеті реакцияның өнімдерін бөлу, оларды шоғырландыру немесе зиянды косымшалардан тазарту болып табылады.

Кей жағдайда, көмекші операциялар (жылыту, ұнтақтау, еріту, буландыру, сұйық күйге айналдыру және т.б.) мен химиялық айналдыру, бір аппаратта жүруі мүмкін.

Реактордың құрылысы, жасауға қолданған материалы, автоматтау құралдарының жетілділігі, қолданудағы ыңғайлылығы мен қауіпсіздігі технологиялық процестің нәтижелік дәрежесінің әжептеуір әсер етеді.

Химиялық реакторларға қойылатын талаптар. Түрлі сипаттамалы технологиялық процестердің негіздеріне жататын, химиялық және физикалық құбылыстардың көп түрлілігі, химиялық реакторларға түрлі шарттар қояды. Дегенмен барлык реакторлар келесі негізгі шарттарға жауап беруі кажет: 1) жоғары өнімділік пен қарқындылықты қамтамасыз ету; 2} максималды айналдыру дәрежесін қамтамасыз етуі; 3) реагенттерді тасымалдау мен араластыруға кететін энергия шығынының төмен болуы; 4) құрылысы жеткілікті түрде қарапайым және бағасы арзан болуы; 5) экзотермиялық реакциялардын жылуы мен эндотермиялық процестерді жүргізу үшін сырттан берілген жылуды түгелдей толық жұмсауы; 6) жүмыста сенімді, мүмкіндігінше толық механикаландырылған және автоматтандырылған болуы қажет.

Бірақта, атап өтілген талаптар бір-біріне қарама-қайшы сипаттамада болуы мүмкін. Мысалы, айналдыру дәрежесінің жоғарылауы аппараттың өнімділігін төмендетеді, ал жоғары дәрежеде механикаландыру мен автоматтау оның кымбаттауына әкеледі. Сондыктан, реактор жұмысының экономикалық нәтижелігі неғұрлым жоғары болуы үшін, орьндалатын шарттардың соған байланысты жиынтығын қамтамасыз ету кажет. Ол үшін әрбір көрсеткіштің аппарат жұмысының жалпы экономикалық нәтижесіне әсері ескеріледі. Сонымен. химиялық реактордын өнімділігі Ө келесі теңдеумен есептелінеді.

(2.87)

немесе (2.88)

мұнда υ - ақпараттың реакциялық көлемі; V_с, V_б,- - соңғы (с) немесе бастапқы (б) реакциялық (газдық немесе сұйықтық) көлеміне есептегендегі, қоспаның көлемдік жылдамдығы, сағ; Сө, С_б - өнімнің (Ө) немесе негізгі бастапқы (б) заттың, яғни кинетикалық есептеулер жүргізілетін заттың мөлшерсіз концентрациясы; ө - өнімнің тығыздығы, кг/м²; х - негізгі бастапқы заттың өнімге айналу дәрежесі;

G - реакция өнімінің массасы, кг; - реактордың жұмыс істеу уақыты, сағ; - стехиометрияны ескеру арқылы бастапқы заттың

көлемін өнімнің көлеміне қайта есептеу коэффициенті.

Реактордың жұмыс қарқындылығын (2.87) және (2.88) теңдеулеріне сәйкес былай көрсетуге болады:

(2.89)

Идеалды ығыстыру аппаратында айналдыру дәрежесі логарифмдік заңмен еседі. Бұл жағдайда бастапқы заттардын реакциялық кеңістіктегі концентрациясы төмендейді, ал бұл кинетикалық заңдарға байланысты реакцияның жылдамдығын төмендетеді, сондықтан реактордың өнімділігі Ө мен оның үдемелі қарқындылығы Қ төмендейді (2.9 сурет).

Сурет 2.9. Идеалды ығыстыру реакторы үшін өнімділіктің ѳ, қарқындылықтың Қ және айналдыру дәрежесінің х уақыт аралығындағы өзгеруі.

Сонымен, айналдыру дәрежесінің тепе-теңдік дәрежесіне ұмтылуы, аппарат өнімділігінің әжептеуір кемуіне әкеледі. Энергиялық шығындарды азайту талабы өнімділік пен өнімнің шығымдылығының көбеюімен қарама-қарсы байланысты болады, себебі жұмыс қарқындылығы жоғарылаған кезде энергия шығыны өнімнің шығымына қарағанда жылдамырақ өседі.

Мысалы ретінде қондырмалы немесе қатты түйіршікті (кесекті) материалдар қабатты (қондырмалы мұнара, байланыстырғыш аппарат, пеш және т.б.) аппараттың гидравликалық кедергісінің реактордың өнімділігінің өсуімен өзгеру бейнесін қарастырайық.

Реактордың жалпы кедергісі ΔР қатты түйіршіктер қабатының немесе қондырманың сұйыктықтың немесе газдың ағынына кедергісінен ΔР_К, таратып тұратын (немесе сүйеп тұратын) тордың кедергісінен ΔР_m, жылуауыстырғыш құрылғылардың жергілікті кедергілерінен ΔР (газдың (сұйық) реакторға кіру одан шығу) және т.б. кедергілерінен тұрады (3.0, 3.1):

(2.90)

Сурет 3.0. Аппарат кедергісі Сурет 3.1. Айналдыру

ΔР мен оның өнімділігінің ѳ дәрежесі х мен аппарат

Сұйықтың (газдың) сызықтық кедергісінің ΔР оның биікті-

жылдамдығына тәуелділігі. тігіне Н тәуелділігі.

Сонымен қатар, реакторларға қойылатын басқа да шарттар бір-бірімен қарама-қарсы байланысқан. Мысалы, жылу қолдануын жақсарту алмастырғыш құрылғылардың күрделенуін талап етеді. ал ол реактордың құнын асырады. Яғни реактордың түрін таңдау, қарастырылған талантарды ескеру арқылы, тек жинақты экономикалық есептеулерден кейін жүзеге асырылады.

Бұл есептеулерді іске асыру үшін, инженер-технолог процестің кинетика мағлұматтарымен, реагенттерді енгізу және реакция өиімдерін шығару шарттарымен әрекеттесуші компоненттерді араластыру сипаттамаларымен, процестің жылу алмастыру жагдайларымен жәнс т.б. мәліметтермен камтамасыз етілуі қажет.

Басқа сөзбен айтқанда реактордың тиісті класын анықтап таңдап алу қажет, өйткені технологиялық есептеулердің әдістері мен параметрлерді іріктеп алу түрлі класс реакторлары үшін ерекше болады.

Химиялық реакторларды жіктеу. Реакторлар тек қана түрліше кұрылыстық шешімдермен ғана емес, сонымен қатар, олардың жұмыс істеу тәсілдерімен де сипатталады. Дегенмен, құрылыстарының әртүрлілігіне қарамастан, барлық реакторларга ортақ жұмыс істеу сипаттамалары бар. Оларға реагенттерді енгізу жәие реакция өнімдерін шығару әдістері; реактордың реакциялық аймағында реагенттердің араласу және қозғалу ережесі; аппараттардағы температуралық ереже мен жылу алмастыру жағдайлары; реагенттер мен реакция өнімдерінің күйлік құрамы жатады. Мысалы, реакцияның жылулық нәтижесі реакциялық көлемге жылуды шығару мен енгізу үшін түрлі жылу алмастыру құрылғыларын қажет етеді. Сондықтан, процестерді экзо- және эндотермиялық деп бөлу тиісті реакторларды таңдауды қажет етеді.

Реакторлар осы себептерге байланысты химиялық процестер сияқты, процестің өте жоғары температурасына байланысты төменгі және жоғарғы температуралы; қолданылатын қысымға байланысты жоғарғы, жоғарырақ, қалыпты және төменгі (вакуумді) қысымдардағы аппараттар деп бөлінеді. Реагенттердің күйлік жағдайына байланысты реакторлар тағы да біртекті және әртекті процестерді жүргізу аппараттары болып жіктеледі. Бірақ, қандайда болсын химиялық реактордың жұмысының ең маңызды сипаттамалары:

1) реагенттерді әкелу мен өнімдерді шығару; 2) реагенттердің қозғалу және араласу ережесі; 3) аппараттың реакциялық көлемдегі температуралық ереже. Реакторлардың осы белгілер бойынша жіктелуін қарастырамыз.

Реагенттерді әкелу мен өнімдерді шығару әдістері. Олар мерзімді (периодты), үздіксіз және жартылай үздіксіз (жартылай мерзімді) жүргізілуі мүмкін. Технологиялық процестерге ұқсас реакторлар мерзімді, үздіксіз және жартылай үздіксіз деп бөлінеді.

Мерзімді жұмыс істейтін реакторлар. Мұндай реакторларға реагенттерді операцияның алдында тиейді. Берілген айналдыру дәрежесін қамтамасыз ететін белгілі уақыт өткеннен кейін аппарат реакциялық өнімнен босатылады. Процестің негізгі параметрлері (реагенттер мен реакция өнімдерінің концентрациясы, температура, кысым және т.б.) уақыт аралығында өзгереді.

Процестің орташа жылдамдығын реактордың өнімділігімен өлшеуге болады. Нақты жылдамдық реактордың (жұмыс істеу уақыт аралығында өте тез және сызықсыз өзгереді: біріншіден, реагенттердің бастапқы концентрациясының төмендеу (нәтижесінен (логарифмдік заңмен); екіншіден, процестің тұрақсыз температуралық нәтижесінен (көбінесе температураның бастапқы дәуірде жоғарылауынан, ал соңынан оның төмендеуінен). Айналдыру жылдамдығына осындай реактордың жұмыс істеу процесінде жаңа күйдің пайда болуы да әсер етеді. Мерзімде реакторларда, әдетте, реагенттердің өте қатты араластырылуы нәтижесінде толық араластыру жағдайы орнатылады және сәйкесінше кез-келген уақыт аралығында барлық реакциялық көлемде температурада біркелкі болады.

Үздіксіз жұмыс істейтін реакторлар. Бұл реакторларда бастапқы заттар үздіксіз тиеліп және сонымен қатар реакцияның өнімдері үздіксіз шығарылады. Уақытқа кері болып саналатын шама көлемдік жылдамдық V ден аталады, оны материал шығынының (яғни, τ уақыт аралығында түсетін заттың көлемі V ) пайдалы реакциялық көлеміе υ қатынасы арқылы анықтауға болады:

(2.91)

Сонымен, көлемдік жылдамдық үздіксіз істейтін аппараттың өнімділігін сипаттайды.

Көлемдік жылдамдықтың өсуімен бір бағыттағы реакциялар үшін реактордың өнімділігі (қарқындылығы) көбееді, бірақ та айналдыру дәрежесі (өнімнің шығымдылығы) төмендейді және аппараттан өтетін реагенттердің жылжыуына қарсы кедергі өседі, бұл 3.2 суретте жақсы көрінеді. Сондықтан, көлемдік жылдамдықты тек белгілі бір шекке ғана көтеру орынды бұл экономикалық түсініктермен де анықталады.

Сурет 3.2. Өнімнің шығымдылығының х, аппарат кедергісінің ΔР және оның қарқындылығының көлемдік жылдамдыққа тәуелділігі (V).

Жартылай үздіксіз жұмыс істейтін реакторлар. Бұл типтегі аппараттарда, шикізат аппаратқа үздіксіз немесе бірдей уақыт аралығьнда белгілі үлестермен тиеледі, ал реакцияның өнімдері одан мерзімді түсіріледі. Егер шикізат мерзімді беріп тұратын болса өнім үздіксіз түсірілуі де мумкін. Мұндай реакторлар ауыспалы ережеде болғандықтан жүріп жатқан процестің негізгі параметрлері уақыт бойынша өзгереді.

Реагенттердің қозғалу және араласу ережесі. Реактор арқылы өтетін реагенттердің ағындағы араласуының екі түрі болады - ұзынша (білікті) және радиалды. Білікті араластыру реакторға жаңа ғана кірген ағынның компоненттерін, оның ішіндегі алдыңғы кіргендермен араласуын қамтамасыз етеді, яғни араластыру реактордың ұзындығы (биіктігі) бойынша жүргізіледі. Радикалды араластыру компоненттердің қозғалыстағы ағынның ішкі қабатында араласуын оның радиусы арқылы қамтамасыз етеді. Білікті араластыру концентрациялық және температуралық өрістерді реактордьң ұзындығы, ал радиалды оның радиусы бойынша тегістейді. Нақ білікті араластыру реактордың типін анықтайды, өйткені ол ағынның құрылысын, жылдамдық өрістерінің, концентрацияның және температураның бірыңғай еместігін, компоненттердің реакциялық аймақтағы болу уақытын, реакция өнімдері мен бастапқы заттардың араласу дәрежесін, яғни қалай болғанда да химия-технологиялық процестің жүруіне елеулі әсер ететін барлық жағдайларды сипаттайды. Сондықтан, реагенттердің қозғалу және араластыру ережесі бойынша үздіксіз жұмыс істейтін реакторлардың екі шекті типін ажыратады: идеалды ығыстыру және толық (идеалды) араластыру.

Идеалды ығыстыру реакторы. Бұл реакторда реагенттер дәйекті, «қабат» «қабатпен» араласпай аппараттың ұзындымен (биіктігімен) анықталатын барлық реакциялық жолды ламинарлық ағынмен өтеді. Көлемнің қандайда элементінің аппаратта болу уақыты τ' келесі теңдеумен анықталатын орташаланған уақытқа τ_өрт, тең.

(2.92)

мұндағы υ - аппараттың реакңиялық көлемі; V_m - реагенттердің көлемдік шығыны; Н - реакциялық кеңістіктің биіктігі (ұзьндығы);

ω - аппараттың толық қимасына есептелген ағынның жалған жылдамдығы.

Реагенттердің араластыру қарқындылығы Пекленің диффузиялық критерийімен сипатталады (біліктікте - сызықтык, мөлшер ретінде реактордың ұзындығы L немесе оның биіктігі Н алынады; радиалдықта - сызықтық мөлшер ретінде аппараттың радиусы R алынады):

(2.93)

мұнда D, - диффузиялық нәтижелік коэффициенті, ол молекулалық D_м және турбуленттік (конвективті) D , диффузиялар коэффициенттеріне тәуелді болады.

Идеалды ығыстыру реакторынде араластыру болмайды, яғни және Пекленің диффузиялық критерий Ре ).

Изотермиялық реактордың ұзындығы (биіктігі) бойынша реагенттердің концентрациясы мен реакцияның жылдамдығы бірқалыпты төмендейді, өйткені бастапқы заттар шығындалады да, ал өнімнің шығымдылығы көбейеді (3.3 сурет).

аА +......→ dД қайтымсыз реакция үшін жалпы жылдамдық стехиометриялыққа қарағанда аз мөлшерде алынған негізгі бастапқы А затының айналу жылдамдығымен анықталған кезде идеалды ығыстыру реакторының (3.4 сурет) кинетикалық моделі:

(2.94)

ал, беріліп және а=d=n тең жағдайда:

(2.95)

мұнда (С - реакция өнімнің концентрациясы;

С⁰_А- А затының бастапқы концентраниясы:

С_А - А затының кезекті концентрациясы;

х_А - А затының айналдыру дәрежесі;

к_ы - ығыстыру ережесінде жүретін реакцияның жылдамдық тұрақтысы; п - реакцияның реті, көбінесе молекулалықпен дәл келмейді.

Сурет 3.3. Идеалды ығыстыру Сурет 3.4 Идеалды ығыс-

реакторындағы реагенттердің тыру аппаратының моделі.

концентрациясының (а), ай –

налдыру дәрежесінің (ә) және

реакция жылдамдығының (б)

өзгеруі.

Идеалды ығыстыру реакторында қайтымды реакция жүрсе, онда жалпы жағдайда, теңдеуі былайша жазылады:

(2.96)

мұнда к_ы және к¹_ы- тура және кері реакцияның жылдамдық тұрақтысы; С₆ -алғашқы заттың бастапқы концентрациясы; С_к - оның кезекті концентрациясы, Сө - реакция өнімінің кезекті концентрациясы, n және n - тура және кері реакцияның реті.

Ығыстыру моделі бойынша көптеген технологиялык реакторлар жұмыс істейді, мысалы катализаторы түтікшенің ішінде орналасқан (3.5 сурет) байланыстырғыш аппараттар, шахталы пештер қабыршақты абсорберлер мен лесорберлер, газдық күйдегі біртекті процестер үшін бос реакторлар (атап айтқанда N0, N0₂ тотықтыру мұнаралары (3.6 сурет) және т.б.

Толық араластыру реакторлары. Мұндай реакторларда тап осы уақыт аралығында аппаратқа түскен реагенттің бөлшектері (ион, молекула немесе қатты заттың түйіршігі) қатты араластырудың нәтижесінде басқа бөлшектермен қатар аппараттан бірінші болып шығарылуы мүмкін. Толық араластыру реакторында көлемнің кез-келген элементті реактордың ішіндегімен лезде араласады, себебі, аппараттың биіктігі және қимасы бойынша айналмалы қозғалу жылдамдығы реактордағы сызықтық араластыру жылдамдығына қарағанда өте үлкен. Бұл жағдайда диффузияның нәтижелік коэфиценті D→ ∞; және (2.93) теңдеуге сәйкес Re→ О. Толық араластыру реакторының физикалық моделі ретінде, пропеллерлі немесе басқа қандай да бір қарқынды араластырғышпен (3.7 сурет) жабдықталған аппаратты қарастыруға болады.

Сурет 3.7. Толық араластыру реакторы – пропеллерлі араластырғышы бар араластырушы.

Реагенттердің концентрациясының айналдыру дәрежесінің және толық араластыру реакторының көлеміндегі айналдыру жылдамдығының өзгеруі 3.8 суретте бейнеленген, ал олардың сипаттамасы реактордың физикалық моделіне түгелдей сай келеді. Толық араластыру реакторындағы бөлек бөлшектің ақиқат болу уақыты 0-ден шексіздікке дейін тербелуі мүмкін, ал орташа болу уақыты t_ор (2.92) теңдеуі бойынша анықталады. Концентрациялық және температуралық өрістердің (идеалды араластырудың нәтижесінде) бірден тез туралануының әсерінен реакторды математикалық суреттеу үшін дифференциалдық теңдеулердің қажеті болмай қалады.

Сурет 3.8 Толық араластыру реакто- Сурет 3.9 Толық араластыру

рындағы концентрацияның (а), айна- реакторы абсорбері:1- қуыс;

лдыру дәрежесінің (ә) және айналды- 2-мойын; 3-араласу камерасы;

ру жылдамдығының (б) өзгеруі. 4- бөлу камерасы.

Ал толық араластыру реакторының моделі, негізгі өлшемнің бастапқы концентрациясы С_б =0 болғанда, келесі байланыспен жазылуы мүмкін:

(2.97)

Заттардың толық араластырылуы арқылы жүргізілетін процестің жылдамдығы (2.43)-(2.47) теңдеулеріне сәйкес, оны былай көрсетуге болады.

U= =k_б ·υΔC_с (2.98)

мұндағы, υ – реакциялық көлем; ΔC_с - процестің қозғаушы күші.

Толық араластыру ережесінде механикалық (3.7 сурет қара), пневматикалық және сорғалатып араластырушы құрылғылары бар араластырушылар, көбікті аппараттар және газ ағынының кинетикалық энергиясының нәтижесінде сұйықты шашырататын аппараттар (атап айтқанда вентури абсорберлері, 3.9 сурет) жұмыс істейді.

Сурет 3.10 Араластыру реакторының тізбегі (каскады): а)-принципті үлгі: б)-негізгі бастапқы заттың концентрациясының тізбектің сатылары бойынша (1) және орташа (2) өзгеруі.

7 ЛЕКЦИЯ. Өндірістік процестер

Материалдық өндіріс дегеніміз қажетті заттарды өндіру. Бұл адам қызметінің негізі және ол 3 компоненттен тұрады:

1. Еңбек заттары- адамның еңбек етуіндегі өнделетін заттар. Оны адамдар табиғаттан алады (көмір, мұнай, руда) немесе еңбек шығымы (металл, мақта, ағаш). Олар төмендегідей болып бөлінеді:

- Негізгі материалдар, шыққан өнімнің негізін құрайды.

- Қосымша материалдар, негізгі материалдарға жаңа қасиеттер береді.

2. Еңбек құрал- жабдықтары - машиналар, аппараттар т.б. Олардың көмегімен адамдар еңбек етеді.

3. Тірі еңбек - адамның еңбек құралдарын қолданып жасайтын саналы қызметі.

Материалдық өндіру ұйымдасқан түрде өндіріс орындарында қолданылады. Өндірістің бірнеше бағыттары бар. Ол бағыттарға көптеген өндіріс түрлері жатады және ол жердің барлығында да өнім өңделіп, өндіріледі, жұмысшы мамандар қызмет етеді. Ол өндірістердің негізгі айырмашылығы: техникалық база мен техникалық өндіріс процестерінде.

Барлық өндіріс орындарын өндіруші және өңдеуші болып екіге бөледі, ал шыққан өнімді қолданысқа әкетіп және басқа өндіріске жөнелдеді.

Химия өндірісінің құрлымы мен ерекшеліктері. Химия өндірісі – маңызы зор бағыттардың бірі. Оны кең қолданылатын (таукен химиясы, негізгі химия, органикалық синтез химиясы т.б.) және аз қолданылатын (минералды тыңайтқыш өндірісі, пластмасса, синтетикалық каучук және бояулар өндіріледі т.б) деп бөлуге болады. Ол өнімдердің барлығы әр түрлі заттардан, әр түрлі технология бойынша, әр түрлі жерлерде өндіріліп өңделеді.

Химия өндірісінің өнімдерін 7 класқа бөлуге болады және олардың әр қайсысының бағыты әр түрлі:

1. Бейорганикалық синтез өнімі;

Дата добавления: 2014-12-10