В каких реакторах процесс протекает при постоянной температуре

Температурный режим реакторов.

Любого химический процесс, особенно химическая реакция требует создания в реакторе определенного температурного режима. В зависимости от температурного режима отличают 3 типа реакторов:

1) Адиабатические реактора идеального вытеснения – работают без отвода и подвода теплоты. Вся теплота реакции аккумулируется реакционной смесью.

2) Изотермические реактора – это реакторы, в которых процесс протекает при постоянной температуре во всем объеме реактора. Это достигается за счет интенсивного перемешивания. Следовательно, РИС относятся к экзотермическим реакторам. Изотермический режим в реакторах вытеснения достигается, когда процесс протекаетс малым тепловым эффектом или при низкой концентрации реагентов.

3) Политермические реактора – характеризуются частичным отводом теплоты или подводом теплоты извне по высоте реактора вытеснения или неполного смешения. К политермическим относятся Реактор Полного Смешения периодического действия

Поверхность контакта фаз.

Поверхность контакта фаз может быть увеличена главным образом за счет соответствующего аппаратурного оформления процесса, т.е. путем применения различных по устройству реакторов и за счет увеличения интенсивности перемешивания. Рассмотрим реактор для осуществления химических процессов Г-Ж:

(пленочный режим в аппарате с насадкой)

1 – башня с насадкой; 2 – холодильник; 3 – насос.

Насадка орошается жидкостью, которая, стекая вниз, смачивает насадку. Газ проходит через насадку и соприкасается с жидкостью, смачивающей насадку. Поверхность контакта фаз (F) тем больше, чем больше объем насадки приходится на единицу объема пропускаемого газа, чем меньше размер насадки и, тем более развита поверхность этой насадки.

(капельный режим в полой башне)

1 – полая башня; 2 – холодильник; 3 – насос.

В полых башнях поверхностью соприкосновения фаз служит поверхность капель F , образующихся при разбрызгивании жидкости в башне с помощью различных устройств. Общая поверхность определяется по формуле:

F=0,3/r×R, (для полых башен)

где F – поверхность, приходящаяся на один кг разбрызгиваемой жидкости,

r – плотность жидкости (г/см3),

R – радиус капель (см).

В некоторых случаях в системах Г-Ж процесс осуществляется в барботажных и пенных аппаратах, в которых газ в виде отдельных пузырьков барбатирует через слой жидкости. Поверхностью контакта служит внутренняя поверхность пузырьков: чем меньше размер пузырьков газа и чем выше слой жидкости, тем больше поверхность фаз.

Движущая сила процесса.

Движущая сила процесса определяется по формуле:

DС=Сп.ф – Сз.р ,

где Сп.ф – концентрация исходного вещества в передающей фазе,

Сз.р – концентрация исходного вещества в той же фазе в зоне реакции.

Из уравнения видно, что существует 2 способа повышения движущей силы процесса DС: за счет увеличения концентрации исходного вещества в передающей фазе и снижения концентрации исходного вещества в той фазе в зоне реакции. Движущая сила процесса возрастает, если увеличить концентрацию исходного вещества в передающей фазе или повысить давление, а также если выводить продукты реакции из сферы взаимодействия.

Каталитический процесс.

Каталитические процессы в настоящее время составляют основу химической технологии.

Под катализом понимают изменение скорости химической реакции под воздействием веществ, катализаторов, которые участвуют в процессе, но остаются после его окончания химически неизмененными.

Отрицательный катализ применяется значительно реже: катализаторы, замедляющие скорость процесса, называют также ингибиторами.

Положительный катализ – катализатор ускоряет скорость химической реакции.

Каталитический процесс можно разделить на 2 группы: гомогенные и гетерогенные.

Пример: Гомогенные

оксид оксид

углерода(II) углерода (IV)

Пример: Гетерогенные.

водород азот аммиак

Увеличение скорости химическим путем с применением катализатора, является самым эффективным приемом, имеющим неограниченные возможности.

Катализаторы могут увеличивать скорость химической реакции в миллионы раз. Эффект катализа объясняется понижением энергии активации вследствии изменения механизма реакции. Например: А+В Е® АВ.

В присутствии катализатора [K] возможны следующие элементарные стадии:

А + [K] E1® [AK]

[АK]+В E2® АВ[K]

АВ[K] Eк® АВ+[K]

В соответствии с уравнением Аррениуса при снижении энергии активации Е скорость реакции возрастает k = ….

k – const скорости реакции;

k0 – предэкспоненциальный множитель;

е – основание натуральных логарифмов;

R – молярная газовая const=8,13 Дж/моль∙к

Е – энергия активации реагирующих веществ[Дж/моль];

Т – абсолютная температура.

Рассмотрим график изменения энергии в реагирующей системе:

    Сравнение реакторов с различными гидродинамическими и температурными режимами. Сравнение реакторов производят путем анализа уравнения общей скорости процесса (111.26). Таким способом можно выбрать необхолимый тип реактора для конкретного процесса. При выборе следует учитывать, что реакторы смешения работают в изотермических условиях, а в реакторах вытеснения, как правило, адиабатический или политермический режим. При этом повышение температуры в реакторе М — определяется уравнением адиа- [c.88]

    Из уравнения (III.68) следует, что распределение продуктов реакции не зависит от используемой модели реактора. Влияние температуры на селективность, так же как и влияние концентрации, связано с типом модели реактора, потому что реакторы полного смешения всегда работают при изотермическом режиме, а реакторы вытеснения имеют адиабатический или политермический температурный режим. В кинетической области влияние температуры выражается уравнением Аррениуса [см. уравнение (11.92)]. Поэтому [c.99]

    В политермических реакторах теплота реакции лишь частично отводится из зоны реакции или компенсируется подводом для эндотермических процессов в соответствии с расчетом (проектом) аппарата. В результате температура по длине (или высоте) реакционного объема изменяется неравномерно и температурный режим выражается различными кривыми, вид которых соответствует предварительному расчету (программе) и регулируется изменением параметров технологического режима. Промышленные реакторы имеют в большинстве политермический температурный режим, но иногда приближаются к изотермическому или адиабатическому режиму. [c.38]

    Политермический температурный режим характеризуется изменением температуры по длине реакционной зоны вследствие совместного влияния тепловых эффектов и теплообмена с окружающей средой. [c.99]

    Политермический температурный режим [c.104]

    Политермический температурный режим возможен лишь при наличии в реакционной зоне теплообменной поверхности. Проведение ХТП в этом режиме позволяет существенно повысить степень превращения, выход продукта, скорость процесса и другие показатели. Например, при проведении необратимых экзотермических процессов, отводя необходимое количество теплоты из зоны реакции, можно обеспечить достижение очень высоких степеней превращения, ие опасаясь превышения максимально допустимых температур Гмакс- При этом, если температура потока на входе в реак- [c.104]

    Например, в пленочных реакторах жидкая фаза движется тонкой пленкой по поверхности иасадочных тел. В качестве насадок используют керамические и металлические кольца, шары, спирали, системы плоскопараллельных пластин и др. (см. рис. 6.31). Условно принимают, что жидкость течет по всей поверхности насадок. Газ движется прямотоком или противотоком. Движение как жидкости, так и газа соответствует режиму вытеснения. При протекании ХТП с большим тепловым эффектом, как правило, устанавливается политермический температурный режим. Благодаря большому свободному сечению насадки гидравлическое сопротивление реакторов невелико. [c.125]

    Химические превращения в элементах печной системы протекают при постоянной температуре (изотермический температурный режим) илн в интервале температур (политермический режим). Более или менее полное приближение к изотермичности слоя материала может быть достигнуто при непрерывной компенсации теплового эффекта реакции, малых тепловых эффектах реакции и высокой теплопроводности реагентов, перемешивании теплоносителя и исходных материалов. В печах кипящего слоя температурный режим близок к изотермическому. [c.115]

    Поскольку гидродинамическая обстановка и температурный режим в основном определяют кинетику процесса, протекающего в реакторе, представляется возможным использовать их, как основу для классификации реакторов. А именно, рассматривать реакторы, работающие в предельных гидродинамических режимах — идеального вытеснения и полного (идеального) смешения в изотермических, адиабатических, или же политермических условиях. Подобная идеализация позволяет исключить из рассмотрения второстепенные черты процесса и использовать те, которые определяют поведение системы. [c.80]

    Температурный режим в реакторе может быть изотермическим, адиабатическим и политермическим. [c.106]

    Для системы Г — Ж используют и трубчатые реакторы (см. рис. 6.32), в которых обычно проводят высокотемпературные про цессы пиролиза органических веществ. Их применяют также для проведения абсорбционно-десорбционных процессов. Режим движения фаз — вытеснение, температурный режим — политермический. [c.127]

    Туннельные печи выполнены в виде длинного канала (туннеля), футерованного огнеупорным кирпичом. Внутри туннеля движутся вагонетки с полками, на которых находится кусковой материал. Газовый поток движется противотоком. По энергетическим признакам туннельные печи являются топливными, прямого нагрева. Температурный режим — политермический. По длине печи имеется несколько температурных зон — подогрева, обжига, охлаждения. Режим движения фаз лучше всего описывается моделью вытеснения с проскоком части непрореагировавшего газа. [c.134]

    Газовая смесь проходит через колонну синтеза аммиака с фильтрующими слоями катализатора в режиме вытеснения. Температурный режим — политермический. [c.203]

    По температурному режиму каталитические процессы и реакторы подразделяют на адиабатические, изотермические и поли-термические. Реакторы с фильтрующим слоем катализатора, гидродинамический режим которых близок к идеальному вытеснению, работают при политермическом или адиабатическом режиме. Для реакторов со взвешенным слоем характерен изотермический режим. [c.107]

    Следует вообще заметить, что в последнее время в исследованиях полимеров, наряду с измерениями значений фр1зическпх свойств при условно выбранных температурах, важную роль приобретают методики, в которых эти значения фиксируются в виде кривых в ходе изменения состояний образца в динамическом термическом режиме при нагреве (реже — охлаждении) [8]. При такого рода — политермических — исследованиях в образце обнаруживаются закономерное изменение свойств, агрегатные и фазовые превращения полимер проходит последовате.гьно ряд состояний, характерных для определенного участка либо для всей температурной области его существования. Состояния эти, как правило, неравновесны степень неравновесности определяется природой, исходным состоянием и термической историей образца, значением температуры и скоростью ее изменения. [c.7]

Смотреть страницы где упоминается термин Политермический температурный режим:

[c.106]   

[c.198]   

[c.96]   

Реактор является основным агрегатом технологической схемы производства любого химического (или нефтехимического) продукта.

Химический реактор — это аппарат, в котором осуществляются взаимосвязанные процессы химического превращения, массопередачи и теплообмена. Существует большое количество различных типов и конструкций химических реакторов, которые можно классифицировать по ряду признаков.1) Рассмотрим основные классификации реакционных устройств.

Монтаж реактора гидрокрекинга

1. По принципу организации процесса химическая реакционная аппаратура может быть разделена на три группы:

• Реактор непрерывного действия

В таком реакторе (рисунок ниже) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются параллельно и одновременно. Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме различен в разных точках объема аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема.

Установка для непрерывного процесса: 1 – теплообменные аппараты; 2 – реактор2)

В данном случае вспомогательные операции отсутствуют, поэтому такие реакторы характеризуются высокой производительностью. Современные крупнотоннажные производства реализуются в непрерывно‐действующих реакторах. 3)

• Реактор периодического действия

В реакторе периодического действия все отдельные стадии процесса протекают последовательно в разное время. Характер изменения концентраций реагирующих веществ одинаков во всех точках реакционного объема, но различен во времени для одной и той же точки объема. 4)

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.5)

Реактор периодического действия

• Реактор полунепрерывного (полупериодического) действия.

Реактор полунепрерывного действия работает в неустановившихся условиях. Такой реактор можно рассматривать как непрерывно действующий аппарат, в котором потоки входящего и выходящего из реактора вещества не равны (вследствие чего изменяется общая масса реагирующих веществ в объеме), и, кроме того, как периодически действующий аппарат, в котором ввод одного из реагирующих веществ или вывод продукта реакции осуществляется периодически.6)

Аппарат промежуточного типа

2. По гидродинамическому режиму (режиму движения реакционной среды) различают следующие типы: 7)

• Реактор смешения

Реакторы смешения – это емкостные аппараты с мешалкой или циркуляционным насосом.

• Реактор вытеснения

Реакторы вытеснения – трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала.

3. По тепловому режиму работы реакторы делят на следующие типы:

• Изотермический реактор

Изотермический реактор — в реакторе поддерживают постоянную температуру в ходе всего процесса путем отвода или подвода тепла.

Для осуществления химической реакции в изотермических условиях необходимо в аппарате обеспечить интенсивное перемешивание и высокоэффективный теплообмен. В реакторах для таких процессов обычно используют псевдоожиженные слои катализатора или теплоносителя, применяют различные смесительные устройства (мешалки) и т.п. В качестве примера реактора с изотермическими условиями можно привести аппараты, применяемые для алкилирования изобутана бутиленами с целью получения высокооктанового компонента бензина-алкилата (изооктана). 8)

• Адиабатический реактор

Адиабатический реактор — в реакторе отсутствует теплообмен с окружающей средой, и тепло химической реакции полностью расходуется на изменение температуры реакционной смеси.

В некоторых случаях небольшое изменение температуры в адиабатическом реакторе достигается подачей вместе с сырьем инертного (не участвовавшего в реакции) вещества (теплоагента), которое поглощает (при экзотермической реакции) или компенсирует (при эндотермической реакции) часть теплового эффекта реакции. Примером адиабатического реактора может служить выносная реакционная камера термического крекинга, куда непрерывно поступает сырье, нагретое в трубчатой печи до 470-500°C. 9)

• Политропический реактор

Политропический реактор — температура в реакторе непостоянна, при этом часть тепла может отводиться от реакционной смеси или подводиться к ней.

К аппаратам политропического типа относятся реакторы, выполненные в виде кожухотрубчатых теплообменных аппаратов, у которых обычно трубное пространство заполнено гранулированным катализатором и является, таким образом, реакционным объемом, а через межтрубное пространство пропускается агент, осуществляющий теплообмен через поверхность трубок. К реакторам политропического типа относятся также аппараты, конструктивно оформленные по аналогии с теплообменниками типа «труба в трубе»: во внутренней трубе размещается катализатор, а через кольцевое пространство пропускается теплоагент. 10)

4. По типу контакта сырья с частицами теплоносителя выделяют следующие типы реакционных устройств (см. рисунок ниже):

Реакционные устройства контактного типа:
а – с неподвижным слоем теплоносителя; б – с движущимся слоем крупногранулированного теплоносителя; в – с псевдоожиженным слоем теплоносителя; г – лифтного типа. 1 – реактор; 2 – регенератор; 3 – сепаратор. I – сырье; II – воздух; III – продукты сгорания; IV – продукты реакции; V – водяной пар.

• С неподвижным слоем теплоносителя

Примерами реакционных устройств со стационарным слоем твердого каталитически активного материала являются реакторы каталитического риформинга, изомеризации, гидроочистки и гидрокрекинга. Применения стационарного инертного материала в качестве теплоносителя весьма мало распространено. 11)

• С движущимся слоем теплоносителя

В таком реакторном блоке применяют движущийся сверху вниз под действием силы тяжести сплошной поток твердого теплоносителя. Неразрывность потока создается гидравлическим сопротивлением в нижней части аппарата, переходящей в стояк-трубопровод, который выводит теплоноситель в систему пневмотранспорта. Гранулы теплоносителя должны быть крупными и иметь округлую форму (это облегчает их перемещения и сокращает потери от истирания). Сырье подается прямотоком или противотоком к теплоносителю.

Принцип движущегося слоя крупногранулированного теплоносителя используют в процессах каталитического крекинга, пиролиза и некоторых других. 12)

• С псевдоожиженным слоем теплоносителя

В реакторных устройствах, работающих по принципу «кипящего», или псевдоожиженного, слоя, твердый теплоноситель находится в виде более или менее тонкого порошка. Под действием потока газа или паров, упорядоченного распределительным устройством (например, решеткой), мелкие частицы теплоносителя приходят в движение, образуя интенсивно перемешиваемый слой, в котором и протекает процесс. Псевдоожиженный слой твердых частиц напоминает жидкость не только по внешнему виду, но и по способности легко перемещаться из одного аппарата в другой по трубопроводам: вниз (под действием силы тяжести) и вверх (с потоком газа или паров).

Вследствие интенсивной массо- и теплопередачи в псевдоожиженном слое можно обеспечить в реакторе практически изотермический режим, что весьма существенно для большинства процессов и упрощает регулирование режима. 13)

• Лифтного типа

В реакторе лифтного типа контакт сырья с теплоносителем осуществляется в вертикальной или наклонной трубе. Подобное устройство целесообразно для тех случаев, когда необходимо обеспечить короткое время контакта — до нескольких секунд. Размер частиц теплоносителя при этом обычно невелик. Пары сырья движутся прямотоком с частицами теплоносителя, однако вследствие «скольжения» твердых частиц происходит их некоторое отстаивание. Реакторы лифтного типа широко используются в системах каталитического крекинга с мелкодисперсным катализатором и в некоторых модификациях процесса пиролиза. 14)

5. По типу конструкции химические реакторы подразделяют на:

• 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.

• Колонные

Реакторы колонного типа используют в основном для проведения непрерывных процессов в двух‐ или трехфазных системах.

• Трубчатые

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) и трубчатый реактор (б). И − исходные вещества, П − продукты реакции, Т − теплоноситель, К − катализатор, Н – насадка, ТЭ − теплообменные элементы.