Реакторы для проведения гетерогенных реакций в жидкой фазе.

Гетерогенные реакции такого типа протекают в системе, состоя­щей из двух (или более) несмешивающихся или частично смеши­вающихся жидкостей. Типичными примерами являются реакции сульфирования и нитрования углеводородок. Реакционная смесь состоит обычно из двух фаз: органической, в которой находятся углеводороды, и неорганической — кислотной фазы. Реакция идет

Рис. 200. Реактор для                Рис. 201. Реактор для поли­
проведения реакции в                 меризации вннилацетата:

вязких средах:                      1, 2 — секции реактора, з —
/ — якорная мешалка                    рубашки теплообменников

на поверхности раздела фаз либо внутри органической или неор­ганической фазы. Скорость процесса зависит от скорости диффу­зии компонентов в зоне реакции.

Помимо реакций нитрования и сульфирования в гетерогенных условиях протекают процессы эмульсионной полимеризации. Реак­торы для проведения таких,реакций должны быть просты по кон­струкции и удовлетворять следующим требованиям: иметь разви­тую поверхность охлаждения для быстрого отвода теплоты реак­ции, обеспечивать максимальную поверхность контакта между фа­зами, оказывать сопротивление коррозионному воздействию кис­лотной среды.

Реакторы для проведения процессов в гетерогенной системе жидкость — жидкость могут работать периодически, непрерывно и полупериодически. Для обеспечения заданной степени превраще­ния при минимальном объеме применяют схемы последовательно­го соединения реакторов (см. рис. 192, 193) или противоток орга­нической и минеральной фаз (см. рис. 195).

Реактор непрерывного действия для нитрования, или нитратор (рис. 202), имеет форму вертикального цилиндрического сосуда с наружной рубашкой / и внутренним змеевиком 2 для охлажде­ния. Пропеллерная мешалка  3 вращается с частотой ~300

236

об/мин, интенсивно перемешивая реакционную смесь внутри аппа­рата. Контакт между фазами осуществляется во всем объеме ап­парата, так как органическая фаза распределяется в объеме мине­ральной фазы в виде мелких капель. В дне реактора имеется шту­цер 4 большого диаметра для быстрого опорожнения реактора, ес­ли реакция выходит из-под контроля и температура достигает критического значения.

'ипипоагеит

 

 

Рнс. 202. Реактор непрерывного дей­ствия для нитрования ароматических углеводородов:

/ — рубашка, 2 — змеевик, 3 — мешалка,

4 — штуцер для аварийного опорожнения

реактора

Рис. 203. Реактор для

сульфирования в среде с

большой вязкостью при

высокой температуре

Реакторы для сульфирования называются сульфураторами. В качестве сульфирующего агента используется концентрирован­ная серная кислота или олеум. По конструкции сульфураторы для сульфирования углеводородов небольшой вязкости практически не отличаются' от нитраторов. Сульфураторы изготавливаются из чугуна или кислотостойкой стали и работают обычно в периодиче­ском режиме. Сульфуратор для среды с повышенной вязкостью в условиях высокой температуры изображен на рис. 203.

Для эмульсионной полимеризации применяют реакторы в виде стальных эмалированных сосудов с мешалкой и рубашкой для ох­лаждения или обогрева реакционной смеси.

Реакторы для проведения гетерогенных реакций в системе газ— жидкость. Гетерогенные реакции в системе газ — жидкость проис­ходят только в жидкой фазе, при этом для осуществления реак­ции необходимо, чтобы газообразный реагент был растворен в жидкой фазе. Поэтому собственно химическому взаимодействию всегда предшествует физический процесс диффузии газа в жид­кость. Реакторы для проведения процессов в системе газ — жид­кость по конструкции похожи на абсорбционные аппараты, имеют • большой объем и сравнительно просты в эксплуатации. Практиче­ски все реакторы работают непрерывно; реакторы полупериодиче­ского действия с непрерывной подачей газа применяются редко.

237

Размеры реакторов для проведения гетерогенных реакций в системе газ — жидкость зависят от величины межфазной поверх­ности. Наиболее широкое распространение в промышленности по­лучили реакторы типа колонн с насадкой и барботажные колонны.

В реакторах с насадкой (рис. 204) развивается большая по­верхность контакта реагирующего газа и жидкости. Жидкость сте­кает по насадке 2 в виде тонкой пленки, газ движется противото­ком в жидкости, диффундируя внутрь объема жидкости. Химиче­ское взаимодействие, происходящее в объеме жидкости, заканчи-

■ <пан         хль_г

Жио,<осп/о

Дихлорэтан

Жидкость

 

 

Рис. 204. Реактор с насадкой:

/ — реактор, 2 — слой насадки, 3 — ке« рамическая решетка, 4 — опоры

Рис. 205. Реактор для получе­ния дихлорэтана

вается за время прохождения жидкостью слоя насадки. Слой на­садки уложен на керамической решетке 3, закрепленной на опо» pax 4. Стенки корпуса / изготовлены из стали и покрыты изнутри материалом, стойким к коррозионному воздействию среды.

Примером реакции, которая проводится в реакторе с насад­кой, является абсорбция оксидов азота водой в процессе получе­ния азотной кислоты. Для полного поглощения оксидов азота ис­пользуется ие одна, а ряд последовательно установленных колонн с насадкой, в которых жидкость и газ движутся противотоком.

В барботажных реакторах контакт газа с жидкостью осущест­вляется пропусканием пузырьков газа через слой жидкости. Если пузырьки газа достаточно малы, то создается большая поверх­ность контакта фаз. Барботажные реакторы обеспечивают боль­шее время пребывайия жидкой фазы и поэтому используются для проведения реакций, протекающих с небольшой скоростью.

238

По конструкции барботажные реакторы делятся на аппараты колонного типа с тарелками и аппараты с барботажем в массе жидкости. Более распространен первый тип, причем конструкции этих аппаратов практически не отличаются от конструкций абсор­бционных колонн с колпачковыми и ситчатыми тарелками.

ТберЗый \ материал

< Топлибо

Продукт реакции

Реакторы с барботажем в массе жидко­сти применяются, в частности, при получе­нии дихлорэтана из хлора и этана. Конст­рукция аппарата непрерывного действия представлена на рис. 205. Реакция между хлором и этаном происходит в жидкой мас-

Рис. 206. Вертикальная печь:

I , 5 ~ загрузочный я разгру­зочный бункеры, 2 — возду­ходувки, 3 — цилиндрическая часть реактора, 4 — горелка

Рис. 207. Вращающаяся печь:

/ — питающий бункер, 2 — баидажи, 3 — цилиндрическая часть реактора, 4 — циклон

се дихлорэтана при температуре 40° С. Газообразный хлор С1₂ и этан СгНб поступают через отдельные трубопроводы и барботиру-ются в дихлорэтан, которым заполнен реактор. Продукт реакций удаляется непрерывно: постоянная температура в реакционном объ­еме обеспечивается подачей охлажденной до 10° С воды в рубашку аппарата.

Реакторы для проведения гетерогенной реакции в системе газ — твердое тело. Наиболее простыми некаталитическими реакциями в гетерогенной системе газ — твердое тело являются реакции горе­ния твердого вещества С+0₂->С0₂ и реакции окисления метал­лов, например цинка: 2Zn + 02->-2ZnO. Для этих реакций харак­терны постепенное превращение твердого реагента и изменение его поверхности вследствие взаимодействия с газом. Реакции в сис­теме газ — твердое тело проводятся при высокой температуре, по­этому реакторы в этом случае называются печами. Процесс мо­жет проводиться непрерывно, периодически или полупериодически. Вертикальная печь (рис. 206) представляет собой вертикаль­ный цилиндр 3, изготовленный из листовой стали. Внутренняя по­верхность цилиндра защищена огнеупорной кладкой. Твердая фа­за загружается через бункер 1 в верхнюю часть печи, выгрузка

239

производится из нижней части печи через бункер 5. За счет раз­ности давлений, создаваемой воздуходувкой 2, в нижнюю часть печи поступает необходимый для горения воздух. Теплоту для обогрева печи получают также в нижней части путем сжига­ния жидкого или газообразного топлива в горелке 4.

В промышленности используются печи диаметром 2,5—3 м и высотой 20—25 м. Производительность (интенсивность) верти­кальных печей выражается в тоннах продукта с 1 м³ объема печи в сутки. Реакторы такой конструкции используются главным обра­зом для обжига известняка с целью получения оксида кальция СаО и диоксида углерода С0₂ для содовой и сахарной промыш­ленности.

Полочные печи состоят из многочисленных, расположенных од­на над другой горизонтальных полок. Твердый материал подается через питающий бункер на верхнюю полку, а затем с помощью вращающихся скребков перемещается к нижним полкам. Воздух поступает противотоком к движущемуся вниз материалу. Полоч­ные печи используются в производстве серной кислоты для обжи­га серного колчедана. Производительность печей 10—50 т/сут.

Реактор типа вращающейся печи (рис. 207) представляет со­бой металлический цилиндр 3, облицованный изнутри огнеупор­ным кирпичом и имеющий длину, в 20—30 раз большую, чем диа­метр. Диаметры вращающихся печей находятся в пределах 2,0— 4,5 м, длины достигают 180 м. Печь имеет бандажи 2, которые ка­таются по роликам. Печь расположена под небольшим углом к гори­зонтальной плоскости. Благодаря наклону и вращению корпуса твердый материал, поступающий через питающий бункер /, посте­пенно перемещается в нижнюю часть печи. Горячие газы, выходя­щие из верхней части печи, после очистки от пыли в циклоне 4 удаляются в атмосферу. Продукт непрерывно отводится из ниж­ней части печи.

Во вращающихся печах используется теплота, выделяющаяся при сгорании топлива. Теплота может быть получена либо в самом реакционном объеме и передана непосредственно твердому реаген­ту, движущемуся противотоком к горючему газу, как показано на рис. 207, либо вне реакционного объема и передана через поверх­ность стенки.

Вращающиеся печи — тяжелая и дорогостоящая аппаратура. Большая длина печи требует точного расчета механической проч­ности аппарата. Тем не менее вращающиеся печи получили широ­кое распространение, особенно в цементной промышленности. Они обеспечивают хороший контакт между газом и твердым телом, действие их просто и безопасно. Производительность вращающих­ся печей зависит от свойств перерабатываемого материала, расхо­да и температуры горючих газов.

Реакторы со взвешенным слоем твердой фазы. При прохожде­нии восходящего газового потока через массу гранулированного твердого материала при определенных скоростях газа твердый материал переходит во.взвешенное состояние. Во взвешенном сос-

240

тоянии масса частички твердого материала уравновешивается си­лой трения газа о поверхность частички. Частички твердого мате­риала в таком состоянии совершают беспорядочное движение, и создается впечатление, что слой материала «кипит». .

По сравнению с неподвижным взвешенный слой обладает ря­дом преимуществ: создается большая поверхность взаимодействия газа с твердым веществом, происходит быстрое выравни­вание температуры, обеспечи­вается высокий коэффициент теплопередачи.

Продукт

л^ф-

Рис. 208. Реактор для обжига изве­стняка во взвешенном слое: 1 — элеватор, 2 — корпус, 3 — переливные патрубки, 4 — воздуходувка

Реактор для обжига изве­стняка во взвешенном слое (рис. 208) состоит из стального корпуса 2, футерованного из­нутри огнеупорным материа­лом и разделенного полками из нескольких секций. Воздух на­гнетается в нижнюю часть ре­актора с помощью воздуходув­ки 4 и, проходя через отверстия в полках, поднимается по ре­актору вверх. Скорость дви­жения воздуха выбирается та­кой, при которой известняк на полках находится во взвешен­ном состоянии. На полку верх­ней секции известняк подает­ся с помощью элеватора /, а далее движется по реактору

вниз через переливные патрубки 3. Топливо сжигается во второй снизу секции, что позволяет поддерживать температуру 900° С в верхних секциях аппарата. В нижней секции известняк охлаждает­ся до 350° С и удаляется с помощью винтового транспортера. Цик­лон в верхней части аппарата служит для очистки воздуха от мел­ких частиц.

В отдельную группу можно выделить контактные аппараты — реакторы для проведения газофазных каталитических реакций. Такие реакции происходят на поверхности твердого катализатора^ от величины которой зависит скорость химического превращения. Поэтому конструкции контактных аппаратов должны обеспечи­вать создание развитой поверхности материала катализатора. В зависимости от свойств и состояния или режима движения ката­лизатора различают следующие типы каталитических реакторов: с подвижным слоем катализатора, типа теплообменника, с ситча-тым слоем катализатора, со взвешенным слоем катализатора.

Принципиальные схемы аппаратов показаны на рис, 209. Реак­тор с катализатором в слое (рис. 209, а) представляет собой ци­линдрический вертикальный сосуд 1, в котором катализатор 2 раз-

241

мещен на перфорированных пластинах 3. Количество слоев ката­лизатора и высота каждого слоя зависят от скорости реакции, ак­тивности катализатора и температуры процесса. Аппараты этого типа применяются в производстве серной кислоты при каталити­ческом окислении диоксида серы S0₂до БОз, для синтеза амми­ака NH₃и других реакций.

Каталитические реакторы типа теплообменника (рис. 209, б) широко применяются как для получения неорганических ве­ществ— серной и азотной кислот, аммиака и т. п., так и органиче­ских продуктов — метана, формальдегида, винилхлорида.

Реакторы с катализатором в тонком слое в виде металличе­ских' сит 4 (рис. 209, в) используются для проведения реакций, протекающих с большой скоростью. Лимитирующей стадией про­цесса является в этих случаях диффузия взаимодействующих га­зов. В промышленности реакторы с ситчатым слоем катализато­ра применяют для окисления аммиака, в производстве азотной кислоты, формальдегида и др. Сита 4 катализаторов для окисле­ния аммиака изготавливаются из платиновой проволоки либо из сплава платины с родием или палладием.

Реакторы со взвешенным слоем катализатора (рис. 209, г) позволяют создавать большую поверхность контакта и обеспечи­вают хорошее управление температурным режимом процесса. Кроме того, хорошая текучесть взвешенного слоя позволяет соз­дать циркуляцию катализатора для непрерывного восстановления его активности.

Аппарат контактного типа непрерывного действия, предназна­ченный для синтеза аммиака (рис. 210), выполнен в виде колон­ны 2 высотой до 15 м и внутренним диаметром 1—1,5 м. В верх­ней части контактного аппарата расположена катализаторная ко­робка / с решеткой 4, на которую загружается масса катализа­тора. Теплообменное устройство выполнено в виде двойных трубок 3, погруженных в слой катализатора. Нижняя часть аппарата из­готовлена в виде многотрубчатого теплообменника 6.

Исходная азотно-водородная смесь подается в колонну 2 свер­ху и движется по кольцевому пространству между корпусом и ка-тализаторной коробкой /, охлаждая стенки корпуса. Далее смесь поступает в межтрубное пространство теплообменника, где нагре­вается теплотой прореагировавшего газа, идущего по трубкам 6 вниз. Затем реакционная смесь вводится через центральную тру­бу 5 в верхнюю часть катализаторной коробки, распределяется по двойным трубкам 3 и проходит через слой катализатора. Готовый продукт (газовая смесь с 20%-ным содержанием аммиака) выво­дится из нижней части катализаторной коробки в трубки теплооб­менника.

Производительность колонны составляет несколько сотен тонн аммиака в сутки. Высокое рабочее давление 30 МПа требует при­менения качественного материала и особой тщательности в изго­товлении корпуса колонны. Он выполнен из хромованадиевой ста-

242

Исходной

Исхооные вещества

Продукты реакции , Катали­заторе

Исходные вещества

Исходные бещестда

 

 

Рис. 209. Принципиальные схемы контактных аппаратов:

а — с катализатором в слое, б —типа теплообменника, в —с ката­лизатором в виде металлических сит, г — со взвешенным слоем катализатора; / — реактор, 2— катализатор, 3 — перфорированные пластины, 4 — сита

Рнс. '210. Реактор-колонна для синтеза аммиака:

/— катализаторная  коробка,

2 — колонна, .7 — двойные труб­ки, 4 — решетка, 5 — централь­ная труба, 6 — трубки теплооб­ менника

ли, со значительной толщиной стенок. Это очень сложный и ответ­ственный аппарат.

Для нахождения размеров каталитического реактора рассчи­тывают объем катализатора, при котором достигается определен­ная степень конверсии исходных веществ в продукты реакции. Со­отношение между высотой и сечением Слоя катализатора зависит от скорости газа, которая задается при расчете аппарата из усло­вий наилучшего массообмена в газовой фазе. Форма аппарата, а также тип теплообменника и поверхность теплообмена зависят от количества подводимой или отводимой теплоты и определяются в результате теплового расчета аппарата.

Вопросы для повторения. 1. Какие процессы происходят в реакторных уст­ройствах? 2. По каким признакам классифицируют химические реакторы? 3. Ка­ков принцип работы аппарата периодического действия? 4. Чем характеризуется стационарный режим работы аппарата непрерывного действия? 5. По какому прииципу работает аппарат полупериодического действия? 6. Какие режимы по­токов возможны в аппаратах непрерывного действия? 7. Чем отличается режим идеального смешения от режима идеального вытеснения? В каком режиме рабо­тают реальные аппараты? 8. Как классифицируются химические реакторы по тепловому режиму работы? 9. В каких случаях применяются технологические схемы с последовательным соединением реакторов смешения? 10. Для чего ис­пользуются дополнительные дозировки исходного компонента в аппаратах техно­логической схемы? 11. В каких случаях применяются схемы с противотоком ком-донеитов?

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение........................................................................................................................ 3"

РазделI. Общие сведения о химико-технологических процессах

Глава1. Классификация и способы ведения химико-технологических

процессов............................................................... ................................ ...... 4

Глава2. Основы промышленной санитарии и охраны труда.................. ...... 8-

§ 1. Общие сведения о безопасности труда в химическом производстве . 8*

§ Й. Понятие о производственном травматизме и профессиональных за­
болеваниях ............................................................    .........                        If

§ 3. Требовании техники безопасности и промышлеииой санитарии к рабо­
чим помещениям, аппаратам и механизмам........................................... 19

§ 4. Индивидуальные средства защиты от вредных воздействий- ....      13

Глава3. Основные конструкционные материалы для химической аппа­
ратуры.......................................................................................................... 16

§ 5. Требования к химической аппаратуре..................................................... 16

§ 6. Основные конструкционные материалы и их выбор............................ 18

РазделII. Механические и гидромеханические процессы

Глава4. Основы гидравлики.............................................................................. ..... 30

§ 7. Предмет гидравлики и ее задачи................................................................ ...... 30

§^ 8. Основные физические свойства жидкостей............................................. ...... 30

§ 9. Гидростатика................................................................................................... ...... 32

§ 10. Гидродинамика............................................................................................... 36

§ 11. Гидравлический расчет трубопровода.................................................... ..... 42

Глава5. Перемещение и хранение жидкостей и газов...............................   44

§ lffl. Общие сведения.............................................................................................. ...... 44

§ 13. Устройство трубопроводов......................................................................... ...... 45

§ 14. Машины для перемещения жидкостей (иасосы)................................... ...... 50

§ 15. Машины для сжатия и перемещения газов .......................................   5?

§ 16. Емкости для хранения жидкостей и газов............................................... 61

Глава6. Разделение жидких и газовых неоднородных систем ....          63

§17. Неоднородные системы и методы их разделения.................................. ...... 63

§ 18. Материальный баланс процесса разделения........................................   64

§ 19. Разделение жидких систем...........................................................................   65

§ 20. Разделение газовых систем..........................................................................   76

Глава7. Перемешивание материалов..............................................................   83

§ 21. Общие сведения ............................................................................................    83

§ 22. Перемешивание в жидких средах..............................................................   84

§ 23. Смешение твердых материалов..................................................................   87

245

Глава 8. Измельчение, сортировка, дозирование и перемещение твердых

материалов.................................................................................................. .... 89

§ 24. Общие сведения................................................................................................... 89

§ 25. Крупное дробление.................................................... -....................................... .... 91

§ 26. Среднее и мелкое дробление.............................................................................. .... 93

§ 27. Тонкое и сверхтонкое измельчение ............................................................... .... 95

4 28. Сортировка и классификация материалов......................................................... .... 99

-§ 29. Дозирование сыпучих материалов.................................................................... .... 102

§ 30. Перемещение твердых материалов.................................................................... .... 104

РазделIII. Тепловые и массообмениые процессы

Глава 9. Теплопередача в химической аппаратуре..............................................   108

•§ 31. Общие сведения . . ....................................................................................   108

§ 32. Передача теплоты теплопроводностью............................................................. ...... 109

■§ 33. Передача теплоты конвекцией..........................................................................    Ш

§ 34. Тепловое излучение.............................................................................................   ИЗ

§ 35. Теплопередача при постоянных и переменных температурах ....                       114
§ 36. Определение температуры стенок и потерь теплоты в окружающую

среду.......................................................................... •........................................    118

Глава 10 Нагревание, охлаждение и конденсация.............................................. ...... 118

§ 37. Нагревание водяным паром . . •................................................. ; . . .       119

■§ 38. Нагревание горячей водой................................................................................    122

§ 39. Нагревание топочными газами...........................................................................    123

§ 40. Нагревание высокотемпературными теплоносителями................................... ....... 124

■§41. Нагревание электрическим током.....................................................................    126

§ 42. Охлаждение до обыкновенных и низких температур . . .....                         127

§ 43. Устройство теплообменной аппаратуры...........................................................   128

Глава11. Выпаривание............................................................................................    136

§ 44. Общие сведения................................................................................................... ....... 136

§ 45. Однокорпусные выпарные установки................................................................    138

■§ 46. Многокорпусные выпарпые установки .......................................................    139

§ 47. Устройство выпарных аппаратов........................................................................    143

Глава 12. Кристаллизация....................................................................................    147

■§ 48. Общие сведения.................................................................................................    147

-§ 49. Способы кристаллизации...................................................................................    148

<§ 50. Устройство кристаллизаторов ....................................................................... ....... 149

Глава 13. Основы теории массообменных процессов........................................    152

Глава 14. Абсорбция.............................................................................................    154

-§ 51^!. Общие сведения.................................................................................................   154

■§ 52. Устройство абсорбционных аппаратов............................................................   157

•§ 53. Абсорбционные установки.................................................................................   161

Глава 15. Перегонка и ректификация................................................................... ....... 163

^ 54. Общие сведения................................................................................................... ...... 163

§ 55. Простая перегонка...............................................................................................    166

§ 56. Ректификация......................................................................................................   168

§ 57. Аппаратура ректификационных установок........................................................   172

§ 58. Ректификация многокомпонентных смесей...................................................... ...... 176

Глава 16. Экстрагирование................................................................................... 177

§ 59. Экстракция в системе жидкость — жидкость................................................... 177

§ 60. Аппаратура для жидкостной экстракции............................................................ 180

§ 61. Экстракция из твердых тел................................................................................. 182

246

Глава17. Адсорбция.............................................................................................. ..... 184?

§ 62. Общие сведения...................................................................................................   184

§ 63. Устройство адсорберов и схемы адсорбционных установок ....                      186

Глава 18. Сушка....................................................................................................   188

§ 64. Общие сведения . .      ............................................................................. ....... 188

§ 65. Основные параметры влажного газа и (/—X ) -диаграмма ....                         189

§ 66. Материальный и тепловой баланс конвективной сушки.................................. ..... 192'

§ 67. Скорость сушки...................................................................................................   195

§ 68. Устройство сушилок...........................................................................................   196

Глава19. Холод....................................................................................................... ...... 206

§ 69. Общие сведения................................................................................................... 206<

§ 70. Умеренное охлаждение.......................................................................................   207

§ 71. Глубокое охлаждение.......................................................................................... ...... 210-

РазделIV. Химические процессы

Глава 20. Классификация химических процессов............................................... ...... 212

§ 72. Общие сведения................................................................................................... ...... 213

§ 73. Классификация химических реакций.................................................................   214

§ 74. Скорость химической реакции...........................................................................   218

§ 75. Способы ведения химических процессов.......................................................... ....... 221

Глава 21. Реакторные устройства..........................................................................    225

§ 7©. Общие сведения о химических реакторах........................................................ ....... 225

§ 77. Классификация химических реакторов............................................................. ....... 225

§ 78. Основные типы технологических схем..............................................................    230

§ 79. Конструкции химических реакторов.................................................................   23Ф

⇐ Предыдущая37383940414243444546

Поделиться: