Azərbaycanca
Беларускі
Dansk
Deutsch
Española
Français
Indonesia
Italiana
日本語
Қазақ
Lietuvos
Nederlands
Português
Русский
සිංහල
แบบไทย
Türkçe
Українська
中國人
United State
Afrikaans
Хімі́чний реа́ктор (англ. chemical reactor) — технологічний апарат для проведення хімічних реакцій, що супроводжуються явищами масо- і теплообміну.
Будь-який хімічний реактор містить наступні структурні елементи:
- реакційний об'єм, у якому відбуваються хімічні реакції;
- пристрої для введення і виведення матеріальних та енергетичних потоків;
- пристрої для змішування і розподілу реагентів та перемішування реакційної маси;
- теплообмінні елементи для відведення теплоти екзотермічних реакцій й підведення теплоти для здійснення ендотермічних реакцій.
Класифікація
Конструкція і режим роботи хімічних реакторів визначаються як агрегатним станом речовин, що взаємодіють, так і умовами (температурою, тиском, концентраціями реагентів тощо), які забезпечують перебіг реакції в потрібному напрямі і з достатньою швидкістю. За першою ознакою розрізняють хімічні реактори для реакцій в гомогенних системах (однофазних газових або рідких) і в гетерогенних системах (дво- або трифазних, наприклад «газ — рідина — тверде тіло»). За другою ознакою розрізняють хімічні реактори низького, середнього і високого тиску, низько- й високотемпературні, періодичної, напівбезперервної та безперервної дії.
За типом конструкції хімічні реактори поділяють на ємкісні, колонні й трубчасті.
Ємкісні хімічні реактори — порожнинні апарати, що часто оснащуються перемішувальним пристроєм. Перемішування газорідинних систем може здійснюватись барботуванням газоподібного реагента. Теплообмін здійснюється через поверхню реактора або шляхом часткового випаровування рідкої компоненти реакційної суміші. До реакторів цього типу відносять також апарати з нерухомим або псевдозрідженим шаром (одним чи декількома) каталізатора. У багатошарових реакторах теплообмін забезпечується змішуванням потоків реагентів або в теплообмінних елементах апарата. В ємкісних хімічних реакторах реалізують неперервні, періодичні та напівперіодичні процеси.
Колонні хімічні реактори можуть бути порожнистими або заповненими каталізатором або насадкою. Для покращення міжфазового масообміну застосовують диспергування за допомогою розпилювачів, барботерів, механічного впливу (вібрація тарілчастої насадки, пульсація потоків фаз) або насадки, що забезпечує високошвидкісний плівковий рух фаз. Хімічні реактори даного типу використовують в основному для проведення неперервних процесів у дво- або трифазних системах.
Трубчасті хімічні реактори застосовують часто для каталітичних реакцій з теплообміном в реакційній зоні через стінки трубок та для здійснення високотемпературних процесів газифікації. При одночасному швидкісному русі декількох фаз в таких реакторах досягається найінтенсивніший міжфазовий масообмін.
Хімічні реактори для гомогенних систем
Хімічні реактори для гомогенних систем — зазвичай ємкісні апарати, забезпечені перемішувальними пристроями та теплообмінними елементами, а також порожнисті або насадкові колони часто з плоскими змійовиками. Перебіг процесів в гомогенних системах може мати періодичний або безперервний характер. Хімічні реактори для здійснення гетерогенних процесів бувають переважно колонного типу одноступінчаті та секційовані, рідше ємкісні. Процеси в них можуть проводитися періодично з поперемінним завантаженням реагентами і вивантаженням продуктів реакції; напівперіодично, коли одні реагенти завантажуються на початку процесу, а інші (зазвичай газові) пропускаються через хімічний реактор аж до закінчення реакції; у циклічному режимі з поперемінним проведенням у реакторі різних процесів (наприклад, каталітичні реакції і реакції регенерації каталізатора) або безперервно, коли реагенти, рухаючись безперервним потоком, взаємодіють під час їх проходження через апарат, при цьому характеристики процесу мало змінюються в часі. В разі періодичного режиму роботи ємкісні хімічні реактори для гомогенних і гетерогенних систем забезпечуються перемішувальними пристроями для прискорення тепло- і масообміну і створення усередині реактора однорідних умов процесу, а в разі безперервного режиму роботи, який зазвичай використовується в промисловості, повне перемішування у всьому реакційному об'ємі є небажаним, оскільки знижується продуктивність реактора і вибірковість реакцій унаслідок великого розкиду часу перебування взаємодіючих часток в робочому об'ємі: одні проходять дуже швидко, не встигаючи прореагувати, інші затримуються. Цей ефект пригнічують шляхом використання каскаду послідовно сполучених хімічних реакторів даного типу.
Хімічні реактори для гетерогенних систем
Для гетерогенних систем поширенішими є проточні хімічні реактори — трубчасті та колонні. Трубчасті хімічні реактори дозволяють здійснювати інтенсивний теплообмін в зоні реакції та забезпечувати однаковий час перебування у них всіх часток потоку. Колонні хімічні реактори конструктивно менше пристосовані для інтенсивного теплообміну, тому їх застосовують у тих випадках, коли підведення (або відведення) тепла до (від) зони реакції відсутнє чи обмежене. Для прискорення міжфазного масообміну і зменшення розкиду часу перебування часток реагентів колонні апарати заповнюються інколи твердою насадкою. У хімічних реакторах для реакцій у газорідинних середовищах розвинена міжфазна поверхня досягається диспергуванням одного з реагентів. У колонних хімічних реакторах істотну роль грає рівномірність розподілу потоку по перетину колони. Проточні хімічні реактори за необхідності забезпечуються циркуляційними контурами для повернення вихідних речовин, які не прореагували.
Режими роботи хімічних реакторів
Вибір робочого тиску в хімічних реакторах усіх типів залежить від характеру реакції, агрегатного стану реагентів, від економічних чинників (витрати енергії, металомісткості тощо). У промисловості в багатотоннажних виробництвах часто використовуються хімічні реактори високого тиску (наприклад, при синтезі аміаку).
Необхідний тепловий режим хімічного реактора. забезпечується шляхом розміщення в зоні реакції різних теплообмінних елементів (сорочки, змійовики, трубні пучки тощо). В деяких випадках зони реакції чергуються з теплообмінниками або з безпосередніми введеннями холодних реагентів чи інертних газів в проміжки між зонами реакції. Для підведення або відведення тепла застосовують або незалежні теплоносії, або використовують тепло потоку, що відходить, для підігрівання початкових речовин; у останньому випадку можливі прояви явища нестійкості перебігу процесу, які можуть призвести до недопустимого розігрівання (чи охолоджування) реактора й зупинки процесу.
Технологічні та конструктивні особливості
Хімічні реактори з гомогенним каталізатором конструктивно не відрізняються від некаталітичних. У ємкісних реакторах з перемішуванням гетерогенний (твердий) каталізатор може застосовуватися у вигляді тонкої суспензії або, частіше, у вигляді зерен, нерухомий шар яких заповнює апарат трубчастого або колонного типу; через малу теплопровідність такого шару в апаратах такої конструкції можливі значні перепади температури. Зменшення розміру зерен прискорює реакції за рахунок розвиненішої поверхні, але викликає зниження теплопровідності шару і зростання його гідродинамічного опору, тому в практиці застосовують зерна діаметром у декілька міліметрів.
Швидкі реакції часто проводять на сітках з металевого каталізатора. Хімічні реактори з псевдозрідженим і рухомим шаром мають характерні конструктивні особливості, відмінні від інших реакторів. Переваги таких реакторів: можливість безперервного введення свіжої і відведення відпрацьованої твердої фази, висока швидкість теплообміну, незалежність гідравлічного опору від швидкості зріджувального агента (газу, пари, рідини), широкий діапазон властивостей твердих часток (включаючи суспензії, пасти) і зріджувального агента. Проте використання реакторів з псевдозрідженим і рухомим шаром обмежується тим, що вони не забезпечують однакового часу перебування часток обох фаз в шарі і збереження властивостей твердої фази а також потребують потужної апаратури пиловловлення.
Для проведення реакцій, що потребують механічного перемішування реагентів, особливо при середньому і високому тиску, застосовують хімічні реактори з екранованим приводом, що звільняє від складних защільнювачів (сальників).
Принципи проектування
При розрахунку хімічних реакторів визначаються необхідні для досягнення заданої продуктивності об'єм, швидкість потоку, поверхня теплообміну, гідравлічний опір, швидкість заміни каталізатора, конструктивні параметри, режими роботи.
Для розрахунку використовуються експериментальні дані з термодинаміки та кінетики реакцій, швидкості тепло- і масопереносу із врахуванням структури потоків в апаратах. Якнайповніший розрахунок, включаючи визначення полів температури і концентрації в хімічних реакторах, визначення оптимальної схеми теплообміну і рециркуляції, аналіз стійкості режиму роботи і вибір параметрів регулювальних пристроїв, проводиться методами математичного моделювання з використанням обчислювальної техніки. У реакторобудуванні для хімічної промисловості спостерігається тенденція до створення апаратів великої потужності.
Див. також
| Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Хімічний реактор |
Джерела
- Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. Пер. с англ., М.: Химия, 1969. — 624 с.
- Дидушинский Я. Основы проектирования каталитических реакторов. Пер. с польск., М.: Химия, 1972. — 376 с.
- Кутепов А. М., Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г. Общая химическая технология: Учебн. Для техн. вузов, 2 изд. М.: Высшая школа, 1990, — 520 с.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Himi chnij rea ktor angl chemical reactor tehnologichnij aparat dlya provedennya himichnih reakcij sho suprovodzhuyutsya yavishami maso i teploobminu Yemkisnij himichnij reaktor u rozrizi periodichnoyi diyi z mishalkoyu ta oholodzhuvalnoyu sorochkoyu Himichnij reaktor viglyad zseredini z nerzhavkoyi stali ANSI 316 z tristupenevoyu mishalkoyu pid chas perevirki vnutrishnogo stanu Himichnij reaktor dlya geterogennih sistem z psevdorozridzhenim sharom Bud yakij himichnij reaktor mistit nastupni strukturni elementi reakcijnij ob yem u yakomu vidbuvayutsya himichni reakciyi pristroyi dlya vvedennya i vivedennya materialnih ta energetichnih potokiv pristroyi dlya zmishuvannya i rozpodilu reagentiv ta peremishuvannya reakcijnoyi masi teploobminni elementi dlya vidvedennya teploti ekzotermichnih reakcij j pidvedennya teploti dlya zdijsnennya endotermichnih reakcij KlasifikaciyaKonstrukciya i rezhim roboti himichnih reaktoriv viznachayutsya yak agregatnim stanom rechovin sho vzayemodiyut tak i umovami temperaturoyu tiskom koncentraciyami reagentiv tosho yaki zabezpechuyut perebig reakciyi v potribnomu napryami i z dostatnoyu shvidkistyu Za pershoyu oznakoyu rozriznyayut himichni reaktori dlya reakcij v gomogennih sistemah odnofaznih gazovih abo ridkih i v geterogennih sistemah dvo abo trifaznih napriklad gaz ridina tverde tilo Za drugoyu oznakoyu rozriznyayut himichni reaktori nizkogo serednogo i visokogo tisku nizko j visokotemperaturni periodichnoyi napivbezperervnoyi ta bezperervnoyi diyi Za tipom konstrukciyi himichni reaktori podilyayut na yemkisni kolonni j trubchasti Yemkisni himichni reaktori porozhninni aparati sho chasto osnashuyutsya peremishuvalnim pristroyem Peremishuvannya gazoridinnih sistem mozhe zdijsnyuvatis barbotuvannyam gazopodibnogo reagenta Teploobmin zdijsnyuyetsya cherez poverhnyu reaktora abo shlyahom chastkovogo viparovuvannya ridkoyi komponenti reakcijnoyi sumishi Do reaktoriv cogo tipu vidnosyat takozh aparati z neruhomim abo psevdozridzhenim sharom odnim chi dekilkoma katalizatora U bagatosharovih reaktorah teploobmin zabezpechuyetsya zmishuvannyam potokiv reagentiv abo v teploobminnih elementah aparata V yemkisnih himichnih reaktorah realizuyut neperervni periodichni ta napivperiodichni procesi Kolonni himichni reaktori mozhut buti porozhnistimi abo zapovnenimi katalizatorom abo nasadkoyu Dlya pokrashennya mizhfazovogo masoobminu zastosovuyut disperguvannya za dopomogoyu rozpilyuvachiv barboteriv mehanichnogo vplivu vibraciya tarilchastoyi nasadki pulsaciya potokiv faz abo nasadki sho zabezpechuye visokoshvidkisnij plivkovij ruh faz Himichni reaktori danogo tipu vikoristovuyut v osnovnomu dlya provedennya neperervnih procesiv u dvo abo trifaznih sistemah Trubchasti himichni reaktori zastosovuyut chasto dlya katalitichnih reakcij z teploobminom v reakcijnij zoni cherez stinki trubok ta dlya zdijsnennya visokotemperaturnih procesiv gazifikaciyi Pri odnochasnomu shvidkisnomu rusi dekilkoh faz v takih reaktorah dosyagayetsya najintensivnishij mizhfazovij masoobmin Himichni reaktori dlya gomogennih sistemHimichni reaktori dlya gomogennih sistem zazvichaj yemkisni aparati zabezpecheni peremishuvalnimi pristroyami ta teploobminnimi elementami a takozh porozhnisti abo nasadkovi koloni chasto z ploskimi zmijovikami Perebig procesiv v gomogennih sistemah mozhe mati periodichnij abo bezperervnij harakter Himichni reaktori dlya zdijsnennya geterogennih procesiv buvayut perevazhno kolonnogo tipu odnostupinchati ta sekcijovani ridshe yemkisni Procesi v nih mozhut provoditisya periodichno z popereminnim zavantazhennyam reagentami i vivantazhennyam produktiv reakciyi napivperiodichno koli odni reagenti zavantazhuyutsya na pochatku procesu a inshi zazvichaj gazovi propuskayutsya cherez himichnij reaktor azh do zakinchennya reakciyi u ciklichnomu rezhimi z popereminnim provedennyam u reaktori riznih procesiv napriklad katalitichni reakciyi i reakciyi regeneraciyi katalizatora abo bezperervno koli reagenti ruhayuchis bezperervnim potokom vzayemodiyut pid chas yih prohodzhennya cherez aparat pri comu harakteristiki procesu malo zminyuyutsya v chasi V razi periodichnogo rezhimu roboti yemkisni himichni reaktori dlya gomogennih i geterogennih sistem zabezpechuyutsya peremishuvalnimi pristroyami dlya priskorennya teplo i masoobminu i stvorennya useredini reaktora odnoridnih umov procesu a v razi bezperervnogo rezhimu roboti yakij zazvichaj vikoristovuyetsya v promislovosti povne peremishuvannya u vsomu reakcijnomu ob yemi ye nebazhanim oskilki znizhuyetsya produktivnist reaktora i vibirkovist reakcij unaslidok velikogo rozkidu chasu perebuvannya vzayemodiyuchih chastok v robochomu ob yemi odni prohodyat duzhe shvidko ne vstigayuchi proreaguvati inshi zatrimuyutsya Cej efekt prignichuyut shlyahom vikoristannya kaskadu poslidovno spoluchenih himichnih reaktoriv danogo tipu Himichni reaktori dlya geterogennih sistemDlya geterogennih sistem poshirenishimi ye protochni himichni reaktori trubchasti ta kolonni Trubchasti himichni reaktori dozvolyayut zdijsnyuvati intensivnij teploobmin v zoni reakciyi ta zabezpechuvati odnakovij chas perebuvannya u nih vsih chastok potoku Kolonni himichni reaktori konstruktivno menshe pristosovani dlya intensivnogo teploobminu tomu yih zastosovuyut u tih vipadkah koli pidvedennya abo vidvedennya tepla do vid zoni reakciyi vidsutnye chi obmezhene Dlya priskorennya mizhfaznogo masoobminu i zmenshennya rozkidu chasu perebuvannya chastok reagentiv kolonni aparati zapovnyuyutsya inkoli tverdoyu nasadkoyu U himichnih reaktorah dlya reakcij u gazoridinnih seredovishah rozvinena mizhfazna poverhnya dosyagayetsya disperguvannyam odnogo z reagentiv U kolonnih himichnih reaktorah istotnu rol graye rivnomirnist rozpodilu potoku po peretinu koloni Protochni himichni reaktori za neobhidnosti zabezpechuyutsya cirkulyacijnimi konturami dlya povernennya vihidnih rechovin yaki ne proreaguvali Rezhimi roboti himichnih reaktorivVibir robochogo tisku v himichnih reaktorah usih tipiv zalezhit vid harakteru reakciyi agregatnogo stanu reagentiv vid ekonomichnih chinnikiv vitrati energiyi metalomistkosti tosho U promislovosti v bagatotonnazhnih virobnictvah chasto vikoristovuyutsya himichni reaktori visokogo tisku napriklad pri sintezi amiaku Neobhidnij teplovij rezhim himichnogo reaktora zabezpechuyetsya shlyahom rozmishennya v zoni reakciyi riznih teploobminnih elementiv sorochki zmijoviki trubni puchki tosho V deyakih vipadkah zoni reakciyi cherguyutsya z teploobminnikami abo z bezposerednimi vvedennyami holodnih reagentiv chi inertnih gaziv v promizhki mizh zonami reakciyi Dlya pidvedennya abo vidvedennya tepla zastosovuyut abo nezalezhni teplonosiyi abo vikoristovuyut teplo potoku sho vidhodit dlya pidigrivannya pochatkovih rechovin u ostannomu vipadku mozhlivi proyavi yavisha nestijkosti perebigu procesu yaki mozhut prizvesti do nedopustimogo rozigrivannya chi oholodzhuvannya reaktora j zupinki procesu Tehnologichni ta konstruktivni osoblivostiHimichni reaktori z gomogennim katalizatorom konstruktivno ne vidriznyayutsya vid nekatalitichnih U yemkisnih reaktorah z peremishuvannyam geterogennij tverdij katalizator mozhe zastosovuvatisya u viglyadi tonkoyi suspenziyi abo chastishe u viglyadi zeren neruhomij shar yakih zapovnyuye aparat trubchastogo abo kolonnogo tipu cherez malu teploprovidnist takogo sharu v aparatah takoyi konstrukciyi mozhlivi znachni perepadi temperaturi Zmenshennya rozmiru zeren priskoryuye reakciyi za rahunok rozvinenishoyi poverhni ale viklikaye znizhennya teploprovidnosti sharu i zrostannya jogo gidrodinamichnogo oporu tomu v praktici zastosovuyut zerna diametrom u dekilka milimetriv Shvidki reakciyi chasto provodyat na sitkah z metalevogo katalizatora Himichni reaktori z psevdozridzhenim i ruhomim sharom mayut harakterni konstruktivni osoblivosti vidminni vid inshih reaktoriv Perevagi takih reaktoriv mozhlivist bezperervnogo vvedennya svizhoyi i vidvedennya vidpracovanoyi tverdoyi fazi visoka shvidkist teploobminu nezalezhnist gidravlichnogo oporu vid shvidkosti zridzhuvalnogo agenta gazu pari ridini shirokij diapazon vlastivostej tverdih chastok vklyuchayuchi suspenziyi pasti i zridzhuvalnogo agenta Prote vikoristannya reaktoriv z psevdozridzhenim i ruhomim sharom obmezhuyetsya tim sho voni ne zabezpechuyut odnakovogo chasu perebuvannya chastok oboh faz v shari i zberezhennya vlastivostej tverdoyi fazi a takozh potrebuyut potuzhnoyi aparaturi pilovlovlennya Dlya provedennya reakcij sho potrebuyut mehanichnogo peremishuvannya reagentiv osoblivo pri serednomu i visokomu tisku zastosovuyut himichni reaktori z ekranovanim privodom sho zvilnyaye vid skladnih zashilnyuvachiv salnikiv Principi proektuvannyaPri rozrahunku himichnih reaktoriv viznachayutsya neobhidni dlya dosyagnennya zadanoyi produktivnosti ob yem shvidkist potoku poverhnya teploobminu gidravlichnij opir shvidkist zamini katalizatora konstruktivni parametri rezhimi roboti Dlya rozrahunku vikoristovuyutsya eksperimentalni dani z termodinamiki ta kinetiki reakcij shvidkosti teplo i masoperenosu iz vrahuvannyam strukturi potokiv v aparatah Yaknajpovnishij rozrahunok vklyuchayuchi viznachennya poliv temperaturi i koncentraciyi v himichnih reaktorah viznachennya optimalnoyi shemi teploobminu i recirkulyaciyi analiz stijkosti rezhimu roboti i vibir parametriv regulyuvalnih pristroyiv provoditsya metodami matematichnogo modelyuvannya z vikoristannyam obchislyuvalnoyi tehniki U reaktorobuduvanni dlya himichnoyi promislovosti sposterigayetsya tendenciya do stvorennya aparativ velikoyi potuzhnosti Div takozhVikishovishe maye multimedijni dani za temoyu Himichnij reaktor Himichna tehnologiya Himichna reakciyaDzherelaLevenshpil O Inzhenernoe oformlenie himicheskih processov Per s angl M Himiya 1969 624 s Didushinskij Ya Osnovy proektirovaniya kataliticheskih reaktorov Per s polsk M Himiya 1972 376 s Kutepov A M Bondareva T I Berengarten M G Obshaya himicheskaya tehnologiya Uchebn Dlya tehn vuzov 2 izd M Vysshaya shkola 1990 520 s