проведения технологических операций


проведения технологических операций, не сопровождающихся химическим превращением перерабатываемых веществ.
Количество таких конструктивных сочетаний, а значит и типов реакторов, очень велико, что объясняется многообразием и сложностью протекающих в них процессов химического превращения веществ.
Для всех реакторов существуют общие принципы, на основе которых можно найти связь между конструкцией аппарата и основными закономерностями протекающего в нем химического процесса.
Критериями, по которым классифицируют реакционную аппаратуру, являются периодичность или непрерывность процесса, его гидродинамический и тепловой режимы, физические свойства взаимодействующих веществ.
По принципу организации процесса химическая реакционная аппаратура может быть разделена на три группы:
реакторы непрерывного действия;
реакторы периодического действия;
реакторы полунепрерывного (полупериодического) действия.
По гидродинамическому режиму различают следующие типы реакторов:
реакторы полного вытеснения;
реакторы полного смешения;
реакторы промежуточного типа (с промежуточным гидродинамическим режимом).
По тепловому режиму работы реакторы делят на следующие типы:
изотермический реактор;
адиабатический реактор;
политропический реактор.
Ниже рассматриваются все указанные здесь типы реакторов. Реактор непрерывного действия
В реакторе непрерывного действия (рис. 2) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта)' осуществляются параллельно, одновременно. Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме различен в каждый момент времени в разных точках объема аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема.
Реактор периодического действияВ реакторе периодического действия (рис. 3) 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.
Реактор полунепрерывного (полупериодического действия)Реактор полунепрерывного действия (рис. 4) работает в неустановившихся условиях. Такой реактор можно рассматривать как непрерывнодействующий аппарат, в котором потоки входящего и выходящего из реактора вещества не равны (вследствие чего изменяется общая масса реагирующих веществ в объеме), и, кро-
INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\F301~1\\AppData\\Local\\Temp\\media\\image1.jpeg" \* MERGEFORMATINET
Рис. 2. Установка для непрерывного процесса:
1, 3— теплообменные аппараты; 2 — реактор.
Рис. 3. Аппарат для периодического процесса.

ме того, как периодическидеиствующии аппарат, в котором ввод одного из реагирующих веществ или вывод продукта реакции осуществляется периодически.
Реактор полного вытеснения INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\F301~1\\AppData\\Local\\Temp\\media\\image3.jpeg" \* MERGEFORMATINET
Рис. 4. Аппарат промежуточного типа (полунепрерывного действия).
Реактор полного вытеснения (рис. 5) характеризуется переменной концентрацией реагирующих веществ по длине аппарата, наибольшей разницей концентраций на входе и выходе из реактора и, следовательно, наибольшей средней движущей силой процесса.
Изменение концентрации в реакционном объеме (рис. 6, а) носит плавный характер, так как последующие реакционные объемы реа-


Рис. 6. Характер изменения концентрации веществ в реакторах различного типа:
а — аппарат вытеснения; б — аппарат смешения; в — многосекционный
аппарат смешения; г — аппарат промежуточного типа. Условные обозначения: С — текущая концентрация; С н — начальная концентрация; С к — конечная концентрация; С" — равновесная концентрация; Ь — длина (высота) аппарата.гирующих веществ не смешиваются с предыдущими, а полностью ими вытесняются.
Практически к режиму полного вытеснения можно приблизиться в реакторе с малым диаметром и большой длиною при относительно высоких скоростях движения реагирующих веществ.
Реакторы вытеснения находят широкое применение для проведения как гомогенных, так и гетерогенных каталитических процессов (например, окисления N0 в N02 и 302 в З03, синтеза аммиака и метилового спирта, хлорирования этилена, сульфирования пропилена и бутилена и т. д.).
Реактор полного смешения
Реактор полного смешения (рис. 7) обычно снабжен каким-ли- бо перемешивающим устройством и характеризуется постоянством концентрации реагирующих веществ во всем объеме реактора

Рис. 7. Реакторы смешения:
а — одноступенчатый аппарат; б — вертикальный многоступенчатый аппарат; в — многосекционный горизонтальный аппарат; г — батарея аппаратов смешения.в данный момент времени (рис. 6, б) вследствие практически мгновенного смешения реагирующих веществ в реакционном объеме. Поэтому изменение концентрации реагирующих веществ на входе в реактор носит скачкообразный характер. Средняя движущая сила процесса в таком аппарате будет меньше, чем в аппарате полного вытеснения.
Реакторы этого типа наиболее широко применяются для проведения таких процессов, как нитрование, сульфирование, полимеризация и др.
В некоторых случаях процесс химического превращения вещества проводится не в одном аппарате смешения, а в нескольких таких аппаратах, соединенных последовательно (рис. 7, г). Такая система, состоящая в некоторых случаях из 20 и более аппаратов, получила название каскада реакторов (батареи реакторов). В каскаде реакторов изменение концентрации реагирующих веществ носит ступенчатый характер (рис. 6, в), так как продукт реакции
предыдущего аппарата является исходным реагирующим веществом в последующем аппарате.
Гидродинамический режим работы каскада реакторов является промежуточным и зависит от числа аппаратов: с увеличением числа реакторов в каскаде он приближается к режиму вытеснения, а при уменьшении — к режиму смешения.
В каскаде увеличивается время пребывания реагирующих веществ по сравнению с одним реактором смешения, а также возрастает выход продукта реакции по сравнению с реактором вытеснения.
Реактор с промежуточным гидродинамическим режимом
В реакторе промежуточного типа (с промежуточным гидродинамическим режимом) нельзя осуществить полностью ни один из перечисленных выше гидродинамических режимов движения реагирующих веществ. Средняя движущая сила процесса в таком аппарате больше, чем в аппарате полного смешения, но меньше, чем в аппарате полного вытеснения (рис. 6,г). Следует отметить, что значительная часть реакционной химической аппаратуры работает именно в этом гидродинамическом режиме.
Реакторы промежуточного типа применяют в тех случаях, когда процесс химического превращения вещества сопровождается большим тепловым эффектом или протекает при высоких концентрациях реагирующих веществ, а также в случае, когда одно из реагирующих веществ имеет низкую скорость растворения в реакционной смеси.
Изотермический реактор
Изотермический реактор характеризуется постоянством температуры во всем реакционном объеме. В таком реакторе скорость подвода или отвода тепла должна быть строго пропорциональна количеству тепла, выделенного или поглощенного в процессе химического превращения вещества. На практике такой тепловой режим работы реактора может быть достигнут лишь в условиях полного перемешивания реагирующих веществ. В качестве примера можно назвать реактор с кипящим слоем катализатора для получения изооктана.
Адиабатический реактор
В таком реакторе полностью отсутствует теплообмен с окружающей средой. Все тепло реакции как бы аккумулируется самим реакционным объемом. В адиабатическом реакторе имеет место наибольший перепад температур реагирующих веществ на входе и выходе из аппарата, который возрастает для экзотермических процессов и убывает для эндотермических.
Примером реакторов, работающих в адиабатическом тепловом режиме, могут служить реакторы для проведения процессов прямой гидратации этилена и дегидрирования бутиленов.
Политропический реакторВ политропическом реакторе тепловой режим (изменение температуры в реакционном объеме) будет определяться не только собственно тепловым эффектом процесса химического превращения вещества, но и, в не меньшей степени, теплотехническими и конструктивными факторами реакционной аппаратуры.
Конструктивные типы реакторовРеактор как аппарат, в котором протекает основной процесс химической технологии — образование нового продукта в результате сложного взаимодействия исходных веществ, должен работать эффективно, т. е. обеспечивать требуемую глубину и избирательность химического превращения. Следовательно, реактор должен удовлетворять целому ряду различных требований: иметь необходимый реакционный объем, обеспечивать определенный гидродинамический режим движения реагентов, создавать требуемую поверхность контакта взаимодействующих фаз, поддерживать необходимый теплообмен в процессе, уровень активности катализатора и т. д.
В промышленных условиях важнейшее значение приобретают не только скорость химического превращения вещества, но и производительность аппаратуры, поэтому выбор типа и конструкции оборудования является одним из самых главных и ответственных этапов в реализации химико-технологического процесса.
Конструктивная классификация реакторов объединяет всю реакционную аппаратуру в следующие группы:
реакторы типа реакционной камеры;
реакторы типа колонны;
реакторы типа теплообменника;
реакторы типа печи.
Конструктивный тип реактора зависит от условий проведения процесса и свойств участвующих в нем веществ.
К важнейшим из факторов, определяющих устройство реактора, можно отнести следующие: агрегатное состояние исходных веществ и продуктов реакции, а также их химические свойства; температуру и давление, при которых протекает процесс; тепловой эффект процесса и скорость теплообмена; интенсивность перемешивания реагентов; непрерывность или периодичность процесса; удобство монтажа и ремонта аппарата, простоту его изготовления; доступность конструкционных материалов и т. д.
• Из всех перечисленных выше факторов агрегатное состояние вещества оказывает самое большое влияние на принцип действия реактора и в целом должно определять конструктивный тип
реакторного устройства. Кроме того, в зависимости от этого фактора находится выбор некоторых основных и вспомогательных деталей аппарата, таких, как, например, питатель, перемешивающее устройство, поверхность теплообмена и т. д.
В соответствии с этим основа классификации химических*реакторов должна быть дополнена принципом фазового состояния перерабатываемых веществ, что делает возможным подразделить реакционную аппаратуру на группы, систематизация которых приведена в табл. 2.
Глава 3
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Устройства для перемешивания и теплообмена в реакторе
Перемешивание в химическом реакторе является необходимым условием для обеспечения его нормальной работы, высокой производительности и хорошего качества получаемого продукта. Способы перемешивания и его конструктивное оформление зависят главным образом от агрегатного состояния взаимодействующих веществ.
Наиболее простыми устройствами являются приспособления для смешения газов, например, сопло, инжектор, лабиринтный и каскадный смеситель и т. п. Иногда для гомогенизации газовой смеси достаточно простой диффузии взаимодействующих веществ. Приспособления для смешения газов чаще всего устанавливаются в одном корпусе с реактором (на входе или внутри его). Действия таких смесителей основаны на перемешивании путем диффузии в смешанных потоках, инжекции, турбосмешении. Для перемешивания жидкостей, а также жидкостей с твердыми телами наиболее распространенным является механический способ, осуществляемый с помощью различного типа мешалок (пропеллерной, турбинной, якорной и т. д.) и шнеков. Кроме того, широко используется и пневматическое перемешивание, например, с помощью пневматического смесителя или воздушного подъемника. Барботаж является наиболее широко применяемым методом для перемешивания в системе газ — жидкость. Для реакционных систем, состоящих из газов и твердых тел, лучше всего осуществлять перемешивание при движении слоя твердого материала (движущийся слой, кипящий слой и т. п.).
Химические реакторы можно охлаждать или нагревать различными методами. Выбор способа теплообмена в реакционном аппарате зависит прежде всего от температурных условий ведения химического процесса, а также от физических, теплофизических и химических свойств теплоносителя.
Различают два основных метода охлаждения или нагревания в реакторе: прямой и косвенный обмен теплом.
В случае прямого теплообмена передача тепла в реакторе осуществляется при непосредственном соприкосновении реакционной смеси и теплоносителя по одному из следующих вариантов:

Рис. 8. Типы теплообменных устройств в реакторах смешения: а — аппарат с рубашкой; б—аппарат с внутренним змеевиком; в — аппарат с наружным дефлегматором; г — аппарат с наружным теплообменником; д — аппарат с внутренним теплообменником.
необходимое тепло получают непосредственно в реакторе, например, в результате осуществления экзотермической реакции или электрического разряда;
перенос тепла осуществляют с помощью частичного или полного испарения одного из компонентов реакционной смеси или с помощью эндотермической реакции;

Рис. 9. Типы теплообменных устройств в реакторах вытеснения:
а — аппарат с внутренним теплообменником; б — аппарат с наружным теплообменником; в —аппарат с двойными теплоотводящими трубками; г —аппарат с кольцевыми охлаждающими зонами; д — аппарат с катализатором в трубках; е — аппарат с катализатором в межтрубном пространстве; ж — аппарат комбинированного типа (сочетание полок и трубок с катализатором); з — аппарат с полками и водяными холодильниками между слоями катализатора; и — аппарат (конвертор) с впрыскиванием воды между слоями катализатора.
3) теплообмен происходит за счет циркуляции теплоносителя в реакционном объеме.
Например, в полимеризаторах испаряют часть мономера и при этом происходит поглощение тепла. Образующиеся пары мономера конденсируют в наружном конденсаторе (дефлегматоре) и снова возвращают в реактор. В процессах крекинга, протекающих в гомогенной фазе, углеводороды нагревают в реакторе до требуемой температуры перегретым водяным паром. При этом вследствие очень большого разбавления реакционной смеси водяным паром,

Рис. 10. Типы перемешивающих устройств в химических реакторах:
а — сопло; б — горелка; в— мешалка; г — пневматический смеситель.
падение температуры в процессе минимально. Для окисления окиси азота применяют охлаждение в потоке холодной жидкости.
При косвенном теплообмене в реакторе теплоноситель и реагирующие вещества разделены между собою непроницаемой поверхностью, через которую и происходит обмен теплом. Поверхности теплообмена могут иметь различные геометрические формы (змеевик, рубашка, кольцо и т. д.) и располагаются как снаружи, так и внутри реактора. Поверхности теплообмена в самом реакционном пространстве, т. е. внутри реактора, используют в тех случаях, когда существует опасность коррозии, образования осадка или когда необходимо перемешивание реагирующих веществ (например, в реакторе для синтеза винилацетилена).
Обогрев или охлаждение реактора снаружи в большинстве случаев осуществляется через рубашку, что является широко распространенным способом теплообмена в химической технологии.
В качестве примеров на рис. 8—10 приведены некоторые наиболее распространенные способы организации теплообмена и сами
теплообменные устройства, применяемые в реакторах смешения и вытеснения, а также некоторые приспособления для перемешивания взаимодействующих веществ.
Элементы опорных устройств реакторов

Рис. 11. Опоры реакторов:
а — подвесная опора; б — опора- подставка.
Рис. 12. Способы крепления реакторов: а — подвеска; б — на полу; в — на профиле; г — с боковой опорой; д — на лапах.железобетон или просто металлическую плиту. Крепление реактора к основанию производят с помощью специальных соединительных элементов, называемых стойками или опорами.
Существуют два основных способа размещения реактора в производственном помещении: с помощью подвески и на полу. Для этого используют стандартные металлические опоры, изображенные на рис. 11.
Некоторые способы крепления реакторов с помощью этих опор на фундаменте показаны на рис. 12.
При работе реакционной установки реактор должен быть прочло и устойчиво укреплен на неподвижном основании (фундаменте), в качестве которого в большинстве случаев используют бетон,
Основные конструкционные материалы
Для изготовления типовой реакционной аппаратуры используют различные конструкционные материалы, обладающие разнообразными, часто специфическими свойствами. В частности, они должны иметь достаточную механическую прочность, химическую стойкость к коррозионному воздействию исходных веществ и продуктов реакции, обладать хорошей теплопроводностью и малой теплоемкостью, не оказывать каталитического воздействия на процесс химического превращения, иметь достаточно хорошую механическую и термическую обрабатываемость, а также быть доступными и дешевыми.
Все конструкционные материалы, применяемые для изготовления реакционной аппаратуры, можно объединить в две группы: металлы и неметаллические материалы.
Металлы
Наиболее широкое распространение в реакторостроении получили стали и чугуны.
Для изготовления аппаратов используются стали различных марок: углеродистая сталь (фланцы, болты, валы, трубные решетки, корпуса); высококачественная углеродистая сталь (корпуса, днища, детали эмалированной аппаратуры, а также аппаратура, работающая при высоком давлении и при температуре от —40 до + 450°С и т. д.); стальное литье (реакторы типа автоклавов, фасонные детали и т. д.); листовая сталь (аппараты, работающие под давлением до 60 ат и температуре =^450 °С); легированные (специальные) стали — нержавеющие, кислотостойкие, жаропрочные, окалиностойкие и т. д. (аппараты, выдерживающие воздействие кислот или щелочей при нормальной и повышенной температуре); различные специальные сплавы — такие, как ферросилид, антихлор и т. д. (аппараты, работающие в условиях воздействия азотной или соляной кислоты).Использование некоторых марок стали для изготовления реакционной аппаратуры иллюстрируется табл. 3.
Наиболее часто применяют следующие марки чугунов: серый чугун (корпуса аппаратов); ковкий и высокопрочный чугун (отдельные детали аппаратов, обладающие высокой прочностью); ще- лочестойкий чугун (аппараты, работающие в условиях воздействия растворов едкого натра и едкого кали).
Многие цветные и редкие металлы обладают повышенной устойчивостью к действию химически агрессивных сред и потому находят применение при изготовлении химической реакционной аппаратуры. Из цветных металлов наибольшее применение имеют алюминий (аппараты, работающие при воздействии азотной кислоты и температуре ^150°С под нормальным давлением); медь и никель (аппараты, работающие в условиях воздействия горячих химически агрессивных сред).
Таблица 3
Использование некоторых марок сталей при изготовлении реакционных аппаратов
Марки стали Изготовляемые реакционные аппараты
08, 10
Ст. 2, Ст. 3
МСт. 2, МСт. 3
15К, 20К, 25К
16М, 15ХМ, 12МХ, 12МФХ
Х17, Х14Н14В, 12Х5МА 1Х18Н9Т, 1Х18Н11Б, Х18Н10Т
1Х18Н12МЗТ, 1Х1812М2Т Эмалированные аппараты Аппараты, работающие при атмосферном давлении и комнатной температуре
Аппараты, работающие под давлением до 8 ат и при температуре до 120 °САппараты, работающие под давлением до 60 ат и при температуре до 450 °САппараты, работающие под давлением свыше 60 ат и при температуре до 550 °С Аппараты для крекинга
Аппараты, работающие при температуре до 1000 °С в сильно агрессивных средах (азотная, фосфорная, уксусная кислоты)
Аппараты, работающие в агрессивных средах, содержащие ионы хлора; аппараты для синтеза мочевины
Из редких металлов, которые в последнее время начинают применять в химическом реакторостроении, чаще других используют тантал (аппаратура, стойкая к воздействию горячей соляной кислоты или смеси соляной и азотной кислот при температуре до 350 °С и давлении до 70 ат); титан (облицовка внутренних поверхностей реакторов, работающих в условиях воздействия уксусной кислоты, разбавленной соляной кислоты, растворов хлористого магния и т. д.); цирконий (аппараты, работающие в условиях воздействия щавелевой кислоты, разбавленных минеральных кислот, растворов едкого натра, едкого кали и т. д.).
Для изготовления реакторов используют также двухслойный конструкционный листовой материал. Основной слой—углеродистая сталь; второй слой (плакирующий) из цветного или легированного металла наносится на основной и непосредственно соприкасается с реакционной средой. Тем самым достигается сокращение расхода дефицитного дорогостоящего металла, удешевление стоимости конструкционного материала при повышении его коррозионной стойкости.
Неметаллические материалы
Наряду с металлами при изготовлении химических реакторов применяют неметаллические (как неорганические, так и органические) материалы.
Неорганические материалы — керамика, фарфор, стекло, кислотоупорный бетон и др.— используются для изготовления реакционных аппаратов типа колонн и башен, работающих в условиях воздействия сильно химически агрессивных сред.
Из органических материалов наиболее часто применяют графит и графитовые материалы (аппаратура с повышенными теплопроводными свойствами, устойчивая к воздействию агрессивных сред), а также различные пластические массы — фаолит (коррозионно- устойчивая аппаратура, работающая в условиях переменных температур от —30 до + 130°С), текстолит (мешалки и отдельные детали, устойчивые к воздействию растворов минеральных кислот и солей), стеклотекстолит (отдельные детали, мешалки, работающие в высокоагрессивных средах при больших механических нагрузках), винипласт (отдельные детали, покрытия, работающие в условиях воздействия разбавленных растворов минеральных кислот, солей и щелочей при температурах до 60 °С), тефлон (детали и покрытия, стойкие к воздействию фтористоводородной кислоты, серной и азотной кислот, а также растворителей при температурах до 300 °С).>
Защитные покрытия
Химические реакторы работают в условиях воздействия химически агрессивных веществ, высоких и низких температур и давлений, а также постоянного изменения концентрации и свойств реагирующих веществ. В этих условиях необходимо обеспечить механическую и химическую стойкость конструкционных материалов, что на практике достигается принятием особых мер для защиты материала реакционной аппаратуры от коррозии. Способы защиты реакторов от коррозии весьма разнообразны и могут осуществляться несколькими методами.
Наиболее часто для защиты реакторов от коррозии используется покрытие (слой) из неорганического или органического материала. Основные неорганические материалы — свинец, эмаль, стекло. Освинцовывание применяют в том случае, когда другие химически стойкие материалы оказываются непригодными для защиты от коррозии.
Для покрытия реакторов, особенно применяемых в технологии органических веществ, часто используют эмалирование. Эмаль является одним из лучших неорганических антикоррозионных покрытий. Однако эмалированная реакционная аппаратура, как правило, имеет простую форму, небольшой объем и не выдерживает высоких температурных и механических напряжений.
Кроме освинцовывания и эмалирования, для защиты от коррозии в реакторостроении применяют футеровку. Футеровка заключается в покрытии поверхности реактора химически стойкими облицовочными материалами, такими, как, например, метлахская плитка, кислотоупорный кирпич, графитовые плитки и т. д.
Футеровку целесообразно проводить для аппаратов, которые работают при температурах свыше 100°С в условиях воздействия кислот и щелочей и содержат в реакционном объеме твердые частицы.
Некоторые области применения различных конструкционных материалов и защитных покрытий от коррозии
Таблица 4
Перерабатываемое вещество Конструкционный материал и защитное покрытие
Кислоты Азотная Серная
концентрация до 75%
концентрация от 75 до 100% Соляная
концентрация до 10%
концентрация > 10%
Уксусная, фталевая, щавелевая Хромоникелевая сталь, хромистая сталь,
алюминий, эмаль, керамика, стекло Свинец, ферросилид, эмаль, керамика,
фарфор, стекло, пластмасса, резина Сталь, чугун
Ферросилид, свинец, керамика, фарфор,
стекло, эмаль, пластмассы, резина Эмаль, керамика, фарфор, стекло, пластмассы, резина Хромоникелевая, хромоникельмолибдено- вая стали, эмаль, ферросилид, фарфор, стекло, пластмасса, алюминий, резина
Щелочи Едкий натр, едкое кали, водные растворы аммиака Сталь, чугун, щелочеустойчивый чугун
Растворы минеральных солей Хлориды натрия, калия, кальция, аммония, сульфаты натрия, меди Свинец, ферросилид, хромоникелевая сталь, эмаль, пластмасса, резина, фарфор, стек-
Карбонат натрия, сульфид натрия, железный купорос, нитрит натрия Сталь, чугун
Газы Аммиак
Хлористый водород, сернистый ангидрид Сталь, хромоникелевая и хромоникельмо-
либденовая стали Сталь, свинец, чугун
Органические вещества Бензол, толуол, метиловый и этиловый спирты, амины, нитросоединенияСталь, чугун
В качестве защитных покрытий применяют также следующие органические материалы: резину, каучук, пластические массы, лаки и т. д.
С помощью резины и каучука осуществляется один из очень распространенных методов антикоррозионной защиты — гуммирование. Гуммированием пользуются для защиты аппаратов, работающих в условиях воздействия растворов большинства кислот, щелочей и солей при температуре < 60 °С.
В качестве защитного покрытия используют как мягкую, так и твердую резину (эбонит), полиизобутилен, полихлоропреновый каучук и т. д.
Из пластических масс в качестве защитных материалов используют винипласт, полиэтилен, асбовинил и др. Например, асбовинил защищает основной конструкционный материал от воздействия таких химически агрессивных веществ, как серная и уксусная кислоты, влажный хлор и т. п. Полиэтилен хорошо защищает от коррозии, например, в среде азотной кислоты и органических растворителей и т. д.Лакокрасочные покрытия (например, масляный, бакелитовый, перхлорвиниловый, эпоксидный лаки и т. д.) обладают хорошей стойкостью к действию кислот, щелочей, кислых паров, газов и т. п. и выдерживают температуры до 200 °С.При выборе материала для защиты от коррозии необходимо учитывать не только его химическую стойкость и механическую прочность, но прочность его соединения с основным конструкционным материалом аппарата.
Широко применяемым методом защиты от коррозии является добавление специальных веществ, называемых ингибиторами и пассиваторами. В некоторых случаях применяют катодный метод защиты металла от коррозии.
В табл. 4 перечислены некоторые из наиболее широко применяемых конструкционных материалов и защитные покрытия для них в соответствии со свойствами веществ, перерабатываемых в аппарате.
Глава 4
ПРИМЕРЫ АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ РЕАКТОРНЫХ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Ниже рассмотрены некоторые примеры аппаратурного оформления различных реакторных процессов технологии неорганических и органических веществ.
Реакторы технологии неорганических веществ
Колонна синтеза аммиака при среднем давлении
Колонна (рис. 13) представляет собой аппарат контактного типа непрерывного действия, имеющий форму стального цилиндра с внутренним диаметром 1 —1,5 м, толщиной стенки до 175 мм и высотой 13 м. В верхней части аппарата расположена катализатор- ная коробка с колосниковой решеткой, на которую загружается масса катализатора. Для поддержания равномерного теплообмена (распределения температур) в слое катализатора в него погружены теплообменные устройства типа двойных трубок. Нижняя часть аппарата выполнена как многотрубчатый теплообменник, что обеспечивает автотермичность процесса синтеза аммиака. Исходные
продукты (азотно-водородная смесь) поступают сверху, движутся по кольцевому пространству между корпусом и катализаторной коробкой (для снижения температуры стенок корпуса) и далее поступают в межтрубное пространство теплообменника, где нагреваются теплом прореагировавшего газа, идущего по трубам вниз. Затем реакционная смесь через центральную трубу вводится

Рис. 14. Колонна синтеза аммиака
при высоком давлении: 1 — спираль нагрева; 2— теплообменная трубка; 3 — корпус колонны; 4 — изоляционная трубка; 5 —трубка для катализатора; 6 — центральная труба для катализатора; 7 — стальной стержень.
в верх катализаторной коробки, распределяется по двойным трубкам и проходит через слой катализатора в нижнюю часть аппарата, в теплообменник, откуда выводится уже готовый продукт (газовая смесь, содержащая 16—20% аммиака).
' Дополнительное регулирование температур в колонне может быть осуществлено холодной азотно-водородной смесью, подаваемой непосредственно в катализаторную коробку.
Рис. 13. Колонна синтеза аммиака
при среднем давлении: I — теплообменник; 2 — колосниковая решетка; 3— теплообменные трубки; 4 — крышка; 5 — катализаторнан коробка; 6 — тепловая изоляция; 7 — центральная трубка; 8 — корпус колонны.
Колонна синтеза имеет производительность до 150 т/сутки и более при рабочем давлении 300 ат. Она изготовляется из хромО- ванадиевой стали и снабжена хорошей тепловой изоляцией.
Колонна синтеза аммиака при высоком давлении
Реактор колонного типа (рис. 14) работает непрерывно при давлении до 1000 ат. Корпусом колонны является толстостенный цилиндр, изготовленный из специальной высокопрочной стали. Внутри цилиндра имеется насадка, выполненная в виде нескольких концентрически расположенных труб (изоляционной, тепло- обменной, катализаторной и центральной). Центральная труба снабжена электроподогревателем исходной газовой смеси, работающим в период пуска колонны (при нормальной работе он должен быть отключен).Исходные продукты (азотно-водородная смесь) подаются снизу колонны, движутся по кольцевому пространству, образованному изоляционной и теплообменной трубкой (труба — ребристая для улучшения теплопередачи). Далее по каналам, имеющимся в верхней части колонны, смесь поступает в центральную трубу и через ее нижнее отверстие следует на контактирование в слой катализатора, находящийся в трубе. После реакции газовая смесь движется вниз между теплообменной и катализаторной трубами и обменивается теплом с исходной смесью, направляемой на контактирование. Вывод продуктов реакции осуществляется снизу.
Контактный аппарат, работающий под атмосферным давлением

Аппарат (рис. 15) применяется в производстве разбавленной азотной кислоты, работает непрерывно при нормальном давлении
Рис. 15. Контактный аппарат, работающий под атмосферным давлением:
1 — нижняя часть аппарата, соединенная с парогенератором; 2 — ка- тализаторная сетка; 3 — распределительная решетка; 4 — предохранительный клапан; 5 — картонный фильтр; 6 — слой металлических колец.

с верхней подачей исходных смеси).
Газовая смесь поступает в ряда кассет, расположенных продуктов (аммиачно-воздушнойкартонный фильтр, состоящий из верхней части аппарата. После
прохождения фильтра исходная смесь через специальные окна и входной конус направляется на катализаторные сетки.
Для более равномерного распределения газового потока по поверхности катализатора и поддержания одинаковой температуры устанавливается специальная распределительная решетка диаметром ~3000 мм. Рабочая часть аппарата, называемая конвертором, имеет диаметр 2800 мм и состоит из трех катализаторных сеток общей поверхностью ~24 м2. Сетки выполнены из платино-родие- вой нити диаметром 0,09 мм с числом отверстий 1024 на 1 см2 поверхности. Они поддерживаются специальными устройствами (типа колосников), под которыми на решетке расположен слой высотой 250 мм из металлических колец размером 32X32 мм. Назначение этого слоя состоит в аккумулировании тепла и улавливании частиц платиновой пыли. Аккумуляция тепла значительно облегчает пуск аппарата после его кратковременной остановки.
Нижняя часть рабочего объема реактора непосредственно соединяется с теплообменным устройством (например, котлом-утилизатором) и имеет жаростойкую футеровку.
Безопасность работы при повышении давления в системе обеспечивается предохранительным клапаном, находящимся в верхней части редактора.
Суточная производительность такого аппарата составляет 20 г окисляемого аммиака или 50 т азотной кислоты. 'Многокамерный реактор-смеситель
Реакторные устройства такого типа (рис. 16) применяют для сернокислотного разложения апатитового концентрата в суперфосфатном производстве.
Аппарат состоит из 3—4 камер, последовательно соединенных между собой. Заполнение камер (их емкость) регулируется с помощью шибера, что обеспечивает разное время перемешивания суспензии в процессе (от 2 до 7 мин).
Перемешивание осуществляется мешалками, делающими ~ 100 об/мин. Внутри реактор футерован кислотоупорным материалом и действует непрерывно.
Реакторы технологии органических веществ
Реактор (адиабатический конвертор) для дегидрирования к-бутиленов
Такой реактор (рис. 17) является аппаратом полупериодического действия (периодическое переключение на регенерацию катализатора горячим воздухом). По конструктивному устройству он представляет собой цилиндрическую камеру, заполненную в нижней части слоем колец, а в верхней — слоем катализатора.
Процесс дегидрирования является эндотермическим и требует подвода тепла с перегретым водяным паром, который смешивается

с исходной смесью в специальном устройстве, расположенном при входе в верхнюю часть аппарата.
Для улучшения условий работы слоя катализатора под ним размещается объемная корзина с насадочными кольцами. Образующийся продукт (контактный газ с содержанием бутадиена 80— 85% в расчете на прореагировавший газ) выводится из нижней части аппарата. Реактор обеспечивает протекание процесса с отклонением от оптимальной температуры до ±25 °С.
Алкилатор типа реакционной колонны
Реактор (рис. 18) состоит из четырех царг диаметром 1,4 м, соединенных между собой в колонну общей высотой 10 м.- Внутренние стенки аппарата футерованы графитовыми плитками. Ввод исходных продуктов в аппарат осуществляют снизу. Теплообмен в реакторе организован через стенку аппарата с помощью рубашки, которой снабжена каждая секция.
Тепло реакции отводится как за счет частичного испарения одного из реагентов (бензола), так и с помощью подаваемой в рубашки воды. Для обеспечения безопасности при работе с углеводородами колонна снабжена предохранительным клапаном.
Реактор для полимеризации в растворах
Реактор (рис. 19) предназначен для получения бутилкаучука. Он представляет собой цилиндрическую реакционную камеру, снабженную в нижней части мешалкой. Основным требованием, предъявляемым к реакторному устройству такого типа, является обеспечение эффективного отвода тепла, особенно на последней стадии процесса, когда имеет место резкое увеличение вязкости реакционной смеси и уменьшение коэффициента теплоотдачи.
Внутри аппарата расположена охлаждающая трубчатка с центральной циркуляционной трубой. Отвод тепла производится за счет испарения этилена в межтрубном пространстве (температура в реакционном объеме —96ч—98 °С). Для увеличения поверхности теплообмена крышка и днище реактора охлаждаются. Исходные продукты (смесь изобутилена с изопреном, растворитель и катализаторный раствор) подают в низ аппарата с помощью форсунок. Реакционная смесь движется по трубкам к центральной циркуляционной трубе, а в зоне ее ввода в аппарат интенсивно перемешивается с помощью быстроходной мешалки пропеллерного типа. Такая турбулизация потока в реакторе обеспечивает эффективный отвод тепла из зоны реакции. Реактор работает непрерывно. Отвод продуктов реакции (суспензия бутилкаучука) производится сверху.

Реактор типа многосекционной колонны для полимеризации и поликонденсации
Реактор такого типа (рис. 20) применяют в процессах получения полистирола и феноло-формальдегидиых смол. Он представляет собой аппарат смешения непрерывного действия, состоящий из нескольких последовательно соединенных между собой секций, каждая из которых снабжена мешалкой (с общим валом) и рубашкой для обогрева или охлаждения. Реакционная смесь постепенно проходит через все секции, перемещаясь по специальным переточным трубам.
Аппарат целесообразно использовать только для осуществления процессов химического превращения с малыми скоростями.


Многосекционный реактор алкилированияРеактор (рис. 21) представляет собой последовательно секционированный аппарат со ступенчатым (точечным) подводом реагентов. Секционирование сокращает необходимый реакционный объем, количество циркулирующего сырья и позволяет более полно обрабатывать серную кислоту. Особенностью аппарата этого типа является отвод тепла за счет частичного испарения сырья (изо- бутана).
Циркулирующий изобутан и серная кислота проходят последовательно через все секции, а исходный продукт (бутилен) разбивается на отдельные потоки в каждую из секций. Каждая секция снабжена пропеллерным насосом. Температура процесса регулируется скоростью испарения изобутана.
Готовый продукт (углеводород) в отстойной секции (последней) отделяется от кислоты.
Электродуговая реакционная печь для получения ацетилена из углеводородов
Реакционная печь (рис. 22) представляет собой электродуговой реактор непрерывного действия. Исходные продукты вводят в цилиндрическую камеру по касательной под давлением 1,5 ат. В ка-

мере газовый поток совершает вращательные движения со скоростью до 100 м/сек и под действием электрической дуги разогревается до 1600 °С. Далее реакционную смесь направляют в вертикальную камеру (трубу), которую она проходит со скоростью 600 м/сек. Образовавшиеся продукты на выходе быстро охлаждаются водой (закалка).
Реактор потребляет мощность 7000 кет и имеет производительность 4000 т ацетилена в год при степени превращения метана -50%.

Приложенные файлы

  • docx 6385990
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий