Дәріс-5. Химиялық реакторлар. Химиялық реакторлардың жіктелуі және олардың жұмыс режимі
Кез-келген химиялық өнімдерді өзара тізбек тасымалдау құралдармен байланысқан әртүрлі құрылымды және әртүрлі мақсатқа арналған аппараттардың ішінде алады. Химиялық реактор деп химиялық реакциясы мен масса тасымалдауды (диффузиямен) біріктіріп, химия-технологиялық үрдісті жүзеге асатын аппаратты айтады. Мысалы, күкірт қышқылы цехының пеш бөлімшесінде реактор болып күкірт немесе колчеданды күйдіру пеші табылады, контакт бөлімшесінде – жанасу аппарат саналады.
Технологиялық сызба-нұсқада химиялық реактор шикізатты дайындау және реакциялық қоспаны бөлу, бүтін өнімді тазалау аппаратымен байланысты. Сондықтан, жалпы түрде ХТҮ-де қолданатын химиялық аппаратура бөлінеді: негізгі – химиялық реакторлар (яғни химиялық үрдісі өзі жүретін аппарат) және көмекші. Қосалқы аппараттар, әдетте, технологиялық сұлбада реакторға дейін де, кейін де орналасады. Реакторға дейінгі аппараттардың негізгі міндеті шикізатты реакцияға дайындау, ал реактордан кейінгі аппараттардың – реакция өнімдерін ажырату, оларды қоюландыру және зиянды қоспалардан тазарту. Кейде қосалқы операцияларда (қыздыру, ұсақтау, еріту, буландыру, конденсациялау және т.б.) және химиялық түрлену де бір аппаратта жүруі мүмкін.
Химиялық реакторды таңдау оларда жүретін химиялық реакциялары мен масса- және жылуалмасу үрдістерінің жылдамдығымен анықталады. Сонымен қатар, химиялық реакторларды құрап жасағанда компоненттердің агрегаттық жағдайын, гидродинамикалық режимін, жылу режимін, катализатордың қатысуын және басқа да ерекшеліктерін ескереді. Өз кезекте, химиялық реактордың құрылымы жасалған материал таңдаудың дұрыстығын, автоматтандыру құралдарының жетілгенділігін, пайдалануда ыңғайлылығы мен сенімділігін, технологиялық үрдістің тиімділігін белгілі дәрежеде айқындайды.
Сонымен, химиялық реактордың конструкциясы мен жұмыс тәртібі бүкіл химия-технологиялық үрдістің тиімділігін және үнемділігін анықтайды. Бұл кезде реактордың негізгі көрсеткіші оның өнімділігі және қарқындылығы болып табылады.
Химиялық реакторлармен жұмыс істегенде басты міндеттердің бірі мынадай тәуелділікті орнату:
τ = F (X, C, U)
мұнда τ – реактордағы реагенттердің болатын уақыты;
Х – реагенттердің бүтін өнімге айналу дәрежесі;
С – реагенттердің бастапқы концентрациясы;
U – химиялық үрдістің жылдамдығы.
Химиялық реакторларға байланысты есептеулер жүргізгенде мына операцияларды ескереді:
1) термодинамика және гидродинамика заңдарына байланысты химиялық үрдістің бағыты, үрдістің бастапқы және соңғы мәндерінің параметрлері орнайтын тепе-теңдік жағдайы анықталады;
2) реактордың материалдық және жылу теңгерімін құрастырады;
3) үрдістің қозғаушы күшін анықтап, кинетика заңдарының негізінде үрдістің жылдамдық коэффициенті табады;
4) алынған мәліметтер бойынша реактордың негізгі өлшемдерін – сыйымдылығын, көлденең қима ауданың, қыздыру бетін, фазалық жанасу бетін және басқа да сипаттамаларын анықтайды. Есептеулер жалпы тәуелділік бойынша жүргізіледі:
А = m / ∆ c . K
мұндағы А – реактордың негізгі өлшемі;
m – уақыт бірлігіндегі өңделетін зат мөлшері;
∆c – үрдістің қозғаушы күші;
K – үрдіс жылдамдығының коэффициенті.
Реактордың өнімділігі мына теңдеу бойынша есептеледі:
Ө = m / τр + τтиеу + τтүсіру
мұндағы m – реактордың жұмыс істеу барысында алынған өнім массасы;
τр, τтиеу, τтүсіру – химиялық реакцияға кететін уақыты, компоненттерді реакторға тиеу және реактордан өнімдерді түсіріп алу уақыты.
Химиялық реакторларға қойылатын талаптар.
Аппараттың құрылғысы химиялық-технологиялық үрдістер типтеріне және олардың негізінде жатқан химиялық және физикалық құбылыстарының көп түрлілігіне байланысты болады. Химиялық аппаратурасының алуан сандар түрлілігіне қарамастан, олардың барлығына жалпы талаптар қойылады. Осы талаптардың ішінде ең басты болып табылатын – өндірістің экономикасы. Химиялық реакторлардың барлығы төменде көрсетілген негізгі талаптарды қанағаттандыруы керек:
1) жоғары өнімділікті қамтамасыз ету;
2) үрдістің ең үлкен селективтілігінде, мүмкіндігінше, түрленуді жоғарғы дәрежесінде өткізу;
3) реагенттерді тасымалдау мен араластыруға жұмсалатын энергетикалық шығындардың аз болу;
4) жабдықтардың арзан және құрылымы қарапайым болуы;
5) экзотермиялық реакциялар жылыуын және эндотермиялық реакцияларды жүргізу үшін сырттан берілетін жылуды толық пайдалану;
6) жұмыста сенімді болу, мүмкіндігінше, толық механикаландыру және үрдіспен автоматтық реттелуін қамтамасыз ету (5 дәріс).
Бірақ жоғарыда аталған талаптар өзара, әдетте, қарама-қайшылықты сипаттар тудырады. Мысалы, түрлену дәрежесін арттыру кезінде аппараттың өнімділігі төмен түседі, ал үрдісті механикаландыруы мен автоматтандыруы аппаратты қымбаттандыратады. Сондықтан, химиялық реактор жұмыс істегенде басты міндеттерінен бірі – ең жоғары тиімділігін қамтамасыз етуі болып табылады. Ол үшін аппарат жұмысының жалпы экономикалық тиімділігіне әрбір жеке көрсеткіштің үлесін есепке алу керек.
Жоғарыда келтірілген талаптардың жетуі химиялық технологияда қолданылатын әртүрлі шешімдер арқылы орындалады. Олардың әрқайсысында жеке-жеке тоқтатылайық.
1) Химиялық реактордың өнімділігін төменде көрсетілген теңдеу бойынша есептейді:
немесе
мұнда - аппарттың реакциялық көлемі, м3;
– реакциялық (газды немесе сұйық) қоспаның соңғы немесе бастапқы көлемдеріне есептеген, көлемдік жылдамдық, сағ-1;
– өнімнің және негізгі бастапқы заттың, яғни кинетикалық есептеулер жүргізілетін зат бойынша өлшемсіз көлемдік концентрациясы;
– өнімнің тығыздығы, кг/м3;
Достарыңызбен бөлісу: |
