Реакторы химические

Что такое химические реакторы? Виды химических реакторов

Бизнес 25 июля 2016

Химическая реакция является процессом, который ведет к преобразованию реагентов. Она характеризуется изменениями, в результате которых получают один или несколько продуктов, отличных от исходных.

Химические реакции носят различный характер.

Он зависит от типа реагентов, получаемого вещества, условий и времени синтеза, декомпозиции, смещения, изомеризации, кислотно-щелочных, окислительно-восстановительных, органических процессов и др.

Химические реакторы представляют собой емкости, предназначенные для проведения реакций с целью выработки конечного продукта. Их конструкция зависит от различных факторов и должна обеспечивать максимальный выход наиболее экономически эффективным способом.

Виды

Существуют три основные базовые модели химических реакторов:

• Периодического действия.
• Непрерывный с мешалкой (НРМ).
• Реактор с поршневым потоком (РПП).

Эти базовые модели могут быть модифицированы в соответствии с требованиями химического процесса.

Реактор периодического действия

Химические агрегаты этого типа используются в периодических процессах при небольших объемах производства, длительном времени реакций или там, где достигается лучшая селективность, как в некоторых процессах полимеризации.

Для этого применяются, например, емкости из нержавеющей стали, содержимое которых перемешивается внутренними рабочими лопастями, пузырьками газа или с помощью насосов. Контроль температуры осуществляется с помощью теплообменных рубашек, холодильников орошения или прокачкой через теплообменник.

Реакторы периодического действия в настоящее время используются в химической и перерабатывающей пищевой промышленности. Их автоматизация и оптимизация создают сложности, так как необходимо сочетать непрерывные и дискретные процессы.

Для обеспечения больших объемов производства в основном используются химические реакторы непрерывного действия либо емкости металлические с мешалкой или с непрерывным потоком.

Непрерывный реактор с мешалкой

В емкости из нержавеющей стали подаются жидкие реагенты. Для обеспечения надлежащего взаимодействия их перемешивают рабочие лопасти.

Таким образом, в реакторах данного типа реагирующие вещества непрерывно подаются в первый резервуар (вертикальный, стальной), затем они попадают в последующие, одновременно тщательно перемешиваясь в каждой емкости.

Хотя состав смеси однороден в каждом отдельном резервуаре, в системе в целом концентрация изменяется от емкости к емкости.

Среднее количество времени, которое дискретное количество реагента проводит в резервуаре (время пребывания) может быть рассчитано простым делением объема емкости на среднюю объемную скорость прохождения потока через него. Ожидаемый процент завершения реакции рассчитывается с использованием химической кинетики.

Изготавливаются емкости из нержавеющей стали или сплавов, а также с эмалированным покрытием.

Некоторые важные аспекты НРМ

Все расчеты выполняются с учетом идеального смешивания. Реакция протекает со скоростью, связанной с конечной концентрацией. В состоянии равновесия скорость потока должна быть равна скорости расхода, в противном случае резервуар переполнится или опустеет.

Часто экономически выгодно работать с несколькими последовательными или параллельными НРМ. Нержавеющие резервуары, собранные в каскад из пяти или шести единиц, могут вести себя как реактор с поршневым потоком.

Также в резервуар вертикальный стальной можно поместить несколько ступеней НРМ, вместо того чтобы процессы проходили в различных емкостях.

В горизонтальном исполнении многоступенчатый агрегат секционирован вертикальными перегородками различной высоты, через которые смесь поступает каскадами.

Когда реагенты плохо смешиваются или значительно различаются по плотности, используется вертикальный многоступенчатый реактор (эмалированный или из нержавеющей стали) в противоточном режиме. Это эффективно для проведения обратимых реакций.

Небольшой псевдожидкий слой является полностью смешанным. Большой коммерческий реактор с псевдосжиженным слоем имеет практически однородную температуру, но сочетает смешиваемые и вытесняемые потоки и переходные состояния между ними.

Химический реактор идеального вытеснения

РПП – это реактор (нержавеющий), в котором один или больше жидких реагентов прокачиваются через трубу или трубы. Их также называют трубчатыми проточными. Он может иметь несколько труб или трубок. Реагенты постоянно поступают через один конец, а продукты выходят с другого. Химические процессы протекают по мере прохождения смеси.

В РПП скорость реакции градиентна: на входе она очень высокая, но со снижением концентрации реагентов и увеличением содержания продуктов выхода ее скорость замедляется. Обычно достигается состояние динамического равновесия.

Обычными являются как горизонтальная, так и вертикальная ориентация реактора.

Когда требуется передача тепла, отдельные трубы помещаются в рубашку или используется кожухотрубный теплообменник. В последнем случае химические вещества могут находиться как в кожухе, так и в трубе.

Емкости металлические большого диаметра с насадками или ваннами подобны РПП и широко применяются. В некоторых конфигурациях используется осевой и радиальный поток, множественные оболочки со встроенными теплообменниками, горизонтальное или вертикальное положение реактора и так далее.

Емкость с реагентом может быть заполнена каталитическими или инертными твердыми частицами для улучшения межфазного контакта в гетерогенных реакциях.

Важное значение в РПП имеет то, что в расчетах не учитывается вертикальное или горизонтальное смешивание – это и подразумевается под термином «поршневой поток». Реагенты могут быть введены в реактор не только во входное отверстие.

При равных значениях объема и времени в поршневых реакторах реакция будет иметь более высокий процент завершения, чем в агрегатах смешения.

Динамическое равновесие

Для большинства химических процессов невозможно достичь 100-процентного завершения. Их скорость уменьшается с ростом этого показателя до того момента, когда система достигает динамического равновесия (когда суммарная реакция или изменение состава не происходит).

Точка равновесия у большинства систем расположена ниже 100% завершения процесса. По этой причине необходимо произвести процесс разделения, такого как дистилляция, чтобы отделить оставшиеся реагенты или побочные продукты от целевого.

Эти реагенты могут иногда повторно использоваться в начале процесса, например, такого, как процесс Хабера.

Применение РПП

Реакторы поршневого потока используются для проведения химического преобразования соединений во время их движения по системе, напоминающей трубы, для целей проведения масштабных, быстрых, гомогенных или гетерогенных реакций, непрерывного производства и при процессах с выделением большого количества тепла.

Идеальный РПП имеет фиксированное время пребывания, т. е. любая жидкость (поршень), поступающая в момент времени t, покинет его в момент времени t + τ, где τ – время пребывания в установке.

Химические реакторы данного типа обладают высокими показателями производительности в течение длительных периодов времени, а также превосходной теплопередачей. Недостатками РПП является сложность осуществления контроля за температурой процесса, что может привести к нежелательным температурным перепадам, а также их более высокая стоимость.

Каталитические реакторы

Хотя агрегаты данного типа часто реализуются в виде РПП, они требуют более сложного обслуживания.

Скорость каталитической реакции пропорциональна количеству катализатора, контактирующего с химическими веществами.

В случае твердого катализатора и жидких реагентов скорость процессов пропорциональна доступной площади, поступлению химикатов и отбору продуктов и зависит от наличия турбулентного перемешивания.

Каталитическая реакция фактически часто является многоэтапной. Не только первоначальные реагенты взаимодействуют с катализатором. С ним реагируют и некоторые промежуточные продукты.

Поведение катализаторов также важно в кинетике этого процесса, особенно в высокотемпературных нефтехимических реакциях, так как они деактивируются спеканием, коксованием и аналогичными процессами.

Применение новых технологий

РПП используются для конверсии биомассы. В экспериментах применяются реакторы высокого давления. Давление в них может достигать 35 МПа. Использование нескольких размеров позволяет варьировать время пребывания от 0,5 до 600 с. Для достижения температуры свыше 300 °C применяют реакторы с электрическим подогревом. Подача биомассы производится с помощью HPLC-насосов.

Рпп аэрозольных наночастиц

Существует значительный интерес к синтезу и применению наноразмерных частиц для различных целей, включая высоколегированные сплавы и толстопленочные проводники для электронной промышленности.

Другие области применения включают измерения магнитной восприимчивости, передача в дальнем ИК-диапазоне и ядерный магнитный резонанс. Для этих систем необходимо производить частицы контролируемого размера.

Их диаметр, как правило, находятся в диапазоне от 10 до 500 нм.

Вследствие их размера, формы и высокой удельной площади поверхности эти частицы могут быть использованы для производства косметических пигментов, мембран, катализаторов, керамики, каталитических и фотокаталитических реакторов.

Примеры применения наночастиц включают SnO2 для датчиков угарного газа, TiO2 для световодов, SiO2 для коллоидного диоксида кремния и оптических волокон, C для углеродных наполнителей в шинах, Fe для записывающих материалов, Ni для батарей и, в меньших объемах, палладий, магний и висмут. Все эти материалы синтезируются в аэрозольных реакторах.

В медицине наночастицы используются для профилактики и лечения раневых инфекций, в искусственных костных имплантатах, а также для визуализации мозга.

Пример производства

Для получения частиц алюминия поток аргона, насыщенного парами металла, охлаждается в РПП диаметром 18 мм и длиной 0,5 м от температуры 1600 °С со скоростью 1000 °С/с. По мере прохождения газа через реактор происходит зарождение и рост частиц алюминия. Скорость потока составляет 2 дм3/мин, а давление равно 1 атм (1013 Па).

По мере движения газ охлаждается и становится перенасыщенным, что приводит к зарождению частиц в результате столкновений и испарений молекул, повторяющихся до тех пор, пока частица не достигнет критического размера. По мере движения через перенасыщенный газ, молекулы алюминия конденсируются на частицах, увеличивая их размеры.

Химические реакторы в атомной промышленности



Слово реактор всегда ассоциируется с атомными электростанциями, но эти устройства в полной мере применяется для производства большинства химических элементов: аммиака, азотной, серной кислоты и прочее.

Химические реакторы что это?

Это агрегаты, в которых химикаты производят в промышленных масштабах. Они имеют разные формы и размеры от нескольких кубических сантиметров до огромных структур.

Например, печи для производства извёстки могут иметь высоту более 25 метров и удерживать в любое время более 400 тонн материалов.

Конструкция реактора определяется многими факторами, но особенно важными являются термодинамика и кинетика проводимых химических реакций. Два основных типа реактора называются периодическими и непрерывными.

Пакетные (периодические)

Агрегаты этой серии используются для большинства реакций, проводимых в лаборатории. Реагенты помещают в пробирку, колбу или стакан. Их смешивают вместе, часто нагревают для проведения реакции и затем охлаждают. Продукты выливают и, при необходимости, очищают.

Эта процедура также проводится в промышленности, причем ключевым отличием является размер реактора и количество реагентов. Такие реакторы обычно используются, когда компания хочет производить ряд продуктов с различными реагентами и одним и тем же оборудованием.

Непрерывные реакторы

Альтернативой периодическому процессу является непрерывная подача реагентов в агрегат в одну точку, что позволяет проводить реакцию и выводить продукты в другой точке. Должен быть одинаковый расход реагентов и продуктов.

Непрерывные реакторы обычно устанавливаются при производстве больших количеств химического вещества. Важно, чтобы агрегат работал в течение долгого времени без остановки. Как гласит новостной портал reactor.

Время пребывания в реакторе контролируется скоростью подачи реагентов в агрегат. Например, если реактор имеет объем 20 м 3, а скорость подачи реагентов составляет 40 м 3 ч -1, время пребывания составляет 20 м 3/40 м 3 ч -1 = 0,5 ч. Легко точно контролировать расход реагентов. Объем фиксирован и поэтому время процесса также хорошо контролируется.

https://www.youtube.com/watch?v=YcFA_dEvLq4

Продукт имеет тенденцию быть более стабильным по качеству из непрерывного реактора, поскольку параметры реакции (например, время пребывания, температура и давление) лучше контролируются, чем при периодических операциях.

Они также производят меньше отходов и требуют гораздо более низкого хранения как сырья, так и продуктов, что приводит к более эффективной работе. Следовательно, капитальные затраты на тонну произведенного продукта ниже.

Основным недостатком является их отсутствие гибкости, поскольку, как только реактор был построен, в редких случаях его можно использовать для проведения другой химической реакции.

Такие агрегаты подразделяются на несколько типов: трубчатые, с неподвижным или псевдоожиженным слоем, CSTR.

Реактор – для чего он нужен

Агрегаты, которые позволяют осуществлять проведение определенных процессов, в замкнутом пространстве, будь то ядерные, химические принято называть реакторами. Любой из них предназначен для переработки некоторых элементов в экономически выгодную продукцию: энергия, химические элементы. Наиболее сложным и известным является ядерный реактор.

Из чего состоит ядерный реактор

Для работы всех агрегатов, работающих на мирном атоме необходимо следующее:

• Топливо. Обычно этим элементом являются оксид уран (UO 2) который находится в виде топливных стержней. В новом реакторе с новым топливом необходим источник нейтронов, чтобы получить реакцию. Обычно это бериллий, смешанный с полонием, радием или другим альфа-эмиттером.

  Альфа-частицы из распада вызывают высвобождение нейтронов из бериллия, когда он превращается в углерод-12.

  Перезапуск реактора с использованием какого-либо используемого топлива может не потребовать этого, так как может быть достаточно нейтронов для достижения критичности при удалении управляющих стержней.

• Модератор. Материал в сердцевине замедляет нейтроны, высвобождаемые из деления, так что они вызывают большее деление. Обычно для этого используют воду или такой элемент как графит.

• Контрольные стержни. Они изготавливаются с использованием элементов, позволяющих поглощать нейтроны, таких как бор, гафний или кадмий. Они вставляются или выводятся из ядра для контроля скорости реакции или для его остановки. В некоторых реакторах PWR используются специальные управляющие стержни, чтобы поддерживать низкий уровень мощности эффективно.

• Охлаждающая жидкость. Жидкость циркулирует через сердечник, чтобы переносить тепло от него. В реакторах с легкой водой водяной замедлитель функционирует также как первичный хладагент.

  За исключением BWR, есть контур вторичной охлаждающей жидкости, где вода становится парной.

  PWR имеет от двух до четырех первичных контуров хладагента с насосами, приводимыми в движение парами или электричеством.

• Напорный сосуд или напорные трубки. Обычно это прочный стальной сосуд, содержащий сердечник реактора и замедлитель.

• Парогенератор. Часть системы охлаждения реакторов под давлением, где первичный хладагент высокого давления, приносящий тепло из реактора, используется для приготовления пара для турбины во вторичном контуре.

• Сдерживание. Структура вокруг реактора и связанные с ним парогенераторы, которые предназначены для защиты от вторжения и защиты от внешних воздействий от радиации в случае серьезной неисправности внутри. Это типичная бетонная и стальная конструкция толщиной в метр.

Новые российские и некоторые другие реакторы устанавливают устройства локализации расплава или «ловушки» под сосудом под давлением для улавливания любого расплавленного основного материала в случае крупной аварии.

Заключение

Постоянные изыскания, проводимые учеными, позволяют сделать работу ядерных электростанций более безопасной, а утилизацию отходов более дешёвой.