Химические процессы

При решении задач проектирования химических реакторов не­обходимо рассматривать последние на микро- и макроуровнях. На макроуровне определяются закономерности протекания хи­мических превращений при воздействии на них процессов пе­реноса массы, тепла, импульса, т. е. решается вопрос о выборе наилучшего типа промышленного реактора и определения его конструкционных и рабочих условий.

Исследования на микроуровне проводятся для всех типов ре­акторов. Они заключаются в определении механизма протека­ния химических реакций и построении кинетических моделей.

Если исследования на микроуровне являются достаточно об­щим подходом не только при анализе реакторных процессов, то задачи, решаемые на макроуровне, различаются в зависимости от типа реактора.

Химические реакторы принято классифицировать по фазо­вому признаку реагирующих систем на гомогенные и гетероген­ные, а по способу организации - на непрерывные, полунепре­рывные, периодические и циклические.

Гомогенные реакции протекают в одной фазе - жидкой или газовой (соответственно реакторы жидкофазные и газофазные), и не сопровождаются фазовыми переходами. При их расчете основное внимание уделяется учету влияния неравномерности распределения тепла и массы (поперечных и продольных гради­ентов), конвективного переноса (диффузии) и теплопровод­ности на селективность и производительность реактора.

Гетерогенные реакции сопровождаются транспортными яв­лениями внутри фаз и между ними. Это реакции в системах газ - жидкость, жидкость - жидкость, газ - твердое тело, жидкость - твердое тело, газ - жидкость - твердое тело (катализатор), причем они могут протекать в сплошной фазе, дисперсной фазе или одновременно в обеих фазах. Совокуп­ность факторов, которые необходимо учитывать при проектиро­вании гетерогенных реакторов, весьма обширна и разнообразна и зависит от фазового состояния реагентов и продуктов реак­ции, их аппаратурного оформления. Поскольку химическому превращению предшествует стадия транспортирования вещества из фазы в зону реакции и отвод продуктов реакции, скорость протекания собственно химического взаимодействия будет определяться соотношением скоростей химического превраще­ния и массопереноса, и, в зависимости от превалирования од­ной из составляющих, она будет протекать или в диффузион­ной, или в кинетической области. Поэтому очень важно обеспе­чивать необходимые условия массопереноса за счет гидродина­мических факторов, т. е. состояния фаз, а также за счет агрегат­ного состояния реагентов (например, распределения частиц по размерам в случае реакций с твердой фазой).

Гомогенные реакторы. Конструктивно гомогенные реакторы выполняются в виде аппаратов с мешалками или трубчатых (проточных) аппаратов. При известных кинетике и механизме реакций выбор типа реактора определяется условиями обеспе­чения равномерности распределения реагентов в объеме. Нали­чие градиентов концентрации, температуры приводит к измене­нию физико-химических свойств реагентов (вязкости, плот­ности и т. д.) и, как следствие, к искажению профиля скоро­стей, неравномерному протеканию реакции по объему или се­чению реактора. В случае изотермических реакций изменение характеристик реагентов в ходе протекания реакции может при­вести к неустойчивости системы в целом, т. е. к нарушению установившегося состояния по скоростям теплоподвода и теплоотвода. Характерными вопросами, решаемыми при проекти­ровании этих реакторов, являются оценка гидродинамической структуры потоков и обеспечение необходимого температурного режима реактора.

Гетерогенные реакторы. Реакторы для проведения двухфаз­ных (газ - жидкость, газ - твердое вещество, жидкость - твердое вещество) и трехфазных (газ - жидкость - твердое вещество) реакций конструктивно отличаются большим многообразием. Это реакторы емкостного типа с перемешивающими и диспер­гирующими устройствами; трубчатые реакторы полые или с насадкой, с рубашкой и т. д.; колонные реакторы барботажные полые или с насадкой, секционированные, полочные, с кипя­щим слоем (катализатора) и др.

Исследование реакторов для систем газ - жидкость с целью их расчета и проектирования ведется в следующих направлени­ях:

изучение механизма и скорости процесса массопередачи,

осложненного химической реакцией; моделирование структуры потоков двухфазной системы; оценка влияния продольного пе­ремешивания на эффективность реакторов; определение меж­фазной поверхности, удерживающей способности, перепада давления.

При расчете реакторов для систем газ - твердое вещество (частицы) основными задачами при моделировании являются:

оценка гидродинамической структуры фаз; определение удель­ной поверхности реакции; оценка изменения состояния твердых частиц в ходе реакции; определение соотношения скоростей процессов тепло- и массопереноса.

Итак, при выборе способа реализации реакторного процесса необходимы экспериментальные данные как на стадии выявле­ния механизма реакции, так и при непосредственном расчете промышленного реактора. Поэтому математические модели ре­акторов содержат большое число параметров, определяемых по опытным данным.

2. Процессы тепломассопереноса

Основой выбора эффективного способа разделения продуктов реакции является физико-химическая природа явлений, опреде­ляющих процесс. Благодаря последовательному углублению знаний о процессах постоянно вскрываются неиспользуемые возможности отдельных способов разделения, появляются более совершенные его модификации.

Альтернативными способами выделения чистых продуктов или фракций обычно являются ректификация, экстракция, ад­сорбция, кристаллизация, мембранные процессы, абсорбция, выпаривание. В последнее время стало уделяться значительно

больше внимания другим, помимо ректификации, способам разделения.

Во-первых, процессы ректификации имеют высокую энер­гоемкость, а цены на источники энергии повышаются.

Во-вторых, по мере совершенствования технологии эти про­цессы становятся дешевле, чему в значительной степени способ­ствует и совершенствование систем управления.

Обычно вопрос о замене ректификации другим способом возникает в тех случаях, когда применение ее либо вообще не­

возможно, либо сопряжено со значительными дополнительными затратами.

Применение другого способа разделения может быть эконо­мически выгодно в том случае, когда свойства смеси соответ­ствуют физической основе данного способа. Так, при наличии расслаивания первичное разделение естественным способом возможно путем декантации, способность же вещества кристал­лизоваться в определенных условиях предполагает применение кристаллизации. Однако если физические условия процесса необходимо подбирать искусственно (подбор экстрагента, рас­творителя и т. д.), то к затратам на проведение непосредственно процесса добавляются затраты на регенерацию носителя (экстрагента, растворителя и т. д.).

Создание физических условий процесса обычно сопряжено со значительными расчетными и экспериментальными исследо­ваниями, так как для того, чтобы выбрать наилучший вариант технологического и аппаратурного оформления, необходимо выполнить ряд физических и технологических требований. По существу, речь идет об искусственном создании смеси с задан­ными свойствами. Это относится к таким процессам, как азеотропная или экстрактивная ректификация, экстракция, кри­сталлизация.

3. Кристаллизация

В последнее время в химической технологии для разделения компонентов все большее значение приобретает кристаллизация из-за меньшей энергоемкости по сравнению с ректификацией, так как теплота кристаллизации обычно намного меньше теплоты испарения. Многоступенчатые кристаллизаторы в результате повышения точности проектирования, степени автоматизации и совершенствования оборудования обеспечивают получение чистых компонентов разделяемой смеси.

4. Комплексы с разделяющими агентами

Эта группа массообменных процессов относится к специальным способам разделения и обычно аппаратурно состоит из соб­ственно узла разделения и узла регенерации разделяющего аген­та. По сравнению с обычной ректификацией эти комплексы целесообразно применять в тех случаях, когда разделяемая смесь близкокипящая или содержит азеотропы (как гомогенные, так и гетерогенные), а также если температура верхнего продукта очень мала или температура низа очень высока для обычной ректификации. Так, например, если коэффициенты относитель­ной летучести близки к единице, то целесообразно применять процесс экстрактивной ректификации, а при низкой температу­ре верхнего продукта - процесс абсорбции.

К комплексам с разделяющими агентами можно отнести:

а) азеотропную ректификацию, когда один или несколько компонентов исходной смеси образуют с разделяющим агентом азеотропные смеси, отбираемые в виде дистиллята;

б) эктрактивную ректификацию, когда высококипящий раз­деляющий агент, изменяя соотношение относительных летучестей компонентов исходной смеси, отводится с кубовым про­дуктом;

в) азеотропно-экстрактивную ректификацию, когда высоко­кипящий разделяющий агент образует азеотроп и часть его от­бирается в виде азеотропной смеси в качестве дистиллята, а другая часть - в виде кубового продукта;

г) гетероазеотропную ректификацию, когда разделяющий агент образует с одним или несколькими компонентами исход­ной смеси гетероазеотроп, отбираемый в виде дистиллята; после расслаивания разделяющий агент возвращается в технологиче­ский цикл;

д) экстракцию, когда один или несколько компонентов ис­ходной смеси селективно растворяются в частично смеши­вающемся разделяющем агенте, способствуя тем самым выделе­нию последних;

е) абсорбцию (десорбцию), когда пары одного или несколь­ких компонентов растворяются в разделяющем агенте, тем са­мым способствуя выделению необходимых веществ;

ж) адсорбцию, когда отдельные компоненты исходной смеси адсорбируются на поверхности твердого носителя.

5. Процессы выпаривания

Способ разделения (концентрирования) веществ путем выпаривания широко применяется в технологии неорганических веществ, пищевой промышленности. Он заключается в отделении летучих компонентов (чаще всего воды) от высококипящих остатков в аппаратах барботажного типа. Выпаривание - достаточно энергоемкий процесс. Для снижения энергозатрат обычно организуются многоступенчатые технологические установки работающие под различным давлением с целью использования вторичного парового потока.

Итак, получить достоверные данные расчетным путем для каждого из этапов весьма сложно, поэтому при решении задачи модели­рования и, в особенности, проектирования отдельные парамет­ры определяются по экспериментальным данным на лаборатор­ных и промышленных установках.