curs 8 pp reactoare final

24
REACTOARE CHIMICE REACTOARE CHIMICE 4.3. TIPURI CONSTRUCTIVE DE 4.3. TIPURI CONSTRUCTIVE DE REACTOARE REACTOARE Clasificare. Clasificare. O clasificare a reactoarelor chimice sub aspect O clasificare a reactoarelor chimice sub aspect constructiv este dificil de realizat întrucât constructiv este dificil de realizat întrucât însăşi proiectarea unui anumit reactor are un însăşi proiectarea unui anumit reactor are un caracter particular fiind necesar să se cunoască caracter particular fiind necesar să se cunoască date referitoare la: date referitoare la: parametrii reacţiei chimice respective, parametrii reacţiei chimice respective, viteza de deplasare a fluidelor, viteza de deplasare a fluidelor, procese de schimb de faze, procese de schimb de faze, transfer de energie, transfer de energie, variaţia presiunii în reactor, variaţia presiunii în reactor, timpul de staţionare a reactanţilor în zona de timpul de staţionare a reactanţilor în zona de reacţie etc. reacţie etc. Totuşi ţinând cont de natura şi numărul fazelor Totuşi ţinând cont de natura şi numărul fazelor apar anumite particularităţi în ce priveşte forma apar anumite particularităţi în ce priveşte forma constructivă a reactoarelor deşi oricare ar fi constructivă a reactoarelor deşi oricare ar fi reactorul el aparţine uneia dintre cele trei reactorul el aparţine uneia dintre cele trei

Upload: dianadiandiana

Post on 12-Nov-2015

56 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

reactoare

TRANSCRIPT

  • REACTOARE CHIMICE4.3. TIPURI CONSTRUCTIVE DE REACTOARE Clasificare. O clasificare a reactoarelor chimice sub aspect constructiv este dificil de realizat ntruct nsi proiectarea unui anumit reactor are un caracter particular fiind necesar s se cunoasc date referitoare la: parametrii reaciei chimice respective, viteza de deplasare a fluidelor, procese de schimb de faze, transfer de energie, variaia presiunii n reactor, timpul de staionare a reactanilor n zona de reacie etc. Totui innd cont de natura i numrul fazelor apar anumite particulariti n ce privete forma constructiv a reactoarelor dei oricare ar fi reactorul el aparine uneia dintre cele trei tipuri clasificate i descrise anterior.

  • A. Reactoare pentru procese omogene.

    De la nceput trebuie subliniat c n practica industrial ponderea proceselor omogene este redus, cca. 20% din fabricaii. Proiectarea reactoarelor pentru procesele omogene este mai simpl dect n cazul proceselor eterogene deoarece problemele de amestecare pot fi soluionate mai uor. Toate modelele de reactoare discutate anterior se regsesc n procesele omogene n reactoarele reale, cu un grad mai mare sau mai mic de abatere. Obinuit reactoarele reale prezint o comportare intermediar ntre reactorul cu deplasare total i reactorul cu amestecare complet. Astfel agitarea nu poate fi intensificat dect pn la punctul de tranziie dintre procesul limitat de difuzie i cel limitat cinetic (cu excepia cazurilor n care trebuie evitate supranclzirea local). Distingem: reactoare pentru procese omogene n faza gazoas reactoare pentru procese omogenen faza lichid.

  • Reactoare pentru procese omogene n faz gazoas se remarc printr-o construcie relativ simpl iar pentru agitare se folosesc dispozitive de asemenea foarte simple ca: injectoare, ejectoare, icane, labirint centrifugal etc. Printre cele mai rspndite tipuri de reactoare pentru astfel de procese sunt: Reactor tip camer:Reactor tubular

    1. Reactor tip camer:a. reactor tip camer cu agitarea gazelor prin ejector. Se utilizeaz n procese cum sunt: cracarea termo-oxidativ a metanului (fig.4.2), a propanului, halogenarea metanului etc. Pot lucra n regim izoterm sau adiabatic. Aceste reactoare pot fi la rndul lor, grupate n reactoare cu flacr i reactoare tip camer fr flacr. Obinuit lucreaz la temperaturi nalte.

  • Fig. 4.2. Reactor tip camer cu agitarea gazelor prin ejector:1-ejector; 2- camer de reacie; 3- camer de rcire.

  • Fig. 4.3. Reactor tip camer cu amestecare centrifugal a gazelor.Acest tip de reactor se apropie foarte mult de reactorul cu amestecare complet operat izoterm.

    b. reactor tip camer cu amestecare centrifugal a gazelor,

  • 2. Reactor tubulara. reactor tubular tip schimbtor de cldur cu fascicul de evi, fig. 4.4.

    Fig.4.4. Reactor tip schimbtor de cldur cu fascicol de evi:1- manta; 2- evi cu reactor, 3- plac tubular.Acest tip de reactor se apropie foarte mult de reactoarele cu deplasare total. Obinuit este operat politermic.

  • b. reactor tip eav-n-eav (fig.4.5); Ca model este un reactor cu deplasare total i se opereaz de obicei politermic. Numrul de tuburi cuplate n form de U poate depi valoarea 15. De asemenea astfel de reactoare pot fi operate paralel i unite prin colectoare. Mai rspndite pentru procesele omogene n faz gazoas sunt reactoare tubulare cuplate n form de U (cu posibiliti de operare n paralel), dar fr manta.

    Fig.4.5. Reactor tubular tip eav-n-eav.

  • Reactoare pentru procese omogene n faz lichid. Pentru realizarea proceselor chimice n faz omogen lichid se folosesc diverse tipuri dintre care reinem ca importante i frecvent utilizate urmtoarele: 1.Reactor tip autoclav. Este unul dintre cele mai rspndite aparate de reacie. Se compune dintr-un corp cilindric cu h/d = 0,8-6 nchis cu capace, obinuit capacul superior este mbinat cu corpul prin flane. Volumul reactorului este de civa litri pn la aproximativ 200 m3.Agitarea amestecului de reacie se poate face cu agitatoare mecanice de diverse tipuri, prin barbotarea unui gaz inert cu ajutorul ejectoarelor (fig.4.6 a-c) etc. Autoclava mai este prevzut cu diverse dispozitive de schimb termic (manta, semievi, serpentine etc.) reaciile putnd fi conduse adiabatic, izoterm sau politropic. Aceste reactoare se apropie, mai mult sau mai puin de reactoarele cu amestecare perfect.

  • Fig. 4.6. Reactor tip autoclav:(a) agitare mecanic;(b) agitare prin barbotare; (c) agitare cu ejector

  • 2. Reactoare tip coloan Obinuit au forma unui cilindru avnd raportul H/D frecvent cuprins ntre 5 i 20. Pentru amestecare se poate introduce n interior un material de umplutur inert sau se folosesc icane (fig.4.7), discuri perforate etc. De asemenea reactorul este prevzut cu elemente pentru schimb termic, dispuse pe ntreaga nlime sau pe zone. Reactorul aproximeaz modelul cu deplasare total.

    Fig.4.7. Reactor tip coloan cu icane.

  • 3. Reactoare tubulare Au o importan tehnic mai redus (la hidroliza oxiranilor, etoxilare, etc.). Reactorul se prezint sub forma unei serpentine, cu cma de rcire (ca n fig.4.5), cu o lungime de la civa metri la cteva mii de metri (reactorul pentru obinerea dicloretanului are o lungime de peste 1 km) sau sub forma unor fascicule tubulare aezate n serie i rcite /nclzite ntr-o manta (fig.4.4) reactorul aproximeaz modelul cu deplasare total.

    B. Reactoare pentru procese eterogene

    B.1. Reactoare pentru procese eterogene gaz-lichid. Procesele chimice eterogene conin o etap a reaciilor chimice care are loc ntr-una din faze, dup transferul reactanilor n ea, sau la interfaa dintre faze. n principiu procesele eterogene sunt complexe, cuprinznd reacii chimice i fenomene fizico-chimice corelate. Echilibrul sistemelor G - L este descris de regula fazelor, legea distribuiei ntre faze a componentelor (ex. Legea Henry) i constantele de echilibru ale reaciilor chimice.

  • Reactoarele pentru procesele eterogene G - L sunt constructiv asemntoare cu aparatele utilizate pentru procesele unitare de transfer de mas: absorbia, extracie, distilare. Proiectarea unui reactor G - L este determinat de metoda pentru dezvoltarea interfaei dintre faza lichid i cea gazoas. Aceste reactoare se preteaz constructiv la dimensiuni mari, nefiind n general cele care limiteaz capacitatea sistemului tehnologic din care fac parte. Frecvent utilizate sunt urmtoarele tipuri de reactoare:1. Reactoare tip coloan cu film. Lichidul este distribuit pe suprafaa materialului de umplutur (fig. 4.8.a) sau a unui fascicul de evi (fig.4.8.b) sub forma unui film subire care curge n contracurent (rareori n echicurent) cu gazul cu care reacioneaz. Acestor reactoare li se poate aplica modelul cu deplasare total. Printre caracteristicile mai importante amintim: intensitatea de operare sczut, consum redus de energie pentru gaze, consum ridicat de energie pentru lichide, uor de controlat, regim stabil de operare, construcie simpl. La reactorul (4.8.b) schimbul termic prin spaiul intertubular, n timp ce la reactoarele cu umplutur se face o priz de lichid dup straturile de umplutur i se rcete n rcitoare speciale (rar se introduc serpentine).

  • Fig.4.8. Reactoare tip coloan cu film:a cu umplutur; b cu fascicul de evi.

  • 2. Reactoare tip coloan, cu barbotare, fig. 4.9

    Fig.4.9. Reactoare tip coloan cu barbotare:a cu site; b cu talere; c cu umplutur.au aplicaii numeroase.

  • Constructiv, innd cont de amenajrile interioare reactoarele tip coloan cu barbotare pot fi: cu site, cu talere, cu umplutur (sau combinaii). Obinuit sunt umplute cu lichid pe o nlime de 90% din volumul de reacie. Curgerea fluidelor poate fi n contracurent sau echicurent.Schimbul termic se realizeaz cu ajutorul a diverse dispozitive introduse n reactor (ex. serpentine) sau n exterior (ex. manta), de la caz la caz. Tipul de model de reactor ideal care se poate adopta depinde att de faza luat n considerare ct i de forma constructiv. Caracteristici mai importante sunt: intensitate medie de operare, consum mare de energie, stabilitate n operare etc.

  • Fig. 4.10. Reactoare tip coloan cu pulverizarea reactantului lichid.Reactorul este construit sub forma unei coloane goale, reactantul lichid fiind pulverizat prin una sau mai multe duze (obinuit situate la partea superioar a coloanei, fig.4.10.a, dar pot fi dispuse i pe nlime) iar amestecul gazos se introduce pe la partea inferioar, uneori tangenial (scruber ciclon, fig.4.10.b).

    3. Reactoare tip coloan, cu pulverizarea reactantului lichid. Se utilizeaz n special pentru reaciile care au loc cu vitez mare.

  • La aceste reactoare fluidele circul n contra curent, iar n raport cu faza gazoas se pot face aproximri privind reactorul cu deplasare total. Printre caracteristicile acestor reactoare menionm: intensitatea de operare redus, consum mare de energie.Pentru procesele eterogene gaz-lichid se mai pot folosi i alte tipuri de reactoare (mai puin rspndite) cum ar fi: reactoare cu atomizarea lichidului, reactoare tubulare tip eav-n-eav .a.

    B.2. Reactoare pentru procese eterogene lichid-solid. Din punct de vedere constructiv aceste reactoare trebuie s ndeplineasc condiiile legate de procesele chimice i procesele fizice, ndeosebi cele de transfer de mas. Cele mai multe procese chimice L-S sunt controlate de difuzie i din acest motiv se utilizeaz diverse tehnici de a mri suprafaa interfazic ct i de a spori viteza relativ a fazelor. innd cont de aceste ultime aspecte distingem urmtoarele tipuri de reactoare:

  • lid

    lichid

    Reactoare cu solid n strat filtrant. Acestea sunt construite dintr-un corp cilindric avnd un taler (grtar) orizontal sau nclinat care susine solidul (fig.4.11).Acest tip de reactor prezint intensiti mici de operare; este uor de construit i operat. Faza lichid poate fi recirculat. Se aproximeaz grosier cu reactoarele cu deplasare total. Fig. 4.11. Reactor solid n Fig. 4.12. Reactor cu solidstrat filtrant. n strat fluidizat.

  • 2. Reactor cu solidul n strat fluidizat, fig.4.12, Prezint avantajul unor intensiti de operare mari, permit un control uor (se pot automatiza) i realizeaz un consum mediu de energie. Se poate aproxima modelul de reactor cu amestecare complet.3. Reactoare tip autoclavn acest caz amestecarea se poate realiza mecanic sau prin barbotare. Constructiv se aseamn tipurilor din fig.4.6.Procesele chimice eterogene gaz-solid sunt mai puin rspndite n industria chimic organic. Ca de exemplu se poate cita gazeificarea crbunilor cnd se folosesc reactoare asemntoare celor din fig. 4.11 i 4.12.

  • C. Reactoare pentru procese cataliticeReactoarele utilizate pentru procesele catalitice omogene nu prezint particulariti deosebite putndu-se folosi aparatele descrise pentru reaciile omogene. Pentru procesele catalitice eterogene se utilizeaz reactoare de construcie special. Acestea trebuie s ndeplineasc o serie de condiii: intensitatea de operare mare, s asigure condiii de operare optime (n special temperatura de regim), cderea de presiune mic, construcie simpl etc.Reactoarele pentru conducerea reaciilor catalitice eterogene pot fi clasificate dup starea de faz a reactanilor i catalizatorului, modul de contactare a catalizatorului i reactanilor i dup tipul de dispozitive pentru transferul termic. ntruct n cadrul proceselor catalitice eterogene aplicate n industria organic, cele mai rspndite, cca. 90%, sunt de tipul gaz-solid (catalizatorul fiind n stare solid, iar reactanii n faz gazoas). Ne vom referi n special la reactoarele destinate pentru conducerea unor astfel de procese.

  • Din punct de vedere constructiv, reactoarele catalitice se mpart n dou tipuri de baz:a. reactoare tip coloan (cu strat fix de catalizator, cu unul sau mai multe straturi de catalizator sau cu strat fluidizat, respectiv strat mobil);b. reactoare tubulare (cel mai frecvent tip fiind schimbtorul de cldur cu catalizatorul depus n evi).Referitor la regimul termic se pot face urmtoarele observaii: regimul izoterm se realizeaz mai ales la reactoarele cu strat fluidizat; la reactoarele cu strat fix de catalizator, din cauza conductibilitii termice reduse a catalizatorului, se creeaz gradieni axiali i radiali de temperatur; regimul adiabat este cel mai uor de realizat deoarece depinde numai de condiiile iniiale ale reactanilor (temperatur, presiune, concentraie etc.). Cnd efectul termic este important, catalizatorul este dispus n mai multe straturi i masa de reacie este adus la temperatura necesar prin diverse tehnici (injecii de reactani, suprafee de schimb de cldur, recirculare etc.).

  • De menionat c atunci cnd efectul termic este important reactoarele funcioneaz n regim termic intermediar, mai apropiat de cel izoterm sau de cel adiabatic, funcie de debitul i caracteristicile agentului termic.n fig. 4.13 sunt prezentate diverse reactoare catalitice tip coloan.

  • Fig. 4.13. Reactoare catalitice tip coloan:a - reactor adiabatic cu strat fix de catalizator; b - reactor adiabatic cu rcire ntre straturi; c - reactor adiabatic cu rcire exterioar ntre straturi; d - reactor adiabatic radial cu rcire ntre straturi; e - reactor izoterm cu strat fluidizat; f - reactor izoterm multistrat cu catalizator fluidizat; g - reactor cu strat mobil de catalizator.

  • Reactorul tubular tip schimbtor de cldur nu este specific reaciilor catalitice eterogene, el a fost ntlnit i n cazurile anterioare (fig. 4.4), totui el este foarte rspndit la reaciile G - S. Construcia acestor reactoare este mai complicat dect la reactoarele tip coloan cu strat fix de catalizator, ns exploatarea lor este mai flexibil i mai complex.