Проточный реактор идеального смешения в неизотермическом режиме

 

При составлении балансовых уравнений в качестве элементарного объема для реактора идеального смешения принимают полный реакционный объем V. Тепловые потоки за элементарный промежуток времени dt для объема V:

                                                                      (3)

                                                                      (4)

                                                                                          (5)

                                     ,                                              (6)

где C _p – средняя теплоемкость реакционной смеси; ρ – средняя плотность реакционной смеси; ∆H – тепловой эффект реакции, отнесенный к 1 моль реагента; К _т – коэффициент теплопередачи; F _то– поверхность теплообмена с окружающей средой; ∆Т _то – движущая сила теплообмена (средняя разность температур в реакторе и внешней среде, с которой происходит теплообмен); величины, относящиеся к входному потоку, отмечены индексом «0», величины без индекса относятся к реакционной смеси, находящейся в реакторе в данный момент или выходящей из него.

Накопление теплоты в реакторе за время d t равно изменению теплосодержания реакционной смеси:

                                                          (7)

С учетом уравнений (2)–(7) уравнение теплового баланса для нестационарного режима будет иметь вид

или

(8)

В стационарном режиме правая часть уравнения (8) равна нулю. Если также принять, что W ₀ = W и пренебречь изменением средней теплоемкости и плотности реакционной смеси при изменении состава и температуры, для стационарного режима

                             (9)

Математическая модель неизотермического реактора идеального смешения кроме уравнения теплового баланса (9) включает в себя уравнение материального баланса

               .                                           (10)

Уравнения (9) и (10) взаимосвязаны: в оба входит в качестве составной части функция r _A (C _A, T). Скорость химической реакции r _A зависит и от концентрации реагентов (степени превращения), и от температуры. Чем выше температура, тем выше скорость реакции и, следовательно, тем большая степень превращения должна достигаться при том же среднем времени пребывания . Но рост степени превращения автоматически должен приводить к понижению скорости реакции. В проточном реакторе заданного объема устанавливаются степень превращения и температура, которые одновременно должны удовлетворять и уравнению (9), и уравнению (10).

При совместном решении уравнений (9) и (10)при заданных
  и начальной температуре Т ₀можно определить значения X _А и Т, удовлетворяющие этим уравнениям.

Материалы химических реакторов

Выбор материала

 

В химической промышленности, в том числе и в промышленности органических полупродуктов, для изготовления аппаратуры используются весьма разнообразные материалы. Это объясняется разнообразием и специфичностью требований, предъявляемых к конструкционным материалам для химической аппаратуры. Применяемые для этих целей материалы должны иметь:

1) достаточную механическую прочность;

2) стойкость к коррозионному воздействию перерабатываемых веществ;

3) обладать соответствующими физическими свойствами (например, хорошей теплопроводностью);

4) легко поддаваться механической обработке;

5) не оказывать ингибирующего действия в процессах, проводимых в данной аппаратуре;

6) не влиять на чистоту продуктов реакции;

7) быть дешевыми и доступными.

Главным требованием для материалов химических аппаратов в большинстве случаев является их коррозионная стойкость, так как она определяет долговечность химического оборудования.

 

Коррозия металлов

 

Коррозией (от лат. слова "corrosio" – разъедать) называется разрушение материала вследствие взаимодействия его со внешней средой. Различают два типа коррозии – химическую и электрохимическую.

Химической коррозией называется разрушение металла окислением его в окружающей среде без возникновения электрического тока в системе.

В этом случае происходит взаимодействие металла с составными частями среды – с газами и неэлектролитами.

Электрохимической коррозией называется разрушение металла в среде электролита с возникновением внутри системы электрического тока. В этом случае наряду с химическими процессами (отдача электронов) протекают и электрические (перенос электронов от одного участка к другому). К электрохимической коррозии относятся все случаи коррозии в водных растворах.

По характеру разрушений коррозия металлов бывает сплошной (равномерной), местной и межкристаллитной.

Сплошная коррозия не представляет особой опасности для конструкций и аппаратов особенно в тех случаях, когда потери металлов не превышают технически обоснованных норм. Ее последствия могут быть сравнительно легко учтены.

Значительно опаснее местная коррозия, хотя потери металла здесь могут быть и небольшими. Один из наиболее опасных видов местной коррозии – это точечная. Она заключается в образовании сквозных поражений, т.е. в образовании точечных полостей – так называемых питтингов. Местной коррозии благоприятствуют морская вода, растворы солей, в частности галогенидных (хлорид натрия, магния и др.). Опасность местной коррозии состоит в том, что, снижая прочность отдельных участков, она резко уменьшает надежность конструкций, сооружений, аппаратов.

Наиболее опасным видом коррозии является межкристаллитная, при которой разрушение происходит по границам кристаллитов в глубине металла.

Скорость коррозии металла оценивается весовым методом, основанным на определении изменения веса образца после воздействия агрессивной среды.

Для количественной оценки степени коррозионных разрушений принята десятибалльная шкала.

 

Коррозионная стойкость материалов

Группа стойкости	Скорость коррозии металла, мм/год	Балл
Совершенно стойкие	Менее 0,001	1
Весьма стойкие	Свыше 0,001 до 0,005 Свыше 0,005 до 0,01	2 3
Стойкие	Свыше 0,01 до 0,05 Свыше 0,05 до 0,1	4 5
Пониженно стойкие	Свыше 0,1 до 0,5 Свыше 0,5 до 1	6 7
Малостойкие	Свыше 1,0 до 5 Свыше 5 до 10	8 9
Нестойкие	Свыше 10	10

 

 

Для изготовления химической аппаратуры должны использоваться конструкционные материалы, скорость коррозии которых не превышает 0,1–0,5 мм/год; чаще применяются материалы стойкие (скорость коррозии 0,01–0,05 мм/год).

 

Железоуглеродистые сплавы

 

Наиболее широкое распространение в качестве материалов для химической аппаратуры получили стали и чугуны.

Они обладают

– высокой механической прочностью;

– хорошими физическими свойствами (высокая теплопроводность, малая теплоемкость и др.);

– вполне доступны и достаточно дешевы, что делает их основными конструкционными материалами общего и химического машиностроения.

В чистом железе без остатка может раствориться не более 2 % углерода. Сплавы, содержащие до 2,14 % углерода, называют сталями; сплавы, в которых более 2,14 % углерода (обычно от 2 до 5–6%), – чугуном.

По содержанию углерода углеродистую сталь делят на:

– низкоуглеродистую (до 0,25 % углерода);

– среднеуглеродистую (от 0,25 до 0,6 % углерода);

– высокоуглеродистую (выше 0,6 % углерода).

Легированные стали, в свою очередь, подразделяют на:

– низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов);

– среднелегированные (от 2,5 до 10 % легирующих элементов);

– высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов).

В зависимости от назначения стали подразделяются на:

– конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий;

– инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65 % углерода;

– с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар;

– с особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.

В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора стали подразделяют на:

– стали обыкновенного качества (до 0,06 % серы и до 0,07 % фосфора);

– качественные (до 0,035 % серы и фосфора);

– высококачественные (до 0,025 % серы и фосфора);

– особо высококачественные (до 0,025 % фосфора и до 0,015 % серы).

Сталь обладает хорошими механическими и физическими свойствами, хорошо поддается обработке, относительно доступна и дешева. Главными ее недостатками являются невысокая химическая стойкость и влияние на чистоту готового продукта.

Чугуны. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14 % С, называется чугуном.

Главным достоинством чугуна является низкая стоимость и доступность.

К недостаткам чугуна,, приводящих к тому, что доля чугунных изделий в химическом машиностроении в последнее время существенно снижается, можно отнести следующие:

1) пониженная прочность чугуна по сравнению со сталью, вследствие чего его применяют при температуре стенки сосуда или аппарата от –15 до +250 °С при температуре обогревающей среды не более 650 °С и давлении до 1,0 МПа;

2) ограниченная возможность его механической обработки, поэтому чугун может быть использован только в виде литья. Это, кстати, можно отнести и к достоинствам, потому что благодаря литью изделиям из чугуна можно придавать самую сложную форму;

3) из-за хрупкости чугуна стенки аппаратов приходится делать толстыми (в 2 раза толще, чем для стальных аппаратов), поэтому чугунная аппаратура всегда значительно тяжелее стальной и имеет более низкие коэффициенты теплопередачи;

4) из-за того, что чугун не поддается сварке, рубашки чугунных аппаратов всегда выполняют съемными и крепят к дополнительному фланцу на корпусе. Это приводит к уменьшению поверхности теплообмена чугунных аппаратов по сравнению со стальными аппаратами того же объема.

 

Цветные металлы

 

Алюминий. Главными достоинствами алюминия, благодаря которым он получил довольно широкое распространение в качестве материала химической аппаратуры являются следующие:

1) доступность по сравнению с другими цветными металлами (алюминий – самый распространенный в земной коре металл. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд и многих другим минералов. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 8 % (масс.));

2) легкость (плотность алюминия при 20 °С r = 2,699 г/см³);

3) высокая теплопроводность (в 4,5 раза выше стали);

4) стойкость к воздействию некоторых агрессивных агентов (например, концентрированной азотной кислоты, фосфорной и органических кислот), которая объясняется образованием на его поверхности плотной сплошной окисной пленки Al₂O₃.

Главным недостатком, ограничивающим применение алюминия, является его низкая механическая прочность. Кроме того, алюминий и его сплавы неустойчивы в щелочных средах:

Al + NaOH + H₂O = Al(OH)₂ONa + 3/2H₂.

Алюминий применяется для изготовления мерников, резервуаров большой емкости, небольших реакционных аппаратов, теплообменников и других аппаратов, работающих без давления и при температуре стенок не выше 200 °С.

Медь. Главными достоинствами меди являются:

1) высокая теплопроводность (в 6 раз выше стали);

2) легкость обработки;

3) повышение прочности при низких температурах при сохранении пластичных свойств.

Благодаря этому медь является ценным конструкционным материалом в криогенной технике, а также широко применяется для изготовления теплообменной аппаратуры.

Главным недостатком меди, как и алюминия, является недостаточная механическая прочность.

Коррозионная активность меди не очень велика. Она весьма устойчива в нейтральных и щелочных средах, а также в растворах органических кислот.

В минеральных кислотах, а также в присутствии соединений серы медь легко подвергается коррозии., т.к. не образует защитных оксидных пленок.

Кроме того, медь имеет низкие литейные свойства и не применяется для литых деталей. Основными материалами для литья деталей и арматуры являются сплавы на основе меди – бронзы и латуни.

Латунью называется сплав меди с цинком, содержащий от 10 до 50 % цинка.

Из латуней изготовляют детали трубопроводов, фланцы, бобышки, теплообменные агрегаты, антифрикционные и коррозионностойкие детали.

Бронза – это сплав меди с оловом и другими элементами: алюминием, бериллием, кремнием, марганцем, свинцом. Бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами, хорошо сопротивляются коррозии и обрабатываются резанием. Бронзы находят применение в узлах трения (подшипники скольжения, червячные и винтовые передачи), в водяной, паровой и масляной арматуре.

Свинец. В прошлом свинец был весьма распространенным конструкционным материалом в химическом машиностроении. В настоящее время его применение сокращается вследствие низкой механической прочности и высокой стоимости. Всюду, где возможно, свинец заменяют пластмассами или нержавеющими сталями.

Никель. Вследствие высокой механической прочности и значительной химической стойкости никель считается одним из лучших материалов химического аппаратостроения.

Никель отличается высокой устойчивостью к воздействию горячих растворов и расплавов щелочей.

Он устойчив к коррозионному действию большинства органических кислот и растворов солей (азотнокислых, хлористых, сернокислых).

Его также можно применять в тех случаях, когда требуется высокая чистота продукта или недопустимо применение кислотостойких сталей вследствие их действия как катализатора, ускоряющего ход нежелательных реакций.

Однако малая доступность и дороговизна никеля пока препятствуют его широкому распространению.

Обычно из никеля изготавливаются особо ответственные аппараты (реакторы, теплообменники, вкладыши и их детали), которые должны обладать высокой химической стойкостью и механической прочностью и, кроме того, обеспечивать достаточно хороший теплообмен.

Тантал обладает хорошей пластичностью, прочностью, а также тугоплавкостью (температура его плавления 3000 °С) и низкой упругостью паров. Он хорошо куется, плющится, штампуется, но плохо сваривается.

Тантал характеризуется чрезвычайно высокой коррозионной устойчивостью к действию большинства органических и неорганических кислот, растворов солей и других агрессивных сред.

Однако, как и никель, тантал чрезвычайно дорог. Он стоит примерно в 100 раз дороже хромоникелевой стали. Поэтому, из-за крайне высокой стоимости единицы объема, он применяется почти исключительно в виде фольги толщиной 0,15–0,3 мм для обкладки аппаратов.

Титан по прочности немного уступает стали, а удельный вес его почти в 2 раза меньше (4,5 г/см³). Он куется, штампуется, сваривается, хорошо поддается механической обработке, что дает возможность изготовлять из него самое разнообразное оборудование.

Титан не подвергается коррозии ни в нейтральных, ни во многих кислых растворах.

Разрушается титан в среде серной кислоты, концентрированной соляной кислоты, щавелевой кислоты, особенно при повышенной концентрации и температуре.

Т.к. стоимость титана велика (в 8–10 раз выше легированной стали), значительный интерес представляют стальные аппараты, облицованные тонким титановым листом. Однако титан со сталью не сваривается, и конструкционное решение подобных аппаратов представляет трудности.

 

Неметаллические материалы

 

Силикатные материалы состоят из различных солей кремневых кислот, алюмосиликатов, кальциевых и магниевых силикатов, чистого кремнезема и др. Они устойчивы к воздействию многих агрессивных сред, что определяется их химическим составом. Причем чем больше в материале содержится оксида кремния (IV), тем выше его устойчивость к кислотам (кроме плавиковой). Но такие материалы разрушаются под действием растворов щелочей и карбонатов с образованием растворимого силиката натрия, например:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O.

Материалы, содержащие в своем составе основные оксиды, устойчивы к щелочным средам, но разрушаются минеральными кислотами.

Стекло. До недавнего времени стекло применялось исключительно в лабораторной практике, но в последнее время оно находит все более широкое применение в химико-фармацевтической промышленности как самостоятельный конструкционный материал.

Важными свойствами, обеспечивающими внедрение стекла на заводах, являются:

– высокая химическая стойкость;

– малый коэффициент линейного расширения;

– низкая теплопроводность;

– прозрачность.

К главным недостаткам стекла следует отнести:

– хрупкость;

– и слабое сопротивление растяжению, изгибу, удару;

– чувствительность к перепадам температур.

В настоящее время стекло подвергают различным видам обработки, вплоть до закаливания и сваривания. Это позволяет изготовлять из него самые разнообразные изделия, однако наибольшее применение в ХФП нашли стеклянные трубы.

Ситаллы.Ситаллы являются стеклокристаллическими материалами, получаемыми из твердого стекла путем полной или частичной его кристаллизации, и отличаются высокой прочностью и стойкостью к термическим воздействиям, химической стойкостью. Ситаллы являются конструкционным материалом и по своей природе и технологии получения занимают промежуточное положение между обычным стеклом и керамикой. Помимо химического состава, они отличаются от обычного стекла тем, что в конечном виде имеют микрокристаллическое строение, а от керамики – тем, что они производятся путем полного плавления материалов с последующим формованием изделий из стекломассы и их кристаллизацией.

Ситаллы отличаются от большинства других новых материалов возможностью регулирования ценных свойств в процессе изготовления и более прогрессивной технологией, благодаря которой различными методами (выдуванием, вытягиванием, прессованием, прокаткой) можно получать разнообразные изделия.

По твердости они во много раз превосходят стекло, а также обладают весьма высокой химической стойкостью к действию сильных окислителей, кислот, щелочей (кроме плавиковой).

Хотя изделия из ситалла в 1,3–1,5 раза дороже изделий из стекла, их применение более рационально, так как по эксплуатационным свойствам они превосходят изделия из стекла, эмали и других силикатных материалов.

Керамические изделия изготавливают из специальных сортов глины путем формования, сушки и последующего обжига до образования каменнообразного черепка. В процессе обжига изделия покрывают глазурью, состоящей из базальта и специальных легкоплавких глин, для придания им кислотостойкости и непроницаемости.

Керамические материалы обладают высокой стойкостью к минеральным кислотам (за исключением плавиковой кислоты), стойки ко всем органическим растворителям и в несколько меньшей степени – к растворам щелочей.

Керамические изделия весьма долговечны и выходят из строя только вследствие механического разрушения. Однако они чувствительны к резким переменам температуры, поэтому нагрев и охлаждение должны проводиться медленно. Не рекомендуется проводить нагрев аппаратов прямым огнем, а при паровом обогреве температура не должна превышать 120 °С.

К другим недостаткам керамики относится ее чувствительность к ударам, толчкам, натяжениям, изгибам и т.д., что заставляет соблюдать правила эксплуатации, аналогичные правилам эксплуатации эмалированной аппаратуры.

Из керамики изготавливают разнообразную химическую аппаратуру: небольшие емкостные аппараты, поверхностные абсорберы, небольшие колонные аппараты, трубопроводы и трубопроводную арматуру.

Углеграфитовые материалы. Исходным сырьем для углеграфитовых материалов является графит, который для снижения пористости пропитывают связующими смолами – фенолформальдегидными, кремнийорганическими, эпоксидными и др.

Графит устойчив к действию большинства химически агрессивных сред, в том числе и кислот – азотной (низкой концентрации), плавиковой (концентрацией до 40 %), серной (до 50 %), соляной, уксусной, муравьиной, фосфорной. Некоторые сорта пропитанного графита стойки к действию растворов щелочей.

Графитовые материалы хорошо поддаются механической обработке и склеиваются (обычно фенолформальдегидными смолами) с последующей термообработкой.

Удельный вес графита примерно в четыре раза меньше удельного веса стали, поэтому конструкции из графитовых материалов значительно легче аналогичных металлических конструкций.

Вследствие хорошей теплопроводности пропитанного графита его широко применяют при изготовлении теплообменников. Кроме того, из него делают трубопроводную арматуру.