Реакторы некаталитических газовых процессов. Классификация, назначение, основные показатели работы и конструкция трубчатых печей. Тепловой баланс изотермического реактора.

Трубчатые печи получили широкое рас­пространение в нефтехимической – промышленности, где их используют для высокотемпературного нагрева и реакционных превращений жидких и газообразных нефте­продуктов (пиролиза, крекинга). Нашли они применение и в химической промышленности. Трубчатая печь относится к аппаратам непрерывного действия с наружным огневым обогревом.

Печь состоит из двух камер радиантный и конвекционный. В радиантной камере тепло передается нагреваемому сырью за счет радиации и лучеиспускания. В конвекционной, тепло передается за счет теплопередач от дымовых газов к змеевикам конвекционной камеры. Радиантная камера отделена от конвекционной камеры вертикальной вертикальной перегородкой из огнеупорного кирпича (перевал).

в радиантной камере располагаются змеевики. Трубы змеевика расположены в одной плоскости, называется экраном. Различают верхний, боковой и нижний (подовой). Змеевики в рад камере расположены в один ряд использовании в двух ряд экономически не целесообразно. кол-во тепла воспринимаемая сырьем 2-го ряда не более 10% от кол-ва тепла, воспринимаемого 1-го ряда. В конвекционной камере располагается 4-6 рядов в шахматном порядке. Принцип действия: исходное сырье первоначально подается в змеевики конвекц камеры, а затем змеевики радиан камеры, где нагревается до заданной температ. Топливный газ сжигается в гарелках в радиант камере. Проходя ч/з змеевики конвекц камеры и дымоходы выводится в окруж среду ч/з дымовую трубу.

Основные показатели работы трубчатых печей и их классификация.

Работу трубчатой печи хар-ют следующие осн. показатели: производительность, полезная тепловая нагрузка, теплонапряженность и коэффициент полезного действия. Производительность печи – кол-во сырья в тоннах, нагреваемого в печи в ед.времени (сутки). Суточная производительность печей колеблется в широких пределах (от 50 до 2000 т). Зависит она от многих факторов: количества змеевиков в печи, вида сырья, назначения печи (нагрев или разложение сырья), диаметра змеевика, скорости прохождения сырья внутри змеевика. Полезная тепловая нагрузка – количество тепла, к-ое воспринимается сырьем в печи. Полезная тепловая нагрузка трубчатых печей составляет от 6 до 25 кВт. Теплонапряженность поверхности нагрева – количество тепла в кВт (ккал), переданного через 1 м² поверхности змеевика в час. Чем выше значение теплонапряженности труб, тем более эффективно передается тепло. Чем больше термоустойчивы сырье и металл труб, чем меньше вязкость сырья и выше скорость его движения в трубах, тем большую теплонапряженность труб можно допустить. Теплонапряженность в современных трубчатых печах, н.: пиролиза углеводородов. КПД печи численно равен части общего выделившегося в печи тепла, к-ая полезно использована в печи. При полном сгорании топлива КПД печи зависит от ее конструкции, коэффициента избытка воздуха (показывающего, во сколько раз больше подано в печь воздуха, чем это необходимо для полного сгорания топлива) и температуры дымовых газов, покидающих печь. Для трубчатых печей КПД=0,6-0,85. Радиантно-конвекционные трубчатые печи классифицируют: а) конфигурации (односкатные, шатровые и цилиндрические); б) количеству радиантных камер (однокамерные, двухкамерные и многокамерные); в) числу потоков сырья (однопоточные и двухпоточные); г) месту расположения конвекционной камеры (с нижним, верхним и боковым расположением конвекционной камеры); д) способу облучения труб (печи с односторонним или двусторонним облучением труб). а – конвекционная печь; б – однокамерная печь с боковым расположением конвекционной камеры; в – однокамерная печь с нижним расположением кон­векционной камеры; г – однокамерная печь с верхним расположением кон­векционной камеры; д – вертикальная цилиндрическая печь; е – однокамер­ная печь беспламенного горения с панельными горелками; ж – двухкамерная двухпоточная печь с горизонтальным сводом; з – двухпоточная двухкамерная печь с наклонным сводом; 1 – горелки; 2 – радиантный змеевик; 3 – конвекционный змеевик; 4 – дымоход; 5 – перевальная стенка; 6 – панельные горелки.

Расчет теплового баланса адиабатического реактора.Любой тепл.баланс основывается прежде всего на законе сохранения энергии: сколько тепла вошло в аппарат, столько и вышло,за вычетом тепла в окружающую среду. Iрод: Q_п=Q_р+Q_пот;Q_c=G·c_p·T;G-производительность;c_p-теплоемкость. IIрод(фаза перехода):Q=G·r; Q_{прихода}=∑G_i·c_pi·T_i;∑-тепла всех матер.потоков которые входят в реактор. Q’_расх=∑G_i·c_pi·T_i-количество тепла отводимое всеми потоками в системе. Q”_расх=G·∆H_p; G-количество превращенного вещества.∆H_p-тепло выделяющееся при расходовании 1моля вещества. Q_пот=0,02÷0,03Q_прих; Температура и массовые расходы исходных веществ известны заранее. Тепловой эффект реакции можно, определить из справочных данных либо экспериментально. Количество израсходованного при этом сырья и кол-во образовавшихся продуктов известны из расчета мат.баланса. Теплоемкости продуктов и исходных веществ известны заранее. Следовательно тепловой расчет адиабатического р.сводится к определению температуры реакционной массы на выходе из реактора. Знание данной температуры позволит понять сколько оптимально работает р.:

∑G_i·c_pi·T_i=Т_вых(∑G_i·c_pi)± Q_х.р- Q_пот;

Т_вых=((∑G_i·c_pi·T_i+ Q_х.р- Q_пот) / ∑G_i·c_pi);

В большинстве случаев выходящая из аппарата реакционная смесь поступает в теплообменный аппарат. Полученная температура является исходной для расчета количества теплоносителя и хладоагента в последующей теплообменной аппаратуре. Для проведения эндотермических реакций как правило используют 2 адиабатических р.с промежуточным теплообменником в котором выходящая охлажденная реакционная масса в следствии химических реакций заново перегревается и поступает в последующий реактор Данный процесс нашел свое применение при парофазной дегидротации МФК в стирол.

Расчет теплового баланса изотермического реактора. Отличительной чертой изотермич. реактора яв-ся const t по всему сечению ап-та. Он прим-ся в основном в процессах, протекающих с выделением тепла, следовательно для поддержания t на опред. уровне исп-ся различ. теплообменные элементы. Поверхность тепловых элем. должна обеспечивать эффективный теплоотвод выделившийся в ходе протекания хим.р-ция тепла. Большинство хим.р-ции яв-ся каталитическими, а в основном в широкое распространение получил гетерогенный катализ. Эти катализаторы обладают низкой теплопроводностью и следовательно для эффективного под-вода тепла или заполняют трубки, а в межтрубной полости ап-та циркулирует хладагент Т=const; Qприх=Qрасх. Тепловой расчет изотермич.реактора сводится и опред.кол-ва хладагента поступившего в реактор необходимого для снятия выделившего тепла

Qприх=G₂*Cpx*T₂+G₁*Cpc*T₁; G₂-?

Qрасх=G₁*Cp*T₁+G₂*Cpx*T₁+-Qпр.+Qпот;

Qх.р.= Qх.рi;

Qх.рi=vi(Hпрод.-Hисх.в.);

G₂*Cpx*T₂+G₁*Cpc*T₁=G₁*Cpр.м.*T₁+G₂*Cpx*T₁+-Qх.пр.+Qпот;

Qпот.=0,02*Qприх.;

₂*(Gр.х.*T₂-Cpx*T₁)=G₁*Cp*T₁-G₁Cрc*T₁+-Qх.пр.+Qпот;

G₂=(G₁*T₁*(Cрр.м.-Cрc)+-Qх.пр.+Qпот.)/Cpx(T₂-T₁)

В уравнении теплового баланса учитываются все и тепловые потоки, входящие в реакор и выходящие из него. Такими потоками яв-я:

Q_вх – теплота реакционной смеси

Q_вых – теплота покидающая объем

Q_хр – теплота хим. реакции (завищая от поглащения или выделения)

Q_то – теплота расход. На теплообмен с окр. средой

Q_фп – теплота фазовых превращений

Для стационарного режима

Для нестационарного режима происходит положительное или отрицательное накопление теплоты в элементарном объеме.

Уравнения яв-я общими для теплового баланса. В изотермическом режиме температура реакционной смеси, выходящей в реактор = температуре в реакторе и температуре смеси покидающей реактор. Это возможно, если выделение или поглощение теплоты в результате химической реакции полностью компенсируется теплообменом с окружающей средой. Для стационарного изотермического режима при постоянстве физ. Свойства системы можно записать: