Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Химические процессы



Введение

химический реактор теплообменник кожухотрубный

В нефтеперерабатывающей промышленности для получения ряда важнейших нефтепродуктов и повышения их качества широко применяют химические процессы.

Использование химических процессов обеспечивает более глубокую переработку нефти с получением светлых нефтепродуктов в количествах, превышающих их содержание в исходной нефти в 1,5 - 2 раза.

Химические процессы позволяют получать сырье для многих нефтехимических производств, в частности, непредельные углеводороды - этилен, пропилен, бутилены, бутадиен, ароматические углеводороды - бензол, толуол, этилбензол, ксилолы, изопропилбензол и др. На базе такого сырья осуществляется производство пластмасс, синтетических каучуков, синтетических волокон, моющих средств и других ценных продуктов.

Использование ряда химических процессов позволяет повышать качество светлых нефтепродуктов и масел - обеспечивать обессеривание, повышение антидетонационных свойств и стабильности, снижение коксуемости, улучшение цвета и т.д.

Перечислим некоторые основные химические процессы, используемые при переработке нефти и получившие широкое распространение: каталитический риформинг, каталитический крекинг, изомеризация, алкилирование, гидроочистка, гидрокрекинг, коксование, пиролиз, полимеризация.

Названные химические реакции, используемые в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, существенно различаются по режиму (давление от атмосферного до 200 МПа, температура от 100 до 700 С) и используемым катализаторам. Подобное многообразие обусловливает необходимость использования различной аппаратуры и методов расчета, и поэтому в данной главе излагаются основные положения и понятия, относящиеся к реакционным аппаратам, наиболее распространенным при переработке нефтяного сырья.

Аппарат, в котором осуществляется тот или иной химический процесс, называют реакционным устройством или реактором. В ряде случаев такой аппарат называют иначе, учитывая особенности химического процесса или его назначения; так, например, на установке каталитического крекинга аппарат, в котором осуществляется реакция окисления (горения) кокса, отложившегося на катализаторе, носит название регенератора, так как его назначение - восстановить активную способность катализатора, т.е. регенерировать его. Общепринятой классификации химических процессов и реакторов нет, поэтому отметим некоторые наиболее существенные ее признаки. Химические процессы подразделяются на каталитические и некаталитические, гомогенные и гетерогенные, экзотермические и эндотермические.



1. Химические процессы

Такие производственные процессы, при осуществлении которых изменяют химический состав перерабатываемого продукта с целью получения вещества с другими химическими свойствами. Изменение химического состава продукта происходит при проведении одной или нескольких химических реакций.

Химические процессы лежат в основе производства многих неорганических и органических соединений, занимают основное место в производстве черных, цветных и редких металлов, стекла, цемента и других силикатных материалов, целлюлозы, бумаги и пластмасс.

Химические процессы проходят ряд взаимосвязанных стадий:

1. подвод реагирующих компонентов в зону реакции;

2. химическое взаимодействие компонентов;

3. разделение продуктов реакции и выделение целевого продукта из смеси.

На стадии подвода реагентов в зону реакции исходные вещества приводятся в соприкосновение друг с другом. Контактирование молекул достигается диффузией молекул одного вещества в другое либо конвективным переносом массы.

В результате химического превращения, или взаимодействия, образуется основной, или целевой, продукт и иногда ряд побочных продуктов. Стадия выделения целевого продукта осуществляется с применением процессов отстаивания, выпаривания, ректификации, абсорбции, кристаллизации и др.

При необходимости в технологический процесс входит стадия подготовки сырья, включающая следующие операции: измельчение, концентрирование, сушку, очистку газа от пыли и др.

Химические превращения веществ в технологическом процессе осуществляются в специальных аппаратах, называемых реакторами. В этих аппаратах химические реакции сочетаются с массопереносом (диффузией). Например, в печном отделении сернокислотного цеха реактором является печь обжига серы или колчедана; в контактном отделении - контактный аппарат и т.д.

Протекание химических реакций, в результате которых получается целевой продукт, происходит при определенных параметрах процесса: температуре, давлении, активности катализатора, концентрации взаимодействующих веществ, интенсивности перемешивания.

Классификация химических процессов

До настоящего времени нет еще какой-либо вполне установившейся классификации процессов химической технологии. Практически целесообразно объединять их в зависимости от основных закономерностей, характеризующих протекание процессов, в следующие группы:

1. гидродинамические процессы;

2. тепловые процессы;

3. диффузионные процессы;

4. холодильные процессы;

5. механические процессы, связанные с обработкой твердых тел;

6. химические процессы, связанные с химическими превращениями обрабатываемых материалов.

Также разделяется на:

1. крекинг

2. риформинг

3. гидроочистка

Крекинг - стадия процесса очистки нефти, на которой продукты первой дистилляции обрабатываются с целью расщепления больших молекул

углеводородов на меньшие молекулы посредством регулируемого

нагрева, с присутствием катализаторови часто под давлением.

При крекинге нефти получают тяжелые масла, бензин и газы, такие как ЭТАН, ЭТЕН (этилен) и ПРОПЕН (пропилен), которые используются при производстве пластмасс, тканей, моющих средств и сельскохозяйственных химикатов. Таким образом, крекинг - это способ получения больших количеств легких углеводородов, на которые имеется большой спрос, из более тяжелых фракций, которые сами по себе используются как смазочные масла.

Риформинг - переработка бензиновых и лигроиновых фракций нефти для получения автомобильных бензинов, ароматических углеводородов (бензола и его гомологов) и водородсодержащего газа. Различают риформинг термический и под давлением в присутствии катализатора.

Термический риформинг широко применяли ранее только для производства высокооктановых бензинов. Основанный на реакции: дегидрогенизация и дегидроизомеризация нафтеновых углеводородов, деалкилирование и конденсация ароматических углеводородов. Переработку бензино-лигроиновых фракций проводили в трубчатых печах при 530-560°С.

Недостаток процесса-невысокие выходы целевого продукта вследствие больших потерь сырья в виде газа и кокса, а также сравнительно высокое содержание непредельных углеводородов в бензине, что снижает его стабильность и приемистость к тетраэтилу и свинцу.

Гидроочистка - представляет собой процесс химического превращения каких-либо веществ под влиянием на них при высокой температуре и давление водородом.

Гидроочистка фракций нефти необходима для уменьшения в товарных нефтепродуктах содержания соединений, которые включают в себя серу. Параллельно этому происходит уменьшение смол и соединений, содержащих кислород, насыщение непредельных углеводородов и гидрокрекинг молекул углеводорода. Гидроочистка - это самый частый процесс переработки нефти и через неё проходят следующие её фракции: бензиновые, керосиновые, фракции масел, а также дизельное топливо и вакуумный газойль.

Гидроочистка прямогонных бензиновых фракций необходима для получения уже гидроочищенных бензиновых фракций. Гидроочищенные бензиновые фракции являются сырьем для каталитической ароматизации. Она происходит за счет реакции гидрогенолиза и деструкции молекул в водородосодержащем газа. На выходе органические соединения азота, кислорода, серы, хлора и металлов, которые содержаться в сырье становятся аммиаком, водой, сероводородом, хлороводородом и соответствующими углеводородами. Этот процесс происходит при давлении от 1 до 3 МПа и температуре от 370 до 380 градусов по Цельсию. В качестве катализатора используется кобальт-молибденовый.

Процесс гидроочистки бензина каталитического крекинга идет на уменьшение в товарных бензинах диеновых углеводородов и серы.

Гидроочистка керосиновых фракций необходима на уменьшение в реактивном топливе количества смол и серы, которые приводят к коррозии в летательных машинах топливной конструкции и закоксовывают форсунки в двигателе. Этот процесс осуществляют при давлении от 1,5 до 2,2 МПа и температуре порядка 300-400 градусов по Цельсию. Катализатор в данном случае тот же, что и при гидроочистке прямогонных бензиновых фракций. Гидроочистка дизельного топлива необходима для уменьшения полиароматических углеводородов и серы. Сера при горении выделяет сернистый газ. С водой он образует сернистую кислоту, которая является основной причиной кислотных дождей. Полиароматические углеводороды понижают октановое число. Процесс гидроочистки происходит при давлении от 1,8 до 2 МПа и температуре от 350 до 420 градусов, с никелем-молибденовым в качестве катализатора.

Гидроочистка вакуумного газойля нужна также как и при очистке дизельного топлива для уменьшения количества серы и полиароматики. Полученный газойль идет в качестве сырья для каталитического крекинга. Сера в данном случае отравляет катализатор крекинга и неблагоприятно влияет на качество бензина каталитического крекинга. Гидроочистка вакуумного газойля осуществляется при давлении 8-9 МПа и температуре от 370 до 410 градусов, с катализатором в виде никель-молибденовый. Гидроочистка нефтяных масел нужна для их осветления, повышения химической стойкости, экологичности, антикоррозийности, и проходит таким же образом, как и гидроочистка вакуумных газойлей.

Процессы подразделяются также на:

1. периодические,

2. непрерывные,

3. комбинированные.

Периодический процесс характеризуется единством места протекания отдельных его стадий и неустановившимся состоянием во времени. Периодические процессы осуществляют в аппаратах периодического действия, из которых конечный продукт выгружается полностью или частично через определенные промежутки времени. После разгрузки аппарата в него загружают новую порцию исходных материалов, и производственный цикл повторяется снова. Вследствие неустановившегося состояния при периодическом процессе в любой точке массы обрабатываемого материала или в любом сечении аппарата отдельные физические величины или параметры (например, температура, давление, концентрация, теплоемкость, скорость и Др.), характеризующие процесс и состояние веществ, подвергающихся обработке, меняются во время протекания процесса.

Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его стадий, установившимся состоянием и непрерывным отбором конечного продукта. Непрерывные процессы осуществляют в аппаратах непрерывного действия. Вследствие установившегося состояния в любой точке массы обрабатываемого материала или в любом сечении непрерывно действующего аппарата физические величины или параметры в течение всего времени протекания процесса остаются практически неизменными.

Комбинированный процесс представляет собой либо непрерывный процесс, отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой периодический процесс, одна или несколько стадий, которого проводятся непрерывно. Непрерывные процессы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с периодическими и комбинированными. К таким преимуществам в первую очередь относятся:

1. возможность осуществления полной механизации и автоматизации, что позволяет сократить до минимума применение ручного труда;

2. однородность получаемых продуктов и возможность повышения их качества;

3. компактность оборудования, необходимого для осуществления процесса, что позволяет сократить как капитальные затраты, так и расходы на ремонт.

Поэтому в настоящее время во всех отраслях техники стремятся перейти от периодических к непрерывным производственным процессам.

Классификация химических процессов помогает выделить такие характеристики составляющих процесса, комбинация которых определяет те или иные свойства химического процесса в целом, его закономерности и особенности.

Поскольку химический процесс - это система взаимосвязанных явлений, то классификацию проводят по различным признакам.

В изучении этих химических процессов или иными словами, в развитии химической технологии отдельных веществ и продуктов, например, синтетического аммиака, каучуков, пластических масс, черных, цветных и редких металлов, стекла, цемента и т.п., достигнуты огромные успехи. Эти успехи обусловили технический прогресс соответствующих отраслей промышленности. Однако научная классификация химических процессов продолжает оставаться одной из важных задач химической технологии как науки. По аналогии с классификацией физических и физикохимических процессов химической технологии делаются попытки классифицировать промышленные химические реакции по основным химическим процессам. Так, предлагалась следующая классификация химических процессов обменное разложение и солеобразование (минеральные удобрения и соли), окисление (серная кислота, азотная кислота, органические кислородные соединения и др.), гидрирование (аммиак, метанол и другие спирты, аминосоединения ароматического ряда, получаемые гидрированием нитросоединений, и т.п.), аминирование (мочевина, аминосоединения жирного и ароматического рядов), хлорирование (химические средства защиты растений), нитрование (взрывчатые вещества), сульфирование (синтетические моющие вещества), электрохимические процессы (электролиз водных растворов, электролиз в расплавленных средах, электрохимическое окисление и восстановление), процессы высокотемпературного и каталитического крекинга и пиролиза жидкостей и газов (нефтепереработка, получение олефинов из природных газов и др.), процессы полимеризации и поликонденсации (получение пластических масс, синтетических каучуков, химических волокон), процессы высокотемпературной переработки твердых тел (коксование углей, производство карбида кальция, стекла, цемента, сернистого натрия), алкилирование и арилирование и т.д.

Несмотря на значительные различия и специфичность реакторов, предназначенных для осуществления отдельных химических процессов, можно выделить одинаковые для всех реакторов элементы, на основе которых и проводится классификация. Классификация химических процессов по ряду признаков в известной степени относится и к реакторам, поскольку эти признаки существенно влияют на тип н конструкцию аппарата. Так, тепловой эффект реакции требует различных теплообменных устройств, для отвода или подвода теплоты в реакционный объем. Поэтому деление процессов на экзо и эндотермические требует выбора и соответствующего химического реактора.



2. Реакторные устройства

Основное требование к реакторным устройствам заключается в обеспечении времени пребывания реагирующих веществ в зоне реакции и режима температур и давлений, необходимых для получения заданного выхода и качества целевых продуктов.

Реакторные устройства, применяющиеся в промышленности, могут быть периодического и непрерывного действия.

Реакторными устройствами непрерывного действия являются колонные и многоколонные аппараты, мешалки с непрерывным вводом и выводом реагентов и др. Реакторы этого типа наиболее распространены и, как правило, наиболее совершенны.

Как указывалось выше, основным назначением промышленных химических процессов является получение максимального выхода определенных целевых продуктов. В связи с этим в технических расчетах реакторных устройств под скоростью реакции обычно понимают скорость выхода целевого продукта в единицу времени при количестве сходного сырья, превращенного в единицу времени.

При адиабатическом и политропическом течении процесса расчет реакторных устройств может вестись по тем же уравнениям, но под температурами подразумеваются температуры, эквивалентные средней скорости процесса.

Для интенсификации работы реакторного устройства и снижения выхода побочных продуктов устанавливаем четырех секционный реактор со ступенчатым подводом наиболее реакционно способного реагента - пропилена. При этом концентрационный к. п. д. реактора возрастет до 0,70. Дальнейшее увеличение числа секций недостаточно эффективно, поэтому ограничиваемся четырьмя секциями.

При использовании высокоактивных цеолитсодержащих катализаторов можно значительно сократить время контакта. В этих случаях реакторное устройство выполняют в виде пневмоствола, в котором происходит основная стадия процесса при транспортировании катализатора нефтяными парами.?

Основные закономерности распределения вещества между жидкой и газовой фазами, так же как и методы экспериментального изучения состава равновесных фаз в широком интервале изменения давления, детально рассматриваются в ряде специальных справочников и монографий. Поэтому остановимся лишь на некоторых закономерностях равновесия в системе жидкость - газ, которые, на наш взгляд, могут оказаться наиболее полезными при разработке реакторных устройств.

Процессы с окислительной регенерацией катализатора в реакторах со стационарным слоем.

Предусматриваются сменно-циклические графики работы реакторных устройств.

В нефтеперерабатывающей промышленности, где реакторные устройства должны быть очень большой производительности, применение описанных выше реакторов не могло разрешить проблем каталитической переработки нефти. Поэтому были созданы новые, более прогрессивные установки: с движущимся слоем (потоком) гранулированного катализатора и с псевдоожиженным пылевидным катализатором. В настоящее время эти установки все больше применяют в технологии нефтехимического синтеза.

Как процессы, протекающие в реакторных устройствах, так и сами реакторные устройства можно классифицировать по следующим признакам: режиму работы (периодические или непрерывные), гидродинамическим и тепловым режимам, а также физическим свойствам реагентов и продуктов реакций.

Отдельные процессы проводят в так называемых реакторных устройствах, имеющих меньшие размеры и работающих параллельно. Примером могут служить реакторные трубы, применяемые для конверсии (расщепления) природного газа с целью получения газовой смеси СО Н2, которую в дальнейшем используют для синтеза углеводородов.

Подобная оценка правомерна в том случае, когда реакторное устройство действительно состоит из тех или иных последовательностей трубчатых и смесительных аппаратов, как это имеет место, например, в установке для полимеризации стирола. Но в отношении одиночных аппаратов емкостного типа подобный способ истолкования теоретически мало обоснован и может рассматриваться только как условный, поскольку гидродинамическая природа обоих режимов с предельными интенсивностями внутриреакторного смешения диаметрально противоположна ДРУГ другу.

Чтобы устранить потери в движущей силе процесса приходится усложнять реакторные устройства, что приводит к повышению их стоимости и увеличению затрат металла.

В случае экзотермических реакций необходимо обеспечить отвод тепла в реакторном устройстве, а в случае эндотермических - подвод тепла. Таким образом, тепловой эффект реакции в значительной степени предопределяет условия ведения процессов и конструктивное оформление реакторов.

Классификация реакторных устройств

Реакторы классифицируют по уровню энергии нейтронов, участвующих в реакции деления, по принципу размещения топлива и замедлителя, целевому назначению, виду замедлителя и теплоносителя и их физическому состоянию.

По уровню энергетических нейтронов: реакторы могут работать на быстрых нейтронах, на тепловых и на нейтронах промежуточных (резонансных) энергий и в соответствии с этим делятся на ректоры на тепловых, быстрых и промежуточных нейтронах (иногда для краткости их называют тепловыми, быстрыми и промежуточными). В реакторе на тепловых нейтронах большая часть деления ядер происходит при поглощении ядрами делящихся изотопов тепловых нейтронов. Реакторы, в которых деление ядер производится в основном нейтронами с энергией больше 0,5 МэВ, называются реакторами на быстрых нейтронах.

Реакторы, в которых большинство делений происходит в результате поглощения ядрами делящихся изотопов промежуточных нейтронов, называются реакторами на промежуточных (резонансных) нейтронах. В настоящее время наибольшее распространение получили реакторы на тепловых нейтронах. Для тепловых реакторов характерны концентрации ядерного топлива 235U в активной зоне от 1 до 100 кг/м3 и наличие больших масс замедлителя.

Для реактора на быстрых нейтронах характерны концентрации ядерного топлива 235U или 239U порядка 1000 кг/м3 и отсутствие замедлителя в активной зоне. В реакторах на промежуточных нейтронах в активной зоне замедлителя очень мало, и концентрация ядерного топлива 235U в ней от 100 до 1000 кг/м3. В реакторах на тепловых нейтронах деление ядер топлива происходит также при захвате ядром быстрых нейтронов, но вероятность этого процесса незначительна (1 - 3%). Необходимость замедлителя нейтронов вызывается тем, что эффективные сечения деления ядер топлива намного больше при малых значениях энергии нейтронов, чем при больших.

В активной зоне теплового реактора должен находиться замедлитель - вещество, ядра которого имеют малое массовое число. В качестве замедлителя применяют графит, тяжелую или легкую воду, берилий, органические жидкости. Тепловой реактор может работать даже на естественном уране, если замедлителем служит тяжелая вода или графит.

При других замедлителях необходимо использовать обогащенный уран. От степени обогащения топлива зависят необходимые критические размеры реактора, с увеличением степени обогащения они меньше. Существенным недостатком реакторов на тепловых нейтронах является потеря медленных нейтронов в результате захвата их замедлителем, теплоносителем, конструкционными материалами и продуктами деления.

Поэтому в таких реакторах в качестве замедлителя, теплоносителя и конструкционных материалов необходимо использовать вещества с малыми сечениями захвата медленных нейтронов.

В реакторах на промежуточных нейтронах, в которых большинство актов деления вызывается нейтронами с энергией, выше тепловой, масса замедлителя меньше, чем в тепловых реакторах. Особенность работы такого реактора состоит в том, что сечение деления топлива с ростом деления нейтронов в промежуточной области уменьшается слабее, чем сечение поглощения конструкционных материалов и продуктов деления.

Таким образом, растет вероятность актов деления по сравнению с актами поглащения. Требования к нейтронным характеристикам конструкционных материалов менее жесткие, их диапазон шире. Следовательно, активная зона реактора на промежуточных нейтронах может быть изготовлена из более прочных материалов, что дает возможность повысить удельный теплосъем с поверхности нагрева реактора. Обогащение топлива делящимся изотопом в промежуточных реакторах вследствии уменьшения сечения должно быть выше, чем в тепловых.

Воспроизводство ядерного топлива в реакторах на промежуточных нейтронах больше, чем в реакторе на тепловых нейтронах. В качестве теплоносителей в промежуточных реакторах используется вещество, слабо замедляющие нейтроны, например жидкие металлы. Замедлителем служит графит, берилий т т.д. В активной зоне реактора на быстрых нейтронах размещаются твэлы с высокообогащенным топливом. Активная зона окружается зоной воспроизводства, состоящей из твэлов, содержащих топливное сырье (обедненный уран. торий). Вылетающие из активной зоны нейтроны захватываются в зоне воспроизводства ядрами топливного сырья, в результате образуется новое ядерное топливо.

Особым достоинством быстрых реакторов является возможность организации в них расширенного воспроизводство ядерного топлива, т.е. одновременно с выработкой энергии производить вместо выгоревшего ядерного топлива новое. Для быстрых реакторов не требуется замедлитель, а теплоноситель не должен замедлять нейтроны. Для обеспечения высокой концентрации ядерного топлива необходимо достижение максимального тепловыделения на единицу объема активной зоны. Это можно осуществить только с помощью жидкометаллических теплоносителей, например натрия, калия или энергоемких газовых теплоносителей, обладающих наилучшими теплотехническими и теплофизическими характеристиками, таких как гелий и диссоциирующие газы. В качестве теплоносителя можно использовать и пары воды. Паразитный захват быстрых нейтронов ядрами конструкционных материалов и продуктов деления крайне незначительный, поэтому для быстрых реакторов существует широкий выбор конструкционных материалов и продуктов деления крайне незначительный, поэтому для быстрых реакторов существует широкий выбор конструкционных материалов, позволяющих повысить надежность активной зоны. Следовательно, в них можно достичь высокой степени выгорания делящихся веществ.

В зависимости от способа размещения топлива в активной зоне реакторы делятся на гомогенные и гетерогенные.

В гомогенном реакторе ядерное топливо, теплоноситель и замедлитель (если они есть) тщательно перемешаны и находятся в одном физическом состоянии, т.е. активная зона полностью гомогенного реактора представляет жидкую, твердую или газообразную однородную смесь ядерного топлива, теплоносителя или замедлителя.

Гомогенные реакторы могут быть как на тепловых, так и на быстрых нейтронах. В таком реакторе вся активная зона находится внутри стального сферического корпуса и представляет жидкую однородную смесь горючего и замедлителя в виде раствора или жидкого сплава (например, раствор уран или сульфата в воде, раствор урана в жидком висмуте), который одновременно выполняет и функцию теплоносителя.

Ядерная реакция деления происходит в топливном растворе, находящемся внутри сферического корпуса реактора, в результате температура раствора повышается. Горючий раствор из реактора поступает в теплообменник, где отдает теплоту воде второго контура, охлаждается и циркулярным насосом направляется опять в реактор.

Для того чтобы ядерная реакция не произошла вне реактора, объемы трубопроводов контура, теплообменника и насоса подобраны так, чтобы объем горючего, находящегося на каждом участке контура, были намного ниже критического. Гомогенные реакторы имеют ряд преимуществ по сравнению с гетерогенными. Это несложная конструкция активной зоны и минимальные ее размеры, возможность в процессе работы без остановки реактора непрерывно удалять продукты деления и добавлять свежее ядерное топливо, простота приготовления горючего, а также то, что управлять реактором можно, изменяя концентрацию ядерного топлива.

Однако гомогенные реакторы имеют и серьезные недостатки. Гомогенная смесь циркулирующая по контуру, испускает сильное радиоактивное излучение, что требует дополнительной защиты и усложняет управление реактором. Только часть топлива находится в реакторе и служит для выработки энергии, а другая часть - во внешних трубопроводах, теплообменниках и насосах.

Циркулирующая смесь вызывает сильную коррозию и эрозию систем и устройств реактора и контура.

Образование в гомогенном реакторе в результате радиолиза воды взрывоопасной гремучей смеси требует устройств для ее дожигания. Все это привело к тому, что гомогенные реакторы не получили широкого распространения. В гетерогенном реакторе топливо в виде блоков размещено в замедлителе, т.е. топливо и замедлитель пространственно разделены. В настоящее время для энергетических целей проектируют только гетерогенные реакоры.

Ядерное топливо в таком реакторе может использоваться в газообразном, жидком и твердом состояниях. Однако сейчас гетерогенные реакторы работают только на твердом топливе.

В зависимости от замедляющего вещества гетерогенные реакторы делятся на графитовые, легководные, тяжеловодные и органические. По виду теплоносителя гетерогенные реакторы бывают легководные, тяжеловодные, газовые и жидкометаллические. Жидкие теплоносители внутри реактора могут быть в однофазном и двухфазном состояниях.

В первом случае теплоноситель внутри реактора не кипит, а во втором - кипит. Реакторы, в активной зоне которых температура жидкого теплоносителя ниже температуры кипения, называются реакторами с водой под давлением, а реакторы, внутри которых происходит кипение теплоносителя кипящими. В зависимости от используемого замедлителя и теплоносителя гетерогенные реакторы выполняются по разным схемам. В России основные типы ядерных энергетических реакторов - водо-водяные и водографитовые.

По конструктивному исполнению реакторы подразделяются на корпусные и канальные. В корпусных реакторах давление теплоносителя несет корпус. Внутри корпуса реактора течет общий поток теплоносителя. В канальных реакторах теплоноситель подводится к каждому каналу с топливной сборкой раздельно. Корпус реактора не нагружен давлением теплоносителя, это давление несет каждый отдельный канал. В зависимости от назначения ядерные реакторы бывают энергетические, конверторы и размножители, исследовательские и многоцелевые, транспортные и промышленные.

Ядерные энергетические реакторы используются для выработки электроэнергии на атомных электростанциях, в судовых энергетических установках, на атомных теплоэлектроцентралях (АТЭЦ), а также на атомных станциях теплоснабжения (АСТ). Реакторы, предназначенные для производства вторичного ядерного топлива из природного урана и тория, называются конверторами или размножителями. В реакторе - конверторе вторичного ядерного топлива образуется меньше первоначально израсходованного.

В реакторе - размножителем осуществляется расширенное воспроизводство ядерного топлива, т.е. его получается больше, чем было затрачено.

Исследовательские реакторы служат для исследований процессов взаимодействия нейтронов с веществом, изучения поведения реакторных материалов в интенсивных полях нейтронного и гамма-излучений, радиохимических и биологических исследований, производства изотопов, экспериментального исследования физики ядерных реакторов.

Реакторы имеют различную мощность, стационарный или импульсный режим работы. Наибольшее распространение получили водо-водяные исследовательские реакторы на обогащенном уране. Тепловая мощность исследовательских реакторов колеблется в широком диапазоне и достигает нескольких тысяч киловатт. Многоцелевыми называются реакторы, служащие для нескольких целей, например для выработки энергии и получения ядерного топлива.

3. Конструкция реактора гидрокрекинга

Изобретение относится к установке для переработки нефтепродуктов. Изобретение касается реактора гидрокрекинга, содержащего корпус с днищами, внутреннюю теплоизоляцию, патрубки входа сырья и водородсодержащего газа, патрубок выхода продукта. Катализатор всех зон реактора помещен в общую кольцевую корзину, состоящую из двух концентрично расположенных перфорированных обечаек с фильтровальными сетками, перфорированные обечайки соединены между собой днищами. Верхняя фильтрующая зона реактора ограничена усеченным конусом. Поток сырья проходит радиально от центра к периферии, заполняя полость между наружной перфорированной обечайкой и неперфорированной обечайкой, затем проходит остальные зоны, кроме последней, проходя радиально от периферии к центру, заполняя полость внутри внутренней перфорированной обечайки до усеченного конуса, проходит радиально от центра к периферии и выходит через патрубок из реактора. Технический результат - снижение гидравлического сопротивления потоков сырья и водородосодержащего газа, увеличение поверхности контакта сырья и водородосодержащего газа с катализатором, повышение монтажной готовности реактора гидрокрекинга.

Линейная скорость может находиться в пределах от 10 до 30 м/с, а средние скорости частиц катализатора могут достигать 25 м/с. То есть частицы катализатора будут перемещаться с газообразной реакционной смесью, что способствует быстрому истиранию катализатора и большому его расходу. У этого стояка-реактора большое гидравлическое сопротивление потоку перерабатываемого сырья.

Более удачной конструкцией является реактор с подвижным слоем. Однако в этом реакторе происходит быстрое истирание катализатора и большой его расход.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является конструкция реактора гидрокрекинга. Недостатками данной конструкции являются большое гидравлическое сопротивление потокам сырья и водородосодержащего газа, небольшая поверхность контакта сырья с катализатором, трудоемкая загрузка и выгрузка катализатора при которых теряется до 15% катализатора, невысокая монтажная готовность (внутренние устройства реактора устанавливаются на месте эксплуатации), большая масса корпуса реактора.

Решаемые задачи:

- снижение гидравлического сопротивления потокам сырья и водородосодержащего газа;

- увеличение поверхности контакта сырья с катализатором;

- возможность загрузки и выгрузки катализатора без разрушения гранул, т.е. без потерь механизированным способом транспортерами;

- поставка реактора на место эксплуатации с высокой монтажной готовностью.

Для решения поставленных задач в предлагаемом реакторе предусмотрена кольцевая корзина для катализатора всех зон реактора.

Кольцевая корзина выполнена из двух концентрично расположенных перфорированных обечаек, соединенных с днищами. Внутренняя перфорированная обечайка обтянута фильтровальными сетками (не менее двух слоев), на наружной перфорированной обечайке фильтровальные сетки закреплены с внутренней стороны.

На наружной перфорированной обечайке закреплена неперфорированная обечайка. Кольцевой зазор между наружной перфорированной обечайкой и неперфорированной обечайкой выбирается из расчета оптимальной скорости потоков сырья и водородосодержащего газа. По торцам неперфорированная обечайка закреплена днищами к перфорированной обечайке. Высота неперфорированной обечайки выбирается в зависимости от количества зон в реакторе. Входное устройство установлено в центре верхнего днища корпуса реактора.

Площади сечений полостей сырья и водородосодержащего газа выбираются из условия оптимальной скорости потоков.

Верхняя фильтрующая зона реактора ограничена усеченным конусом в полости входа сырья. Поток сырья проходит радиально от центра к периферии, заполняя полость между наружной перфорированной обечайкой и неперфорированной обечайкой, затем проходит остальные зоны реактора кроме последней, проходя радиально от периферии к центру, заполняя полость внутри внутренней перфорированной обечайки до усеченного конуса, проходит радиально от центра к периферии и выходит из реактора.

Водородосодержащий газ подается через входное устройство и выходит в отверстия внутренней обечайки.

Для исключения температурных деформаций предусмотрены подвижные соединения.

Конструкция предлагаемого реактора гидрокрекинга представлена на чертеже.

Реактор гидрокрекинга состоит из корпуса 1, внутренней теплоизоляции 2, входного устройства 3, полости входа сырья 4, полости входа водородосодержащего газа 5, внутренней перфорированной обечайки 6, наружной перфорированной обечайки 7, фильтровальных сеток 8 и 9, усеченных конусов 10, отверстий 11 в полости 5, днищ 12, соединяющих перфорированные обечайки 6 и 7, наружной неперфорированной обечайки 13 с днищами 14, патрубков 15 загрузки катализатора, патрубков 16 выгрузки катализатора, катализатора 17, патрубка 18 входа сырья, патрубка 19 входа водородосодержащего газа, патрубка 20 выхода продукта, люков-лазов 21, 22, подвижных соединений 23, 24, 25, форсунок 26.

Катализатор загружается через загрузочные патрубки на верхнем днище реактора гидрокрекинга. На верхнем днище корзины устанавливаются форсунки для подачи газа под давлением от 0,2 до 0,4 МПа для равномерного рассеивания и плотной загрузки катализатора по всему сечению корзины.

Прохождение сырья и водородосодержащего газа с радиальным потоком через слой катализатора, длина которого в несколько раз меньше, чем длина слоя с осевым потоком, сократит величину гидравлического сопротивления также в несколько раз по сравнению с прохождением сырья и водородосодержащего газа с осевым потоком.

Кроме того, за счет увеличения поверхности контакта сырья с катализатором при одной и той же производительности можно уменьшить габаритные размеры реактора гидрокрекинга.

Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

Таким образом, предложенная конструкция реактора гидрокрекинга позволяет снизить гидравлическое сопротивление потокам сырья и водородосодержащего газа, увеличить поверхность контакта сырья и водородосодержащего газа с катализатором, применить механизированную загрузку и выгрузку катализатора без разрушения гранул катализатора и без его потери, повысить монтажную готовность реактора гидрокрекинга.

Реактор гидрокрекинга, содержащий корпус с днищами, внутреннюю теплоизоляцию, патрубки входа сырья и водородосодержащего газа, патрубок выхода продукта, отличающийся тем, что катализатор всех зон реактора помещен в общую кольцевую корзину, состоящую из двух концентрично расположенных перфорированных обечаек с фильтровальными сетками, соединенных между собой днищами, на наружной перфорированной обечайке при помощи днищ закреплена неперфорированная обечайка, высота которой ограничена началом последней зоны реактора, верхняя фильтрующая зона реактора ограничена усеченным конусом в полости входа сырья, поток сырья проходит радиально от центра к периферии, заполняя полость между наружной перфорированной обечайкой и неперфорированной обечайкой, затем проходит остальные зоны реактора, кроме последней, проходя радиально от периферии к центру, заполняя полость внутри внутренней перфорированной обечайки до усеченного конуса, проходит радиально от центра к периферии и выходит через патрубок выхода продукта из реактора.

4. Конструкция гидроочистки реакторов

Внутреннее устройство реакторов зависит от типа процесса при стационарном слое катализатор размещают, на решетках в виде нескольких слоев конструкция такого реактора аналогична конструкции многосекционных реакторов гидроочистки.

Основное оборудование. Реакторы гидроочистки и риформинга выполнены с аксиальным вводом сырья, футерованы изнутри жароупорным торкрет-бетонным покрытием, корпус - из низколегированной, внутренние детали - из нержавеющей стали. Диаметры реакторов - 2600 мм

Сырье насосом 12 под давлением (4,7 МПа) подается на смешение с циркулирующим газом гидроочистки и избыточным водородсодержащим газом риформинга. Эта газосырьевая смесь подогревается в отдельной секции печи 16 (до 425 С) и поступает в реактор гидроочистки 15.

В реакторе на алюмо-кобальтмолибденовом катализаторе разрушаются присутствующие в сырье соединения серы, которые удаляются затем в виде сероводорода. Одновременно происходит очистка сырья от соединений азота и кислорода.

Поступающее на установку сырье смешивается с циркулирующим водородсодержащим газом гидроочистки и избыточным газом риформинга. Полученная смесь подогревается в теплообменнике Т-1 и в печи П-1 и направляется в реактор гидроочистки Р-1. Смесь очищенного сырья, циркулирующего газа и продуктов разложения, выходящая из Р-1, охладившись в теплообменниках Т-1 и Т-3 и в конденсаторе-холодильнике Х-10, поступает в сепаратор С-1, где из гидрогенизата выделяется газ, направляемый далее в колонну К-3 на очистку от сероводорода. Водородсодержащий газ в К-3 отмывается от сероводорода 5%-ным раствором моноэтаноламина (МЭА).

Очищенный газ делится на два потока, один из которых подается на смешение с сырьем, второй выводится с установки.

Реакторы гидроочистки выполнены с аксиальным вводом сырья и торкретированы изнутри жароупорным бетоном. Диаметр реакторов гидроочистки и риформинга - 2600 мм. Реактор селективного гидрирования имел диаметр 1600 мм.

5. Конструкция реакторов алкилирования

Реактор алкилирования работает в автоматической режиме охлаждения при температуре 7 С и давлении 11 АТ. В условиях проведения процесса эмульсия содержит 50 об. фторсульфоновой кислоты.

Реактор алкилирования является реактором идеального смешения. С учетом особенностей процесса алкилирования, требующих больших концентраций изобутана, его целесообразно проводить в трех-пяти реакторах, питаемых последовательно кислотой и изобутаном (смесью изобутана и алкилата для второго и последующих реакторов) и параллельно - сырьем.

Реактором алкилирования служит колонный аппарат 5, отвод тепла реакции в котором осуществляется за счет подачи охлажденного сырья и испарения бензола. После барботажа из колонны (реактора) выводят непрореагировавшую парогазовую смесь и направляют ее в конденсатор 6 где прежде всего конденсируется бензол, испарившийся в реакторе. Конденсат возвращают в реактор, а несконденсированные газы, содержащие значительное количество бензола (особенно при использовании разбавленного олефина в качестве реагента), поступают в нижнюю часть скруббера 8, орошаемого полиалкилбензолами для улавливания бензола.

Выходящий из реактора алкилирования поток декантируют в отстойнике 2, откуда тяжелый слой катализаторного комплекса возвращают в реактор. Кубовый остаток направляют в колонну 6 для выделения этилбензола, после отделения которого из тяжелых остатков отгоняют поли-этиленбензолы в колонне 7 и возвращают в процесс. Из куба колонны отводят тяжелые остатки.

Реакционную смесь после реакторов алкилирования подвергают переработке на непрерывной двухколонной системе ректификации. На первой колонне отгоняют смесь непрореагировавших изобутилена и л-крезола с эфиром, которую возвращают на повторное алкилирование.

Для определения размеров и числа реакторов алкилирования изобутана бутиленами вычисляют следующее: объем углеводородной и кислотной фаз; реакционный объем по продолжительности пребывания сырья или по объемной скорости его подачи; по реакционному объему - число стандартных реакторов либо диаметр и высоту реакционной части реактора. В случае выбора реактора турбосмесительного типа следует учесть пространство, занимаемое теплоотводящими трубами внутреннего диаметра 48 мм.

Линия 3 связывает колонну 2 с реактором алкилирования, конструкция и способ работы которого являются общеизвестными. По линии 3 в колонну 2 подается смесь, состоящая из HF, КРМ, воды и изобутана. Содержание воды в исходной смеси очень мало - обычно менее 3%, поскольку используемые в качестве сырья олефин и изобутан подвергаются предварительной осушке. Последний управляет имеющимся в линии 3 клапаном 6, открывая или закрывая его в зависимости от температуры подаваемой смеси.

Предложен метод удаления диолефинов непосредственно в реакторах алкилирования в рабочих условиях путем добавки водорода в эквимолекулярных количествах по отношению к диолефину, что исключает необходимость предварительной обработки.

Другим способом увеличения выхода моноэтилтолуола является рециркуляция полиэтилтолуолов в реактор алкилирования. Чтобы избежать снижения производительности реактора алкилирования, деалкилирование полиэтилтолуолов проводят в специальном реакторе при температуре около 200 С.

6. Теплообменики

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами - как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века в связи с потребностями тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таких, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при относительно высоком давлении. Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В настоящее время их конструкция в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной. В те же годы началось широкое промышленное применение кожухотрубных теплообменников в нефтяной промышленности. Для эксплуатации в тяжелых условиях потребовались нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Теплообменникам часто приходилось работать с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, и поэтому их необходимо было конструировать так, чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки.

С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено прежде всего надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:

· однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонам теплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением

· диапазон давления от вакуума до высоких значений

· в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов

· удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата

· размеры от малых до предельно больших (5000 м²)

· возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению

· использование развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и снаружи, различных интенсификаторов и т.д.

· возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта

Однако такое широкое разнообразие условий применения кожухотрубных теплообменников и их конструкций никоим образом не должно исключать поиск других, альтернативных решений, таких, как применение пластинчатых, спиральных или компактных теплообменников в тех случаях, когда их характеристики оказываются приемлемыми и их применение может привести к экономически более выгодным решениям.

Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Классическая схема кожухотрубчатого теплообменника показана на рисунке:



Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Так, конденсатор паровой турбины мощностью 150 Мвт состоят из 17 тысяч труб с общей поверхностью теплообмена около 9000 м².

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина стенки кожуха определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но принимается не менее 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата.

Трубчатка кожухотрубчатых теплообменников выполняется из прямых или изогнутых (U-образных или W-образных) труб диаметром от 12 до 57 мм. Предпочтительны стальные бесшовные трубы.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает общий коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению эффективности теплообмена.

Трубные доски (решетки) служат для закрепления в них пучка труб при помощи развальцовки, разбортовки, заварки, запайки или сальниковых креплений. Трубные доски приваривают к кожуху (рис. а, в), зажимают болтами между фланцами кожуха и крышки (рис. б, г) или соединяют болтами только с фланцем свободной камеры (рис. д, е). материалом досок служит обычно листовая сталь толщиной не менее 20 мм.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть жесткой, нежесткой и полужесткой конструкции, одноходовые и многоходовые, прямоточные, противоточные и поперечноточные, горизонтальные, наклонные и вертикальные.

Одноходовой теплообменник с прямыми трубками жесткой конструкции. Кожух и трубки связаны трубными решетками и поэтому нет возможности компенсации тепловых удлинений. Такие аппараты просты по устройству, но могут применяться только при сравнительно небольших разностях температур между корпусом и пучком труб (до 50^оС). Они имеют низкие коэффициенты теплопередачи вследствие незначительной скорости теплоносителя в межтрубном пространстве.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения трубок. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате.

Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению коэффициента теплопередачи. На рисунке 1, б изображен теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве и полужесткой мембранной компенсацией тепловых удлинений вследствие некоторой свободы перемещения верхней трубной доски.

В парожидкостных теплообменниках пар проходит обычно в межтрубном пространстве, а жидкость - по трубам. Разность температур стенки корпуса и труб обычно значительна. Для компенсации разности тепловых удлинений между кожухом и трубами устанавливают линзовые, сальниковые или сильфонные компенсаторы.

Для устранения напряжений в металле, обусловленных тепловыми удлинениями, изготавливают также однокамерные теплообменники с гнутыми U- и W-образными трубами. Они целесообразны при высоких давлениях теплоносителей, так как изготовление водяных камер и крепление труб в трубных досках в аппаратах высокого давления - операции сложные и дорогие. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут получить широкого распространения из-за трудности изготовления труб с разными радиусами гиба, сложности замены труб и неудобства чистки гнутых труб.

...