Chemické reaktory – rozdělení, reaktory pro pevnou fázi

Střední odborná škola Otrokovice

www.zlinskedumy.cz

Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. Emil VašíčekDostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR.

Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze.

Charakteristika DUM

Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice

Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /2

Autor Ing. Emil Vašíček

Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-Gu-CHTe/1-PV-3/19

Název DUM Chemické reaktory – rozdělení, reaktory pro pevnou fázi

Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání

Kód oboru RVP 28-52-H/01

Obor vzdělávání Gumař-plastikář

Vyučovací předmět Chemická technika

Druh učebního materiálu Výukový materiál

Cílová skupina Žák, 15 – 16 let

Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce s doplňujícím výkladem vyučujícího; náplň: chemické reaktory, reaktory pro pevnou fázi, reaktory přímo vytápěné, nepřímo vytápěné, elektrické

Vybavení, pomůcky Dataprojektor

Klíčová slova Reaktor, duplikátor, laminární tok, turbulentní tok, regenerace, rekuperace, pec bubnová, vanová, šachtová, odporová, oblouková, indukční

Datum 10. 2. 2013

Chemické reaktory – rozdělení, reaktory pro pevnou fázi

Náplň výuky (obsah hodiny)

Druhy chemických reaktorůchod reaktorutok látektepelná bilancezpracovávaná fáze

Reaktory pro pevnou fázi přímo vytápěnénepřímo vytápěnéelektrické

Chemický reaktor[1]

Chemický reaktor je zařízení v němž probíhají řízené chemické reakce. Při navrhování reaktoru se uplatňuje řada aspektů• maximální výtěžnost produktu • efektivita reakce vedoucí k žádanému produktu • dosažení nejvyšší možné kvality• nejnižší náklady

Náklady tvoří především vstupní suroviny a energie na udržování potřebné teploty, tlaku a pohybu reakční směsi.

Obr. 1: reaktor s chladicím hadem

Druhy reaktorů[2]

Existuje velké množství chemických reaktorů, které lze dělit z mnoha hledisek:Chod reaktoru

přetržitýnepřetržitý

Tok látek laminární turbulentní

Tepelná bilanceadiabatickýizotermickýreálný

Zpracovávaná fáze tuhákapalná plynná

Obr. 2: duplikátor

Chod reaktoru

Chod reaktoru přetržitý (diskontunuální), vysoké požadavky na kvalifikaci obsluhy, vysoká pracnostPoužití: malotonážní výroba, drahé suroviny, striktní požadavky na hlídání reakčních podmínek, možnost kdykoli zastavit

Chod reaktoru nepřetržitý (kontinuální), nízké požadavky na kvalifikaci obsluhy, nízká pracnost, ale nutnost automatické regulacePoužití: velkotonážní a sériová výroba

Obr. 4: kontinuální

Obr. 3: diskontinuální

Tok látek

Tok látek v reaktoru je: Laminární (pístový tok) – nedochází k míchání, podmínky jsou v daném místě reaktoru stejné, ale místo od místa se liší. Tato situace nastává např. u trubkových reaktorů.

Turbulentní (vířivý) – intenzivní promíchávání, u ideálně míchaného reaktoru jsou podmínky v celém objemu reaktoru stejné. Tato situace nastává v míchaných reaktorových nádobách.

Obr. 5: laminární Obr. 6: turbulentní

Obr. 7: změna toku

Tepelná bilance reaktoru

Z hlediska tepelných poměrů

Adiabatický reaktor – nenastává výměna tepla s okolím, teplota se mění podle průběhu reakce

Izotermický reaktor – chlazením či ohříváním se udržuje teplota na požadované výši

Reálný (polytropický) reaktor – kombinace předchozích dvou krajních možností (teplota se částečně mění, dochází k částečné výměně tepla s okolím)

Obr. 8: údržba reaktoru

Skupenství reagujících látek

Obr. 9: reaktor pro kapalnou fázi

Podle skupenství reagujících látek se reaktory dělí na

Reaktory pro pevnou fázi – zařízení pro tepelné operace při vysokých teplotách (chemické pece)

Reaktory pro kapalnou fázi – nádoby kotlovitého tvaru (v přítomnosti plynné složky vyšší stojaté válce) průtočné či promíchávané

Reaktory pro plynnou fázi – pracují obvykle s katalyzátorem a při vyšší teplotě

Reaktory pro tuhou fázi

Podle způsobu vytápěníPece s přiváděným teplem• přímo vytápěné (spaliny v přímém kontaktu se vsázkou) – rotační

bubnová, vanová, šachtová• nepřímo vytápěné (ohřev vsázky přes stěnu pece) – rotační bubnová,

koksárenská • elektrické (pro vyšší teploty, zdrojem tepla je elektrický proud) –

odporová, oblouková, indukčníPece s vyvozovaným teplem – pro exotermní reakce (např. spalování síry)

Obr. 10: vyzdívka pece

s otvory hořáků

Podle určení se pece dělí naVýrobní – chemické reaktory (pece krakovací, hydrogenační, oxidační…)Ohřívací – určené pro předehřívání suroviny (pece vypalovací)Temperační – pro udržování teploty (pece sklářské)Chladicí – řízené ochlazování (chlazení skla)

Příslušenství pece

Do hořáku v peci se přivádí palivo (plyn, olej), zplodiny hoření (spaliny) předají teplo a kouřovodem odchází do komína.

Pro využití zbytkového tepla se provádí regenerace (diskontinuální) či rekuperace (kontinuální).

Obr. 11: příslušenství pece

Pec

Využití spalin

Palivo

Využití zbytkového tepla

Regenerace (přetržitá) – dva regenerátory (prostor se šamotovou náplní), studený se vyhřívá spalinamihorký ohřívá vstupující vzduch

Pravidelně se střídají – lepší využití tepla.

Obr. 12: regenerace ve firmě Siemens 1895

Využití zbytkového tepla

Rekuperace (nepřetržitá) – rekuperátor je nepřímý výměník tepla, spaliny proudí šamotovými kanálky, přes stěnu ohřívají vstupující vzduch – jednodušší výměna tepla.

Obr. 13: princip rekuperace

Reku

perá

tor

Pec

Palivo

Ohř

átý

vzdu

chStudený vzduch

Obr. 14: rekuperátory v hutích

Přímo vytápěná rotační bubnová pec

Rotační pece se v chemické úpravě využívají při relativně hrubozrnné vsázce (redukční pražení), při teplotách nad 1000 °C a pro spékací procesy.

Obr. 15: cementárenská rotační bubnová pec

Obr. 16: bubnová pec

Cementárna Prachovice

Cementárna zahájila provoz v roce 1956, generálním dodavatelem technologie byly Přerovské strojírny, jádro provozu tvořily 3 rotační pece, 3,6 x 120 m

Obr. 17: cementárenská rotační bubnová pec

Přímo vytápěná vanová pec

Vanové pece se nejčastěji používají při výrobě skla, kdy se surovina (sklářský kmen) taví teplem hořáků, jejichž plamen se dotýká hladiny. Sklářské pece mívají průměr i přes 5 metrů.Vanová pec se používá i pro tavbu cínové rudy, kdy se plamen přímo hladiny nedotýká.

Obr. 19: vanová pec pro výrobu cínu z rudy

Obr. 18: krystal cínu

Přímo vytápěná šachtová pec

Má tvar vysokého válce, zevnitř vyzděná šamotovými cihlami. Vrchem se přivádí surovina buď promíšená s palivem (koks), nebo se palivo přivádí přímo do horké zóny (plyn). Vzduch pro hoření je přiváděn spodem šachty, než se dostane do prostoru hoření, ohřeje se průchodem přes vypálené vápno, které tím ochlazuje.

Obr. 20: šachtová pec - vápenka

Přímo vytápěná šachtová pec

Horní část pece (šachta) je kuželovitá (vsázka nabývá na objemu), zarážka v dolní polovině pece se opět zužuje, v podstavě je válcovitá nístěj, pec je vyzděna šamotovými cihlami. V nístěji se shromažďuje vytavené surové železo. Spodní část pece, tj. zarážka a nístěj má ocelový pancíř, který je po venkovní straně neustále chlazen studenou vodou (v těchto místech bývá teplota až 2000°C).

Obr. 21: vysoká pec

Nepřímo vytápěná rotační bubnová pec

Ohřev probíhá nepřímo – přes dvojitou stěnu bubnu.Např. při výrobě fluorovodíku (reakce minerálu kazivce s kyselinou sírovou) je pec ohřívána zvenčí, aby vznikající fluorovodík nebyl znečištěn spalinami.

Obr. 22: rotační bubnová pec

Nepřímo vytápěná koksárenská pec

Koksovací komory jsou přes šamotovou vyzdívku vyhřívané z topných komor. Plyny z topných komor odevzdávají zbytkové teplo v regenerátorech

Obr. 24: koksárna

Gas Work v Seattlu

Obr. 23: schéma nepřímého vytápění

regenerace

Elektrická odporová pec

Pece jsou vyhřívané teplem, které se vyvíjí při průchodu elektrického proudu vyhřívanou látkou. Elektrickou odporovou pec tvoří nístěj s nízkými čely, v protilehlých stěnách jsou zabudované elektrody připojené na přívod elektrického proudu a v surovinové směsi je koksové vodivé jádro.

Obr. 25: řez odporovou pecí připravenou k pálení

Elektrická oblouková pec

Elektrické pece, které využívají k ohřevu elektrický oblouk, lze rozdělit na

- pece s přímým ohřevem - pece s nepřímým ohřevem

U pecí s přímým ohřevem se elektrický oblouk tvoří mezi elektrodami a taveninou. U pecí s nepřímým ohřevem se tavenina ohřívá sálavým teplem oblouku, který vzniká mezi dvěma elektrodami umístěnými nad taveninou.Schmatický průřez Héroultovy obloukové pece: 3 elektrody zavěšené posuvně v rámu zasahují do pece z ohnivzdorných cihel spočívající na lyžinách pro vyklápění taveniny.

Obr. 26: Héroultova oblouková pec z roku 1908

Elektrická oblouková pec

Podlá účelu se odporové pece rozdělují na:pece pro nízké teploty (asi do 250 ° C) – k sušení materiálů a potravinpece pro střední teploty (asi do 1050 ° C) – vyhřívání, žíhání, kalenípece pro vysoké teploty (asi do 135O ° C) – sklářský a keramický průmysl

Obr. 28: víko s elektrodamiObr. 27: schéma obloukové pece

Elektrická indukční vysokofrekvenční pec

Na vnější straně keramického kelímku je vodou chlazený induktor, napájený ze zdroje střídavého proudu o frekvenci 50 až 1 000 Hz. V důsledku indukovaných vířivých proudů a elektromagnetických sil dochází uvnitř kelímku k intenzivnímu proudění materiálu, což se projevuje i kopulovitým vzedmutím horní hladiny. Pohyb taveniny zaručuje rovnoměrné promísení základní oceli s legovacími přísadami.

Obr. 29: kelímková indukční pec

1 – kroužek spojený nakrátko, 2 – vodou chlazený prstenec, 3 – tavenina, 4 – ocelová kostra, 5 – betonový prstenec, 6 – kopulovitá hladina taveniny, 7 – pohyb taveniny, 8 – kelímek, 9 – induktor, 10 – svazek plechů

Obr. 30: indukční ohřev

Kontrolní otázky:

1. Podle jakých kritérií se dělí chemické reaktory?

2. Jaký je rozdíl mezi regenerací a rekuperací?

3. Jaký je rozdíl mezi elektrickou obloukovou a indukční pecí?

Seznam obrázků:

Obr. 1: RSA. Chemical reactor. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2007 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Final_half_coil_vessel.JPG

Obr. 2: Robert Ashe. Chemical reactor. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2007 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Batch_reactor.2.jpg

Obr. 3: YassineMrabet. Batch reactor. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2009 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Batch_reactor_STR.svg

Obr. 4: YassineMrabet. Continuous reactor. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2009 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Continuous_bach_reactor_CSTR.svg

Obr. 5: Waglione. Fuso laminare. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2008 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Flusso_laminare.gif

Obr. 6: Cesareo de La Rosa Siqueira. Vortex street animation. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2005 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Vortex-street-animation.gif

Seznam obrázků:

Obr. 7: vlastní

Obr. 8: Yuri Raisper. Reactor. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2006 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Chemical_reactor_CSTR_AISI_316.JPG

Obr. 9: JurecGermany. Reactor. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2006 [vid. 10. 2. 2008]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:R%C3%BChrbeh%C3%A4lter_Bauform_BE.jpg

Obr. 10: HALYDEX. Keramische Öfen. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2009 [vid. 10. 2. 2008]. Dostupné z: http://www.halydex.ic.cz/index%20ger.htm

Obr. 11: vlastní

Obr. 12: Adolf Ledebur. Regenerateur siemens 1895. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2006 [vid. 10. 2. 2008]. Dostupné z: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Regenerateur_siemens_nb.jpg&filetimestamp=20060111204417

Obr. 13: vlastní

Seznam obrázků:

Obr. 14: H005. Landschaftspark. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2005 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Landschaftspark_DU-Nord_XXX.jpg

Obr. 15: TRINOM. Kompletní linky: rotační pec. In: Trinom [online]. 2004 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://www.trinomprerov.cz/produkty/kompletni-linky

Obr. 16: Rotační pece. In: Chemické metody zpracování nerostných surovin [online]. 2008 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://hgf10.vsb.cz/546/Chemproc/

Obr. 17: TRINOM. Kompletní linky: rotační pec. In: Trinom [online]. 2004 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://www.trinomprerov.cz/produkty/kompletni-linky

Obr. 18: Alchemist-hp. Krystal cínu. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2010 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Cassiterite.jpg

Obr. 19: Mrnatural. Vanová pec. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2009 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Reverberatory_furnace_diagram.png

Obr. 20: LinguisticDemographer. In: Wikipedia: otevřená encyklopedie [online]. 2007 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:LDLimeShaftKilnBasic.jpg

Seznam obrázků:

Obr. 21: IVAK. Vysoká pec. In: Wikipedia: otevřená encyclopedie [online]. 2006 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Schema_kopie.jpg

Obr. 22: Technologické linky. In: CZBioLines [online]. 2012 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://www.biolines.cz/technologicke-celky/vyroba-briket/

Obr. 23: vlastní

Obr. 24: Joe Mabel. Gas Work. In: Wikipedia: otevřená encyclopedie [online]. 2007 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Gas_Works_Park_03.jpg

Obr. 25: vlastní

Obr. 26: Dean Bradley Stoughton. Electric arc furnace 1908 In: Wikipedia: otevřená encyclopedie [online]. 2012 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Heroult_refining_furnace_Transversal_view_Stoughton.PNG

Obr. 27: 0x24a537r9. Třífázový proud. In: Wikipedia: otevřená encyclopedie [online]. 2011 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Electric_Arc_Furnace.svg&filetimestamp=20110313033829

Seznam obrázků:

Obr. 28: Eugen Nosko. Electric arc furnace. In: Wikipedia: otevřená encyclopedie [online]. 1980 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Fotothek_df_n-32_0000122_Metallurge_f%C3%BCr_H%C3%BCttentechnik.jpg

Obr. 29: ČERNÝ, Václav. Indukční ohřev. In: Elektro [online]. 2013 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=25267

Obr. 30: QuoteMe. TS_Animation_T10. In: Wikipedia: otevřená encyclopedie [online]. 2012 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Induk%C4%8Dn%C3%AD_oh%C5%99ev

Seznam použité literatury:

[1] Wikipedie: otevřená encyklopedie. WIKIMEDIA FOUNDATION. Chemical reactor [online]. 2013 [cit. 9. 2. 2013]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_reactor

[2] HRANOŠ PŘEMYSL. Stroje a zařízení v chemickém průmyslu: studijní text pro SPŠCH. Ostrava: nakladatelství Pavel Klouda, 2001. ISBN 80-902155-7-2.

Děkuji za pozornost