Анализ структуры потоков в малогабаритных трубчатых турбулентных реакторах

• Автор: Шевляков, Федор Борисович
• Шифр специальности: 05.17.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Уфа
• Количество страниц: 156 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Быстрые жидкофазные химические реакции

1.1.1. Проблемы проведения быстрых химических процессов

1.1.2. Закономерности протекания быстрых химических реакций в турбулентных потоках

1.1.2.1. Существование нескольких макроскопических режимов

протекания процессов.

1.1.2.2. Связь геометрических размеров зоны реакции с шнетиче

скими и гидродинамическими параметрами процесса

1.1.2.3. Влияние линейной скорости движения реагентов на ско
рость протекания процесса и качество получаемых продуктов.
1.2. Новые решения в аппаратурном оформлении
быстрых химических реакций.
1.2.1. Реакторы вытеснения.
1.2.2. Реакторы смешения.
1.2.3. Гидродинамическая структу ра движения реакционной
1.2.4. Реализация быстрых процессов в трубчатых турбулентных аппаратах.
1.3. Протекание тепломассообменных процессов в
трубчатых аппаратах
1.3.1. Однофазные реакционные системы
1.3.2. Двухфазные реакционные системы
1.3.3. Тепловой режим протекания быстрых химических реакций в трубчатых аппаратах.
1.3.3.1. Адиабатический режим
1.3.3.2. Внутренний теплосьем
1.3.3.3. Внешний теплосьем.
1.3.3.4. Интенсификация конвективного теплообмена
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ЛИТЕРАТУРНОМУ ОБЗОРУ
Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.
2.1. Изучение гидродинамической структуры потока
модельной системы в трубчатых турбулентных аппаратах
2.2. Формирование макроструктур фронтов реакции
и смешения в турбулентных потоках
2.3. Изучение закономерностей течения двухфазных
модельных систем.
2.3.1. Диспергирование в системе жидкостьжидкость
2.3.2. Диспергирование в системе газжидкость.
2.4. Изучение закономерностей протекания быстрых
химических процессов в трубчатых турбулентных аппаратах
2.4.1. Однофазные системы.
2.4.2. Двухфазные системы.
2.4.2.1. Жидкофазное окисление
2.4.2.2. Конденсационный способ получения дисперсных систем
твердое теложидкость на примере синтеза стеарата кальция
2.5. Интенсификация конвективного теплообмена
Глава 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1. Гидродинамическая структура потока модель
ных систем в трубчатых турбулентных аппаратах
3.1.1. Однофазные системы.
3.1.2. Двухфазные системы.
3.2. Влияние гидродинамической структуры потоков мо
дельных систем в трубчатых аппаратах на условия протекания процессов химической технологии.
3.2.1. Однофазные модельные системы.
3.2.2. Двухфазные модельные системы.
3.2.2.1. Жидкостьжидкость
3.2.2.2. Газжидкость.
3.2.2.3. Расслоенное течение двухфазных систем
3.2.2.4. Взаимосвязь гидродинамической структуры потока двух
фазных модельных систем с параметрами границы раздела фаз.
3.2.2.5 Перепад давления при течении потоков в трубчатых аппаратах
3.2.3. Внешний теплообмен.
3.2.3.1. Интенсификация конвективного теплообмена.
3.2.3.2. Взаимосвязь эффективности конвективного теплообмена
со структурой потока теплоносителей
3.3. Протекание быстрых химических реакций в турбулентных аппаратах при интенсификации некоторых
процессов химической технологии.
3.3.1. Быстрые химические реакции в однофазной реакционной смеси
3.3.2. Быстрые химические реакции в двухфазной реакционной смеси
3.3.2.1. Системы газжидкость.
3.3.2.2. Системы твердое теложидкость
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ВЫВОДЫ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Результаты работы обсуждались на VI Международной конференции «Нефтехимия-» (Нижнекамск, ); региональном научно-практическом семинаре РФФИ «Пути коммерциализации фундаментальных исследований в области химии для отечественной промышленности» (Казань, ); III Всероссийской школе-семинаре «Обратные задачи химии» (Бирск, ); Всероссийской конференции молодых ученых по нефтехимии (Звенигород, ). Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 статей и тезисы 4 докладов. Структура и объем работы. Работа изложена на 6 стр. Автор искрение признателен профессору Минскеру Карлу Самойловичу, за постановку задачи, руководство и обсуждение результатов. При проведении любых химических и массообменных физических процессов в промышленном производстве возникает ряд проблем, которые ограничивают производительность аппаратов химической технологии, влияют на рентабельность производства и качество получаемого продукта [1-3]. Первая из них - необходимость интенсивного смешения исходных компонентов для создания одинаковых условий синтеза химических веществ и материалов и получения однородного по составу продукта высокого качества с максимальной производительностью и минимальными затратами исходных веществ, энергии, труда. Вторая - поддержание температуры в реакторе в строго определенном, обычно довольно узком интервале. Решение этих проблем заключается в выборе оптимальной конструкции реактора для проведения основного процесса. В настоящее время в промышленности в соответствии с принятой в химической технологии классификацией реакционных устройств непрерывного действия [4] используют либо разнообразные по конструкции емкостные аппараты смешения с механическими перемешивающими устройствами, либо аппараты вытеснения. В объемных аппаратах смешения интенсивное перемешивание обеспечивает высокую турбулентность и, как следствие, усреднение температуры и концентрации реагентов за счет ускорения отвода тепла из зоны реакции. Аппараты вытеснения (трубчатые и колониоподобные аппараты) отличаются тем, что перемешивание в направлении движения потоков (турбулентность) не предусматривается. Аппараты смешения и вытеснения в классическом понимании принципов их работы достаточно точно рассчитываются для процессов, протекающих в кинетической области. В то же время в химической технологии имеются примеры чрезвычайно быстрых процессов, протекающих в жидкой фазе, когда скорости химических реакций сравнимы или больше скорости смешения реагентов, в частности, к ним относятся многие процессы ионной и свободнорадикальной полимеризации, хлорирование, гидрохлорированис и сульфатирование олефинов, алкилироваиие алканов алкенами, хлорирование ароматических углеводородов и др. Для теоретического рассмотрения закономерностей процесса в целом в силу общей теоретической ясности кинетической схемы и практической важности удобно использовать катионную (электро-фильную) полимеризацию изобутилена, которую можно рассматривать как классическую модель быстрой химической реакции [6, 7]. В промышленности олиго- и полиизобутилены с молекулярной массой (ММ) 2-5- 0 и выше получают при катионной полимеризации изобутилена в присутствии А1С1з в среде растворителя в интервале 3 -5* 3 К в реакторах смешения объемом 1,5-5- м*' сложной конструкции [6]. Для обеспечения теплосъема и требуемой производительности согласно тепловым и материальным балансам реакторы оснащены развитой внутренней и внешней теплообмеиной поверхностью (0 м2 и выше) с жидким этиленом и аммиаком в качестве хладоагента, интенсивными перемешивающими устройствами, обеспечивающими линейные скорости движения реакционной смеси порядка 1-5- м/с. Среднее время пребывания реагентов в зоне реакции составляет около (1,8-5- 3,6)3 с [6]. В то же время константы скорости реакций инициирования и роста цепи составляют порядка 5 -5- 6 л/мольс [8-], что при реальных концентрациях катализатора и мономера определяет время химической реакции '1 -5- ’3 с. Полимеризация изобутилена протекает в основном на расстоянии менее 1 -5- см от места ввода катализатора, и процесс лимитируется диффузией реагентов.