1.8.9. Высокотемпературные химические реакторы (печи и плазмохимические реакторы)

Химический реактор, в котором источник энергии для проведения химического процесса (химической реакции или фазового превращения) вступает в непосредственный контакт с сырьевым материалом при температуре более 500 °С, называется печью. Основное отличие печи от классических химических реакторов заключается в наличии высокого температурного градиента и непосредственного контакта энергоносителя с сырьем и продуктами реакции. Первые печи появились более 10 000 лет назад. В это время источником энергии служила окислительная реакция при сжигании древесины на воздухе, сырьем — руды в смеси с древесным углем для получения металлов либо глина в смеси с кварцевым песком для получения керамических изделий. Принципиальная схема пламенных печей сохранилась практически неизменной до наших дней (рис. 1.8.9.1).

Рис. 1.8.9.1. Принципиальная схема первых печей:
1 — органическое топливо (древесина, древесный уголь);
2 — продукты сгорания (топочные газы);
3 — реакционная смесь; 4 — устройство для повышения
скоростного напора топочных газов (труба)

Основная функция печи — обеспечить сырью требуемую температуру, поэтому реактор данного типа должен иметь устройство для получения энергии, устройство для доставки энергии сырьевым материалам и устройства контроля за процессами в сырье. Технический прогресс в области печестроения на всех исторических этапах развития техники характеризуется созданием специализированных печей для конкретного технологического процесса (или группы родственных процессов) и отказом от универсальных печных агрегатов. Только в этом случае можно избавиться от недостатков универсального печного агрегата, представленного на рис. 1.8.9.1: низкого коэффициента полезного действия (КПД), низких температур в обрабатываемом сырье, больших градиентов температур в сырье, длительного цикла загрузка—высокотемпературная обработка—разгрузка, вредного влияния компонентов топочных газов на химические процессы в сырье. Для повышения коэффициента полезного действия и температуры в течение всего индустриального и постиндустриального исторического периода человеческой истории проводилось совершенствование топливно-сжигающего устройства (состав топлива, состав окислителя, устройство подачи окислителя и удаления топочных газов) и теплоизолирующей футеровки в топке и реакционном объеме печи. Ввиду того, что теплопередача от печных газов к конденсированному сырью имеет физические пределы как по температуре, так и по КПД, совершенствование специализированных печных агрегатов шло по двум направлениям: во-первых, пространственного сближения места окисления топлива и сырьевой смеси вплоть до совмещения в едином пространстве (например доменный процесс получения чугуна); во-вторых, поиска альтернативных источников энергии и способов подвода ее к сырью. Для повышения производительности процесса высокотемпературной обработки камерные печи периодического действия (рис. 1.8.9.1) заменяют на конструкции, в которых процесс нагрева в печи происходит непрерывно, а сырье двигается через зону нагрева (проходные печи). С целью устранения нежелательного химического взаимодействия компонентов печных газов строят либо печи, где теплопередача от топочных газов к сырью идет через стенку (муфельные печи), либо меняют источник энергии (замена твердого топлива на жидкое или газообразное либо переход на электрический нагрев или волновую энергию). Следует отметить, что любое повышение технических характеристик печи наряду с прямым положительным эффектом сужало специализацию печи. В результате печи становились все более узкоспециализированными (предназначенными для проведения одного конкретного химического процесса).

До середины XVIII в. технический прогресс в области совершенствования конструкций печей осуществлялся интуитивно-эмпирическим путем. Основоположниками теории промышленных печей стали М.В. Ломоносов (в 1742 г. дал научное определение причин движения газов в печи), Ж. Фурье (в 1822 г. создал математическую теорию распространения тепла внутри твердых тел), В.Е. Грум-Гржимайло (в 1905–1910 гг. сформулировал гидравлическую теорию пламенных печей и основные принципы конструирования печей с естественной тягой), М.В. Кирпичев (в 1936 г. создал теорию подобия и моделирования физических процессов).

Высокотемпературные реакторы стоят несколько особняком среди основной массы химических реакторов. Высокотемпературными процессами принято называть процессы химического взаимодействия и фазовые переходы, происходящие при температурах, когда энергообмен целевого продукта химико-технологической системы с окружающей средой протекает с возрастающим участием электромагнитных колебаний (в частности, светового излучения) и корпускулярного излучения. Граница между низкотемпературными и высокотемпературными процессами лежит в интервале 500–700 °С. В промышленности печи используются как для проведения химических реакций, так и для получения продуктов в результате высокотемпературных фазовых переходов (плавления, спекания, возгонки). Чаще всего в печи параллельно протекают все эти процессы, а конструкцию печи определяет целевой процесс.

Рис. 1.8.9.2. Типы высокотемпературных реакторов (печей)

С гидродинамической точки зрения печи (так же как и остальные химические реакторы) можно классифицировать на агрегаты с идеальным вытеснением (камерные и туннельные печи, струйные плазмохимические реакторы, вращающиеся печи и т. д.), с идеальным перемешиванием (плазмохимические реакторы объемного типа, дуговые печи для получения белого электрокорунда) и реакторы промежуточного типа (дуговые печи для производства фосфора, карбида кальция). Подробнее применительно к каждому виду печей эта проблема рассмотрена в разделе 22.

С термодинамической точки зрения печь — это открытая система, в которой происходит термодинамическое и химическое взаимодействие источника энергии, теплоносителя, сырья и продуктов химических реакций (в том числе и целевого продукта). Существует несколько принципов классификации печей. В их основе лежат:

Схема классификации высокотемпературных реакторов по источникам энергии (с учетом остальных признаков) приведена на рис. 1.8.9.2. Выделение тепла может происходить как в самом нагреваемом материале (прямой нагрев), так и вне его с последующей теплопередачей (косвенный нагрев).

При выборе высокотемпературного реактора (печи) для конкретного технологического процесса факторы, принимаемые во внимание, располагаются в следующей последовательности по важности: характер целевого химического процесса и фазовый состав исходного сырья и продуктов реакции; химическое взаимодействие энергоносителя с сырьем и целевым продуктом; удельные затраты на получение нужной температуры при заданной производительности; соответствие температурного поля в рабочей зоне реактора технологическим требованиям; возможности автоматизации загрузки сырья и выгрузки готового продукта; выход годного продукта в соответствии с техническими требованиями на него; удельные затраты на отделение конечного продукта от побочных продуктов процесса; возможности полной автоматизации процесса; отходы и экологическая нагрузка на окружающую среду. Представленные на рис. 1.8.9.2 варианты печей в принципе позволяют решать почти любую технологическую задачу с использованием разных типов реакторов с различным технико-экономическим результатом.

 

Литература

  1. Островский Г.М. Прикладная механика неоднородных сред. СПб.: Наука, 2000. 359 с.
  2. Smoluchowsky M. Drei Vortrage uber Diffusion Brounische Bewegungund Koagulation von Kolloidteilchen // Phys. Zeits. 1916. Bd. 17, S. 557–585.
    (В кн.: Броуновское движение / Пер. с нем. М.: ОНТИ, 1936. С. 332–417).
  3. Волощук В.М., Седунов Ю.С. Процессы коагуляции в дисперсных системах. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 320 с.
  4. Волощук В.М. Кинетическая теория коагуляции. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 284 с.
  5. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. М.: Химия, 1989. 512 с.
  6. Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Водоотводящие системы промышленных предприятий. М.: Стройиздат, 1990. 511 с.
  7. Пушкарев В.В., Южанинов А.Г., Мэн С.К. Очистка маслосодержащих вод. М.: Металлургия, 1980. 200 с.
  8. Бабенков Е.Д. Воду очищают коагулянты. М.: Знание, 1983. 64 с.
  9. Запольский А.К., Баран А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. Л.: Химия, 1987. 208 с.
  10. Флемигс М.С. Процессы затвердевания / Пер. с англ. М.: Мир, 1977.
  11. Алмаши З., Шарай Т. Быстрое замораживание пищевых продуктов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.
  12. Вейник А.И. Теория затвердевания отливок. М.: Машгиз, 1960.
  13. Журавлев В.А., Китаев Е.М. Теплофизика формирования непрерывного слитка. М.: Металлургия, 1974.
  14. Чернов А.А., Гиваргизов Е.И., Багдасаров Х.С. и др. Современная кристаллография. Т. 3. Образование кристаллов. М.: Наука, 1980. 408 с.
  15. Техника низких температур / Под ред. Е.И. Микулина, И.В. Марфениной, А.М. Архарова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. 512 с.
  16. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. 752 с.
  17. Шлейников В.М., Демидова Ю.А. Термодинамические основы процессов ожижения газов. М.: ВЗИПП, 1975. 138 с.
  18. Герш С.Я. Глубокое охлаждение. Ч. 1. Термодинамические основы сжижения и разделения газов. М.: Советская наука, 1947. 363 с.
  19. Клименко А.П. Сжиженные углеводородные газы. М.: Недра, 1974. 368 с.