Chemické reaktory – rozdělení , reaktory pro pevnou fázi

1. Chemické reaktory – rozdělení, reaktory pro pevnou fázi Střední odborná škola Otrokovice Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. Emil Vašíček Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

2. Charakteristika DUM

3. Náplň výuky (obsah hodiny) Chemické reaktory – rozdělení, reaktory pro pevnou fázi Druhy chemických reaktorů chod reaktoru tok látek tepelná bilance zpracovávaná fáze Reaktory pro pevnou fázi přímo vytápěné nepřímo vytápěné elektrické

4. 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. Chemický reaktor[1] Obr. 1: reaktor s chladicím hadem

5. Existuje velké množství chemických reaktorů, které lze dělit z mnoha hledisek: Chod reaktoru přetržitý nepřetržitý Tok látek laminární turbulentní Tepelná bilance adiabatický izotermický reálný Zpracovávaná fáze tuhá kapalná plynná Druhy reaktorů[2] Obr. 2: duplikátor

6. Chod reaktoru přetržitý (diskontunuální), vysoké požadavky na kvalifikaci obsluhy, vysoká pracnost Použití: 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 regulace Použití: velkotonážní a sériová výroba Chod reaktoru Obr. 3: diskontinuální Obr. 4: kontinuální

7. Obr. 7: změna toku 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. Tok látek Obr. 6: turbulentní Obr. 5: laminární

8. 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) Tepelná bilance reaktoru Obr. 8: údržba reaktoru

9. 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 Skupenství reagujících látek Obr. 9: reaktor pro kapalnou fázi

10. Podle určení se pece dělí na Výrobní – chemické reaktory (pece krakovací, hydrogenační, oxidační…) Ohřívací – určené pro předehřívání suroviny (pece vypalovací) Temperační – pro udržování teploty (pece sklářské) Chladicí – řízené ochlazování (chlazení skla) Reaktory pro tuhou fázi Obr. 10: vyzdívka pece s otvory hořáků • Podle způsobu vytápění • Pece 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, indukční • Pece s vyvozovaným teplem – pro exotermní reakce (např. spalování síry)

11. 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). Příslušenství pece Pec Využití spalin Palivo Obr. 11: příslušenství pece

12. Regenerace (přetržitá) – dva regenerátory (prostor se šamotovou náplní), studený se vyhřívá spalinami horký ohřívá vstupující vzduch Pravidelně se střídají – lepší využití tepla. Využití zbytkového tepla Obr. 12: regenerace ve firmě Siemens 1895

13. Rekuperace (nepřetržitá) – rekuperátor je nepřímý výměník tepla, spaliny proudí šamotovými kanálky, přes stěnu ohřívají vstupující vzduch – jednodušší výměna tepla. Využití zbytkového tepla Studený vzduch Rekuperátor Pec Ohřátý vzduch Palivo Obr. 13: princip rekuperace Obr. 14: rekuperátory v hutích

14. Rotační pece se v chemické úpravě využívají při relativně hrubozrnné vsázce (redukční pražení), při teplotách nad 1000 °C a pro spékací procesy.  Přímo vytápěná rotační bubnová pec Obr. 16: bubnová pec Obr. 15: cementárenská rotační bubnová pec

15. Cementárna zahájila provoz v roce 1956, generálním dodavatelem technologie byly Přerovské strojírny, jádro provozu tvořily 3 rotační pece, 3,6 x 120 m Cementárna Prachovice Obr. 17: cementárenská rotační bubnová pec

16. 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. Přímo vytápěná vanová pec Obr. 18: krystal cínu Obr. 19: vanová pec pro výrobu cínu z rudy

17. 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. Přímo vytápěná šachtová pec Obr. 20: šachtová pec - vápenka

18. 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). Přímo vytápěná šachtová pec Obr. 21: vysoká pec

19. 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. Nepřímo vytápěná rotační bubnová pec Obr. 22: rotační bubnová pec

20. Koksovací komory jsou přes šamotovou vyzdívku vyhřívané z topných komor. Plyny z topných komor odevzdávají zbytkové teplo v regenerátorech Nepřímo vytápěná koksárenská pec Obr. 23: schéma nepřímého vytápění regenerace Obr. 24: koksárna GasWork v Seattlu

21. 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. Elektrická odporová pec Obr. 25: řez odporovou pecí připravenou k pálení

22. 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. Schmatickýprůřez Héroultovyobloukové pece: 3 elektrody zavěšené posuvně v rámu zasahují do pece z ohnivzdorných cihel spočívající na lyžinách pro vyklápění taveniny. Elektrická oblouková pec Obr. 26: Héroultova oblouková pec z roku 1908

23. Podlá účelu se odporové pece rozdělují na: pece pro nízké teploty (asi do 250 ° C) – k sušení materiálů a potravin pece pro střední teploty (asi do 1050 ° C) – vyhřívání, žíhání, kalení pece pro vysoké teploty (asi do 135O ° C) – sklářský a keramický průmysl Elektrická oblouková pec Obr. 27: schéma obloukové pece Obr. 28: víko s elektrodami

24. 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. Elektrická indukční vysokofrekvenční pec 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

25. Kontrolní otázky: Podle jakých kritérií se dělí chemické reaktory? Jaký je rozdíl mezi regenerací a rekuperací? Jaký je rozdíl mezi elektrickou obloukovou a indukční pecí?

26. Seznam obrázků: Obr. 1:RSA. Chemicalreactor. In: Wikipedia:otevřenáencyklopedie[online]. 2007 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupnéz:http://en.wikipedia.org/wiki/File:Final_half_coil_vessel.JPG Obr. 2: Robert Ashe. Chemical reactor. In: Wikipedia:otevřenáencyklopedie [online]. 2007 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z:http://en.wikipedia.org/wiki/File:Batch_reactor.2.jpg Obr. 3: YassineMrabet. Batchreactor. In: Wikipedia:otevřenáencyklopedie [online]. 2009 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z:http://en.wikipedia.org/wiki/File:Batch_reactor_STR.svg Obr. 4: YassineMrabet. Continuousreactor. In: Wikipedia:otevřenáencyklopedie [online]. 2009 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z:http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Continuous_bach_reactor_CSTR.svg Obr. 5: Waglione. Fusolaminare. In: Wikipedia:otevřenáencyklopedie [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:otevřenáencyklopedie [online]. 2005 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z:http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Vortex-street-animation.gif

27. Seznam obrázků: Obr. 7: vlastní Obr. 8: YuriRaisper. 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. KeramischeÖfen. 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. Regenerateursiemens1895. 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

28. 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

29. 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: Technologickélinky. In: CZBioLines [online]. 2012 [vid. 10. 2. 2013]. Dostupné z: http://www.biolines.cz/technologicke-celky/vyroba-briket/ Obr. 23: vlastní Obr. 24: JoeMabel. GasWork. 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 BradleyStoughton. Electric arcfurnace 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

30. Seznam obrázků: Obr. 28: Eugen Nosko. Electric arcfurnace. 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

31. Seznam použité literatury: [1] Wikipedie: otevřená encyklopedie. WIKIMEDIA FOUNDATION. Chemicalreactor[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.

32. Děkuji za pozornost 