Chemické reaktory – rozdělení, reaktory pro pevnou fázi Střední odborná škola Otrokovice Chemické reaktory – rozdělení, reaktory pro pevnou fázi 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

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 reaktorů chod reaktoru tok látek tepelná bilance zpracovávaná fáze Reaktory pro pevnou fázi přímo vytápěné nepřímo vytápěné elektrické

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 přetržitý nepřetržitý Tok látek laminární turbulentní Tepelná bilance adiabatický izotermický reálný Zpracovávaná fáze tuhá kapalná plynná Obr. 2: duplikátor

Chod reaktoru 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 Obr. 3: diskontinuální Obr. 4: kontinuální

Tok látek Tok látek v reaktoru je: 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. Obr. 5: laminární Obr. 6: turbulentní

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 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 Obr. 9: reaktor pro kapalnou fázi

Reaktory pro tuhou fázi 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) 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)

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

Využití zbytkového tepla Regenerace (přetržitá) – dva regenerátory (prostor se šamotovou náplní), studený se vyhřívá spalinami horký 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. Rekuperátor Pec Palivo Ohřátý vzduch Studený vzduch Obr. 13: princip rekuperace 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. 16: bubnová pec Obr. 15: cementárenská rotační 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. 18: krystal cínu Obr. 19: vanová pec pro výrobu cínu z rudy

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. 23: schéma nepřímého vytápění regenerace Obr. 24: koksárna Gas Work v Seattlu

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 potravin pece pro střední teploty (asi do 1050 ° C) – vyhřívání, žíhání, kalení pece pro vysoké teploty (asi do 135O ° C) – sklářský a keramický průmysl Obr. 27: schéma obloukové pece Obr. 28: víko s elektrodami

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: Podle jakých kritérií se dělí chemické reaktory? Jaký je rozdíl mezi regenerací a rekuperací? 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 