Πυρηνικός αντιδραστήρας, αρχή λειτουργίας, λειτουργία πυρηνικού αντιδραστήρα.
Καθημερινά χρησιμοποιούμε ηλεκτρική ενέργεια και δεν σκεφτόμαστε πώς παράγεται και πώς έφτασε σε εμάς. Ωστόσο, είναι ένα από τα πιο σημαντικά μέρη του σύγχρονου πολιτισμού. Χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα δεν θα υπήρχε τίποτα - ούτε φως, ούτε θερμότητα, ούτε κίνηση.
Όλοι γνωρίζουν ότι η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, συμπεριλαμβανομένων των πυρηνικών. Η καρδιά κάθε πυρηνικού σταθμού είναι πυρηνικός αντιδραστήρας. Αυτό θα εξετάσουμε σε αυτό το άρθρο.
Πυρηνικός αντιδραστήρας, μια συσκευή στην οποία λαμβάνει χώρα μια ελεγχόμενη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση με την απελευθέρωση θερμότητας. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και για την οδήγηση μεγάλων πλοίων. Για να φανταστούμε την ισχύ και την αποτελεσματικότητα των πυρηνικών αντιδραστήρων, μπορούμε να δώσουμε ένα παράδειγμα. Όπου ένας μέσος πυρηνικός αντιδραστήρας απαιτεί 30 κιλά ουρανίου, ένας μέσος θερμοηλεκτρικός σταθμός θα απαιτεί 60 βαγόνια άνθρακα ή 40 δεξαμενές μαζούτ.
Πρωτότυπο πυρηνικός αντιδραστήρας κατασκευάστηκε τον Δεκέμβριο του 1942 στις ΗΠΑ υπό τη διεύθυνση του Ε. Φέρμη. Ήταν η λεγόμενη «στοίβα του Σικάγο». Chicago Pile (αργότερα η λέξηΤο «σωρό», μαζί με άλλες έννοιες, έχει καταλήξει να σημαίνει πυρηνικός αντιδραστήρας).Πήρε αυτό το όνομα επειδή έμοιαζε με μια μεγάλη στοίβα από μπλοκ γραφίτη τοποθετημένα το ένα πάνω στο άλλο.
Ανάμεσα στα μπλοκ τοποθετήθηκαν σφαιρικά «ρευστά εργασίας» από φυσικό ουράνιο και το διοξείδιο του.
Στην ΕΣΣΔ, ο πρώτος αντιδραστήρας κατασκευάστηκε υπό την ηγεσία του ακαδημαϊκού I.V. Ο αντιδραστήρας F-1 λειτούργησε στις 25 Δεκεμβρίου 1946. Ο αντιδραστήρας ήταν σφαιρικού σχήματος και είχε διάμετρο περίπου 7,5 μέτρα. Δεν είχε σύστημα ψύξης, επομένως λειτουργούσε σε πολύ χαμηλά επίπεδα ισχύος.
Η έρευνα συνεχίστηκε και στις 27 Ιουνίου 1954 τέθηκε σε λειτουργία ο πρώτος πυρηνικός σταθμός στον κόσμο με ισχύ 5 MW στο Obninsk.
Η αρχή λειτουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.
Κατά τη διάσπαση του ουρανίου U 235, απελευθερώνεται θερμότητα, συνοδευόμενη από την απελευθέρωση δύο ή τριών νετρονίων. Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία – 2,5. Αυτά τα νετρόνια συγκρούονται με άλλα άτομα ουρανίου U235. Κατά τη διάρκεια μιας σύγκρουσης, το ουράνιο U 235 μετατρέπεται σε ένα ασταθές ισότοπο U 236, το οποίο σχεδόν αμέσως διασπάται σε Kr 92 και Ba 141 + αυτά τα ίδια 2-3 νετρόνια. Η διάσπαση συνοδεύεται από την απελευθέρωση ενέργειας με τη μορφή ακτινοβολίας γάμμα και θερμότητας.
Αυτό ονομάζεται αλυσιδωτή αντίδραση. Τα άτομα διαιρούνται, ο αριθμός των διασπάσεων αυξάνεται εκθετικά, γεγονός που οδηγεί τελικά σε μια αστραπιαία, σύμφωνα με τα πρότυπά μας, απελευθέρωση τεράστιας ποσότητας ενέργειας - μια ατομική έκρηξη συμβαίνει ως συνέπεια μιας ανεξέλεγκτης αλυσιδωτής αντίδρασης.
Ωστόσο, σε πυρηνικός αντιδραστήραςέχουμε να κάνουμε με ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση.Το πώς αυτό γίνεται δυνατό περιγράφεται παρακάτω.
Η δομή ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.
Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο τύποι πυρηνικών αντιδραστήρων: VVER (υδρόψυκτος αντιδραστήρας ισχύος) και RBMK (αντιδραστήρας καναλιού υψηλής ισχύος). Η διαφορά είναι ότι ο RBMK είναι ένας αντιδραστήρας που βράζει, ενώ ο VVER χρησιμοποιεί νερό υπό πίεση 120 ατμοσφαιρών.
Αντιδραστήρας VVER 1000 1 - κίνηση συστήματος ελέγχου. 2 - κάλυμμα αντιδραστήρα. 3 - σώμα αντιδραστήρα. 4 - μπλοκ προστατευτικών σωλήνων (BZT). 5 - άξονας? 6 - περίβλημα πυρήνα. 7 - συγκροτήματα καυσίμου (FA) και ράβδοι ελέγχου.
Κάθε βιομηχανικός πυρηνικός αντιδραστήρας είναι ένας λέβητας μέσω του οποίου ρέει ψυκτικό. Κατά κανόνα, αυτό είναι συνηθισμένο νερό (περίπου 75% στον κόσμο), υγρός γραφίτης (20%) και βαρύ νερό (5%). Για πειραματικούς σκοπούς, χρησιμοποιήθηκε βηρύλλιο και θεωρήθηκε ότι ήταν υδρογονάνθρακας.
TVEL– (στοιχείο καυσίμου). Πρόκειται για ράβδους σε κέλυφος ζιρκονίου με κράμα νιοβίου, στο εσωτερικό του οποίου βρίσκονται ταμπλέτες διοξειδίου του ουρανίου.
TVEL raktor RBMK. Δομή στοιχείου καυσίμου αντιδραστήρα RBMK: 1 - βύσμα; 2 - δισκία διοξειδίου του ουρανίου. 3 - κέλυφος ζιρκονίου. 4 - άνοιξη? 5 - δακτύλιος? 6 - συμβουλή.
Το TVEL περιλαμβάνει επίσης ένα σύστημα ελατηρίου για τη συγκράτηση των pellets καυσίμου στο ίδιο επίπεδο, το οποίο σας επιτρέπει να ρυθμίζετε με μεγαλύτερη ακρίβεια το βάθος βύθισης/αφαίρεσης του καυσίμου σε πυρήνας. Συναρμολογούνται σε κασέτες εξαγωνικού σχήματος, καθεμία από τις οποίες περιλαμβάνει αρκετές δεκάδες ράβδους καυσίμου. Το ψυκτικό υγρό ρέει μέσω των καναλιών σε κάθε κασέτα.
Οι ράβδοι καυσίμου στην κασέτα επισημαίνονται με πράσινο χρώμα.
Συγκρότημα κασέτας καυσίμου.
Ο πυρήνας του αντιδραστήρα αποτελείται από εκατοντάδες κασέτες τοποθετημένες κάθετα και ενωμένες μεταξύ τους από ένα μεταλλικό κέλυφος - ένα σώμα, το οποίο παίζει επίσης το ρόλο ενός ανακλαστήρα νετρονίων. Μεταξύ των κασετών, τοποθετούνται σε τακτά χρονικά διαστήματα ράβδοι ελέγχου και προστατευτικές ράβδοι έκτακτης ανάγκης αντιδραστήρα, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί για να κλείνουν τον αντιδραστήρα σε περίπτωση υπερθέρμανσης.
Ας δώσουμε ως παράδειγμα δεδομένα για τον αντιδραστήρα VVER-440:
Οι ελεγκτές μπορούν να κινηθούν πάνω και κάτω, βυθίζοντας ή αντίστροφα, αφήνοντας την ενεργή ζώνη, όπου η αντίδραση είναι πιο έντονη. Αυτό διασφαλίζεται από ισχυρούς ηλεκτρικούς κινητήρες, σε συνδυασμό με ένα σύστημα ελέγχου.
Κάθε αντιδραστήρας έχει ένα καπάκι μέσω του οποίου φορτώνονται και εκφορτώνονται μεταχειρισμένες και νέες κασέτες.
Η θερμομόνωση εγκαθίσταται συνήθως πάνω από το δοχείο του αντιδραστήρα. Το επόμενο εμπόδιο είναι η βιολογική προστασία. Αυτό είναι συνήθως ένα καταφύγιο από οπλισμένο σκυρόδεμα, η είσοδος του οποίου κλείνει με μια κλειδαριά με σφραγισμένες πόρτες. Η βιολογική προστασία έχει σχεδιαστεί για να αποτρέπει την απελευθέρωση ραδιενεργού ατμού και τεμαχίων του αντιδραστήρα στην ατμόσφαιρα εάν συμβεί έκρηξη.
Μια πυρηνική έκρηξη σε σύγχρονους αντιδραστήρες είναι εξαιρετικά απίθανη. Επειδή το καύσιμο είναι αρκετά ελαφρώς εμπλουτισμένο και χωρισμένο σε στοιχεία καυσίμου. Ακόμα κι αν ο πυρήνας λιώσει, το καύσιμο δεν θα μπορεί να αντιδράσει τόσο ενεργά. Το χειρότερο που μπορεί να συμβεί είναι μια θερμική έκρηξη όπως στο Τσερνομπίλ, όταν η πίεση στον αντιδραστήρα έφτασε σε τέτοιες τιμές που το μεταλλικό περίβλημα απλά έσκασε και το κάλυμμα του αντιδραστήρα, βάρους 5.000 τόνων, έκανε ένα ανεστραμμένο άλμα, σπάζοντας την οροφή του το διαμέρισμα του αντιδραστήρα και την απελευθέρωση ατμού έξω. Εάν ο πυρηνικός σταθμός του Τσερνομπίλ είχε εξοπλιστεί με κατάλληλη βιολογική προστασία, όπως η σημερινή σαρκοφάγος, τότε η καταστροφή θα κόστιζε πολύ λιγότερο στην ανθρωπότητα.
Λειτουργία πυρηνικού σταθμού.
Με λίγα λόγια, έτσι μοιάζει το raboboa.
Πυρηνικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής. (Με δυνατότητα κλικ)
Αφού εισέλθει στον πυρήνα του αντιδραστήρα χρησιμοποιώντας αντλίες, το νερό θερμαίνεται από 250 έως 300 βαθμούς και εξέρχεται από την «άλλη πλευρά» του αντιδραστήρα. Αυτό ονομάζεται πρώτο κύκλωμα. Μετά από αυτό αποστέλλεται στον εναλλάκτη θερμότητας, όπου συναντά το δεύτερο κύκλωμα. Μετά από αυτό, ο ατμός υπό πίεση ρέει στα πτερύγια του στροβίλου. Οι τουρμπίνες παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.
Η σημασία της πυρηνικής ενέργειας στον σύγχρονο κόσμο
Η πυρηνική ενέργεια έχει κάνει τεράστια βήματα προόδου τις τελευταίες δεκαετίες, καθιστώντας μια από τις πιο σημαντικές πηγές ηλεκτρικής ενέργειας για πολλές χώρες. Ταυτόχρονα, πρέπει να θυμόμαστε ότι πίσω από την ανάπτυξη αυτού του τομέα της εθνικής οικονομίας βρίσκονται οι τεράστιες προσπάθειες δεκάδων χιλιάδων επιστημόνων, μηχανικών και απλών εργαζομένων, που κάνουν τα πάντα για να διασφαλίσουν ότι το «ειρηνικό άτομο» δεν μετατραπεί σε μια πραγματική απειλή για εκατομμύρια ανθρώπους. Ο πραγματικός πυρήνας κάθε πυρηνικού σταθμού είναι ο πυρηνικός αντιδραστήρας.
Ιστορία της δημιουργίας ενός πυρηνικού αντιδραστήρα
Η πρώτη τέτοια συσκευή κατασκευάστηκε στο απόγειο του Β' Παγκοσμίου Πολέμου στις ΗΠΑ από τον διάσημο επιστήμονα και μηχανικό E. Fermi. Λόγω της ασυνήθιστης εμφάνισής του, που έμοιαζε με μια στοίβα από μπλοκ γραφίτη στοιβαγμένους το ένα πάνω στο άλλο, αυτός ο πυρηνικός αντιδραστήρας ονομάστηκε στοίβα του Σικάγο. Αξίζει να σημειωθεί ότι η συσκευή αυτή λειτουργούσε με ουράνιο, το οποίο ήταν τοποθετημένο ακριβώς ανάμεσα στα μπλοκ.
Δημιουργία πυρηνικού αντιδραστήρα στη Σοβιετική Ένωση
Στη χώρα μας, αυξημένη προσοχή δόθηκε και στα πυρηνικά θέματα. Παρά το γεγονός ότι οι κύριες προσπάθειες των επιστημόνων επικεντρώθηκαν στη στρατιωτική χρήση του ατόμου, χρησιμοποίησαν ενεργά τα αποτελέσματα που ελήφθησαν για ειρηνικούς σκοπούς. Ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας, με την κωδική ονομασία F-1, κατασκευάστηκε από μια ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον διάσημο φυσικό I. Kurchatov στα τέλη Δεκεμβρίου 1946. Το σημαντικό μειονέκτημά του ήταν η απουσία οποιουδήποτε συστήματος ψύξης, επομένως η ισχύς της ενέργειας που απελευθέρωνε ήταν εξαιρετικά ασήμαντη. Ταυτόχρονα, οι Σοβιετικοί ερευνητές ολοκλήρωσαν το έργο που είχαν ξεκινήσει, το οποίο είχε ως αποτέλεσμα να ανοίξει, μόλις οκτώ χρόνια αργότερα, το πρώτο εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής στον κόσμο στο πυρηνικό καύσιμοστην πόλη Όμπνινσκ.
Αρχή λειτουργίας του αντιδραστήρα
Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας είναι εξαιρετικά περίπλοκος και επικίνδυνος τεχνική συσκευή. Η αρχή της λειτουργίας του βασίζεται στο γεγονός ότι κατά τη διάσπαση του ουρανίου απελευθερώνονται αρκετά νετρόνια, τα οποία, με τη σειρά τους, εκτοξεύουν στοιχειώδη σωματίδια από γειτονικά άτομα ουρανίου. Αυτή η αλυσιδωτή αντίδραση απελευθερώνει σημαντική ποσότητα ενέργειας με τη μορφή θερμότητας και ακτίνων γάμμα. Ταυτόχρονα, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη το γεγονός ότι εάν αυτή η αντίδραση δεν ελεγχθεί με οποιονδήποτε τρόπο, τότε η σχάση των ατόμων ουρανίου θα σύντομο χρονικό διάστημαμπορεί να οδηγήσει σε ισχυρή έκρηξη με ανεπιθύμητες συνέπειες.
Για να προχωρήσει η αντίδραση εντός αυστηρά καθορισμένων ορίων, ο σχεδιασμός ενός πυρηνικού αντιδραστήρα έχει μεγάλη σημασία. Επί του παρόντος, κάθε τέτοια δομή είναι ένα είδος λέβητα μέσω του οποίου ρέει ψυκτικό. Συνήθως χρησιμοποιείται νερό σε αυτή την ικανότητα, αλλά υπάρχουν πυρηνικοί σταθμοί που χρησιμοποιούν υγρό γραφίτη ή βαρύ νερό. Είναι αδύνατο να φανταστεί κανείς έναν σύγχρονο πυρηνικό αντιδραστήρα χωρίς εκατοντάδες ειδικές εξαγωνικές κασέτες. Περιέχουν στοιχεία παραγωγής καυσίμου, μέσω των καναλιών των οποίων ρέουν ψυκτικά. Αυτή η κασέτα είναι επικαλυμμένη με ένα ειδικό στρώμα που είναι ικανό να ανακλά τα νετρόνια και έτσι να επιβραδύνει την αλυσιδωτή αντίδραση
Ο πυρηνικός αντιδραστήρας και η προστασία του
Διαθέτει πολλά επίπεδα προστασίας. Εκτός από το ίδιο το σώμα, καλύπτεται με ειδική θερμομόνωση και βιολογική προστασία από πάνω. Από μηχανικής άποψης, αυτή η κατασκευή είναι ένα ισχυρό καταφύγιο από οπλισμένο σκυρόδεμα, οι πόρτες στο οποίο είναι κλειστές όσο το δυνατόν πιο σφιχτά.
Οι αντιδραστήρες χρησιμεύουν για τον περιορισμό των ρευμάτων βραχυκυκλώματος σε ισχυρές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις και καθιστούν επίσης δυνατή τη διατήρηση ενός συγκεκριμένου επιπέδου τάσης στους ζυγούς σε περίπτωση σφαλμάτων πίσω από τους αντιδραστήρες.
Η κύρια περιοχή εφαρμογής των αντιδραστήρων είναι τα ηλεκτρικά δίκτυα με τάση 6¾10 kV. Οι αντιδραστήρες περιορισμού ρεύματος χρησιμοποιούνται μερικές φορές σε εγκαταστάσεις 35 kV και άνω, καθώς και σε τάσεις κάτω των 1000 V.
Ρύζι. 3.43. Κανονική λειτουργία του κυκλώματος με τον αντιδραστήρα:
α - διάγραμμα κυκλώματος. β - διάγραμμα τάσης: γ - διανυσματικό διάγραμμα
Τα σχήματα της γραμμής που αντέδρασε και τα διαγράμματα που χαρακτηρίζουν την κατανομή τάσης σε κανονική λειτουργία φαίνονται στο Σχήμα. 3.43.
Το διανυσματικό διάγραμμα δείχνει: U 1 - τάση φάσης μπροστά από τον αντιδραστήρα, U p - τάση φάσης μετά τον αντιδραστήρα και Εγώ- ρεύμα που διέρχεται από το κύκλωμα. Η γωνία j αντιστοιχεί στη μετατόπιση φάσης μεταξύ της τάσης μετά τον αντιδραστήρα και του ρεύματος. Γωνία y μεταξύ των διανυσμάτων U 1 και U 2 αντιπροσωπεύει την πρόσθετη μετατόπιση φάσης που προκαλείται από την επαγωγική αντίδραση του αντιδραστήρα. Αν δεν λάβουμε υπόψη την ενεργό αντίσταση του αντιδραστήρα, το τμήμα ΜΕΤΑ ΧΡΙΣΤΟΝαντιπροσωπεύει την πτώση τάσης στην επαγωγική αντίδραση του αντιδραστήρα.
Ο αντιδραστήρας (Εικ. 3.44) είναι ένα επαγωγικό πηνίο που δεν έχει πυρήνα μαγνητικού υλικού. Λόγω αυτού, έχει μια σταθερή επαγωγική αντίδραση, ανεξάρτητη από το ρεύμα ροής.
Ρύζι. 3.44. Φάση αντιδραστήρα σειράς RB:
1 – περιέλιξη αντιδραστήρα, 2 – κολώνες από σκυρόδεμα,
3 – μονωτές στήριξης
Για ισχυρές και κρίσιμες γραμμές, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ατομική απόκριση.
Βρίσκεται σε ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις ευρεία εφαρμογήΔίδυμοι αντιδραστήρες σκυροδέματος με περιέλιξη αλουμινίου για εσωτερική και εξωτερική εγκατάσταση, τύπου RBS.
Το μειονέκτημα των αντιδραστήρων είναι η παρουσία απωλειών ισχύος σε αυτούς 0,15-0,4% της τάσης που διέρχεται από τον αντιδραστήρα
, (4.30)
Οπου x p %, I n - στοιχεία διαβατηρίου του αντιδραστήρα. Εγώ, sinj - παράμετροι του τρόπου λειτουργίας της εγκατάστασης που τροφοδοτούνται μέσω του αντιδραστήρα.
| |
| |
| |
Ρύζι. 3.8. Θέσεις εγκατάστασης αντιδραστήρων: α - μεταξύ τμημάτων ράβδων ζυγών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. β - σε ξεχωριστές εξερχόμενες γραμμές. γ - στο τμήμα διακοπτών του υποσταθμού (ομαδικός αντιδραστήρας)
Για τη μείωση των απωλειών τάσης σε κανονικούς τρόπους λειτουργίας, κατά κανόνα, χρησιμοποιούνται δίδυμοι αντιδραστήρες ως ομαδικοί αντιδραστήρες. Ένας διπλός αντιδραστήρας (Εικ. 4.9) διαφέρει από έναν συμβατικό με την παρουσία εξόδου από το μέσο της περιέλιξης. Και οι δύο κλάδοι του διπλού αντιδραστήρα βρίσκονται ο ένας πάνω από τον άλλο με την ίδια κατεύθυνση των στροφών της περιέλιξης.
Ρύζι. 4.9. Διάγραμμα διπλού αντιδραστήρα
Επαγωγική αντίδραση κάθε κλάδου του αντιδραστήρα απουσία ρεύματος στον άλλο κλάδο
Ας προσδιορίσουμε την επαγωγική αντίδραση ενός κλάδου ενός διπλού αντιδραστήρα όταν τα ίδια ρεύματα φορτίου ρέουν μέσα από τους κλάδους του.
Η πτώση τάσης στον κλάδο του αντιδραστήρα θα είναι:
Έτσι, όταν ρέουν ρεύματα και στους δύο κλάδους
. (4.33)
Συνήθως κΑγ.= 0,4¸0,5.
Όταν υπάρχει βραχυκύκλωμα πίσω από τον ένα κλάδο και ο άλλος κλάδος είναι αποσυνδεδεμένος
. (4.34)
Όταν το βραχυκύκλωμα τροφοδοτείται από την πλευρά του δεύτερου κλάδου, το ρεύμα στον τελευταίο αλλάζει κατεύθυνση, η αμοιβαία επαγωγή μεταξύ των περιελίξεων θα αλλάξει επίσης πρόσημο και επομένως η αντίσταση του αντιδραστήρα θα αυξηθεί:
Οι αντιδραστήρες επιλέγονται με βάση την ονομαστική τάση, το ρεύμα και την επαγωγική τους αντίδραση.
Η ονομαστική τάση επιλέγεται σύμφωνα με την ονομαστική τάση της εγκατάστασης. Θεωρείται ότι οι αντιδραστήρες πρέπει να αντέχουν για μεγάλο χρονικό διάστημα τις μέγιστες τάσεις λειτουργίας που μπορεί να προκύψουν κατά τη λειτουργία. Επιτρέπεται η χρήση αντιδραστήρων σε ηλεκτρικές εγκαταστάσεις με ονομαστική τάση χαμηλότερη από την ονομαστική τάση των αντιδραστήρων.
Το ονομαστικό ρεύμα του αντιδραστήρα (κλάδος διπλού αντιδραστήρα) δεν πρέπει να είναι μικρότερο από το μέγιστο ρεύμα συνεχούς φορτίου του κυκλώματος στο οποίο είναι συνδεδεμένος:
Εγώονομ. ³ ΕγώΜέγιστη
Για αντιδραστήρες ζυγών (διατομής), το ονομαστικό ρεύμα επιλέγεται ανάλογα με το κύκλωμα σύνδεσής τους.
Η επαγωγική αντίδραση του αντιδραστήρα προσδιορίζεται με βάση τις συνθήκες για τον περιορισμό του ρεύματος βραχυκυκλώματος σε ένα δεδομένο επίπεδο. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το επίπεδο περιορισμού του ρεύματος βραχυκυκλώματος καθορίζεται από την ικανότητα μεταγωγής των διακοπτών κυκλώματος που προγραμματίζονται για εγκατάσταση ή εγκαθίστανται σε ένα δεδομένο σημείο του δικτύου.
Κατά κανόνα, η αρχική τιμή του περιοδικού ρεύματος βραχυκυκλώματος είναι αρχικά γνωστή ΕγώΜε. , το οποίο πρέπει να μειωθεί στο απαιτούμενο επίπεδο χρησιμοποιώντας έναν αντιδραστήρα.
Ας εξετάσουμε τη διαδικασία για τον προσδιορισμό της αντίστασης ενός μεμονωμένου αντιδραστήρα. Απαιτείται ο περιορισμός του ρεύματος βραχυκυκλώματος έτσι ώστε να είναι δυνατή η εγκατάσταση ενός διακόπτη κυκλώματος με ονομαστικό ρεύμα διακοπής σε αυτό το κύκλωμα Εγώονομ.ανοιχτό. (ενεργή τιμή της περιοδικής συνιστώσας του ρεύματος διακοπής).
Κατά αξία ΕγώΤο ονομαστικό σφάλμα καθορίζεται από την αρχική τιμή της περιοδικής συνιστώσας του ρεύματος βραχυκυκλώματος, στην οποία εξασφαλίζεται η ικανότητα μεταγωγής του διακόπτη κυκλώματος. Για απλότητα, συνήθως παίρνουμε Εγώ p.o.req = Εγώόχι
Η αντίσταση που προκύπτει, Ohm, του βραχυκυκλώματος πριν από την εγκατάσταση του αντιδραστήρα μπορεί να προσδιοριστεί από την έκφραση
Απαιτείται αντίσταση βραχυκυκλώματος για διασφάλιση Εγώ p.o.req.
Η διαφορά μεταξύ των λαμβανόμενων τιμών αντίστασης θα δώσει την απαιτούμενη αντίσταση του αντιδραστήρα
.
Η αντίσταση του τμηματικού αντιδραστήρα επιλέγεται από τις περισσότερες συνθήκες
αποτελεσματικός περιορισμός των ρευμάτων βραχυκυκλώματος κατά τη διάρκεια σφάλματος σε ένα τμήμα. Συνήθως λαμβάνεται έτσι ώστε η πτώση τάσης στον αντιδραστήρα όταν το ονομαστικό ρεύμα ρέει μέσα από αυτόν φθάνει το 0,08¾0,12 της ονομαστικής τάσης, δηλ.
.
Υπό κανονικές συνθήκες πολύωρη δουλειάΟι απώλειες ρεύματος και τάσης στους τμηματικούς αντιδραστήρες είναι σημαντικά χαμηλότερες.
Η πραγματική τιμή του ρεύματος κατά τη διάρκεια ενός βραχυκυκλώματος πίσω από τον αντιδραστήρα προσδιορίζεται ως εξής. Η τιμή της αντίστασης που προκύπτει από το βραχυκύκλωμα υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη τον αντιδραστήρα
,
και στη συνέχεια προσδιορίζεται η αρχική τιμή της περιοδικής συνιστώσας του ρεύματος βραχυκυκλώματος:
Η αντίσταση ομαδικών και διπλών αντιδραστήρων επιλέγεται με τον ίδιο τρόπο. Στην τελευταία περίπτωση, προσδιορίζεται η αντίσταση του κλάδου του διπλού αντιδραστήρα Χ p = Χ V.
Ο επιλεγμένος αντιδραστήρας θα πρέπει να ελέγχεται για ηλεκτροδυναμική και θερμική αντίσταση όταν διαρρέει ρεύμα βραχυκυκλώματος.
Η ηλεκτροδυναμική αντίσταση του αντιδραστήρα είναι εγγυημένη εάν πληρούνται οι ακόλουθες προϋποθέσεις:
Η θερμική σταθερότητα του αντιδραστήρα είναι εγγυημένη εάν πληρούνται οι ακόλουθες προϋποθέσεις:
Για εγκατάσταση στο ουδέτερο μετασχηματιστών ισχύος και συνδέσεις εξερχόμενων γραμμών τάσης 6¾35 kV, συνιστώνται για εγκατάσταση αντιδραστήρες ξηρού περιορισμού ρεύματος με πολυμερή μόνωση.
βραχυκύκλωμα. Συνδέεται σε σειρά σε ένα κύκλωμα του οποίου το ρεύμα πρέπει να περιοριστεί και λειτουργεί ως επαγωγική (αντιδραστική) πρόσθετη αντίσταση που μειώνει το ρεύμα και διατηρεί την τάση στο δίκτυο κατά τη διάρκεια ενός βραχυκυκλώματος, γεγονός που αυξάνει τη σταθερότητα των γεννητριών και του συστήματος ως σύνολο.
Εφαρμογή
Κατά τη διάρκεια ενός βραχυκυκλώματος, το ρεύμα στο κύκλωμα αυξάνεται σημαντικά σε σύγκριση με το ρεύμα κανονικής λειτουργίας. Σε δίκτυα υψηλής τάσης, τα ρεύματα βραχυκυκλώματος μπορούν να φτάσουν σε τέτοιες τιμές που δεν είναι δυνατό να επιλεγούν εγκαταστάσεις που θα μπορούσαν να αντέξουν τις ηλεκτροδυναμικές δυνάμεις που προκύπτουν από τη ροή αυτών των ρευμάτων. Για τον περιορισμό του ρεύματος βραχυκυκλώματος χρησιμοποιούνται αντιδραστήρες περιορισμού ρεύματος, οι οποίοι κατά τη διάρκεια βραχυκυκλώματος. Διατηρούν επίσης μια αρκετά υψηλή τάση στις ράβδους ισχύος (λόγω μεγαλύτερης πτώσης στον ίδιο τον αντιδραστήρα), η οποία είναι απαραίτητη για την κανονική λειτουργία άλλων φορτίων.
Σύμβολο για μονούς και διπλούς αντιδραστήρες
Συσκευή και αρχή λειτουργίας
Τύποι αντιδραστήρων
Οι αντιδραστήρες περιορισμού ρεύματος χωρίζονται σε:
- ανά τοποθεσία εγκατάστασης: εξωτερική και εσωτερική.
- κατά τάση: μεσαία (3 -35 kV) και υψηλή (110 -500 kV);
- με σχεδιασμό: σκυρόδεμα, ξηρό, λάδι και θωρακισμένο.
- κατά διάταξη φάσης: κάθετη, οριζόντια και βαθμιδωτή.
- με σχέδιο περιέλιξης: μονό και διπλό.
- Με λειτουργικό σκοπό: τροφοδότης, ομάδα τροφοδοσίας και διατομή.
Αντιδραστήρες σκυροδέματος
Έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένες σε εσωτερικές εγκαταστάσεις για τάσεις δικτύου έως 35 kV συμπεριλαμβανομένων. Ο αντιδραστήρας σκυροδέματος αποτελείται από ομόκεντρα διατεταγμένες στροφές μονωμένου κλώνου σύρματος που χυτεύονται σε ακτινικά διατεταγμένες κολώνες από σκυρόδεμα. Στο βραχυκυκλώματαΤα τυλίγματα και τα εξαρτήματα υφίστανται σημαντικές μηχανικές καταπονήσεις που προκαλούνται από ηλεκτροδυναμικές δυνάμεις, επομένως χρησιμοποιείται σκυρόδεμα υψηλής αντοχής στην κατασκευή τους. Όλα τα μεταλλικά μέρη του αντιδραστήρα είναι κατασκευασμένα από μη μαγνητικά υλικά. Σε περίπτωση υψηλών ρευμάτων χρησιμοποιείται τεχνητή ψύξη.
Τα πηνία φάσης του αντιδραστήρα είναι διατεταγμένα έτσι ώστε όταν ο αντιδραστήρας συναρμολογείται, τα πεδία των πηνίων βρίσκονται σε αντίθετες κατευθύνσεις, κάτι που είναι απαραίτητο για να ξεπεραστούν οι διαμήκεις δυναμικές δυνάμεις κατά τη διάρκεια ενός βραχυκυκλώματος. Οι αντιδραστήρες σκυροδέματος μπορούν να κατασκευαστούν είτε με φυσικό αέρα είτε με εξαναγκασμένη ψύξη αέρα (για υψηλή ονομαστική ισχύ), το λεγόμενο. "blow" (το γράμμα "D" προστίθεται στη σήμανση).
Από το 2014, οι αντιδραστήρες σκυροδέματος θεωρούνται απαρχαιωμένοι και αντικαθίστανται από αντιδραστήρες ξηρού.
Αντιδραστήρες πετρελαίου
Χρησιμοποιείται σε δίκτυα με τάσεις άνω των 35 kV. Ο αντιδραστήρας λαδιού αποτελείται από περιελίξεις χάλκινων αγωγών, μονωμένων με χαρτί καλωδίου, οι οποίοι τοποθετούνται σε μονωτικούς κυλίνδρους και γεμίζονται με λάδι ή άλλο ηλεκτρικό διηλεκτρικό. Το υγρό χρησιμεύει και ως μονωτικό και ως ψυκτικό μέσο. Για να μειώσουν τη θέρμανση των τοιχωμάτων της δεξαμενής από το εναλλασσόμενο πεδίο των πηνίων του αντιδραστήρα, χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικές οθόνεςΚαι μαγνητικές παρακάμψεις.
Η ηλεκτρομαγνητική ασπίδα αποτελείται από βραχυκυκλωμένες στροφές χαλκού ή αλουμινίου που βρίσκονται ομόκεντρα σε σχέση με τον αντιδραστήρα που περιελίσσεται γύρω από τα τοιχώματα της δεξαμενής. Η θωράκιση συμβαίνει λόγω του γεγονότος ότι σε αυτές τις στροφές προκαλείται ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, κατευθυνόμενος μετρητής και αντισταθμίζοντας το κύριο πεδίο.
Μια μαγνητική παρακλάση είναι μια συσκευασία από φύλλο χάλυβα που βρίσκεται μέσα στη δεξαμενή κοντά στα τοιχώματα, η οποία δημιουργεί ένα τεχνητό μαγνητικό κύκλωμα με μαγνητική αντίσταση χαμηλότερη από αυτή των τοιχωμάτων της δεξαμενής, που αναγκάζει την κύρια μαγνητική ροή του αντιδραστήρα να κλείσει κατά μήκος της και όχι μέσα από τα τοιχώματα της δεξαμενής.
Για την αποφυγή εκρήξεων που σχετίζονται με υπερθέρμανση του λαδιού στη δεξαμενή, σύμφωνα με το PUE, όλοι οι αντιδραστήρες με τάσεις 500 kV και άνω πρέπει να είναι εξοπλισμένοι με προστασία αερίου.
Ξηροί αντιδραστήρες
Οι ξηροί αντιδραστήρες ανήκουν σε μια νέα κατεύθυνση στο σχεδιασμό αντιδραστήρων περιορισμού ρεύματος και χρησιμοποιούνται σε δίκτυα με ονομαστικές τάσεις έως 220 kV. Σε μία από τις επιλογές σχεδιασμού για έναν ξηρό αντιδραστήρα, οι περιελίξεις γίνονται με τη μορφή καλωδίων (συνήθως ορθογώνια σε διατομή για μείωση του μεγέθους, αύξηση μηχανικής αντοχής και διάρκεια ζωής) με μόνωση σιλικόνης, τυλιγμένα σε διηλεκτρικό πλαίσιο. Σε άλλο σχέδιο αντιδραστήρα, το σύρμα περιέλιξης είναι μονωμένο με μια μεμβράνη πολυαμιδίου και, στη συνέχεια, με δύο στρώματα νημάτων γυαλιού με μέγεθος και εμποτισμό με βερνίκι σιλικόνης και επακόλουθο ψήσιμο, το οποίο αντιστοιχεί στην κατηγορία αντοχής στη θερμότητα H (θερμοκρασία λειτουργίας έως 180 ° C) ; Το πάτημα και το δέσιμο των περιελίξεων με ταινίες τα καθιστά ανθεκτικά στη μηχανική καταπόνηση κατά το ρεύμα κρούσης.
Αντιδραστήρες τεθωρακισμένων
Παρά την τάση να κατασκευάζονται αντιδραστήρες περιορισμού ρεύματος χωρίς σιδηρομαγνητικό μαγνητικό πυρήνα (λόγω του κινδύνου κορεσμού του μαγνητικού συστήματος σε ρεύμα βραχυκυκλώματος και, κατά συνέπεια, απότομη πτώση των ιδιοτήτων περιορισμού ρεύματος), οι επιχειρήσεις κατασκευάζουν αντιδραστήρες με θωρακισμένοι πυρήνες από ηλεκτρικό χάλυβα. Πλεονέκτημα αυτού του τύπουΟι αντιδραστήρες περιορισμού ρεύματος είναι μικρότεροι σε μέγεθος και βάρος και κόστος (λόγω της μείωσης της αναλογίας μη σιδηρούχων μετάλλων στο σχεδιασμό). Μειονέκτημα: η πιθανότητα απώλειας ιδιοτήτων περιορισμού του ρεύματος σε ρεύματα κρούσης μεγαλύτερα από την ονομαστική τιμή για έναν δεδομένο αντιδραστήρα, που με τη σειρά του απαιτεί προσεκτικό υπολογισμό των ρευμάτων βραχυκυκλώματος. στο δίκτυο και επιλογή ενός θωρακισμένου αντιδραστήρα με τέτοιο τρόπο ώστε σε οποιαδήποτε λειτουργία δικτύου το ρεύμα κλονισμού βραχυκυκλώματος δεν υπερέβαινε την ονομαστική.
Δίδυμοι αντιδραστήρες
Οι δίδυμοι αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται για τη μείωση της πτώσης τάσης σε κανονική λειτουργία, για τους οποίους κάθε φάση αποτελείται από δύο περιελίξεις με ισχυρή μαγνητική σύζευξη, συνδεδεμένες σε αντίθετες κατευθύνσεις, καθένα από τα οποία συνδέεται με περίπου το ίδιο φορτίο, με αποτέλεσμα η επαγωγή να είναι μειωμένο (ανάλογα με το υπολειπόμενο διαφορικό μαγνητικό πεδίο). Με βραχυκύκλωμα στο κύκλωμα μιας από τις περιελίξεις το πεδίο αυξάνεται απότομα, η επαγωγή αυξάνεται και εμφανίζεται η διαδικασία περιορισμού του ρεύματος.
Αντιδραστήρες διατομής και τροφοδοσίας
Οι αντιδραστήρες διατομής ενεργοποιούνται μεταξύ των τμημάτων για να περιοριστούν τα ρεύματα και να διατηρηθεί η τάση σε ένα από τα τμήματα κατά τη διάρκεια ενός βραχυκυκλώματος. σε άλλη ενότητα. Οι τροφοδότες και οι τροφοδότες ομάδας τροφοδοσίας εγκαθίστανται σε εξερχόμενους τροφοδότες (οι τροφοδότες ομάδας είναι κοινοί σε πολλούς τροφοδότες).
Βιβλιογραφία
- Rodshtein L. A."Ηλεκτρικές συσκευές: Εγχειρίδιο για τεχνικές σχολές" - 3η έκδ., Λένινγκραντ: Energoizdat. Λένινγκρ. Τμήμα, 1981.
- "Εξοπλισμός αντιδραστήρων. Κατάλογος λύσεων στον τομέα της βελτίωσης της ποιότητας ισχύος, προστασίας ηλεκτρικά δίκτυακαι οργάνωση των επικοινωνιών HF." Όμιλος Εταιρειών SVEL.
Περίγραμμα διάλεξης:
4.1 Τύποι χημικών αντιδραστήρων. Αντιδραστήρες ιδανικής ανάμειξης και ιδανικής μετατόπισης.
4.2 Αντιδραστήρες για ομοιογενείς διεργασίες
4.3. Αντιδραστήρες για διεργασίες ετερογενούς στερεάς φάσης
4.4. Αντιδραστήρες για διεργασίες αερίου-υγρού
Με βάση το πρώτο κριτήριο, οι αντιδραστήρες χωρίζονται σε περιοδικούς, συνεχείς και ημισυνεχείς. Συνεχείς αντιδραστήρες, δηλ. με συνεχή παροχή αντιδραστηρίων και απομάκρυνση των προϊόντων, με τη σειρά τους, χωρίζονται ανάλογα με τη φύση της κίνησης του μέσου αντίδρασης (δηλαδή, ανάλογα με την υδροδυναμική κατάσταση στον αντιδραστήρα) σε αντιδραστήρες βύσματος ροής και ιδανικούς αντιδραστήρες ανάμειξης.
Αντιδραστήρες παρτίδαςχαρακτηρίζεται από εφάπαξ φόρτωση αντιδραστηρίων. Στην περίπτωση αυτή, η διαδικασία αποτελείται από τρία στάδια: φόρτωση πρώτων υλών, επεξεργασία τους (χημικός μετασχηματισμός) και εκφόρτωση ολοκληρωμένο προϊόν. Μετά την ολοκλήρωση της ακολουθίας αυτών των σταδίων, επαναλαμβάνονται ξανά, δηλ. Ο αντιδραστήρας λειτουργεί κυκλικά. Η διάρκεια ενός κύκλου που διεξάγεται σε έναν αντιδραστήρα παρτίδας προσδιορίζεται από την εξίσωση
τ p = τ + τ vsp, (4.1)
όπου τ p είναι ο συνολικός χρόνος κύκλου. τ - ώρα εργασίας(δαπανάται για τη διεξαγωγή μιας χημικής αντίδρασης). τ vsp - βοηθητικός χρόνος (φόρτωση αντιδραστηρίων και εκφόρτωση προϊόντος).
Ιδανικός αντιδραστήρας παρτίδας ανάμειξηςείναι μια συσκευή με αναδευτήρα στον οποίο φορτώνονται περιοδικά τα αντιδραστήρια εκκίνησης (Εικ. 4.1). Σε έναν τέτοιο αντιδραστήρα, δημιουργείται πολύ έντονη ανάμειξη, επομένως, ανά πάσα στιγμή, η συγκέντρωση των αντιδραστηρίων είναι ίδια σε όλο τον όγκο του αντιδραστήρα και αλλάζει μόνο με την πάροδο του χρόνου, καθώς προχωρά η χημική αντίδραση. Αυτή η ανάμειξη μπορεί να θεωρηθεί ιδανική.
Ρύζι. 4.1 Ιδανικός αντιδραστήρας ανάμειξης παρτίδας
Αλλαγή της συγκέντρωσης του αντιδραστηρίου έναρξης ΕΝΑσε χρόνο και σε όγκο αντιδραστήρα φαίνεται στο Σχ. 10. Οι ονομασίες που φαίνονται στο Σχ. Τα σημεία 4.1 και 4.2 έχουν τις ακόλουθες έννοιες: N A, 0, N A - η ποσότητα του αρχικού αντιδραστηρίου Α στο μείγμα αντίδρασης στην αρχή και στο τέλος της διαδικασίας. C A, 0, C A - αρχικές και τελικές συγκεντρώσεις του αντιδραστηρίου Α στο μείγμα αντίδρασης. X A, 0 , X A - αρχικός και τελικός βαθμός μετατροπής του αντιδραστηρίου Α. τ - χρόνος; y- χωρική συντεταγμένη (συντεταγμένη τοποθεσίας).
Ρύζι. 4.2. Κατανομή της συγκέντρωσης του αντιδραστηρίου σε έναν περιοδικό αντιδραστήρα ιδανικής ανάμειξης: α) κατά χρόνο, β) κατά θέση (κατ' όγκο).
Οι περιοδικές χημικές διεργασίες από τη φύση τους είναι πάντα μη στάσιμες (αστάθειες), αφού κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης οι παράμετροι της διαδικασίας αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου (για παράδειγμα, η συγκέντρωση των ουσιών που συμμετέχουν στην αντίδραση, δηλ. συμβαίνει συσσώρευση προϊόντων αντίδρασης).
Οι αντιδραστήρες παρτίδας είναι απλοί στο σχεδιασμό και απαιτούν μικρό αριθμό αντιδραστήρων βοηθητικός εξοπλισμόςΩς εκ τούτου, είναι ιδιαίτερα βολικά για τη διεξαγωγή πειραματικών εργασιών σχετικά με τη μελέτη της χημικής κινητικής. Στη βιομηχανία, χρησιμοποιούνται συνήθως σε μικρής κλίμακας παραγωγή και για την επεξεργασία σχετικά ακριβών χημικών προϊόντων. Οι περισσότερες βιομηχανικές διεργασίες πραγματοποιούνται με συνεχείς αντιδραστήρες.
Σε συνεχείς αντιδραστήρες(ή αντιδραστήρες ροής), η παροχή αντιδραστηρίων και η απομάκρυνση των προϊόντων αντίδρασης πραγματοποιείται συνεχώς. Εάν σε έναν περιοδικό αντιδραστήρα είναι δυνατό να μετρηθεί απευθείας η διάρκεια της αντίδρασης ανά ώρα, τότε σε έναν συνεχή αντιδραστήρα αυτό δεν μπορεί να γίνει, καθώς υπό συνθήκες σταθερής κατάστασης σε αυτούς τους αντιδραστήρες οι παράμετροι δεν αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου. Από αυτή την άποψη, για τους συνεχείς αντιδραστήρες χρησιμοποιείται η έννοια του υπό όρους χρόνου παραμονής των αντιδραστηρίων στο σύστημα (χρόνος επαφής).
όπου V r είναι ο όγκος του αντιδραστήρα. V 0 είναι ο όγκος του μίγματος της αντίδρασης που εισέρχεται στον αντιδραστήρα ανά μονάδα χρόνου (ροή όγκου αντιδραστηρίων).
Αντιδραστήρας ροής βύσματος(RIV) είναι μια σωληνοειδής συσκευή στην οποία ο λόγος του μήκους του σωλήνα L προς τη διάμετρό του d είναι αρκετά μεγάλος. Τα αρχικά αντιδραστήρια τροφοδοτούνται συνεχώς στον αντιδραστήρα, τα οποία μετατρέπονται σε προϊόντα αντίδρασης καθώς κινούνται κατά μήκος του αντιδραστήρα (Εικ. 4.3). Το υδροδυναμικό καθεστώς στο RIV χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι οποιοδήποτε σωματίδιο της ροής κινείται μόνο προς μία κατεύθυνση κατά μήκος του αντιδραστήρα, δεν υπάρχει αντίστροφη (διαμήκης) ανάμειξη. Επίσης δεν υπάρχει ανάμειξη σε όλη τη διατομή του αντιδραστήρα.
Υποτίθεται ότι η κατανομή της ύλης σε αυτό το τμήμα είναι ομοιόμορφη, δηλ. οι παράμετροι του μίγματος αντίδρασης είναι οι ίδιες. Κάθε στοιχείο του όγκου της μάζας αντίδρασης dV r κινείται κατά μήκος του αντιδραστήρα, χωρίς να αναμιγνύεται με προηγούμενα και επόμενα στοιχεία όγκου, και συμπεριφέρεται σαν ένα έμβολο σε έναν κύλινδρο, μετατοπίζοντας ό,τι βρίσκεται μπροστά του. Επομένως, αυτός ο τρόπος κίνησης των αντιδραστηρίων ονομάζεται μερικές φορές τρόπος λειτουργίας εμβόλου ή πλήρους μετατόπισης.
Η σύνθεση κάθε στοιχείου όγκου αλλάζει διαδοχικά κατά το μήκος του αντιδραστήρα λόγω της εμφάνισης μιας χημικής αντίδρασης. Η συγκέντρωση του αρχικού αντιδραστηρίου Α αλλάζει σταδιακά κατά μήκος του αντιδραστήρα από την αρχική τιμή C A.0 στην τελική τιμή C A (Εικ. 4.3). Συνέπεια αυτού του τρόπου κίνησης του μίγματος αντίδρασης είναι ότι ο χρόνος παραμονής κάθε σωματιδίου στον αντιδραστήρα είναι ο ίδιος. Κατά τη σύνταξη μιας μαθηματικής περιγραφής του RIV, προέρχονται από τη διαφορική εξίσωση του ισοζυγίου υλικού, μετασχηματίζοντάς την λαμβάνοντας υπόψη τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά αυτού του αντιδραστήρα.
Σε έναν πραγματικό αντιδραστήρα, η υδροδυναμική κατάσταση διαφέρει από την κατάσταση σε έναν ιδανικό αντιδραστήρα. Για παράδειγμα, σε έναν αντιδραστήρα πραγματικής μετατόπισης, εκτός από την κίνηση του εμβόλου της κύριας ροής κατά μήκος του αντιδραστήρα, είναι δυνατή η ανάμιξη της ροής στη διαμήκη και ακτινική κατεύθυνση. Ο βαθμός απόκλισης της απόδοσης ενός πραγματικού αντιδραστήρα από έναν ιδανικό εξαρτάται από τρία μεγέθη: τον συντελεστή διαμήκους ανάμειξης (convective diffusion) D L, τη γραμμική ταχύτητα ροής w και το μήκος του αντιδραστήρα L. Αυτές οι ποσότητες συνδυάζονται σε αδιάστατο σύμπλοκο D L /(wL).
Ρύζι. 4.3 Αντιδραστήρας βύσματος και η εξάρτηση της συγκέντρωσης του αντιδραστηρίου CA και του βαθμού μετατροπής του ΧΑ από το μήκος του αντιδραστήρα.
Μια γενική άποψη του αντιδραστήρα και τα διαγράμματα ορισμένων από αυτούς φαίνονται στο Σχ. 4.4.
Ο χωρητικός αντιδραστήρας 1 είναι εξοπλισμένος με έναν αναδευτήρα που αναμιγνύει τα αντιδραστήρια (συνήθως υγρά, εναιωρήματα) που τοποθετούνται μέσα στη συσκευή. Το καθεστώς θερμοκρασίας διατηρείται με τη χρήση ψυκτικού υγρού που κυκλοφορεί στο περίβλημα του αντιδραστήρα ή σε ενσωματωμένο εναλλάκτη θερμότητας. Μετά την αντίδραση, τα προϊόντα απορρίπτονται και μετά τον καθαρισμό του αντιδραστήρα, ο κύκλος επαναλαμβάνεται. Η διαδικασία είναι περιοδική.
Ο χωρητικός αντιδραστήρας 2 διέρχεται λόγω αντιδραστήρια (συνήθως αέριο, υγρό, εναιώρημα) περνούν συνεχώς μέσα από αυτό. Το αέριο φυσαλίδες μέσα από το υγρό. Ο αντιδραστήρας στήλης 3 χαρακτηρίζεται από μια αναλογία ύψους προς διάμετρο, η οποία για βιομηχανικούς αντιδραστήρες είναι 4-6 (σε χωρητικούς αντιδραστήρες αυτή η αναλογία είναι περίπου 1). Η αλληλεπίδραση αερίου και υγρού είναι η ίδια όπως στον αντιδραστήρα 2.
Ρύζι. 4.4. Διαγράμματα χημικών αντιδραστήρων:
G - αέριο; F - υγρό; T - ψυκτικό? N - ακροφύσιο; Τηλεόραση - στερεό αντιδραστήριο. K - καταλύτης; Xg - κρύο αέριο; Καύσιμα - καύσιμα.
Ο συσκευασμένος αντιδραστήρας 4 είναι εξοπλισμένος με δακτυλίους Raschig ή άλλα μικρά στοιχεία - συσκευασία. Αέριο και υγρό αλληλεπιδρούν. Το υγρό ρέει κάτω από το ακροφύσιο και το αέριο κινείται μεταξύ των στοιχείων του ακροφυσίου.
Οι αντιδραστήρες 5-8 χρησιμοποιούνται κυρίως για την αλληλεπίδραση αερίου με στερεό αντιδραστήριο. Στον αντιδραστήρα 5, το στερεό αντιδραστήριο είναι ακίνητο, αέριο ή υγρό αντιδραστήριο διέρχεται συνεχώς μέσω αυτού. Η διαδικασία είναι περιοδική σε στερεά ύλη.
Οι Rectors 6-8 τροποποιούνται με τέτοιο τρόπο ώστε η διαδικασία να είναι συνεχής με το στερεό αντιδραστήριο. Το στερεό αντιδραστήριο κινείται κατά μήκος του περιστρεφόμενου κεκλιμένου στρογγυλού αντιδραστήρα 6 ή χύνεται μέσω του αντιδραστήρα 7. Στον αντιδραστήρα 8, το αέριο εισέρχεται από κάτω υπό υψηλή πίεση, έτσι ώστε τα στερεά σωματίδια να αιωρούνται, σχηματίζοντας μια ρευστοποιημένη ή ρευστοποιημένη κλίνη που έχει ορισμένες ιδιότητες υγρό.
Ο σωληνωτός αντιδραστήρας 9 είναι παρόμοιος στην εμφάνιση με έναν εναλλάκτη θερμότητας με κέλυφος και σωλήνα. Αέρια ή υγρά αντιδραστήρια διέρχονται από τους σωλήνες στους οποίους λαμβάνει χώρα η αντίδραση. Συνήθως οι σωλήνες είναι γεμάτοι με καταλύτη. Το καθεστώς θερμοκρασίας εξασφαλίζεται από την κυκλοφορία του ψυκτικού υγρού στο χώρο μεταξύ των σωλήνων.
Οι αντιδραστήρες 5 και 9 χρησιμοποιούνται επίσης για τη διεξαγωγή διεργασιών σε στερεό καταλύτη.
Ο σωληνοειδής αντιδραστήρας 10 χρησιμοποιείται συχνά για τη διεξαγωγή ομοιογενών αντιδράσεων σε υψηλή θερμοκρασία, συμπεριλαμβανομένων των παχύρρευστων υγρών (για παράδειγμα, πυρόλυση βαρέων υδρογονανθράκων). Συχνά τέτοιοι αντιδραστήρες ονομάζονται φούρνοι.
Ο πολυστρωματικός αντιδραστήρας 11 είναι εξοπλισμένος με ένα σύστημα που επιτρέπει την ψύξη ή τη θέρμανση ενός αντιδραστηρίου που βρίσκεται ανάμεσα σε πολλά στρώματα μιας στερεάς ουσίας που δρα, για παράδειγμα, ως καταλύτης. Το σχήμα δείχνει την ψύξη της αρχικής αέριας ουσίας από ψυχρό αέριο που εισάγεται μεταξύ των ανώτερων στρωμάτων του καταλύτη και ενός ψυκτικού μέσου μέσω ενός συστήματος εναλλάκτη θερμότητας που τοποθετείται μεταξύ άλλων στρωμάτων του καταλύτη.
Ο πολυστρωματικός αντιδραστήρας 12 έχει σχεδιαστεί για τη διεξαγωγή διεργασιών αερίου-υγρού σε αυτόν.
Τα διαγράμματα που φαίνονται στο Σχ. 4.4 δείχνουν μόνο ένα μέρος των αντιδραστήρων που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία. Ωστόσο, η περαιτέρω συστηματοποίηση των σχεδίων αντιδραστήρων και των συνεχιζόμενων διεργασιών καθιστά δυνατή την κατανόηση και τη διεξαγωγή έρευνας σε οποιονδήποτε από αυτούς.
Όλοι οι αντιδραστήρες χαρακτηρίζονται από κοινά δομικά στοιχεία που φαίνονται στον αντιδραστήρα στο Σχ. 4.5, παρόμοιο με το 11 στο Σχ. 4.4.
Η ζώνη αντίδρασης 1, στην οποία λαμβάνει χώρα η χημική αντίδραση, αποτελείται από πολλά στρώματα καταλύτη. Υπάρχει σε όλους τους αντιδραστήρες: στους αντιδραστήρες 1-3 στο Σχ. 4.4 είναι ένα στρώμα υγρού, στους αντιδραστήρες 4, 5, 7 - ένα στρώμα συσκευασίας ή στερεού συστατικού, στους αντιδραστήρες 6, 8 - μέρος του όγκου του αντιδραστήρα με ένα στερεό συστατικό, στους αντιδραστήρες 9, 10 - ο εσωτερικός όγκος των σωλήνων όπου λαμβάνει χώρα η αντίδραση.
Ρύζι. 4.5. Δομικά στοιχεία ενός χημικού αντιδραστήρα:
1 - ζώνη αντίδρασης; 2 - συσκευή εισόδου και διανομής. 3 - μίξερ? 4 - εναλλάκτης θερμότητας. 5 - συσκευή εξόδου. Xg - κρύο αέριο; T - ψυκτικό? Το I και το P είναι το αρχικό και το τελικό προϊόν, αντίστοιχα.
Το αρχικό μείγμα αντίδρασης παρέχεται μέσω του άνω εξαρτήματος. Για να εξασφαλιστεί μια ομοιόμορφα κατανεμημένη διέλευση αερίου μέσω της ζώνης αντίδρασης, προκαλώντας ομοιόμορφη επαφή των αντιδραστηρίων, εγκαθίσταται ένας διανομέας ροής. Αυτή είναι η συσκευή εισόδου 2. Στον αντιδραστήρα 2 στο Σχ. 4.4 ο διανομέας αερίου είναι φυσαλίδα, στον αντιδραστήρα 4 υπάρχει ψεκαστήρας.
Μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου στρώματος, τα δύο ρεύματα αναμειγνύονται σε έναν αναμικτήρα 3. Ένας εναλλάκτης θερμότητας 4 τοποθετείται μεταξύ του δεύτερου και του τρίτου στρώματος Αυτά τα δομικά στοιχεία έχουν σχεδιαστεί για να αλλάζουν τη σύνθεση και τη θερμοκρασία του ρεύματος μεταξύ των ζωνών αντίδρασης. Η ανταλλαγή θερμότητας με τη ζώνη αντίδρασης (απομάκρυνση της θερμότητας που απελευθερώνεται ως αποτέλεσμα εξώθερμων αντιδράσεων ή θέρμανση του αντιδρώντος μίγματος) πραγματοποιείται μέσω της επιφάνειας των ενσωματωμένων εναλλάκτη θερμότητας ή μέσω της εσωτερικής επιφάνειας του περιβλήματος του αντιδραστήρα (συσκευή 1 in Εικ. 4.4), ή μέσω των τοιχωμάτων των σωλήνων στους αντιδραστήρες 9, 10. Ο αντιδραστήρας μπορεί να εξοπλιστεί με συσκευές διαχωρισμού ροής. Τα προϊόντα αποφορτίζονται μέσω της συσκευής εξόδου 5.
Οι φυσικές διεργασίες λαμβάνουν χώρα σε εναλλάκτες θερμότητας και συσκευές εισόδου, εξόδου, ανάμειξης, διαχωρισμού και διανομής ροής. Οι χημικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται κυρίως σε ζώνες αντίδρασης, οι οποίες θα αποτελέσουν περαιτέρω αντικείμενο μελέτης. Η διαδικασία που λαμβάνει χώρα στη ζώνη αντίδρασης είναι ένα σύνολο μερικών σταδίων, τα οποία φαίνονται σχηματικά στο Σχ. 4.6 για καταλυτική και αλληλεπίδραση αερίου-υγρού.
Ρύζι. 4.6. Διάγραμμα ροής σε διαδικασίες καταλυτικής (α) και αερίου-υγρού (β).
Ρύζι. Το 4.6a αντιπροσωπεύει ένα διάγραμμα μιας διεργασίας αντίδρασης που περιλαμβάνει έναν καταλύτη, μέσα από ένα σταθερό στρώμα του οποίου διέρχεται μια γενική (με μεταφορά) ροή αερίων αντιδραστηρίων (1). Τα αντιδραστήρια διαχέονται στην επιφάνεια των κόκκων (2) και διεισδύουν στους πόρους του καταλύτη (3), στην εσωτερική επιφάνεια του οποίου γίνεται η αντίδραση (4).
Τα προκύπτοντα προϊόντα αντίδρασης απορρίπτονται πίσω στο ρεύμα. Η θερμότητα που απελευθερώνεται ως αποτέλεσμα του χημικού μετασχηματισμού μεταφέρεται μέσω του στρώματος (5) λόγω της θερμικής αγωγιμότητας και από το στρώμα μέσω του τοιχώματος στο ψυκτικό μέσο (6). Οι προκύπτουσες διαβαθμίσεις συγκέντρωσης και θερμοκρασίας προκαλούν πρόσθετες ροές θερμότητας και ύλης (7) στην κύρια μετακίνηση των αντιδρώντων στο στρώμα.
Στο Σχ. Το Σχήμα 4.6β δείχνει τη διαδικασία σε ένα στρώμα υγρού μέσα από το οποίο διέρχονται φυσαλίδες αερίου. Η ανταλλαγή μάζας των αντιδραστηρίων (2) λαμβάνει χώρα μεταξύ φυσαλίδων αερίου (1) και υγρού. Η δυναμική του ρευστού συνίσταται στην κίνηση γύρω από τις φυσαλίδες (3) και στην κυκλοφορία στην κλίμακα του στρώματος (4). Το πρώτο είναι παρόμοιο με την τυρβώδη διάχυση, το δεύτερο είναι παρόμοιο με την κυκλοφορούσα συναγωγική κίνηση του υγρού μέσω της ζώνης αντίδρασης. Σε ένα υγρό και, γενικά, σε ένα αέριο, συμβαίνει χημικός μετασχηματισμός (5).
Τα παραδείγματα που δίνονται δείχνουν τη σύνθετη δομή των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στη ζώνη αντίδρασης. Αν λάβουμε υπόψη τα πολλά σχήματα και τα σχέδια των υπαρχόντων αντιδραστήρων, η ποικιλία των διεργασιών σε αυτούς αυξάνεται πολλαπλάσια. Απαιτείται επιστημονική μέθοδος, που μας επιτρέπει να συστηματοποιήσουμε αυτή την ποικιλομορφία, να βρούμε κοινά στοιχεία σε αυτήν, να αναπτύξουμε ένα σύστημα ιδεών για τα πρότυπα των φαινομένων και τις συνδέσεις μεταξύ τους, δηλ. δημιουργήστε μια θεωρία χημικές διεργασίεςκαι αντιδραστήρες.