Тема 7. Химический реактор

Химический реактор – основной аппарат химического производства. Основные показатели работы реактора. Классификация реакторов по фазовому составу реакционной смеси. Реакторы периодического и непрерывного действия. Реакторы идеального смешения (периодического и непрерывного действия) и вытеснения. Адиабатический, изотермический и автотермический режимы работы.

Химический реактор – это центральный аппарат в любом химико-технологическом процессе, включающем целый ряд машин и аппаратов, соединённых между собой различными связями.

Основные показатели работы:

1)Производительность (П) и интенсивность (J) работы: П=G/τ (кг/ч), G – количество вырабатываемого продукта за время (τ); J=П/V=G/(V*τ), J=V_n/(V*τ), J=П/F=G/(F*τ), J= V_n/(F*τ), где V-объём аппарата, V_n-полезный объём, F-площадь сечения.

2)Выход продукта и наибольшая селективность продукта. Она обеспечивается оптимальными параметрами режима: температурой, давлением, концентрацией исходных веществ и продуктов реакции, эффективное использование катализатора.

3)Энергетические затраты на перемешивание и транспортировку материалов через реактор, использование тепла.

4)Управляемость, устойчивость режима и безопасность работы.

5)Стоимость изготовления реактора и его ремонта.

Перечисленные показатели и требования к реактору взаимосвязаны и в значительной степени противоречивы.

Классификация реакторов по фазовому составу реакционной смеси:

I. Реакторы для гомогенных процессов следующих типов: 1)камерные реакторы с эжекторными смесителями, 2)камерный реактор с центробежным перемешиванием, 3)трубчатый реактор, 4)реакторы типа “труба в трубе”, 5)автоклавы периодического действия.

II. Реакторы для гетерогенных процессов в системе Г-Ж следующих типов: 1)колонные, 2)барботажные, тарельчатые, 3)с разбрызгиванием жидкости, 4)с распылением жидкости, 5)пенные реакторы, 6)трубчатые реакторы.

III. Реакторы для гетерогенных процессов в системе Г-Т (газ-твёрдое тело) следующих типов: 1)шахтные (доменная, коксовая), 2)полочные, 3)с распылением твёрдого материала, 4)кипящего (взвешенного) слоя, 5)барабанные, вращающиеся 6)туннельные (вращающиеся), 7)камерные, 8)циклонные, 9)ванные, 10)трубчатые, 11)электрические.

IV. Реакторы для процессов в системе Ж-Т (жидкость-твёрдое тело): 1)с фильтрующим слоем твёрдого тела, 2)со взвешенным слоем твёрдого тела, 3)с перемешивающими устройствами (механическими, пневматическими), 4)шнековые, 5)с перемешиванием на полках, 6)с барабанным перемешиванием.

V. Реакторы для каталитических процессов по фазовому составу делятся на 4 класса: 1) Реагирующая среда – газ; катализатор – твёрдое тело: различного типа контактные аппараты – трубы, сетки, выполненные из катализатора; с фильтрующим слоем катализатора, со взвешенным слоем катализатора, с потоком взвеси катализатора в жидкости; с движущимся катализатором. 2) Реагирующая среда – жидкость, катализатор – твёрдый; различные аппараты с неподвижным катализатором, со взвешенным слоем катализатора, с потоком взвеси катализатора в жидкости, аппараты с мешалками. 3) Реагирующие вещества – газы и жидкости; катализатор – жидкость или взвесь твёрдого тела в жидкости; колонны с насадкой, барботажные колонны, реакторы с мешалками. 4) Реагирующие вещества – несмешивающиеся жидкости, катализатор – жидкость: реакторы с мешалками.

Различают реакторы периодического и непрерывного действия. В периодический реактор все реагенты вводят до начала реакции, а все продукты выводят из него только после окончания процесса. В реакторе непрерывного действия все реагенты поступают непрерывным потоком, а на выходе непрерывно выгружаются продукты реакции.

Реактор с идеальной структурной потока. Рассмотрим сначала реактор, находящийся на нижнем иерархическом уровне, то есть наиболее простые. Пусть будет изотермический режим, то есть (dT=0) – отсутствует движущая сила теплообмена. Для дальнейшего упрощения математической модели можно выделить в самостоятельную группу реакторы с идеальной структурой потока – идеального смешения и идеального вытеснения.

Реактор идеального смешения. Принимается ряд допущений: в результате интенсивного перемешивания устанавливаются абсолютно одинаковые условия в любой точке реактора: концентрации реагентов и продуктов, степени превращения реагентов, температура, скорость химической реакции.

Реакторы идеального перемешивания могут быть периодического (1) и непрерывного (2) действия. В случае (1) полное время одного цикла (τ_∑) состоит из основного (τ_Х.Р) и вспомогательного (τ_ВСП) (которое включает время загрузки и выгрузки): τ_∑=τ_Х.Р+τ_ВСП. Наличие τ_ВСП приводит к снижению производительности химического реактора и является существенным недостатком периодических процессов вообще. Другие их недостатки – большие затраты ручного труда, сложность решения задач автоматизации. Их применяют в производстве реактивов, органических красителей, лекарственных препаратов, то есть там, где для достаточной глубины превращения требуется сравнительно длительное время, а объёмы производства невелики.

1 – входной поток; 2 – выходной поток; 3 – теплоноситель. Например, во всех точках реактора выполняются следующие условия: CJ(x1, y1, z1, τi)= CJ(x2, y2, z2, τi)=…= CJ(xN, yN, zN, τi). Производные от CJ по координатам равны нулю. В таком реакторе переход от одной концентрации к другой должен происходить мгновенно (во входном – CJ,0, в выходном – CJ. Такое возможно при интенсивном перемешивании в аппарате с приблизительно равным диаметром и высотой.

При необходимости получения высокой производительности продукта одинакового качества используют реакторы непрерывного действия с установившемся режимом.

Химические реакторы непрерывного действия по режиму движения делятся на реакторы идеального вытеснения (РИВ), реакторы идеального смешения (РИС) и промежуточного типа (РПТ).

Реакторами идеального вытеснения называются реакторы непрерывного действия, в которых осуществляются ламинарный гидродинамический режим. В них поток реагентов движется в одном направлении по длине реактора без перемешивания (то есть обратного или поперечного перемещения). Каждый элемент потока движется через канал как твёрдый поршень, вытесняя предыдущие элементы потока. Перемешивание реагентов происходит внутри каждого элемента потока, а между соседними элементами – нет. В РИВ – реакторах параметры, движущая сила процесса и скорость процесса изменяются по длине реактора.

Объединение реакторов ИС и реакторов ИВ получило в каскаде реакторов идеального смешения:

продукт, побочные компоненты

Реакционная смесь последовательно проходит через все секции. В каждой секции каскада выполняется условие реактора идеального смешивания, то есть мгновенное изменение параметров процесса, равенство параметров во всех точках секции и в потоке, выходящем из неё, отсутствие обратного влияния.

Изменение концентрации реагента в единоличном реакторе идеального смешения (1), реакторе идеального вытеснения (2) и каскаде реакторов идеального смешивания (3).

Эффективность работы химического реактора во многом зависит от теплового режима, влияющего на кинетику, состояние равновесия и селективность процесса, протекающего в реакторе. По тепловому режиму реакторы делятся на:

- Реакторы с адиабатическим режимом, в котором осуществляется теплообмен с окружающей средой и тепловой эффект химической реакции полностью затрагивается на изменение температуры реакционной смеси в реакторе.

- Реакторы с изотермическим режимом, для которых характерно постоянство температуры в реакторе, что обеспечивается подводом или отводом тепла из реактора.

- Реакторы с политропическим (или автотермическим) режимом, характеризующимся подводом или отводом тепла из реактора при изменяющейся температуре реагентов в нём; за счёт этого в реакторе устанавливается заданный тепловой режим и достаточная автотермичность процесса; реакторы этого типа более распространены в химическом производстве.

Дата добавления: 2015-06-04