4.1. Класифікація хімічних реакторів

За конструкцією хімічні реактори дуже різні. Однак для всіх реакторів є загальні характеристики їх функціонування. До них належать:

• спосіб підведення реагентів і відведення продуктів реакції;

• режим руху і перемішування реагентів у реакторі;

• умови теплообміну і температурний режим в апараті;

• фазовий склад реагентів і продуктів реакції.

До найбільш важливих характеристик будь-якого реактора належать перші три характеристики.

Спосіб підведення і відведення реагентів може здійснюватися періодично, безперервно або напівбезперервно (напівперіодично). Відповідно ХР поділяють на:

• реактори періодичної дії;

• реактори безперервної дії (проточні);

• реактори напівбезперервної дії.

Реактори періодичної дії. У таких реакторах реагенти завантажують на початку операції. Після певного часу, необхідного для досягнення заданого ступеня перетворення, апарат розвантажують. Основні параметри процесу: концентрація реагентів і продуктів реакції, температура, тиск і т. ін. – змінюються у часі. Середню швидкість процесу можна визначити через продуктивність реактора. Реальна швидкість сильно і нелінійно змінюється протягом роботи реактора, по-перше, внаслідок зменшення концентрації вихідних реагентів (за логарифмічним законом) і по-друге, внаслідок неізотермічності процесу (підвищення температури на початку процесу і пониження у кінці). Реактори періодичної дії працюють, як правило, при сильному перемішуванні реагентів, близькому до повного змішування і, відповідно, при однаковій температурі у всьому реакційному об'ємі.

Реактори безперервної дії (проточні) працюють при постійній подачі реагентів і виведенні продуктів реакції. Важливою характеристикою цих реакторів є об'ємна швидкість v, яку можна визначати як відношення об'єму речовини V_р, яка надходить за час  до корисного реакційного об'єму V:

.

Таким чином, об'ємна швидкість характеризує продуктивність безперервно діючого апарата (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Залежність виходу продукту X, опору апарата Р і його інтенсивності I від об'ємної швидкості v

Зі зростанням об'ємної швидкості продуктивність (інтенсивність) реактора підвищується, однак при цьому спадає ступінь перетворення (вихід продукту) і зростає опір руху реагентів через апарат. Тому об'ємну швидкість доцільно збільшувати до якогось певного значення, зумовленого економічними показниками.

Реактори напівбезперервної дії характерні тим, що сировина надходить в апарат безперервно або певними порціями через однакові проміжки часу, а продукти реакції виводяться періодично. Можливе і безперервне виведення продуктів реакції при періодичній подачі сировини. Такі реактори працюють у перехідному режимі, основні параметри процесу змінюються у часі.

4.2. Режим руху і перемішування реагентів

Розрізняють два види перемішування реагентів у потоці, який проходить через реактор – поздовжнє (основне) і радіальне. За режимом руху і перемішування реагентів розрізняють два типи реакторів безперервної дії: ідеального витіснення і ідеального змішування.

Рис. 4.2. Зміна концентрації реагентів (а), ступеня перетворення (б) і швидкості реакції (в) в реакторі ідеального витіснення

Реактор ідеального і витіснення характеризується тим, що реагенти послідовно шар за шаром без перемішування ламінарним потоком проходять весь реакційний шлях, який визначаєтеся довжиною (висотою) апарата. У реакторі ідеального витіснення перемішування немає. По довжині (висоті) реактора зменшується концентрація реагентів (С) і швидкість реакції (U), а вихід продукту збільшується (рис. 4.2).

Рис. 4.3. Реактор ідеального витіснення – контактний апарат для ендотермічних реакцій з каталізатором у трубках	Рис. 4.4. Реактор ідеального витіснення – порожниста окислювальна колона з перегородками

Прикладами апаратів ідеального витіснення можуть бути контактні апарати з каталізатором у трубах (рис. 4.3), шахтні печі, плівкові абсорбери, пустотілі реактори для гомогенних процесів у газовій фазі, зокрема колони для окиснення NO в NО₂ (рис. 4.4), також колони з насадками і зрошуванням рідиною, коли висота колони велика (10-20 м), швидкість газу невелика і густина зрошування (витрата рідини на одиницю площі перерізу колони) теж невелика.

Реактори повного змішування характеризуються тим, що частинки реагента (йон, молекула, частинка твердої речовини) завдяки інтенсивному перемішуванню миттєво і рівномірно розподіляються в об'ємі реактора. У реакторах повного змішування будь-який елементарний об'єм миттєво змішується з реакційним вмістом реактора, оскільки швидкість циркуляційних потоків по висоті і поперечному перерізу апарата багато разів більша від лінійної швидкості переміщення по осі реактора. Фізичною моделлю реактора повного змішування може служити змішувач з пропелерною мішалкою, або іншою інтенсивною мішалкою (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Реактор повного змішування – змішувач з пропелерною мішалкою	Рис. 4.6. Зміна концентрації (а), ступеня перетворення (б) і швидкості перетворення (в) у реакторі повного перемішування

Зміна концентрації реагентів, ступеня перетворення і швидкості перетворення по об'єму реактора повного перемішування описуються залежностями, показаними на рис. 4.6, характер яких повністю відповідає фізичній моделі реактора.

За типом реакторів повного змішування у системі Г–Р, Р – Т, Г–Р – Т працюють змішувачі з механічними (рис. 4.5), пневматичними і струменевими змішувальними пристроями, пінні апарати і реактори з розбризкуванням рідини за рахунок кінетичної енергії потоку газу (зокрема, абсорбери Вентурі, рис. 4.7).

Збільшення кількості обертів п змішувального пристрою (або швидкості потоку газу і рідини) забезпечує, з одного боку, найбільше наближення апарата до реактора повного змішування, а з другого – до росту швидкості процесу до певної границі (рис. 4.8), після досягнення якої швидкість перетворення u може зменшуватися.

Рис. 4.7. Реактор повного змішування – абсорбер Вентурі: 1 – сопло; 2 – горло­вина; 3 – камера змішування; 4 – камера розділення	Рис. 4.8. Залежність швидкості процесу U від кількості обертів мішалки n у реак­торі розділення повного змішування

В системі Г–Т до типу повного змішування наближений режим апаратів з киплячим шаром (КШ) зернистого матеріалу, особливо апаратів з мішалками (рис. 4.9), близький до режиму повного змішування апаратів циклічного типу, які застосовуються для спалювання сірки і обпалювання сульфідних руд.

Рис. 4.9. Реактор повного змішування – апарат КШ з мішалкою

Рис. 4.10. Каскад реакторів змішування: а – принципова схема; б – зміна концентрації вихідної речовини по ступенях каскаду (1) і середня (2)

Каскад реакторів повного змішування. Їх використовують для досягнення високого виходу продукту, оскільки в одному реакторі при великих ступенях перетворення рушійна сила процесу наближається до нуля і його швидкість виявляється дуже низькою. У каскаді реакторів повного змішування з порівняно невеликим ступенем перетворення у кожному ступені (рис. 4.10) склад реакційної суміші змінюється при переході з одного апарата в другий. Розрахунок каскаду реакторів здійснюється шляхом сумування всіх змін, які відбуваються у кожному ступені каскаду.

При кількості реакторів більше 4 зміна рушійної сили процесу у каскаді реакторів змішування наближається до режиму ідеального витіснення.

За температурним режимом реактори поділяються на: адіабатичні; ізотермічні; політермічні.

Адіабатичні реактори – ті, які не мають теплообміну з навколишнім середовищем, тобто мають добру теплоізоляцію. Вся теплота реакції акумулюється потоком реагуючих речовин.

Ізотермічні реактори – ті, які мають постійну температуру у всіх точках реакційного об'єму, тобто t_к = t_cep. у часі і просторі. Способи досягнення ізотермічності:

• за допомогою теплообмінників, розміщених у реакційному об'ємі (для підведення теплоти в ендотермічних реакціях і відведення теплоти в екзотермічних реакціях);

• теплообміну через стінку реактора (реактор з подвійною стінкою);

• введенням у реакційну зону холодного або нагрітого потоку реагенту;

• за допомогою інтенсивного перемішування реагентів в апараті з мішалкою і у реакторах з киплячим шаром.

Ізотермічний режим спостерігається у реакторах з малою концентрацією вихідних речовин і у реакціях з малим тепловим ефектом. В окремих випадках ізотермічність у реакторі досягається за рахунок теплової рівноваги екзо- і ендотермічної реакції випаровуванням розчинника (води).

Політермічні реактори – в яких теплота реакції тільки частково компенсується за рахунок відведення (підведення) теплоти. До політермічних апаратів належать реактори з малим ступенем змішування речовин і теплообмінниками, розміщеними всередині реакційного об'єму, наприклад трубчасті контактні апарати. Температура по висоті Н таких апаратів при здійсненні екзотермічних процесів змінюється по характерній кривій (рис. 4.11). Політермічність можна забезпечити, використовуючи каскад реакторів (КРІЗ або КРІВ), у кожному з яких можна встановлювати задану температуру. Приклад політермічного каскаду реакторів ідеального витіснення наведено на рис. 4.12.

Рис. 4.11. Зміна температури залежно від висоти (Н) політермічного реактора

Рис. 4.12. Політермічний каскад реакторів ідеального витіснення

Питання до розділу 4

1. Що називають хімічним реактором?

2. Основні вимоги до хімічних реакторів.

3. Навести загальні характеристики функціонування хімічних реакторів.

4. Які є типи реакторів? Навести характеристику кожного з них.

5. Як класифікують реактори за режимом руху і перемішування реагентів?

6. Навести приклад реактора ідеального витіснення.

7. Дати характеристику реактора повного змішування.

8. Для чого використовують каскад реакторів повного перемішування?

9. Як поділяють реактори за температурним режимом? Навести їх характеристику.

Розділ 5. ГОМОГЕННІ ХІМІКО- ТЕХНО­ЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ І РЕАКТОРИ

Гомогенними називають хімічні процеси, які проходять в однорідному, тобто у рідкому або газоподібному середовищі.

Гетерогенними називають ХТП, в яких реагенти знаходяться у різних фазах і реакція відбувається на поверхні розділу фаз.