8. Химические реакторы

8.1. Принципы классификации химических реакторов

В основу классификации химических реакторов положены три принципа: организационно-техническая структура операций, осуществляемых в реакторе, характер теплового режима и режима движения компонентов.

По организационно-технической структуре операций реакторы делят на реакторы периодического и непрерывного действия.

Для реакторов периодического действия характерно падение движущей силы процесса во времени вследствие уменьшения концентрации реагентов в ходе процесса. Это приводит к тому, что режим работы реакторов периодического действия нестационарен во времени и требует изменения параметров процесса (температуры, давления) для компенсации этого падения и поддержания скорости процесса на заданном уровне (рисунок 8.1).

Рис. 8.1. Режим работы реактора периодического действия:

c_A,0, c_A, – концентрации реагента А начальная и в момент ;

Т, р – температура и давление в реакторе

Для реакторов непрерывного действия характерно постоянство движущей силы процесса во времени вследствие постоянства концентраций реагентов в ходе процесса. Поэтому режим работы таких реакторов стационарен во времени и не требует корректировки параметров процесса (рисунок 8.2).

В общем виде производительность реактора рассчитывают по формуле (8.1):

, (8.1)

где т – масса продукта, полученного за время цикла работы реактора,

_р, _з, _в – время химического процесса, загрузки компонентов и выгрузки продуктов, соответственно.

Рис. 8.2. Режим работы реактора непрерывного действия

Так как в непрерывном процессе время загрузки и время выгрузки равно нулю, то производительность реакторов непрерывного действия выше, чем реакторов периодического действия при прочих равных условиях.

Реакторы классифицируют также по температурному режиму и степени перемешивания. По температуре процесса их делят на высокотемпературные и низкотемпературные, по давлению – на реакторы, работающие при высоком, повышенном, нормальном и низком (под вакуумом) давлении. По типу процесса различают гомогенные и гетерогенные реакторы.

По температурному режиму реакторы и проводимые в них процессы разделяют на адиабатические, изотермические и политермические.

Адиабатические реакторы с хорошей теплоизоляцией при спокойном (без перемешивания) течении потока реагентов не имеют теплообмена с окружающей средой. При этом все тепло экзотермической реакции аккумулируется потоком реагирующих веществ. Температурный режим в любой точке по фронту реактора описывается уравнением:

, (8.2)

где: T_к, T_н – конечная и начальная температуры системы;

Q_р – тепловой эффект процесса при полном переходе основного компонента из одного состояния в другое;

G – масса реакционной смеси;

с – средняя теплоемкость смеси в интервале температур Т_н – Т_к;

х – степень превращения.

Если обозначить , то уравнение (8.2) становится линейным и его можно записать следующим образом:

. (8.3)

Знак «+» соответствует экзотермической реакции, знак «–» – эндотермической;  представляет собой тангенс угла наклона графика зависимости температуры от степени превращения сырья, изображенного на рисунке 8.3.

Рис.8.3. Изменение температурного режима

по фронту адиабатического реактора:

а) экзотермическая реакция; б) эндотермическая реакция

По времени контакта реагентов, которое пропорционально габаритам реактора, степень превращения и температура в адиабатическом реакторе изменяются также по сложным кривым (рисунок 8.4, 8.5).

Изотермические реакторы имеют постоянную температуру во всех точках реакционного объема во времени и в пространстве в соответствии с графиком 1 на рисунке 8.5. Изотермический режим более выгоден для производства и облегчает автоматизацию технологического процесса в реакторе по сравнению с адиабатическим.

Изотермический режим может быть достигнут в реакторах с мешалкой или в кипящем слое. В таких реакторах гидродинамический режим обеспечивает приближение к полному перемешиванию с продуктами реакции и инертными компонентами. При этом температура в экзотермических реакторах повышается, а в эндотермических понижается до конечной сразу после поступления исходных веществ в реакционное пространство. Можно приблизиться к изотермическому режиму путем подвода тепла для компенсации эндотермического эффекта или отвода тепла в экзотермическом процессе.

Рис. 8.4. Изменение степени превращения x и температуры Т по высоте Н (длине L) адиабатического реактора

Рис. 8.5. Температурная характеристика изотермического (1) и политермического реакторов (2)

Политермические реакторы характеризуются частичной компенсацией тепла реакции путем отвода (подвода) теплоты. К политермическим относят реакторы с малой степенью смешения реагирующих веществ и со встроенными внутрь реакционного объема теплообменниками (например, трубчатые контактные аппараты). Температура по высоте (длине) реактора изменяется по характерной кривой (рисунок 8.5).