8.5. Конструкции реакторов
В реакционной аппаратуре химические процессы сопровождаются протеканием разнообразных физических процессов (гидродинамических, тепловых, диффузионных и других). С их помощью создаются необходимые условия для протекания собственно химических реакций.
Для реализации физических процессов в реакторах применяют различные конструктивные элементы (мешалки, теплообменники, контактные устройства, распылители). Поскольку сочетаний этих устройств может быть велико, то и разнообразие реакционных устройств большое количество.
8.5.1. Требования к реакторным конструкциям
Требования к устройству конкретных реакторов вытекают из постулата максимальной эффективности проведения в них химических процессов. В первую очередь среди них следует выделить следующие требования:
– возможность размещения в реакторе необходимого количества катализатора максимальной активности;
– создание требуемой поверхности контакта взаимодействующих реагентов и катализатора, а также отдельных фаз для обеспечения максимально эффективного массобмена между ними;
– обеспечение необходимого гидродинамического режима движения реагентов и фаз;
– создание необходимого теплообмена при подводе или отводе тепла;
– наличие необходимого реакционного объема для обеспечения требуемой производительности;
– возможность поддержания необходимого режима процесса;
– обеспечение максимальной скорости протекания реакций.
8.5.2. Типизация реакторов
Все реакторы, применяемые в химическом производстве, относят к тому или иному типу в зависимости от следующих факторов:
– агрегатного состояния участников процесса в реакторной подсистеме;
– состояния катализатора – жидкий или твердый катализатор (в стационарном, псевдоожиженном, диспергированном состоянии);
– расположения поверхности теплообмена (внешнее, внутреннее);
– способа отвода тепла (через поверхность теплообмена, за счет испарения реагентов или продуктов реакций, за счет подачи хладагентов);
– способа диспергирования газа, жидкости и твердых частиц (реагентов, катализаторов и вспомогательных веществ);
– способа развития поверхности контакта фаз.
Анализ этих факторов во многом определяет выбор конструкции вспомогательных устройств (перемешивающих, теплообменных).
По конструктивному признаку реакторы делятся:
– на реакторы типа реакционной камеры;
– реакторы колонного типа;
– реакторы шахтного типа;
– реакторы теплообменного типа;
– реакторы типа печи.
8.5.3. Примеры конструкций реакторов
Типичный пример конструкции реактора идеального вытеснения с политермическим режимом для эндотермических процессов приведен на рисунке 8.12.
Такой тип реактора применяют в производстве синтез-газа конверсией метана с водяным паром по реакции (8.43):
СН4 + Н2О = СО + 3Н2 – 206 кДж/моль. (8.43)
Принцип действия реактора идеального вытеснения шахтного типа показан на рисунке 8.13. Он представляет собой емкость (шахту), в которой на решетке помещен твердый зернистый материал. Высота слоя зернистого материала обычно больше диаметра реактора. Через слой материала проходит газ, который вступает во взаимодействие с твердым материалом. Концентрация реагирующих веществ в таком реакторе понижается по высоте слоя по логарифмической зависимости.
Рис. 8.12. Реактор идеального вытеснения с политермическим режимом для эндотермического процесса с катализатором в трубках |
Рис. 8.13. Реактор идеального вытеснения шахтного типа для экзотермического процесса |
По такому принципу работают многие каталитические реакторы, например, в процессе обжига железного колчедана или в процессе парокислородной конверсии метана по реакциям (8.44, 8.45):
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 + 3420 кДж/моль, (8.44)
2CH4 + O2 = 2CO + 4H2 + 35 кДж/моль. (8.43)
В экзотермических процессах температурный режим реактора близок к адиабатическому. Похожим образом работают насадочные колонны абсорбции газов жидкостями и десорбции газов из жидкостей.
Конверсия протекает на катализаторе, помещенном в трубках, а в межтрубном пространстве сжигается топливный газ для компенсации эндотермического эффекта реакции.
Реактор полного смешения характеризуется тем, что любой элементарный объем газа или жидкости, поступивший в реактор, мгновенно смешивается с содержимым реактора, так как в турбулентном потоке скорость циркуляционных движений по высоте и сечению реактора во много раз больше, чем скорость линейного движения по оси реактора. Концентрация всех веществ и степень превращения во всем объеме такого реактора одинакова и равна конечной.
Достаточное приближение к полному смешению достигается в реакторах с перемешивающими устройствами в жидкой фазе, а также в суспензиях твердых веществ в жидкостях. Такого типа реакторы широко применяются в нефтехимической, химической, пищевой промышленности.
Конструкции реакторов представлены на рисунках 8.15 – 8.18.
Рис. 8.14. Реакторы для жидких сред
На рисунке 8.14 обозначено:
а – насадочная колонна (режим вытеснения);
б – барботажная колонна с колпачковыми тарелками (режим вытеснения);
в – барботажная колонна с сетчатыми тарелками (режим вытеснения);
г – распределительная колонна (режим вытеснения);
д – реактор идеального смешения (одностадийный контакт фаз);
е – каскад реакторов смешения, противоточная схема.
Рис. 8.15. Конструкции контактных аппаратов
На рисунке 8.15 обозначено:
а – аппарат с одним неподвижным слоем катализатора;
б – аппарат с катализаторной сеткой;
в – полочный аппарат с промежуточным охлаждением реагентов посторонним хладоагентом во внутренних теплообменниках;
г – полочный аппарат с промежуточным охлаждением реагентов холодной исходной газовой смесью, поступающей на катализ;
д – полочный аппарат с промежуточным охлаждением во внешних теплообменниках;
е – полочный аппарат с вводом холодных реагентов между ступенями процесса;
ж – трубчатый аппарат с охлаждением посторонним хладоагентом;
з – трубчатый аппарат с охлаждением реагентов холодной исходной газовой смесью;
и – трубчатый аппарат с двойными теплообменными трубами.
Рис. 8.16. Реакторы для гомогенных систем
На рисунке 8.16 обозначено:
а – кубовый реактор непрерывного действия с перемешиванием;
б – реактор полупериодического действия с перемешиванием;
в – реактор периодического действия с перемешиванием;
г – каскад кубовых реакторов непрерывного действия;
д – каскад кубовых реакторов непрерывного действия с распределением сырья;
е – трубчатый реактор непрерывного действия;
ж – трубчатый реактор непрерывного действия с предварительным смешением сырьевых потоков;
з – трубчатый реактор непрерывного действия с поперечным распределением сырья;
и – охлаждаемый однотрубный реактор;
к – многотрубный реактор с теплообменом.
Рис. 8.17. Реакторы для гетерогенных систем
На рисунке 8.17 обозначено:
а – противоточный аппарат, работающий в режиме вытеснения;
б – аппарат с параллельным током, работающий в режиме вытеснения;
в – аппарат с перекрёстным током, работающий в режиме вытеснения;
г – аппарат со смешанной организацией потока, работающий в режиме вытеснения;
д – полупериодический реактор (газ в режиме вытеснения);
е – реактор для превращения твёрдого вещества в потоке газа (твёрдая фаза – в режиме смешения, газ – в промежуточном режиме);
ж – аппарат с псевдоожиженным слоем (твёрдая фаза – в режиме смешения, газ – в промежуточном режиме).
Контрольные вопросы
1. Дайте определение химического реактора. Приведите основные требова-ния к реакторам.
2. Приведите классификацию химических реакторов. Какие принципы положены в основу классификации химических реакторов?
3. Сравните графики изменений во времени основных параметров химических процессов в реакторах периодического и непрерывного действия.
4. Назовите особенности адиабатических реакторов. Изобразите графики температурных режимов адиабатических реакторов для эндотермических и экзотермических процессов.
5. Приведите особенности изо- и политермических реакторов.
6. Сформулируйте допущения модели реактора идеального смешения.
7. Почему при составлении балансовых уравнений для РИС в качестве элементарного объема может быть принят полный объем реактора?
8. Выведите уравнение материального баланса для стационарного проточного реактора идеального смешения.
9. Какова разница между действительным и средним временем пребывания реагентов в проточном реакторе? Для какого типа реакторов действительное и среднее время пребывания совпадают?
10. Сформулируйте допущения модели идеального вытеснения.
11. Составьте уравнение материального баланса для стационарного проточного реактора идеального вытеснения в дифференциальной форме.
12. Назовите основную причину, почему для достижения одинаковой степени превращения при равных условиях проведения реакции в проточном РИС требуется большее время пребывания реакционной массы по сравнению с проточным РИВ.
13. Сделайте анализ достоинств и недостатков реакторов идеального смешения и идеального вытеснения.
14. Сравните графики изменений по фронту реактора основных характеристик для реакторов типа РИС и РИВ.
15. Как изменяется движущая сила процесса в реакторах типа РИС и РИВ?
16. Приведите примеры процессов в реакторах типа РИС и РИВ.
17. Назовите типы реакторов по конструктивным элементам.