Основные определения процесса, классификация химических реакторов

Химический реактор – это аппарат, в котором осуществляются химические реакции с целью получения необходимых веществ в условиях технологического процесса [13]. Наиболее простой мерой скорости и глубины протекания реакционного процесса служит степень превращения и выход продукта, которые получают определением соотношения количеств исходных веществ и продуктов или же их концентраций в исходной и прореагировавшей газовой (жидкой) смеси.

Степень превращения определяют по основному исходному веществу. Основным исходным называют вещество, по которому идет расчет, как правило, это наиболее дорогое из веществ, присутствующее в исходной смеси [14]. Для модельной реакции

(а)

например, для окисления диоксида серы по реакции

основным исходным веществом будет , а дешевое – кислород воздуха присутствует в большом избытке.

Общую степень превращения определяют как отношение массы превратившегося вещества А ( ) к общей массе его в исходной смеси . включает массу вещества А превратившегося как в целевой продукт, так и в побочные (если они получаются):

.

Для газофазных процессов общую (действительную) степень превращения (конверсии) обычно определяют по замеренным в опыте объемным концентрациям исходного вещества на входе в реактор и на выходе из него с поправкой на изменение объема смеси вследствие реакции:

. (4.1)

Многие процессы органического синтеза являются многомаршрутными, т.е. протекают одновременно по нескольким параллельным и последовательным реакциям с получением побочных продуктов. Селективностью (избирательностью) процесса называют отношение количества основного исходного вещества, превратившегося в основной продукт, к общему количеству превратившегося вещества [14].

Выражая химические процессы, в которых кроме целевого продукта D получается один или несколько побочных продуктов N, балансовым уравнением

(б)

получаем выражение селективности

,

где – количество основного исходного вещества А, превратившегося в целевой продукт D; – количество A, превратившегося в побочные продукты.

Селективность можно определить также через степень превращения вещества А:

,

где – степень превращения вещества А в целевой продукт D.

.

Выходом продукта называют отношение количества полученного продукта к количеству, которое получилось бы при полном протекании реакции [14].

Общий выход продукта вычисляют как отношение количества полученного целевого продукта к максимально возможному при полном превращении исходного А в D по реакции (а) или (б)

.

Условия работы химических реакторов весьма разнообразны: от давления в несколько тысяч мегапаскалей до глубокого вакуума; от глубокого холода до нескольких тысяч градусов; от высоких до низких скоростей потоков вещества через реактор; при наличии нескольких фаз и сложного состава реакционных сред.

В реакторных устройствах при проведении собственно химического превращения осуществляются различные физические процессы (гидродинамические, тепловые, диффузионные и др.), с помощью которых создаются необходимые условия.

Для осуществления физических процессов в реакторных устройствах используются различные конструктивные элементы (мешалки, контактные устройства, теплообменники и др.). Так как сочетаний этих элементов и реакционных процессов может быть много, то и количество реакторных устройств также значительно. Наиболее рациональные признаки классификации химических реакторов следующие [15]:

– способ организации процесса;

– режим движения реакционной смеси;

– тепловой режим в реакторе;

– фазовый состав реакционной смеси;

– конструктивные характеристики реактора.

Способ организации процесса. В реакторе периодического действия рабочий цикл включает загрузку реагирующих веществ, проведение химического или физико-химического превраще­ния, выгрузку продуктов реакции или физико-химического пре­вращения, подготовку реактора к новому циклу. Производительность такого аппарата ниже производительности реактора непрерыв­ного действия.

В реакторе полунепрерывного действия одну из операций (подачу сырья или вывод готового продукта) проводят периоди­чески. Так, в некоторых случаях накопление целевого продукта отстает от всех предыдущих операций, и тогда целевой продукт выдают по мере его накопления, периодически. Если целевой продукт необходим непрерывно, его подают непрерывно, а сы­рье – периодически. Про­изводительность такого аппарата также ниже производительно­сти аппарата непрерывного действия, но степень превращения может быть выше, чем в аппарате непрерывного действия.

В реакторе непрерывного действия все операции по получе­нию целевого продукта (подача реагентов, химическое или фи­зико-химическое превращение, вывод получаемого продукта) выполняют одновременно. Затраты времени на загрузку, вы­грузку и подготовку аппарата к проведению реакции отсутству­ют. На крупнотоннажных химических производствах большая часть или все операции переработки сырья непрерывны.

Режим движения реакционной смеси. В зависимости от гидро­динамического режима реакторы подразделяют на реакторы смешения и реакторы вытеснения. В полной мере практически невозможно исключить в реакторах вытеснения некоторое сме­шение реагирующих компонентов по длине (высоте) реактора. В реакторах смешения также нельзя полностью исключить не­большие зоны неравенства концентраций. Поэтому модели та­ких реакторов принято называть реакторами идеального смеше­ния (РИС) и реакторами идеального вытеснения (РИВ). С вне­сением необходимых поправок модели РИС и РИВ можно ис­пользовать на практике.

Процесс смешения в РИС должен быть организован таким образом, чтобы в любой точке аппарата были абсолютно одина­ковые условия по концентрации реагентов, продуктов реакции, степени превращения, температуре, скорости химического или физико-химического превращения и т.д.

Тепловой режим в реакторе. Химические или физико-хими­ческие превращения, проводимые в реакторах, всегда происхо­дят с выделением или поглощением некоторого количества теп­ла. По этому признаку реакторы делят на изолированные от ок­ружающей среды – адиабатические, в которых все количество тепла, выделившееся в системе в результате реакции, остается в самой системе (за исключением небольших потерь), и изотер­мические, когда химическое или физико-химическое превраще­ние необходимо проводить при определенной (заданной) темпе­ратуре, и в реакторе должен быть организован теплообмен.

Возможен политропический (промежуточный) режим, когда температура в реакторе непостоянна. В реакторах такого типа часть тепла при необходимости подводят к реакционной смеси или, наоборот, отводят от реакционной смеси в зависимости от свойств системы.

Фазовый состав реакционной смеси. В зависимости от фазо­вого состава реакционной смеси различают аппараты для про­ведения гомогенных процессов для систем газовых, жидкостных и одного твердого тела; реакторы для гетерогенных процессов для систем газ – жидкость, газ – твердое тело, газ – жидкость – твер­дое тело, жидкость – жидкость (несмешивающиеся), жидкость – твердое тело, два твердых тела; для систем с числом фаз больше трех. К последним относятся и реакторы для гетерогенно-каталитических систем.

Конструктивные характеристики реактора. По конструкции реакторы могут быть разделены на [13]:

1) реакторы типа колонны (рис. 4.1 а);

2) реакторы типа теплообменника (рис. 4.1 б);

3) реакторы типа реакционной камеры (рис. 4.1 в);

4) реакторы типа печи (рис. 4.1 г).

Рис. 4.1. Реакторы: а – колонный, б – трубчатый, в – реакционная