29.Реакторы для системы жидкость - жидкость
Реакторы для проведения гомогенных реакций в жидкой фазе. В зависимости от условий, необходимых для развития реакции, химические процессы в гомогенной жидкой фазе могут быть проведены в реакторах периодического, полупериодического и непрерывного действия.
В малотоннажных производствах обычно применяют периодические реакторы, т.к. условия, в которых происходят реакции, могут легко поддерживаться путем периодического или постоянного контроля рабочего давления, температуры, концентрации и других параметров.
1 - смеситель; 2 - трубопровод; 3 - кольца Рашига; 4 - центральная керамическая труба; 5 - стальной цилиндр; 6 - реакционная камера; 7 - гильза для пирометра; 8 - топка.
Рисунок 182 - Реактор для хлорирования метана.
В случае мощных экзотермических реакций процесс чаще всего проводят полупериодически (один реагент непрерывно, другой периодически). Полупериодические реакторы в конструктивном отношении аналогичны реакторам непрерывного действия и отличаются от них только методикой проведения операции.
Реакторы непрерывного действия применяют в крупнотоннажных промышленных процессах при больших скоростях и теплотах реакций.
Расчетные зависимости для реакторов гомогенной системы жидкость-жидкость аналогичны ранее рассмотренным для реакторов идеального смешения периодического и непрерывного действия.
Для реакторов полунепрерывного действия расчетные уравнения в общем достаточно сложны, т.к. здесь возникают дополнительны к происходящим в ходе самой реакции изменения состава и объема реакционной смеси. Поэтому скорость не будет постоянна, вследствие чего кинетическое уравнение нельзя проинтегрировать аналитически.
Характеристическое уравнение для изотермического реактора полупериодического действия имеет вид
,
(12.27)
где
М - молекулярная масса реагента, по
которому рассчитывается скорость
реакции;
-
конечная концентрация этого реагента;
-
массовые доли того же реагента в питании
и продуктах реакции;
-
массовые расходы питания и продуктов
реакции; Vr
- объем реакционной смеси.
Это
уравнение нельзя проинтегрировать
аналитически т.е. величины
могут
изменяться во времени.
Если
сохраняется постоянной одна из
перечисленных переменных, то интерирование
становится возможным. Для реакции
первого порядка, когда расход питания,
Т, оС
и плотность сохраняются постоянными
уравнение может быть решено аналитически.
Так как расход постоянен, то можно
предположить, что
и
уравнение запишется следующим образом:
,
(12.28)
где
-
начальная концентрация компонента, по
которому рассчитывается скорость
реакции;
-
объемный расход питания.
Перепишем уравнение (11.28) в следующем виде:
,
(12.29)
где
-
время пребывания реагентов в реакторе;
-
константа скорости химической реакции
первого порядка.
Реакторы непрерывного действия с полным вытеснением для системы жидкость-жидкость применяются реже, чем реакторы с перемешиванием, т.к. молекулярная диффузия в жидкой фазе протекает медленно и для гомогенизации реагентов необходимо перемешивание.
Ввиду того, что степень превращения в реакторах с перемешиванием меньше, чем с полным вытеснением процесс проводят в батарее реакторов идеального смешения.
Реакторы для проведения реакции в гомогенной жидкой фазе можно классифицировать, взяв в качестве критерия вязкость среды.
Реакторы с перемешиванием для проведения реакций в жидкой среде
С незначительной вязкостью (рисунок 183). Реакторы такого типа широко распространены в промышленности органической и неорганической химии.
Со средней вязкостью (рисунок 184). Полимеризация бутадиена происходит в жидкой фазе (в качестве растворителя используется бензин). Вязкость вначале равна вязкости бензина, затем возрастает.
Процесс необходимо проводить при постоянной температуре, поэтому используется реактор с мешалкой, позволяющий поддерживать постоянную температуру во всей реакционной массе. Эффективное перемешивание приводит и высокому коэффициенту теплопередачи через стенки реактора.
|
|
1 - корпус; 2 - мешалка; 3 - рубашка. Рисунок 183 - Реактор для гомогенной системы Ж-Ж с незначительной вязкостью |
1 - спираль большого диаметра; 2 - спираль малого диаметра; 3 - рубашка. Рисунок 184 - Реактор полимеризации для системы со средней вязкостью |
С увеличением вязкости простое перемешивание не может создать турбулентные потоки и поэтому необходимо разделить реакционную массу на небольшие объемы, которые перемещались бы к стенкам реактора, охлаждались и затем перемешивались. Отношение высоты к диаметру реактора равно 2, что позволяет иметь значительную поверхность теплообмена на единицу объема реактора.
Реакторы с повышенной вязкостью. В некоторых реакциях полимеризации растворы полимеров достигают вязкости 3000 Пз.
Реакторы (рисунок 185) для таких процессов должны иметь специальные мешалки, ось которых могла бы выдержать большие механические нагрузки. Типичный реактор для проведения гомогенных реакций в среде с повышенной вязкостью имеем для получения феноло-формальдегидных смол.