Модель химического процесса на уровне реактора
Реактор является самой важной и одной из наиболее трудноисследуемых подсистем химического производства. При выборе способа промышленного осуществления химического процесса должны быть учтены не только интенсивность и селективность протекания химического превращения, но и энергетические, экономические и эксплуатационные показатели процесса. Поэтому полный анализ и выбор реального оптимального варианта осуществления химического процесса в промышленном масштабе возможен лишь при использовании модели процесса на уровне реактора, наиболее полно учитывающей параметры, влияющие на результаты химического процесса.
Выбор типа реактора.
При выборе типа промышленного реактора приходится учитывать следующие технологические и экономические особенности сравниваемых вариантов.
Одной из важнейших характеристик реакционных устройств является интенсивность (удельная производительность), непосредственно связанная с кинетикой химического процесса и типа реактора. Многотоннажные химические процессы целесообразно проводить в непрерывно действующих реакторах, характеризующихся большой интенсивностью. В реакторах периодического действия ко времени химического процесса добавляется время, затрачиваемое на вспомогательные операции: загрузку, выгрузку, охлаждение и нагревание потоков, что делает их менее интенсивными. Поэтому их применение оправдано лишь при проведении процессов, протекающих медленно (время реакции 3- ч и более) и в малом объеме, когда доля дополнительного времени менее значима и интенсивность периодического реактора приближается к интенсивности непрерывного, а также при частой смене выпускаемой продукции.
При равной степени превращения сырья интенсивность реактора вытеснения выше, чем реактора смешения. Для химических процессов, где желательно сочетать высокую степень превращения с высокой интенсивностью процесса, предпочтительно применение реактора вытеснения. В органической технологии область применения реакторов вытеснения ограничивается сравнительно быстрыми реакциями со временем контакта не более 1-2 мин. В противном случае, чрезмерно возрастает длина труб реактора и их гидравлическое сопротивление и при снижении линейной скорости поток перестает быть турбулентным.
Реакторы смешения целесообразны для проведения гетерофазных процессов, когда необходимо снять диффузионное торможение путем ускорения межфазного обмена. Они также имеют преимущество при проведении очень быстрых и сильно экзотермических процессов. В этих процессах, при проведении в реакторах вытеснения, из-за высокой концентрации реагентов у входа выделяется слишком много теплоты. В результате из-за трудности отвода тепла возможен сильный местный перегрев реакционной смеси и даже взрыв, например, при хлорировании, окислении или нитровании органических веществ. В реакторе смешения происходит на входе быстрое разбавление реагентов реакционной смесью и процесс протекает при относительно низкой их концентрации и с меньшим экзотермическим эффектом во всех точках реакционного объема. В этом случае интенсивное перемешивание способствует также ускорению теплосъема.
Тип реактора оказывает большое влияние на селективность процесса и на количество получаемого продукта, особенно при синтезе высокомолекулярных соединений полимеризацией или поликонденсацией, когда протекает большое число последовательных и параллельных реакций различного порядка. В этих случаях на количество получаемого продукта решающее влияние оказывает постоянство условий процесса во времени и пространстве реакционного объема. Такие условия трудно создать в реакторе вытеснения, и реакторы смешения оказываются незаменимыми. Реактор смешения оказывается предпочтительным также для таких процессов, у которых кривая зависимости «степень превращения-селективность» имеет восходящий характер, т.е. с увеличением глубины превращения растет селективность.
При необходимости проведения медленных процессов с интенсивным тепло- и массообменном применяют секционирование или каскад реакторов с перемешиванием. Широко используется секционирование реакционной зоны путем разделения дырчатыми перегородками, особенно для гетерофазных систем Г-Ж, Ж-Ж, Г-Т. Каскад и секционированный реактор значительно эффективнее единичного реактора смешения такого же объема, так как при этом концентрация исходных реагентов снижается до конечного значения не сразу, а постепенно. С увеличением числа реакторов в каскаде (число секций) реактор смешения по интенсивности приближается к реактору вытеснения.
Широко применяется также последовательное сочетание реакторов смешения и вытеснения. Применение такой комбинации имеет особый смысл для относительно быстрых и сильно экзотермических процессов, когда самый интенсивный (и взрывоопасный) период превращения осуществляется в условиях смешения, а заключительный – в трубчатом реакторе вытеснения, позволяющем наиболее эффективно достичь высокой степени превращения сырья. Такая последовательность сочетания реакторов может использоваться также при осуществлении реакций, имеющих индукционный период.