Общая химическая технология и химические реакторы (теория и практика). Учебное пособие

4.ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

4.1.Классификация химических реакторов

Химический реактор – это основной аппарат технологической схемы, в котором осуществляется химическая реакция и сопутствующие ей физические процессы.

Современный химический реактор– сложный аппарат, имеющий множество устройств и механизмов, которые выполняют различные операции по проведению, ускорению и контролю протекающих химических и физических процессов. Любой химический реактор имеет загрузочно-разгрузочное устройство, теплообменные устройства для поддержания теплового режима процесса, перемешивающее или иное устройство для обеспечения массообмена, систему контрольно-измерительных приборов и другие приспособления.

Реактор характеризуют набором габаритных и технологических параметров. Габаритные параметры – это объем, диаметр, высота реактора, число трубок, тарелок. Технологические параметры – это состав, температура, скорость потока реагентов (параметры входа) и продуктов (параметры выхода), а также параметры тепло- и хладагентов.

Различают стационарный (установившийся) и нестационарный режимы работы реактора. При стационарном режиме в реакторе не происходит накопления вещества или теплоты, то есть производные концентрации реагентов и температуры во времени равны нулю:

При нестационарном режиме в реакторе накапливается вещество или теплота. Стационарный режим характерен для реакторов, работающих в непрерывном режиме; нестационарный – для периодических реакторов или для непрерывных реакторов в стадии пуска или остановки.

Каждый работающий реактор имеет определенный концентрационный и температурный режим. Концентрационный режим

81

– поддержание оптимальной концентрации реагентов по объему (длине) реактора или во времени. Температурный режим - это поддержание оптимальной температуры по объему(длине) реактора или во времени.

Основные требования к промышленным реакторам:

-высокая производительность;

-высокая селективность;

-низкие энергетические затраты;

-надежность регулирования и установки технологического режима;

-простота обслуживания;

-безопасность работы;

-низкая стоимость.

Эффективность работы реактора зависит от ег конструкции и режима осуществления в нем процесса. Работу реактора оценивают по следующим показателям:

-производительность;

-интенсивность (средняя скорость, удельная производительность);

-пропускная способность;

-коэффициент полезного действия– отношение объема, реактора, работающего в оптимальном режиме, к фактическому объему реактора.

По организационной структуре процесса(по способу подвода сырья и отвода продуктов) реакторы могут быть:

-непрерывного действия;

-периодического действия;

-полупериодического или полунепрерывного действия. Периодические реакторы характеризуются единством места

завершения всех стадий процесса. Исходное сырье загружают в реактор и через определенное время выгружают продукты реакции, затем все операции повторяют. Реактор работает циклически. Время одного цикла равно

τцикла = τхим.р. + τвспомог. операций.

Так как режим работы периодических реакторов нестационарный, качество продукции изменяется от партии к партии. Реакторы периодического действия обладают низкой производи-

82

тельностью, высокой материало- и энергоемкостью, их трудно автоматизировать. Достоинствами этих реакторов является низкая стоимость и большая экономическая гибкость. Реакторы такого типа незаменимы при малотоннажном производстве продуктов широкого ассортимента, а также для отработки режимов процессов и исследования кинетических закономерностей.

Реакторы непрерывного действия (проточный) – это реакторы, в которых непрерывно загружается сырье и также непрерывно выгружаются продукты; все стадии процесса осуществляются параллельно и одновременно. В этих реакторах невозможно непосредственно изменить время реакции, поэтому пользуются понятием условного времени пребывания реагентов в реакторе:

t = Vp ,

vоб.

где Vp – объем реактора, м3;

vоб. – объемная скорость подачи сырья, м3/ч.

Проточные реакторы характеризуются высокой производительностью, стационарностью работы, качеством продукции, позволяют рационально использовать энергию, легко автоматизировать процесс. Их недостатками является трудность запуска и установки, поэтому проточные реакторы используются в случае крупнотоннажного производства.

Реакторы полунепрерывного и полупериодического действия - это различные комбинации непрерывной и периодической организации работы реактора.

По гидродинамическому режиму реакторы могут быть:

-смешения;

-вытеснения.

Вректорах смешения конвективный перенос реагентов происходит путем интенсивного перемешивания, например, механической мешалкой или циркуляционным насосом.

Вреакторах вытеснения перемешивания нет, а конвективный перенос реагентов осуществляется путем направленного движения потока реакционной смеси вдоль оси реактора. В первом случае интенсивность конвективного переноса определяется

83

скоростью вращения мешалки, во втором – линейной скоростью движения потока.

По тепловому режиму реакторы бывают:

-адиабатические;

-изотермические;

-политропические.

Вадиабатических реакторах отсутствует теплообмен с окружающей средой и весь тепловой эффект реакции расходуется на изменение температуры реакционной смеси. Это идеальный реактор; такой тепловой режим практически нереализуем.

Визотермических реакторах обеспечивается такой теплообмен с окружающей средой, который компенсирует полностью тепловой эффект реакции. В результате температура реакционной смеси остается строго постоянной. Это тоже идеальный реактор; на практике такое осуществить очень трудно. Близко к изотермическому режиму работают реакторы, в которых проводят процессы с очень малыми тепловыми эффектами или очень малой скоростью реакции, а также процессы, протекающие в растворе, где

концентрация реагентов небольшая и теплота аккумулируется большим объемом растворителя.

Ближе к реальным условиям работы относится модель политропического реактора, в котором тепловой эффект химической реакции частично компенсируется за счет теплообмена с окружающей средой, а частично – за счет изменения температуры реакционной смеси.

По фазовому составу реакционной смеси есть реакторы:

- для проведения гомогенных процессов(газофазных и жидкофазных);

- для проведения гетерогенных процессов; - для проведения гетерогенно-каталитических процессов

(контактные аппараты).

По конструктивным характеристикам есть реакторы: - емкостные; - колонны; - трубчатые;

- печи (реакторы для высокотемпературных процессов) и др.

84

4.2. Модели ректоров с идеальной структурой потока

Любой реактор, используемый в химическом производстве в большем или меньшем приближении, можно описать одной из следующих моделей:

-реактор идеального смешения периодического действия РИС-П;

-реактор идеального смешения непрерывного действия РИС-Н;

-реактор идеального вытеснения непрерывного действия

РИВ-Н;

- каскад реакторов идеального смешения непрерывного действия К-РИВ-Н (ячеечная модель).

Для каждой модели реактора выведенохарактеристическое уравнение, которое выражает зависимость времени пребывания реагентов в реакторе от начальной концентрации реагента, величины конверсии и скорости химической реакции:

τ = f (CA0, αA, rA).

Это уравнение является математическим описанием модели реактора. Оно дает возможность, задав СА0 (состав исходной смеси) и rA (тип химической реакции, температуру, давление, катализатор и т.п.), рассчитать время пребывания реагентов в реакторе, необходимое для достижения заданной конверсии (αA), а значит и объем реактора, его габаритные размеры и производительность. Сравнивая полученные значения для реакторов разного типа, можно выбрать самый оптимальный вариант для проведения данной химической реакции.

Основанием для вывода характеристического уравнения является материальный баланс реактора, составленный по одному их компонентов реакционной смеси.

Реактор идеального смешения периодического действия (РИС-П) представляет собой аппарат с мешалкой, в который периодически загружают исходные реагенты и также периодически выгружают продукты.

85

В таком реакторе создается такое интенсивное перемешивание, что в каждый момент времени концентрация реагентов одинакова по всему объему реактора и изменяется лишь во времени, по мере протекания химической реакции.

Исходным уравнением для получения характеристического уравнения является уравнение материального баланса в дифференциальной форме:

Так как вследствие интенсивного перемешивания все параметры одинаковы по всему объему реактора, в любой момент времени производная любого порядка от концентрации по осям x, y, z равна нулю.

86

Если в реакторе протекает простая необратимая реакция n-го порядка, то - rA = kCAn = kCA0n (1 - aA )n ,

k 1 -aA

При n ≠ 0 и 1 определение τ производят методом графиче-

ского интегрирования. Для этого строят графическую зависимость

1- rA = f (aA )

ивычисляют площадь поверхности под кривой между начальным

иконечным значением степени превращения (рис.11).

1/-rA

Рис. 11. Зависимость скорости процесса от степени превращения

87

Реактор идеального вытеснения непрерывного действия (РИВ-Н) представляет собой трубчатый аппарат, в котором отношение длины трубы к ее диаметру достаточно велико.

L/d > 20.

В реактор непрерывно подают исходные реагенты, которые превращаются в продукты реакции по мере перемещения их по длине реактора. Любая частица потока движется прямолинейно и равномерно, не происходит ни продольного, ни поперечного перемешивания. Такой режим движения реагентов называется

поршневым.

Концентрация исходного реагента А постепенно меняется по длине или высоте реактора от начального значенияСА0 до конечного значения СА. Следствием такого режима движения реакционной смеси является то, что время пребывания каждой частицы в реакторе одно и то же.

Исходным уравнением для вывода характеристического уравнения является материальный баланс в дифференциальной форме. Модель РИВ-Н предполагает движение реакционной смеси только в одном направлении – по оси х, поэтому

где W – линейная скорость движения реакционной смеси; L – длина реактора.

88

В РИВ-Н отсутствует продольное и радиальное перемешивание, нет продольной и радиальной конвективной диффузии, а молекулярной диффузией можно пренебречь, поэтому

вещества):

WdCA = rA . dL

Линейная скорость движения реакционной смеси в реакторе с постоянной площадью сечения в любой момент времени равна

89

непрерывно подают реагенты и также непрерывно выводят из него продукты.

В таком реакторе создается интенсивное перемешивание, поэтому по всему реактору мгновенно устанавливается одинаковая концентрация реагента, равная концентрации на выходе. Резкое (скачкообразное) изменение концентрации происходит за счет мгновенного смешения поступающих реагентов с реакционной массой, уже находящейся в реакторе.

Величина перепада между начальной и конечной концентрацией зависит при прочих равных условиях от величины скорости химической реакции и от времени пребывания реакционной смеси в реакторе. Чем выше скорость и больше время, тем больше скачок концентрации.

Для РИС-Н характерно отсутствие градиентов параметров как во времени, так и по объему реактора, поэтому для вывода характеристического уравнения используют уравнение материального баланса в общей форме:

NА НАКОПЛ. = NА КОНВЕК. - NА ХИМ.Р.

При стационарном режиме NА накопл. = 0.

NA конвек. = NА приход – NА сток,

90