12.Основные типы химических реакторов

Химический реактор – это центральный аппарат в любом химико-технологическом процессе, сопровождающийся массо- и теплообменом.

Требования к химическим реакторам:

• обеспечивать максимальную производительностьиинтенсивность;

• обеспечивать максимальную степень превращения и максимальную селективность;

• реактор должен иметь минимальные затраты на перемешивание и транспортирование реагентов и продуктов;

• в реакторе в максимальной степени должна использоваться теплота химической реакции;

• реакторы должны быть надежными, максимально автоматизированными и механизированными;

• реакторы должны быть дешевыми и простыми.

Функциональная зависимость времени пребывания реагентов в реакторе от разных факторов

τ - время пребывания реагентов в реакторе,

X – степень превращения исходного реагента;

C – начальная концентрация исходного реагента;

v– скорость химической реакции

Уравнение, связывающее эти параметры, является математическим описанием модели реактора.

Классификация химических реакторов по способу организации процесса

1) периодические

2) непрерывные

3) полунепрерывные

Режим работы реактора

периодического действия непрерывного действия

нестационарные стационарные

Со, Сτ—концентрации реагентов начальная и в моментτ,

Т, Р —температура и давление в реакторе

Реакторы периодические.

Продолжительность одного цикла, проводимого в периодическом реакторе, определяется по уравнению:

Где -полное время цикла,- рабочее время 9затрачиваемое на проведение химической реакции),-вспомогательное время (загрузка реагентов и выгрузка продукта).

Периодические химические процессы по своей природе всегда являются нестационарными (неустановившимися), так как в ходе химической реакции параметры процесса изменяются во времени (например, концентрация веществ, участвующих в реакции, т.е. происходит накопление продуктов реакции).

Реакторы с различными режимами движения среды

Реактор идеального смешения периодический (РИС-П) – это емкостный аппарат с мешалкой, в который периодически загружают исходные реагенты

В реакторе создается весьма интенсивное перемешивание, поэтому в любой момент времениконцентрация реагентов одинаковаво всем объемереактора иизменяется лишь во временипо мере протекания химической реакции.

Такое перемешивание можно считать идеальным.

уравнения реактора

С_А- концентрация реагента А в реакционной смеси; х,у,z– пространственные координаты; w_xw_yw_z– составляющие скорости потока;D– коэффициент молекулярной и конвективной диффузии;rA- скорость химической реакции.

После преобразования и интегрирования получают уравнение, которое является математическим описанием моделиРИС-П

Реакторы непрерывного действия с различными режимами движения среды

• реакторы идеального вытеснения (РИВ-Н),

• реакторы идеального смешения (РИС-Н),

• реакторы промежуточного типа (РПТ-Н).

для непрерывных реакторов применяют понятие условного времени пребыванияреагентов в системе (времени контакта)

где V_r – объем реактора; V₀ – объем реакционной смеси, поступающей в реактор в единицу времени (объемный расход реагентов)

РЕАКТОРЫ С РАЗЛИЧНЫМИ ТЕПЛОВЫМИ РЕЖИМАМИ

Каждый тип реактора может работать в трех режимах: адиабатическом,изотермическомиполитропическом.

При адиабатическом режиме в реакторе отсутствует теплообмен с окружающей средой и тепло химической реакции полностью расходуется на изменение температуры реакционной смеси.

При изотермическом режиме путем подвода или отвода тепла в реакторе поддерживают постоянную температурув течение всего процесса.

При политропическом режиме температура в реакторе непостоянна, при этом часть тепла может отводиться от реакционной смеси или подводиться к ней.

Уравнения тепловых балансов реакторов различных типов

Классификация по условиям теплообмена.

Протекающие в реакторах химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами. Вследствие выделения или поглощения теплоты изменяется температура и возникает разность температур между реактором и окружающей средой, а в определенных случаях температурный градиент внутри реактора. Разность температур является движущей слой теплообмена.

При отсутствии теплообмена с окружающей средой химический реактор является адиабатическим. В Нем теплота, выделяющаяся или поглощающаяся в результате химических процессов, расходуется на «внутренний» теплообмен – на нагрев или охлаждение реакционной смеси.

Реактор называется изотермическим, если за счет теплообмена с окружающей средой в нем обеспечивается постоянство температуры. В этом случае в любой точке реактора за счет теплообмена полностью компенсируется выделение или поглощение теплоты.

В реакторах с промежуточным тепловым режимом тепловой эффект химической реакции частично компенсируется за счет теплообмена с окружающей средой, а частично вызывает изменение температуры реакционной смеси.

Автотермические реакторы, в которых поддержание необходимой температуры процесса осуществляется только за счет теплоты химического процесса без использования внешних источников энергии. Обычно стремятся к тому, чтобы химические реакторы, особенно применяемые в крупнотоннажных производствах, были автотермическими.

Классификация по фазовому составу реакционной смеси.

Реакторы для проведения гомогенных процессов подразделяются на аппараты для газофазных и жидкофазных реакций. Аппараты для проведения гетерогенных процессов, подразделяются на газожидкостные, реакторы для процессов в системе газ-твердое вещество, жидкость – твердое вещество и др.