15.3. Непрерывнодействующие реакторы полного вытеснения

В непрерывно действующих реакторах полного (идеального) вытеснения при движении потока реакционной смеси отсутствует перемешивание в направлении, обратном движению потока. В качестве реакторов полного вытеснения наиболее часто используются трубчатые, плёночные и колонные аппараты, шнековые (винтовые) лопастные смесители.

Трубчатые аппараты. Для идеального трубчатого реактора принимается, что скорость потока одинакова по всему сечению (рис. 15.5 а); такой режим течения называют поршневым. При движении потока в реальном трубчатом реакторе трение о стенки и внутреннее трение вызывают градиент скоростей по сечению трубы, зависящей от режима течения – турбулентного (рис. 1.18 б) или ламинарного (рис. 15.5 в). Турбулентная диффузия создаёт поперечное (радиальное) перемешивание потока, приближая его к поршневому. При синтезе плёнкообразующих веществ в трубчатых реакторах наиболее вероятен ламинарный режим. При ламинарном течении без учёта конвекционных токов в молекулярной диффузии профиль скоростей даёт параболу (см. рис. 15.5 в) и среднее номинальное (расчётное) время пребывания _ср реакционной смеси в реакторе равно двойному минимальному времени:

Таким образом, среднее время пребывания должно быть вдвое больше рассчитанного.

Рисунок 15.5 – Распределение скоростей при различных режимах течения (движения потока):

а – поршневой; б – турбулентный; в – ламинарный.

В трубчатых реакторах непрерывного действия при ламинарном режиме возникает большая неравномерность пребывания отдельных частиц по времени в реакционной смеси. Отсутствие перемешивания потока при ламинарном режиме и различное время пребывания частиц в реакторе при необходимости высокой степени превращения могут замедлять скорость реакции, повысить полидисперсность синтезируемого продукта и выход побочных продуктов реакции. К тому же при ламинарном режиме происходит перегрев реакционной смеси у стенок реактора. Для создании же турбулентного течения при синтезе плёнкообразующих веществ, когда реакционные смеси имеют высокую вязкость, требуются высокие скорости потока, что при значительной продолжительности синтеза приводит к очень большой длине реактора, достигающей 1000 м.

В настоящее время непрерывнодействующие реакторы полного вытеснения находят ограниченное применение при синтезе плёнкообразующих веществ. Наиболее перспективно их использование в случае синтеза плёнкообразующих веществ под давлением.

П лёночные реакторы. С известной условностью к реакторам полного вытеснения можно отнести аппараты, в которых реакционная смесь течёт в виде плёнки. Такими аппаратами являются роторно-плёночный (см. рис. 15.6) и трубчатый, в котором содержащиеся в реакционной смеси летучие вещества образуют пары, текущие в трубе с большой скоростью (50-80 м/с), образуя на её стенках движущуюся плёнку реакционной смеси. Трубчатый плёночный аппарат, применяемый при синтезе фенолформальдегидов (см. рис. 1.6) позволяет в десятки раз ускорить стадию обезвоживания. Плёночные аппараты представляют интерес для проведения стадии этерификации азеотропным методом при синтезе алкидов и некоторых других плёнкообразующих веществ.

Рисунок 15.6 – Роторно-плёночный колонный аппарат (испаритель):

1 – корпус; 2 – мешалка; 3 – скребки; 4 – рубашка.