Химические реакторы в химической технологии: требования, классификация. Сравнение реакторов с различными гидродинамическими и температурными режимами. Устойчивость реакторов. Реакторы для гомогенных и гетерогенных процессов.

Лекция № 4 Химические реакторы в химической технологии: требования, классификация. Сравнение реакторов с различными гидродинамическими и температурными режимами. Устойчивость реакторов. Реакторы для гомогенных и гетерогенных процессов. 1 Химическим реактором называется аппарат, в котором осуществляются химико-технологические процессы, сочетающие химические реакции с массопереносом (диффузией). Основной аппарат – реактор, в котором осуществляется химическое превращение (химические реакции) исходного сырья в готовый продукт. Вспомогательные аппараты – выполняют функции подготовки сырья к реакции и разделения продуктов реакции, очистки, концентрирования и т.д. Выбор конструкции и размеров химического реактора определяется скоростями протекающих в них процессов массо- и теплообмена и химических реакций. При этом задаются производительностью установки, элементом которой является химический реактор, и степенью превращения сырья. 2 Интенсивность – основной показатель работы реактора, свидетельствующий о его совершенстве и соответствии заданной цели. Главной задачей при расчете реактора является установление зависимости: τ = f (х, C, U) (1) где: U – скорость химического процесса, τ – время пребывания реагентов в реакторе, х – степень превращения реагентов в целевой продукт, С – начальная концентрация реагентов. Расчет химического зависимости: А = G / ΔC·К, реактора ведется по следующей (2) где: А – основной размер реактора, G – количество вещества, перерабатываемого в единицу времени, ΔC - движущая сила процесса, К – коэффициент скорости процесса. 3 Требования к химическим реакторам: 1) Обеспечивать наибольшую производительность и интенсивность. 2) Давать высокую степень превращения при максимальной селективности процесса. 3) Иметь малые энергетические затраты на транспортировку и перемешивание реагирующих веществ. 4) Быть достаточно простым в устройстве и дешёвым (т.е. материал для изготовления аппарата должен быть недорогим – сталь 3 (черновая сталь), недорогие изделия силикатной промышленности, недефицитные пластмассы и др.) 5) Наиболее полно использовать теплоту экзотермической реакции и теплоту, подводимую извне для эндотермических процессов. 6) Быть надежными в работе, по-возможности механизированными и обеспечивающими автоматическое регулирование процесса. 4 Классификация реакторов Режим движения реакционной среды Температурный режим или условия теплообмена Фазовый состав Способ организации процесса Характер изменения параметров процесса во времени Конструкционные характеристики 5 Режим движения реакционной среды: а) Полное перемешивание (смешение) б) Идеальное вытеснение Полное смешение - режим, при котором турбулизация столь сильна, что концентрация реагентов в реакторе одинакова во всем объеме аппарата от ввода исходной смеси до места вывода продукции. Реактор смешения – ёмкостной аппарат с перемешивающим устройством (механическим – механические мешалки различной конструкции или пневматическим – с помощью насосов). Реактор может быть проточным. 6 Реакторы смешения Каскад из периодических реакторов смешения а – периодический; б – проточный непрерывный 7 Вследствие полного перемешивания выравнивается температура во всем объёме реакционной зоны (и все параметры, характеризующие ХТП). ХТП в потоке полного перемешивания может протекать при изотермическом температурном режиме, независимо от режиме теплового эффекта, которым сопровождается химическое превращение. Время пребывания частиц в реакторе в потоке полного перемешивания распределяется неравномерно. τ΄ = υp/V (3) υp – реакционный объём аппарата; V – объёмный расход реагирующей смеси. τ 1< τ΄ < τ2 (4) Неравномерность пребывания частиц в таком реакторе приводит к снижению движущей силы процесса. 8 Идеальное вытеснение - режим, при котором исходная смесь не перемешивается с продуктами реакции, а последовательно проходит ламинарным потоком по всей длине или высоте аппарата реактора. При этом происходит плавное изменение концентрации в направлении потока реагентов. Реактор идеального вытеснения Реактор вытеснения – трубчатый реактор, имеющий вид удлиненного канала. Истинное время пребывания равно среднему времени пребывания в реакторе: τi = τ΄ (5) 9 Температурный режим или условия теплообмена ∆Т является движущей силой для таких процессов По температурному режиму реакторы (чаще всего проточные) и происходящие в них процессы делят на: • Изотермические • Адиабатические • Политермические 10 Изотермический Температура постоянна во всем реакционном объеме, во времени и пространстве (tk=tср). Можно приблизиться к изотермическому процессу при помощи теплообменных устройств. При этом в каждом элементарном объеме аппарата отвод или подвод теплоты должен быть равен теплоте реакции. Qp = qp· Cисх· х · G = kт· F · ΔTτ = QП (6) Qp, QП – теплота подвода или отвода тепловых реакций; qp – тепловой эффект реакции процесса при полном превращении исходных веществ или при полном переходе из одной фазы в другую. Cисх – начальная концентрация основного исходного вещества. х- степень превращения основного исходного вещества. G – общая масса (количество) реакционной смеси. F – поверхность теплоотдачи. ΔTτ- средняя движущая сила за время τ. kт – коэффициент теплоотдачи через теплообменную поверхность. 11 Адиабатический При адиабатическом режиме нет подвода или отвода теплоты, при этом вся теплота реакции аккумулируются потоком реагирующих веществ. В таких реакторах, температура потока вдоль оси реактора прямоили обратнопропорцианальна степени превращения исходного вещества в конечный продукт. Температурный режим в любой точке по высоте или длине реактора: о Cисх q p t к t н  x t н  x G c c q p (7) tk, tн- начальная и конечная температуры системы; qp- тепловой эффект реакции; ĉ- средняя удельная теплоемкость исходной реакционной смеси в интервале температур tk, tн; λ- адиабатический коэффициент разогрева или охлаждения, равная о q p Cисх q p    G c c t к t н  x (8) или   x (9) 12 Политермический В таких реакторах теплота реакции лишь частично отводится из зоны реакции или компенсируется за счёт подвода. В результате температура, по длине или высоте реакционного объема, изменяется неравномерно. К политермическим аппаратам можно отнести реакторы с малой степенью смешения реагирующих веществ и теплообменниками, помещенными внутри аппарата. Проведение ХТП в политермический режимах позволяет в некоторых случаях повысить степень превращения основного исходного компонента и выход целевого продукта. Изменение температуры рассчитывают : о Cисх q p kT F t t к  t н t  x  c G c (10) 13 Фазовый состав 1) Аппараты, для проведения гомогенных процессов – жидкофазных, газофазных реакций. 2) Аппараты, для проведения гетерогенного процесса – газожидкостные реакторы; реакторы для систем Г-Т, Ж-Т и др.; реакторы для гетерокаталитических процессов. Способ организации процесса • Периодические реакторы • Непрерывные реакторы • Полунепрерывные реакторы 14 В реакторах периодического действия все стадии протекают последовательно и в разное время. В реакторе непрерывного действия все стадии осуществляются параллельно и одновременно. К таким реакторам относятся проточные реакторы. Реакторы полунепрерывного действия характеризуются тем, что один из реагентов поступает в него непрерывно, а другой периодически. 15 Характер изменения параметров процесса во времени • Реакторы, работающие в стационарном режиме. • Реакторы, работающие в нестационарном режиме. Режим работы называют стационарным, если протекание химической реакции в произвольно выбранной точке характеризуется одинаковыми значениями концентраций реагентов или продуктов, температуры, скорости и других параметров процесса в любой момент времени. Нестационарный режим – если в произвольно выбранной точке происходят изменения параметров химического процесса во времени по тому или другому закону. 16 Конструктивные характеристики • Емкостные реакторы – автоклавы, реакторы-камеры, вертикальные и горизонтальные цилиндрические конвекторы и др.; • Колонные (в том числе каталитические) реакторы – колонны различных типов (колпачковые, насадочные, тарельчатые, сорбционные, контактные с неподвижным, подвижным, псевдоожиженным слоем), полочные реакторы; • Реакторы-теплообменники – реакторы различных конструкций (трубчатые, полочные, рубашечные и др.); • Реакционные печи – шахтные, полочные, камерные, форсуночные и др. 17 Реакторы для гомогенных процессов газофазных (а – д) и жидкофазных (д – з) а, б – камерные реакторы с горелками (а – режим идеального вытеснения); б – промежуточный; в -камерный реактор с сильным перемешиванием, изотермический; г, д – труб­чатые реакторы вытеснения, политермического режима; е, з – реакторы с мешалками, ре­жим полного смешения (е – одиночный периодического действия; ж – одиночный неп peрывного действия; (з – каскад реакторов); А, В – исходные реагенты; D – продукты реакции. 18 Типы реакторов для гетерогенных процессов с участием газовых и жидких реагентов (Г—Ж): а, б — колонные пленочные (а — с насадкой, б — трубчатый); в, г — колонные барботаж-ные (в — с ситчатыми тарелками, г — с колпачковыми тарелками); д, е — колонные реак­торы с разбрызгиванием жидкости (д ~ полый, е — циклонный); ж — реактор с распылени­ем жидкости; з, и — пенные реакторы; Г — газ; Ж — жидкость 19