Основные сведения о химических реакторах

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ Химическим реактором называется аппарат, в котором осуществляются химические процессы, сочетающие химические реакции с мacco- и теплопереносом. Основные требования к промышленным реакторам: 1) максимальная производительность и интенсивность работы; 2) высокий выход продукта; 3) малые энергетические затраты при эксплуатации, наилучшее использование теплоты реакции; 4) простота устройства и дешевизна в изготовлении; 5) устойчивость в работе и легкая управляемость. Далеко не всегда удается реализовать процесс так, чтобы были одновременно удовлетворены все требования. Во всех случаях выбор реактора зависит от экономического эффекта. Основные признаки классификации химических реакторов. 1. Классификация по фазовому составу реакционный смеси (газофазные, жидкофазные, газожидкостные и т. д.). 2. Классификация по способу организации процесса, т. е. способу подвода и отвода продуктов: - периодического действия (все реагенты вводят в аппарат до начала реакции, а смесь продуктов отводят после окончания процесса); - непрерывного действия (подача реагирующих веществ, химическая реакция и вывод готового продукта осуществляются одновременно); - полупериодического действия (один из реагентов поступает непрерывно, а другой ‒ периодически, или когда реагенты поступают периодически, а продукт выводится непрерывно). 3. Классификация по гидродинамической обстановке: - реакторы смешения (емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом); - реакторы вытеснения (трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала, в которых перемешивание имеет локальный характер). 4. Классификация по условиям теплообмена: - адиабатический (вся теплота, выделяющаяся или поглощающаяся в результате химической реакции, расходуется на нагревание или охлаждение реакционной массы, теплообмен с окружающей средой отсутствует); - изотермический (постоянство температуры обеспечивается за счет теплообмена с окружающей средой); - политропный (поддержание температуры реакции осуществляется за счет теплоты химического процесса). 5. Классификация по конструктивным характеристикам: - емкостные аппараты (автоклавы, реакторы-камеры и др.); - колонные аппараты (реакторы-колонны насадочного и тарельчатого типа, каталитические реакторы, полочные реакторы и др.); - реакторы типа теплообменника (обычно кожухотрубчатого); - реакторы типа печи (шахтные, полочные и др.). Химически реакторы с идеальной структурой потоков. 1. Реактор идеального смешения (РИС). В РИС структура потока выражается моделью идеального смешения, для которой применяется ряд допущения. Допускается, что в результате интенсивного перемешивания устанавливаются абсолютно одинаковые условия в любой точке реактора: концентрация реагентов и продуктов, степень превращения реагентов, температура, скорость химической реакции и т. д. Чтобы перечисленные допущения могли быть выполнены, необходимо принять еще одно допущение: переход от одной концентрации к другой в РИС не должен иметь протяженности во времени. Изменение концентрации исходного реагента от начальной во входном потоке в данный момент времени до концентрации в реакторе в этот же момент времени должно происходить мгновенно, скачкообразно. В реальности, разумеется, этого достичь невозможно. Приблизится к режиму идеального смешения можно, обеспечив интенсивное перемешивание реакционной смеси с помощью механических мешалок или циркуляционных насосов, создающих высокую кратность циркуляции (рисунок 1). Рисунок 1 ‒ Схемы РИС: а ‒ с механической мешалкой; б ‒ с циркуляционным контуром Интенсивное перемешивание реакционной массы в РИС при протекании основной реакции в жидкой фазе более необходимо, чем для реакций в газовой фазе. Интенсивность любого процесса в жидкой фазе в 103÷105 раз выше, чем в газовой. полному, процесс переходит в кинетическую область. Поэтому реакторы с перемешивающими устройствами применяются для гомогенно-жидкостных и гeтерогенныx процессов в системе жидкость‒твердое тело (суспензии), жидкость‒жидкость (эмульсия) и газ‒жидкость. РИС бывают периодического и непрерывного действия (проточные). 2. Реактор идеального вытеснения (РИВ). РИВ представляет собой длинный канал, через который реакционная масса движется в поршневом режиме. Каждый элемент потока, условно выделенный двумя плоскостями, перпендикулярными оси канала, движется через него как твердый поршень, вытесняя предыдущие элементы потока и не перемешиваясь ни с предыдущими, ни со следующими за ним элементами (рисунок 2). Рисунок 2 ‒ Схема РИВ Разумеется при проведении химической реакции перемешивание ее участников является необходимым условием ее осуществления, иначе невозможным будет контакт между разноименными молекулами, в результате которого и происходит реакция. Если в РИС перемешивание носит глобальный характер и за счет него параметры процесса полностью выравниваются по объему аппарата, то в РИВ перемешивание является локальным: оно происходит в каждом элементе потока, но отсутствует между соседними элементами. Идеальное вытеснение возможно при выполнении следующих допущений: 1) движущийся поток имеет плоский профиль линейных скоростей; 2) отсутствует любое перемешивание в направлении оси потока; 3) в каждом отдельно взятом сечении, перпендикулярном оси потока, параметры процесса (концентрация, температура и др.) полностью выровнены. Следует отметить, что эти допущения в реальных реакторах не выполняются. Из гидравлики известно, что при движении потока в канале у его стенок существует так называемый ламинарный пограничный подслой, который практически не движется вместе с остальной жидкостью. На рисунке 3 показаны профили скоростей, характерные для ламинарного, развитого турбулентного и идеального поршневого потоков. Из рисунка видно, что максимально приблизиться к идеальному вытеснению можно лишь в развитом турбулентном режиме. Рисунок 3 ‒ Профили линейных скоростей потока при ламинарном (а), развитом турбулентном (б) и поршневом (в) режимах течения жидкости Однако турбулентный поток характеризуется наличием нерегулярных пульсаций скорости, носящих хаотический характер, в результате чего частицы потока могут опережать основной поток или отставать от него, т. е. произойдет частичное перемешивание в осевом направлении. Абсолютные значения таких перемещений будут невелики по сравнению с основным осевым перемещением потока и при больших линейных скоростях ими можно пренебречь. В то же время турбулентные пульсации в радиальном направлении будут способствовать локальному перемешиванию реагентов и выполнению третьего допущения. Модель вытеснения можно применять для технических расчетов при проектировании жидкофазных трубчатых реакторов с большим отношением длины трубы к его диаметру. Такие реакторы широко применяются в производствах органических веществ. 3. Сравнение РИВ и РИС. При прохождении реакционной массы через РИВ уменьшается концентрация исходных реагентов по высоте (длине) реактора и в соответствии с этим снижается движущая сила процесса, а при постоянстве других пара метров и скорость процесса. При прохождении реакционной массы через РИС концентрация исходных реагентов остается постоянной по всему объему реактора. Следовательно, средняя движущая сила процесса в РИС непрерывного действия всегда ниже, чем в РИС периодического действия и в РИВ. Эта разница будет тем большей, чем выше степень превращения и порядок реакции. В РИС, как правило, эффективнее, чем в РИВ, протекают реакции с высокими концентрациями реагентов и при больших тепловых эффектах реакции. Интенсивное перемешивание улучшает условия теплопередачи; уменьшаются теплообменные поверхности для отвода (или подвода) теплоты от реагирующей системы. С другой стороны, перемешивание может вызвать нежелательное истирание твердых реагентов, эрозию аппаратуры, усиление уноса из реактора измельченных твердых частиц или капель жидкости. Энергетические затраты в РИС могут быть в несколько раз выше, чем в РИВ. Таким образом, для выбора модели реактора необходимо сопоставить все положительные и отрицательные стороны предполагаемых типов реакторов и остановиться на такой модели, которая обеспечит в конечном счете наиболее, экономическое осуществление процесса.