Классификация реакторов по конструктивным элементам

Гидродинамичес-кий режим	Агрегат-ное со­стояние реагентов	Форма теплообмена и наличие поверхности теплообмена	Примеры процессов
без повер-х­ности теплооб-мена	с наруж­ной по­верхно-стью	с внут-ренней поверхно-стью
Реактор трубчатый
Полное вытеснение	Г	─	+	─	1. Синтез винилацетата 2. Окисление этилена в этиленоксид
Полное вытеснение	Ж	─	+	─	Алкилирование бензола
Полное вытеснение	Ж–Ж	─	+	─	Получение диметилдиоксанов
Реактор колонный
Полное вытеснение	Г–Ж	─	─	+	Окисление углеводородов
Полное вытеснение	Г–Ж	+	─	─	Нейтрализация HCl
Полное вытеснение (газ), полное смешение (жидкость)	Г–Ж	─	+	─	Окисление твердых парафинов
Полное вытеснение (газ), полное смешение (твердая фаза)	Г–Г–Т	─	─	+	Синтез акрилонитрила
Полное вытеснение (газ), полное смешение (твердая фаза)	Г–Т	+	─	─	Хлорирование углеводородов
Полное вытеснение (газ), полное смешение (твердая фаза)	Г–Т	─	+	─	Получение этиленоксида
Полное вытеснение	Г–Г–Т	─	+	─	Фторирование углеводородов
Реактор шахтный
Полное вытеснение	Г–Т	+	–	─	Дегидрирование этилбензола
Реакционная камера с перемешиванием
Полное смешение	Ж	+	+	+	1. Гомогенный гидролиз жиров, масел и хлорбензола 2. Получение винлхлорида из дихлорэтана
Полное смешение	Г–Ж	+	+	+	Хлорирование этилена
Полное смешение	Ж–Ж	+	+	+	Сульфирование бензола
Реактор типа печи
Полное вытеснение	Г–Г	─	+	+	Парциальное окисление олефинов

8.3.3. Примеры конструкций реакторов. Типичный пример конструк-ции реактора идеального вытеснения с политермическим режимом для эндо-термических процессов приведен на рис. 8.12. Примером применения такого типа реактора является производство синтез-газа конверсией метана с водя-ным паром:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂ – 206 . (8.41)

Принцип действия реактора идеального вытеснения шахтного типа по-к­азан на рис. 8.13. Он представляет собой емкость (шахту), в которой на ре­шетке помещен твердый зернистый материал. Высота слоя зернистого мате­риала обычно больше диаметра реактора. Через слой материала проходит газ, который вступает во взаимодействие с твердым материалом. Концентрация ре­а­гирующих веществ в таком реакторе понижается по высоте слоя по лога-риф­мической зависимости. По такому принципу работают многие каталити­ческие реакторы, например, в процессе обжига железного колчедана или в процессе парокислородной конверсии метана по реакциям:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + 3420 ; (8.42)

2CH₄ + O₂ = 2CO + 4H₂ + 35 . (8.43)

В экзотермических процессах температурный режим реактора близок к адиабатическому. Похожим образом работают насадочные колонны абсорб­ции газов жидкостями и десорбции газов из жидкостей.

Исходный газ Исходный газ

Топочные газы

Отходящие газы

Газ (продукт)

Газ (продукт)

Рис.8.12. Реактор идеального вытеснения Рис.8.13. Реактор идеального вытеснения с политермическим режимом для эндотер- шахтного типа для экзотермического мического процесса с катализатором процесса в трубках

Конверсия протекает на катализаторе, помещенном в трубках, а в меж­труб­ном пространстве сжигается топливный газ для компенсации эндотер­мического эффекта реакции.

Реактор полного смешения характеризуется тем, что любой элементар-ный объем газа или жидкости, поступивший в реактор, мгновенно смешива­ется со всем содержимым реактора, т.к. в турбулентном потоке скорость цир­куляционных движений по высоте и сечению реактора во много раз больше, чем скорость линейного движения по оси реактора. Концентрация всех ве­ществ и степень превращения во всем объеме такого реактора одинакова и рав­на конечной.

На рисунке 8.14 дана конструкция каталитического реактора кипящего слоя с мешалкой. В таком реакторе газ и твердый зернистый катализатор ин-тен­сивно перемешиваются благодаря вихревым движениям в кипящем слое совместно с действием лопастной мешалки.

Газ-продукт

Т

.

· …

Т

Газ-сырье

Рис. 8.14. Реактор полного смешения с

изотермическим режимом – аппарат

кипящего слоя с мешалкой

Достаточное приближение к полному смешению достигается в реакто­рах с перемешивающими устройствами в жидкой фазе, а также в суспензиях твердых веществ в жидкостях. Такого типа реакторы широко применяются в нефтехимической, химической, пищевой промышленности, а также в произ­водстве цветных металлов, строительных материалов и т. д.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятию “химический реактор”. Приведите ос­новные требования к ним.

2. Приведите классификацию химических реакторов. Какие принципы положены в основу классификации химических реакторов?

3. Сравните графики изменений во времени основных параметров хи­ми­ческих процессов в реакторах периодического и непрерывного действия.

4. Назовите особенности адиабатических реакторов. Изобразите гра-фики температурных режимов адиабатических реакторов для эндотерми­чес­ких и экзотермических процессов.

5. Приведите особенности изо- и политермических реакторов.

6. Сформулируйте допущения модели реактора идеального смешения.

7. Почему при составлении балансовых уравнений для РИС в качестве элементарного объема может быть принят полный объем реактора?

8. Выведите уравнение материального баланса для стационарного про­точного реактора идеального смешения.

9. Какова разница между действительным и средним временем пребы­вания реагентов в проточном реакторе? Для какого типа реакторов действи­тельное и среднее время пребывания совпадают?

10. Сформулируйте допущения модели идеального вытеснения.

11. Составьте уравнение материального баланса для стационарного про­точного реактора идеального вытеснения в дифференциальной форме.

12. Назовите основную причину, почему для достижения одинаковой степени превращения при равных условиях проведения реакции в проточном РИС требуется большее время пребывания реакционной массы, по сравне-нию с проточным РИВ.

13. Сделайте анализ достоинств и недостатков реакторов идеального смешения и идеального вытеснения.

14. Сравните графики изменений по фронту реактора основных хара­к-те­ристик для реакторов типа РИС и РИВ.

15. Как изменяется движущая сила процесса в реакторах типа РИС и РИВ?

16. Приведите примеры процессов в реакторах типа РИС и РИВ.

17. Назовите типы реакторов по конструктивным элементам.

ТЕМА 9