Введение. Центральным аппаратом в любой химико-технологической системе, включающей целый ряд машин и аппаратов

Центральным аппаратом в любой химико-технологической системе, включающей целый ряд машин и аппаратов, соединенных между собой различными связями, является химический реактор – аппарат, в котором протекает химический процесс. Выбор типа, конструкции и расчет химического реактора, создание системы управления его работой – одна из важнейших задач химической технологии.

Химические реакторы для проведения различных процессов отличаются друг от друга по конструктивным особенностям, размеру, внешнему виду. В зависимости от гидродинамической обстановки все реакторы делятся на реакторы смешения и вытеснения.

Реакторы смешения – это емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом. Для полного смешения характерно абсолютно полное выравнивание всех характеризующих реакцию параметров по объёму реактора.

Рисунок 1. Реактор полного смещения

Реакторы вытеснения – это трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала. В трубчатых реакторах перемешивание имеет локальный характер и вызывается неравномерностью распределения скорости потока и её флуктуациями и завихрениями. Идеальное вытеснение предполагает, что любое количество реагентов и продуктов через реактор перемещается как твёрдый поршень и по длине реактора (в пространстве) в соответствии с особенностями реакции и сопровождающих её физических явлений устанавливается определённое распределение концентраций участников реакции, температуры и других параметров.

Рисунок 2. Реактор идеального вытеснения

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 силой теплообмена.

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

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

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

По способу организации процесса все реакторы подразделяют на периодические, непрерывнодействующие и полупериодические.

В реакторе периодического действия все отдельные стадии протекают последовательно, в разное время. Все реагенты вводятся в аппарат до начала реакции, а смесь продуктов отводят по окончании процесса. Продолжительность реакции можно измерить непосредственно, так как время реакции и время пребывания продуктов в реакционном объёме одинаковы. Но между отдельными реакционными циклами необходимо выполнить вспомогательные операции – загрузку реагентов и выгрузку продуктов. Поскольку во время этих вспомогательных операций не может быть получено дополнительное количество продукта, их наличие обусловливает снижение производительности периодического реактора.

В реакторе непрерывного действия (проточном) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются параллельно, одновременно и, следовательно, непроизводительные затраты времени на погрузку и выгрузку отсутствуют и использование проточного реактора на крупнотоннажных химических предприятиях более выгодно. Время пребывания отдельных частиц в проточном реакторе, в общем случае, - случайная величина. Так как от времени, в течение которого происходит реакция, зависит глубина химического превращения, то она будет разной для частиц с различным временем пребывания в реакторе.

В реакторе полунепрерывного действия один из реагентов поступает в него непрерывно, а другой – периодически. Возможны также варианты, когда реагенты поступают в реактор периодически, а продукты выводятся непрерывно, или наоборот.

Основными характеристиками, определяющими конструкцию и особенности работы реакторов, являются время пребывания реагентов в реакционной зоне, температура в различных точках реакционного пространства, давление в реакторе, фазовое состояние реагентов, активность и агрегатное состояние используемых катализаторов, гидродинамический характер потока реакционной смеси, а также теплообменные процессы в реакционном узле.