Классификация химических реакторов

Глава 7. АППАРАТЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Химические реакторы - это аппараты для проведения химических превращений исходного сырья в целевой продукт определенного качества и в заданном количестве. Химические превращения осуществляются при проведении ряда физических процессов (диффузии, теплообмена, переме­шивания и других процессов). Все без исключения химические реакторы должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- обеспечивать наибольшую производительность при более высокой степени превращения сырья в готовую продукцию;

- иметь минимальные энергетические затраты на транспортировку и перемешивание реагентов;

- быть простыми в устройстве и дешевыми в изготовлении;

- наиболее полно использовать тепло экзотермических реакций и теп­ло, подводимое извне, для осуществления эндотермических процессов;

- быть надежными в работе, в наибольшей степени автоматизирован­ными и механизированными.

Основными классификационными признаками химических реакто­ров являются: способ организации химического процесса в реакторе, тем­пературный режим и режим движения реагентов.

По способу организации химического процесса различают реакторы периодического, непрерывного и полунепрерывного действия.

В периодически действующий реактор (схема периодически дейст­вующего реактора показана на рис. 2.3) сырье (реагенты) загружают в на­чале цикла производственного процесса. При необходимости сырье подог­ревают, добавляют какие-нибудь ингредиенты, перемешивают, охлаждают и через определенное время после достижения заданной степени превра­щения аппарат разгружают.

В реактор непрерывного действия (см. рис. 2.4) исходные вещества поступают непрерывно (или систематическими порциями), непрерывно же отводятся и продукты реакции.

В реактор полунепрерывного действия сырье поступает периодически, а продукты реакции отводятся непрерывно или же при непрерывной за­грузке сырья осуществляется периодическая выгрузка готовой продукции.

По температурному режиму реакторы подразделяются на адиабатиче­ские, изотермические и политермические (программно-регулируемые).

Адиабатические реакторы при спокойном (без перемешивания) тече­нии потока реагентов не имеют теплообмена с окружающей средой, так как снабжены хорошей теплоизоляцией. Вся теплота реакции аккумулиру­ется потоком реагирующих веществ. На рис. 7.1 показаны схема адиабати­ческого реактора и графики изменения температуры при протекании экзо­термического (а) и эндотермического (б) процессов.

Температуру в любом i-м сечении адиабатического реактора (рис. 7.1) можно определить из выражения

(7.1)

где Т_i и Т_н - текущая и начальная температуры реакционной смеси; q -тепловой эффект химической реакции; X_i - степень превращения сырья в i-м сечении реактора; G - общее количество реакционной смеси; С_р -средняя удельная теплоемкость смеси в интервале начальной (T_н) и конеч­ной (Т_к)температур процесса.

Изотермический реактор имеет постоянную рабочую температуру (T_р) во всех точках реакционного объема в течение всего периода его рабо­ты. Схема изотермического реактора и графики изменения температуры при протекании экзотермического (а) и эндотермического (б) процессов приведены на рис. 7.2. Изотермичность процесса достигается: при помощи помещенных в реакционный объем теплообменных устройств для отвода тепла в экзотермических (+q) и подвода тепла в эндотермических (-q) ре­акциях; за счет теплового равновесия экзо- и эндотермических превраще­ний (автотермичности процесса); за счет разбавления реагентов большим количеством инертных компонентов и интенсивным перемешиванием сме­си и другими способами.

Политермическими называются реакторы, в которых тепло реакции лишь частично компенсируется за счет отвода (подвода) тепла или процес­сов с тепловым эффектом, противоположным по знаку основному. Коли­чество подводимого или отводимого тепла рассчитывается на стадии про­ектирования таких реакторов. Поэтому они называются также программ­но-регулируемыми.

По режиму движения реагентов различают реакторы идеального вы­теснения, идеального смешения (перемешивания) и частичного смешения.

В реакторе идеального вытеснения реагенты без перемешивания ла­минарным потоком проходят весь реакционный путь, определяемый дли­ной или высотой аппарата, которая значительно больше его диаметра. Ап­параты идеального вытеснения не имеют приспособлений для механиче­ского перемешивания реагентов и обычно представляют собой реакторы трубчатого, шахтного или башенного типов.

Реакторы идеального перемешивания характеризуются тем, что любая частица реагента, попавшая в данный момент в реакционную зону, благо­даря интенсивному перемешиванию имеет равную со всеми остальными частицами вероятность первой покинуть ее. В таких реакторах любой эле­мент объема мгновенно смешивается со всем содержимым реакционного пространства, так как скорость циркуляционных движений по высоте и се­чению аппарата во много раз больше скорости линейного перемещения среды по оси реактора. Моделью реактора идеального перемешивания мо­гут служить смесители с механическими мешалками, пневматическими и струйными смесителями, а также реакторы с кипящим слоем.

Сравнивая реакторы идеального вытеснения и смешения, необходимо отметить, что реакторы смешения работают, как правило, в изотермиче­ских условиях, а реакторы вытеснения - в адиабатическом или политерми­ческом режимах. При равенстве начальных температур проведение экзо­термического процесса в реакторе смешения сопровождается повышенной (в 5-10 раз) константой скорости реакции по сравнению с проведением то­го же процесса в реакторе вытеснения, однако движущая сила процесса, выраженная разностью равновесного и действительного выхода (Х_р - X), в реакторе вытеснения во много раз больше, чем в реакторе смешения. Кро­ме того, реакторы смешения требуют дополнительных затрат энергии на перемешивание реагентов.

Для эндотермических процессов реакторы смешения без подвода теп­ла извне используются значительно реже, чем для экзотермических, так как в этих процессах снижается и движущая сила и константа скорости.

В связи с тем, что идеальные условия вытеснения и смешения создать в реальных условиях трудно, большинство промышленных реакторов ра­ботает в режиме частичного, или локального, перемешивания реагентов с продуктами реакции. Такие реакторы описываются так называемой диф­фузионной моделью, которая учитывает изменение концентрации не только вследствие химического превращения (как при идеальном вытеснении), но и вследствие перемешивания реагентов и продуктов реакции.

Помимо указанных классификационных признаков, реакторы, как и химико-технологические процессы подразделяются на низкотемператур­ные и высокотемпературные, по применяемому давлению - на аппараты, работающие при высоком, повышенном, нормальном и низком (под вакуумом) давлениях. По фазовому состоянию реагентов реакторы делятся на аппараты для проведения гомогенных и гетерогенных процессов.