ГЛАВА 21. РЕАКТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Общие сведения о химических реакторах

Технологические схемы химических процессов включают боль­шое количество аппаратов и устройств, предназначенных для под­готовки исходного сырья, транспортировки различных жидких, га­зообразных и твердых продуктов от одного аппарата к другому, очистки продуктов реакции от побочных примесей, упаковки гото­вой продукции предприятия. Во всех перечисленных устройствах проводятся процессы подготовки, нагрева или охлаждения, смеше­ния или разделения начальных, промежуточных или конечных продуктов, без чего не может быть осуществлена химическая пе­реработка. Однако основным элементом установки для проведе­ния химико-технологического процесса является аппарат, в кото­ром происходит химическая реакция. Такой аппарат называется химическим реактором. К химическим реакторам относятся только такие аппараты, в которых происходит химическое превращение исходных продуктов в вещества, получение которых является це­лью технологического процесса.

Во всех реакторах, как правило, помимо химического превра­щения протекают физические процессы тепло- и массообмена. Для осуществления этих процессов реакторы снабжаются специальны­ми приспособлениями — мешалками и теплообменниками различ­ных конструкций. Таким образом, химические реакторы представ­ляют собой комплексные аппараты, состоящие из реакционного объема, в котором происходит химическое взаимодействие, и спе­циальных приспособлений и устройств для осуществления процес­сов тепло- и массообмена.

Конструкции реакционных объемов различных реакторов зави­сят от типа химической реакции, теплового и гидродинамического режимов работы реактора, способа и отвода реагентов. Количест­во типов перемешивающих устройств и теплообменников также ве­лико. В связи с этим существует большое количество типов реак­торов, в которых сочетаются различные конструкции реакцион­ных объемов и вспомогательных устройств. Кроме того, один и тот же химико-технологический процесс, требующий определенных ус­ловий, может быть реализован в реакторах различной конструк­ции. Этим объясняется'тот факт, что принятая классификация хи­мических реакторов основана не только на конструктивных осо­бенностях аппаратов для проведения химической реакции, но и на способах ведения технологического процесса.

Классификация химических реакторов

Чаще всего химические реакторы классифицируют по следую­щим признакам: способу организации технологического процесса, тепловому режиму процесса, режиму движения реакционной сре-

225

ды через аппарат и фазовому состоянию исходных реагентов и продуктов реакции.

По способу организации технологического процесса реакторы делятся на аппараты периодического, непрерывного и полупери­одического действия.

В реактор периодического действия все исходные вещества за­гружаются одновременно в начале процесса. По мере развития

7

■*- t

Теплоноситель _^

Исходные 'бещестба 4

Продукты реакции Рис. 189. Аппарат смешения периодическо­го действия: / — сливной штуцер, 2 — змеевиковыи теплооб­ менник. 3 — котел, 4 — входной патрубок, 5 — ме- f                  шалка, 6 — рубашка

химической реакции кон­центрации компонентов из­меняются во времени в со­ответствии с уравнениями кинетики (20.5). Интенсив­ное перемешивание реакци­онной смеси позволяет со­хранять характер изменения концентраций веществ оди­наковым во всех точках ре­акционного объема. Основ­ные параметры процесса — давление и температура — также изменяются во време­ни. По истечении определен­ного времени в реакторе до­стигается заданная степень превращения, т. е. необходи­мая концентрация целевого продукта реакции. После этого продукт реакции выгружается из аппарата.

Принципиальная конструкция реактора периодического дейст­вия сравнительно проста (рис. 189). Реакция проводится в котле 3 с мешалкой 5, которая обеспечивает выравнивание концентраций взаимодействующих компонентов во всем объеме реактора. Для отвода или подвода теплоты служит змеевиковыи теплообменник 2 внутри аппарата или рубашка 6. Исходные вещества загружаются в реактор через патрубок 4, по окончании процесса продукты сли­ваются через штуцер /.

В реакторе непрерывного действия подвод исходных веществ и удаление продуктов реакции из аппарата осуществляются непре­рывно. Реактор работает в стационарном режиме, при котором значения всех технологических параметров, в том числе концент­раций компонентов, температуры и давления, в отдельных точках аппарата не изменяются во времени.

Конструктивное оформление реактора непрерывного действия зависит от режима потока реакционной смеси через аппарат. Ни­же рассматриваются два основных типа реакторов непрерывного действия — аппараты смешения и аппараты вытеснения.

Особенность реакторов полупериодического действия заключа­ется в том, что один из реагентов поступает в аппарат непрерыв­но, а другой — периодически. Возможны различные варианты по-

226

дачи исходных веществ и отвода продуктов реакции. Обычно в ре­акторе полупериодического действия продукт реакции удаляется непрерывно или непрерывно питается одним из реагентов. Воз­можны, например, непрерывное удаление продукта реакции из ап­парата и периодический, с определенным интервалом, подвод ис­ходных реагентов. Реакторы полупериодического действия работа­ют в переходном режиме, когда все параметры технологического процесса не остаются постоянными, а изменяются во времени. Вы­равнивания концентраций компонентов в объеме реактора дости­гают непрерывным перемешиванием.

Основной задачей проектирования технологических схем про­изводства различных продуктов является организация непрерыв­ного процесса. В связи с этим реакторы непрерывного действия находят более широкое применение по сравнению с реакторами периодического действия. Например, в современных крупнотон­нажных производствах реакторные химические процессы осущест­вляются преимущественно в аппаратах непрерывного действия, ко­торые обладают более высокими экономическими характеристика­ми. Однако в малотоннажных и многоассортиментных производ­ствах по технико-экономическим соображениям часто выгодно применять реакторы периодического и полупериодического дейст­вия. По режиму потока реакционной смеси все реакторы непре­рывного действия делятся на два класса — реакторы смешения а реакторы вытеснения.

Реактор смешения представляет собой некоторый объем, в ко­тором происходит непрерывное перемешивание реакционной сме­си. Элемент объема потока исходных веществ, поступающий в ре­актор через питающий трубопровод, мгновенно перемешивается о содержимым реактора. Состав элемента, т. е. концентрация ве­ществ в этом элементе, резко изменяется от состава питания до состава смеси в реакторе. Такой реакционный аппарат называет­ся реактором с полным перемешиванием или реактором идеально­го смешения.

Реактором, близким по своим характеристикам к реактору идеального смешения, является кубовый аппарат с мешалкой. Чем интенсивнее осуществляется перемешивание в кубовом реакторе₈ тем быстрее выравниваются концентрации компонентов и темпе-* ратура реакционной смеси по объему реактора и тем ближе этот аппарат к идеальному реактору смешения. Реактор смешения мо­жет быть аппаратом периодического действия (рис. 189), в кото­ром перерабатываются определенные порции продуктов, либо ап« паратом непрерывного проточного действия (рис. 190). Последний отличается от реактора периодического действия расположением выходного патрубка /, который позволяет непрерывно отводить; продукты реакции из реактора 2.

Важной характеристикой аппарата смешения непрерывного действия является время пребывания взаимодействующих компо­нентов в реакционном объеме. Этот показатель характеризует про­должительность контакта взаимодействующих веществ и, следова-

227

тельно, определяет степень превращения исходных веществ в про­дукты реакции. Время пребывания т(с) компонентов в аппаратах смешения рассчитывается как отношение объема реакционной смеси в реакторе V (м³) к объемному расходу реагентов Q (м³/с) через аппарат:

X = VIQ .                                      (21.1)

Исходные

Из формулы (21.1) следует, что время пребывания т компонентов в реакторе тем больше, чем больше объем аппарата. При посто­янном объеме V значение т умень­шается с увеличением расхода компонентов Q.

Продукты реакции

Реактор вытеснения (рис. 191) характеризуется большим отно­шением длины к диаметру и не

Теплоноситель                        Продукты

•———1                              реакции

ИсхсдмьтЛ—        ■       =ta\

вещества Ф-,                             ■ -Л^ь

Рис. 190. Аппарат смешения не­прерывного действия: / — выходной патрубок, 2 — реактор

Рис. 191. Реактор вытеснения: 1,2 — элементы объема потока

имеет никаких механических приспособлений для перемешивания потока в реакционном объеме. В реакторе вытеснения любой эле­мент объема потока, непрерывно протекающего через аппарат, дви­жется с постоянной скоростью, не смешиваясь с соседними элемен­тами потока. По мере движения элемента потока вдоль реактора в нем происходит изменение концентраций взаимодействующих ве­ществ. На входе в реактор состав элемента потока / соответствует составу питания, элемент 2 на выходе из реактора содержит толь­ко продукты химического превращения. При движении по реактору элемент объема подобно поршню вытесняет все, что находится пе­ред ним, поэтому такой аппарат называется часто реактором с полным вытеснением или реактором идеального вытеснения.

В реакторе с полным вытеснением скорость химической реак­ции изменяется по длине реактора, т. е. меняются концентрации взаимодействующих веществ. Если расход исходных компонентов на входе не меняется, то в каждой точке реактора скорость реак­ции строго постоянна, так как состав реакционной смеси в данной точке реактора не изменяется во времени. Поэтому при неизмен­ном входном потоке реактор вытеснения непрерывного действия работает в стационарном режиме.

Степень превращения исходных веществ в продукты реакции аависит от времени пребывания компонентов в реакторе. Время

228

т(с) пребывания реакционной смеси в реакторе вытеснения нахо­дят делением длины реактора L (м) на линейную скорость потока w (м/с):

x = L / W ,                                       (21.2)

Величина т тем больше, чем больше длина реактора L и чем мень­ше скорость потока W . При проектировании и расчете реакторов скорость потока выбирают из соображений минимальных денеж­ных затрат на сооружение реактора. При этом используют те же зависимости, что и при расчете трубопроводов для перекачивания жидкостей (см. гл. 5).

Все используемые в промышленности реальные химические ре­акторы отличаются от идеальных, так как обеспечить режим пол­ного вытеснения или полного смешения практически невозможно. В трубчатых реакторах, которые по своей конструкции близки к аппаратам полного вытеснения, соседние элементы потока взаимо­действуют вследствие турбулентности потока. Это приводит к частичному перемешиванию соседних слоев, т. е. нарушению режи­ма идеального вытеснения.

В реакторах смешения (см. рис. 189, 190) не происходит пол­ного выравнивания технологических параметров (концентраций компонентов, температуры) по объему реактора, так как различ­ные устройства внутри реактора (змеевики, перегородки) создают застойные зоны. Несмотря на большую частоту вращения мешал­ки, в застойной зоне перемешивание может полностью отсутство­вать, что не позволяет считать реактор аппаратом полного смеше­ния. Таким образом, реальные конструкции аппаратов всегда только приближаются к идеальным, вследствие чего реальные ре­жимы потоков в аппаратах находятся в промежуточной области между идеальным вытеснением и идеальным смешением.

По тепловому режиму реакторы делятся на изотермические и адиабатические.

Изотермические реакторы работают при постоянной темпера­туре, которая сохраняется для всех точек реакционного объема. Скорость реакции в изотермических реакторах зависит только от состава реакционной смеси. В изотермическом режиме могут рабо­тать реакторы периодического и непрерывного действия любого типа.

Химические реакции часто сопровождаются экзотермическим или эндотермическим тепловым эффектом. Для осуществления изотермических условий необходимо отводить определенное коли­чество теплоты от реактора либо подводить ее к реактору. С этой целью в конструкции изотермического реактора предусмотрена специальная поверхность теплообмена — змеевик внутри реакци­онного объема, или рубашка.

Адиабатические реакторы работают в таких условиях, когда теп­лообмен с внешней средой практически исключен. Этого достигают хорошей теплоизоляцией внешней поверхности реактора. При про-

229

текании реакции в адиабатических условиях изменяется темпера­тура в реакторе и, следовательно, меняется скорость реакции.

Скорость экзотермических реакций в адиабатических условиях увеличивается во много раз, так как выделяющаяся в результате реакции теплота расходуется только на нагрев реакционной сме­си. Эндотермические реакции в адиабатических условиях проводить невыгодно ввиду того, что уменьшение скорости реакции приводит к значительному увеличению времени пребывания компонентов в реакторе.

Во многих случаях при проведении реакций со сложным меха­низмом для увеличения выхода целевого продукта температуру процесса необходимо изменять так, чтобы понизить скорости по­бочных реакций. Используемые для этого реакторы не относятся ни к изотермическим, ни к адиабатическим. Температуру в таких ре­акторах изменяют с помощью специальной системы управления.

В реакторе периодического действия система управления изме­няет температуру во времени, причем в каждый момент времени температура реакционной смеси во всех точках реактора одна и та же. В реакторах вытеснения неизотермический режим обеспечи­вается изменением температуры по длине реактора. Результат по­лучается аналогичным изменению температуры в реакторе смеше­ния периодического действия во времени.

По фазовому состоянию реагентов реакторы классифицируют следующим образом. Если при проведении химической реакции в реакторе находится только одна фаза, реактор называется гомо­генным. Он заполнен взаимодействующими веществами, находя­щимися в одном агрегатном состоянии — газообразном или жид­ком. Для достижения гомогенного состояния исходные вещества должны взаимно растворяться в любых соотношениях. В этом слу­чае перемешивание применяется только для облегчения процесса молекулярной диффузии, за счет которого происходит выравнива­ние концентраций в объеме реактора. Если скорость реакции превышает скорость молекулярной диффузии, то хорошая гомоге­низация реагентов достигается более интенсивным перемешивани­ем реакционной среды.

Если вещества в реакторе находятся в различных агрегатных состояниях, такой реактор называется гетерогенным. Конструкции гетерогенных реакторов отличаются большим разнообразием и за­висят от типа гетерогенной реакции. Гетерогенные реакции прово­дятся в реакторах периодического и непрерывного действия. В ге­терогенных условиях протекает значительная часть каталитиче­ских реакций.

⇐ Предыдущая37383940414243444546Следующая ⇒

Поделиться: