Классификация химических реакторов

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Любой ХТП невозможен без химического реактора, в котором протекают как химические, так и физические процессы.

РЕАКТОРЫ ХИМИЧЕСКИЕ (от лат. rе- приставка, означающая обратное действие, и actor - приводящий в действие, действующий), промышленные аппараты для осуществления химических реакций. Конструкция и режим работы химического реактора определяются типом реакции, фазовым состоянием реагентов, характером протекания процесса во времени (периодический, непрерывный, с изменяющейся активностью катализатора), режимом движения реакционной среды (периодический, полупроточный, с рециклом), тепловым режимом работы (адиабатический, изотермический, с теплообменом), типом теплообмена, видом теплоносителя.

Современный химический реактор - это сложный аппарат, имеющий специальные устройства, например:

1)загрузочно-разгрузочные устройства (насосы);

2)теплообменники;

3) перемешивающие устройства,

предназначенные для получения целевого продукта, оборудованный сложной системой контрольно-измерительных приборов КИП.

Требования к промышленным реакторам

1.МАХ производительность и интенсивность работы.

2. Высокий выход продукта Ф и наибольшая селективность процесса φ— это обеспечивается оптимальным режимом работы реактора (Т, Р, С), высокая степень превращения X.

3.Оптимальные энергозатраты на массообмен в реакторе

Существует противоречие между требованием к высокой производительности (посырью) и высокойстепенью превращения Х_А (реагента):

в схемах с открытым цикломпредпочтение отдают высокой степени превращения Х_А реагентов;

в закрытых системахпредпочтение отдают высокой производительности.

Классификация химических реакторов

1) По конструктивным признакам:

Рис. 1 – Основные типы хим. реакторов: а – проточный емкостный реактор с мешалкой и теплообменной рубашкой; б – многослойный каталитический реактор с промежуточными и теплообменными элементами; в – колонный реактор с насадкой для двухфазного процесса; г – трубчатый реактор; И-исходные вещества; П – продукты реакции; Т – теплоноситель; К – катализатор; Н – насадка; ТЭ – теплообменные элементы.

а) емкостные реакторы (автоклавы, реакторы-камеры; вертикальные и горизонтальные цилиндрические конверторы и т.п.). Емкостные химические реакторы – полые аппараты, часто снабженные перемешивающим устройством. Перемешивание газо-жидкостных систем может производиться барботированием газообразного реагента. Теплообмен осуществляется через поверхность химического реактора или путем частичного испарения жидкого компонента реакционной смеси. В емкостных химических реакторах проводят непрерывные, перио-дические и полупериодические процессы;

б) колонные реакторы (реакторы-колонны насадочного и тарельчатого типа; каталитические реакторы с неподвижным, движущимся и псевдоожиженным слоем катализатора; полочные реакторы). Колонные химические реакторы могут быть пустотелыми либо заполненными катализатором или насадкой. Для улучшения межфазного массообмена применяют диспергирование с помощью разбрызгивателей, барботеров, механического воздействия (вибрация тарельчатой насадки, пульсация потоков фаз) или насадки, обеспечивающей высокоскоростное пленочное движение фаз. Реакторы данного типа используют в основном для проведения непрерывных процессов в двух- или трехфазных системах. К реакторам этого типа относят также аппараты с неподвижным или псевдоожиженным слоем (одним или несколькими) катализатора. В многослойных реакторах теплообмен осуществляется смешением потоков реагентов или в теплообменных элементах аппарата;

в) реакторы-теплообменники. Трубчатые химические реакторы применяют часто для каталитических реакций с теплообменом в реакционной зоне через стенки трубок и для осуществления высокотемпературных процессов газификации. При одновременном скоростном движении нескольких фаз в таких реакторах достигается наибольший интенсивный межфазный массообмен;

г) реакторы типа реакционной печи (шахтные, полочные, камерные, вращающиеся печи) и т.д.

Специфическими особенностями отличаются химические реакторы для электрохимических, плазмохимических и радиационно-химических процессов.;

2) По фазовому составу реакционной смеси. Реакторы для проведения гомогенных процессов подразделяют на аппараты для газофазных и жидкофазных реакций. Для гетерогенных – газожидкостные реакторы, в системах газ-твердое вещество, жидкость – твердое вещество и т.д. Реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов.

3) По способу организации теплообмена. Подразделяют на реакторы с внешним, внутренним и комбинированным теплообменом. А также автотермические реакторы, в которых необходимая температура процесса поддерживается без использования внешних источников энергии.

4) По условиям теплообмена с окружающей средой:

- адиабатический – теплообмен с окружающей средой отсутствует (вся теплота, выделяющаяся или поглощающаяся в результате химических процессов, расходуется на «внутренний» теплообмен – на нагрев или охлаждение реакционной смеси, например, за счет теплоизоляции);

- изотермический – вследствие теплообмена с окружающей средой в нем обеспечивается постоянство температуры. В любой точке реактора в результате теплообмена полностью компенсируется выделение или поглощение теплоты (т.е. пропорциональное тепловому эффекту реакции);

- политермический (политропический) – регулируемые в них температура по высоте реактора изменяется в соответствии с заданной программой. Это может осуществляться за счет теплообменных устройств.

5) По гидродинамическому режиму:

а) реакторы смешения – емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом. (РИС или РПС);

б) реакторы вытеснения (РИВ, РПВ) – трубчатые аппараты, перемешивание имеет локальный характер и вызывается неравномерностью распределения скорости потока и ее флуктуациями, а также завихрениями;

в) с промежуточным режимом – перемешивание имеется, но не полное, либо не во всех точках.

Реальные реакторы приближаются к моделям ИС и ИВ, внося определенные поправки можно использовать модели.

6) По организации процесса (способ подвода реагентов и отвода продуктов):

а) В периодических реакторах все операции осуществляются последовательно и в разное время. Между отдельными реакционными циклами необходимо выполнить вспомогательные операции – загрузку реагентов и выгрузку продуктов.

Т.о. снижается производительность периодического реактора.

б) В реакторе непрерывного действия (проточном) – все операции осуществляются одновременно и параллельно.

Непрерывные реакторы более производительны из-за того, что нет затрат времени на операции загрузки и выгрузки. Используются в крупнотоннажных производствах.

в) В полупериодических реакторах одни операции осуществляются непрерывно, а другие – периодически.

7) По характеру изменения параметров процесса во времени:

- стационарный режим – протекание химической реакции в произвольно выбранной точке характеризуется одинаковыми значениями концентраций реагентов или продуктов, температуры, скорости и других параметров процесса в любой момент времени (возможен для непрерывных процессов).

- нестационарный – в произвольно выбранной точке происходит изменения параметров химического процесса во времени по тому или иному закону (все периодические процессы).