Классификация химических реакторов и режимов их работы

- Классификация реакторов по гидродинамической обстановке. В за­висимости от гидродинамической обстановки можно разделить все реакторы на реакторы смешения и вытеснения.

Реакторы смешения — это емкостные аппараты с пере­мешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом. Реакторы вытеснения — трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала. В трубчатых реакторах перемешивание име­ет локальный характер и вызывается неравномерностью распределения скорости потока, а также завихрениями.

Для реактора идеального смешения характерно абсолютно полное выравнивание всех характеризующих реакцию параметров по объему реактора.

Реактор идеального вытеснение предполагает, что любое ко­личество реагентов и продуктов через реактор перемещается как твер­дый поршень, и по длине реактора (в пространстве) в соответствии с особенностями реакции и сопровождающих ее физических явлений устанавливается определенное распределение концентраций участников реакции, температуры и других параметров. Реальные реакторы в большей или меньшей степени приближают­ся к модели идеального вытеснения или идеального смещения.

Классификация по условиям теплообмена. Протекающие в реак­торах химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами. Вследствие выделения или поглоще­ния теплоты изменяется температура и возникает разность температур между реактором и окружающей средой. Разность температур является движущей силой теплообмена.

При отсутствии теплообмена 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 за счет тепло­обмена с окружающей средой в нем обеспечивается постоянство темпе­ратуры. В реакторах с промежуточным тепловым режи­мом тепловой эффект химической реакции частично компенсируется о счет теплообмена с окружающей средой, а частично вызывает изме­нение температуры реакционной смеси.

Особо следует выделить автотермические реакторы, в которых поддержание необходимой температуры процесса осуществ­ляется только за счет теплоты химического процесса без использова­ния внешних источников энергии. Обычно стремятся к тому, чтобы химические реакторы, особенно применяемые в крупнотоннажных производствах, были автотермическими.

Классификация по фазовому составу реакционной смеси. Реакто­ры для проведения гомогенных процессов подразделяют на аппараты для газофазных и жидкофазных реакций. Аппараты для проведения гетерогенных процессов, в свою очередь, подразделяют на газожидко­стные реакторы, реакторы для процессов в системах газ — твердое вещество, жидкость — твердое вещество и др. Особо следует выделить реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов.

Классификация по способу организации процесса. По способу ор­ганизации процесса (способу подвода реагентов и отвода продуктов) реакторы подразделяют на периодические, непрерывнодействующие и полунепрерывные (полупериодические).

В реакторе периодического действия все отдель­ные стадии протекают последовательно, в разное время. Все реагенты вводят в аппарат до начала реакции, а смесь продуктов отводят после окончания процесса. Продолжительность реакции можно измерить непосредственно, так как время реакции и время пребывания реаген­тов в реакционном объеме одинаковы. Параметры технологического процесса в периодически действующем реакторе изменяются во вре­мени.

Между отдельными реакционными циклами в периодическом реак­торе необходимо осуществить вспомогательные операции — загруз­ку реагентов и выгрузку продуктов. Поскольку вовремя 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 операции загрузки и выгрузки отсутствуют. Поэтому на современных крупнотоннажных химических производствах, где требуется высокая производительность реакционного оборудования, большинство химических реакций осу­ществляют в непрерывно действующих реакторах.

Реактор полунепрерывного (полупериодиче­ского) действия характеризуется тем, что один из реагентов поступает в него непрерывно, а другой — периодически. Возможны варианты, когда реагенты поступают в реактор периодически, а про­дукты реакции выводятся непрерывно, или наоборот.

Классификация по характеру изменения параметров процесса во времени. В зависимости от характера изменения параметров процес­са во времени одни и те же реакторы могут работать в стационарном и нестационарном режимах.

Режим работы реактора называют стационарным, если протекание химической реакции в произволь­но выбранной точке характеризуется одинаковыми значениями кон­центраций реагентов или продуктов, температуры, скорости и других параметров процесса в любой момент времени. В стационарном режиме параметры потока на выходе из реактора не зависят от времени. Если в произвольно выбранной точке происходят изменения пара­метров химического процесса во времени по тому или иному закону, режим работы реактора называют нестационарным. Неста­ционарный режим является более общим. Стационарный режим возмо­жен для непрерывнодействующих проточных реакторов. Но даже эти реакторы работают в нестационарном режиме в моменты их пуска и ос­тановки. Нестационарными являются все периодические процессы,

Нестационарные реакторы характеризуются положительным или отрицательным накоплением вещества или энергии в реакторе. На­пример, для периодического реактора характерно положительное на­копление продуктов реакции и отрицательное накопление (убыль) ис­ходных реагентов. При протекании в таком реакторе экзотермической реакции в отсутствие теплообмена с окружающей средой будет иметь место накопление теплоты (энергии), которое приведет к росту темпе­ратуры.

Стационарные проточные реакторы проще для моделирования (описываются более простыми уравнениями); протекающие в них про­цессы легче автоматизировать.

Нестационарность процесса в реакторе, естественно, вносит опре­деленные усложнения и в описание реактора, и в управление его ра­ботой, однако во многих случаях нестационарные режимы техноло­гических процессов, протекающих в химических реакторах, легче приблизить к оптимальным.

Классификация по конструктивным характеристикам. Химиче­ские реакторы отличаются друг от друга и по ряду конструктивных ха­рактеристик, оказывающих влияние на расчет и изготовление аппара­тов. По этому принципу классификации можно выделить такие типы реакторов: емкостные реакторы ( реакторы-камеры; вер­тикальные и горизонтальные цилиндрические конверторы и т.п.); колонные реакторы (реакторы-колонны насадочного и тарельчатого типа; каталитические реакторы с неподвижным, движущимся и псевдоожиженным слоем катализатора; полочные реакторы); реакторы ти­па теплообменника; реакторы типа реакционной печи (шахтные, полочные, камерные, вращающиеся печи и т.п.).

10. Уравнение материального баланса для элементарного объема прочного химического реактора.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: