В основу классификации химических реакторов положены три принципа: организационно-техническая структура операций, осуществляемых в реакторе, характер теплового режима и режима движения компонентов.
По организационно-технической структуре операций реакторы делят на реакторы периодического и непрерывного действия.
Для реакторов периодического действия характерно падение движущей силы процесса во времени вследствие уменьшения концентрации реагентов в ходе процесса. Это приводит к тому, что режим работы реакторов периодического действия нестационарен во времени и требует изменения параметров процесса (температуры, давления) для компенсации этого падения и поддержания скорости процесса на заданном уровне (рисунок 8.1).
Рис. 8.1. Режим работы реактора периодического действия:
cA,0, cA,t – концентрации реагента А начальная и в момент t;
Т, р – температура и давление в реакторе
Для реакторов непрерывного действия характерно постоянство движущей силы процесса во времени вследствие постоянства концентраций реагентов в ходе процесса. Поэтому режим работы таких реакторов стационарен во времени и не требует корректировки параметров процесса (рисунок 8.2).
|
|
В общем виде производительность реактора рассчитывают по формуле (8.1):
, (8.1)
где т – масса продукта, полученного за время цикла работы реактора,
tр, tз, tв – время химического процесса, загрузки компонентов и выгрузки продуктов, соответственно.
Рис. 8.2. Режим работы реактора непрерывного действия
Так как в непрерывном процессе время загрузки и время выгрузки равно нулю, то производительность реакторов непрерывного действия выше, чем реакторов периодического действия при прочих равных условиях.
Реакторы классифицируют также по температурному режиму и степени перемешивания. По температуре процесса их делят на высокотемпературные и низкотемпературные, по давлению – на реакторы, работающие при высоком, повышенном, нормальном и низком (под вакуумом) давлении. По типу процесса различают гомогенные и гетерогенные реакторы.
По температурному режиму реакторы и проводимые в них процессы разделяют на адиабатические, изотермические и политермические.
Адиабатические реакторы с хорошей теплоизоляцией при спокойном (без перемешивания) течении потока реагентов не имеют теплообмена с окружающей средой. При этом все тепло экзотермической реакции аккумулируется потоком реагирующих веществ. Температурный режим в любой точке по фронту реактора описывается уравнением:
, (8.2)
где: T к, T н – конечная и начальная температуры системы;
Q р – тепловой эффект процесса при полном переходе основного компонента из одного состояния в другое;
|
|
G – масса реакционной смеси;
с – средняя теплоемкость смеси в интервале температур Т н – Т к;
х – степень превращения.
Если обозначить , то уравнение (8.2) становится линейным и его можно записать следующим образом:
. (8.3)
Знак «+» соответствует экзотермической реакции, знак «–» – эндотермической; l представляет собой тангенс угла наклона графика зависимости температуры от степени превращения сырья, изображенного на рисунке 8.3.
Рис.8.3. Изменение температурного режима
по фронту адиабатического реактора:
а) экзотермическая реакция; б) эндотермическая реакция
По времени контакта реагентов, которое пропорционально габаритам реактора, степень превращения и температура в адиабатическом реакторе изменяются также по сложным кривым (рисунок 8.4, 8.5).
Изотермические реакторы имеют постоянную температуру во всех точках реакционного объема во времени и в пространстве в соответствии с графиком 1 на рисунке 8.5. Изотермический режим более выгоден для производства и облегчает автоматизацию технологического процесса в реакторе по сравнению с адиабатическим.
Изотермический режим может быть достигнут в реакторах с мешалкой или в кипящем слое. В таких реакторах гидродинамический режим обеспечивает приближение к полному перемешиванию с продуктами реакции и инертными компонентами. При этом температура в экзотермических реакторах повышается, а в эндотермических понижается до конечной сразу после поступления исходных веществ в реакционное пространство. Можно приблизиться к изотермическому режиму путем подвода тепла для компенсации эндотермического эффекта или отвода тепла в экзотермическом процессе.
Рис. 8.4. Изменение степени превращения x и температуры Т по высоте Н (длине L) адиабатического реактора | Рис. 8.5. Температурная характеристика изотермического (1) и политермического реакторов (2) |
Политермические реакторы характеризуются частичной компенсацией тепла реакции путем отвода (подвода) теплоты. К политермическим относят реакторы с малой степенью смешения реагирующих веществ и со встроенными внутрь реакционного объема теплообменниками (например, трубчатые контактные аппараты). Температура по высоте (длине) реактора изменяется по характерной кривой (рисунок 8.5).