Конструкции реакторов

В реакционной аппаратуре химические процессы сопровождаются протеканием разнообразных физических процессов (гидродинамических, тепловых, диффузионных и других). С их помощью создаются необходимые условия для протекания собственно химических реакций.

Для реализации физических процессов в реакторах применяют различные конструктивные элементы (мешалки, теплообменники, контактные устройства, распылители). Поскольку сочетаний этих устройств может быть велико, то и разнообразие реакционных устройств большое количество.

8.5.1. Требования к реакторным конструкциям

Требования к устройству конкретных реакторов вытекают из постулата максимальной эффективности проведения в них химических процессов. В первую очередь среди них следует выделить следующие требования:

– возможность размещения в реакторе необходимого количества катализатора максимальной активности;

– создание требуемой поверхности контакта взаимодействующих реагентов и катализатора, а также отдельных фаз для обеспечения максимально эффективного массобмена между ними;

– обеспечение необходимого гидродинамического режима движения реагентов и фаз;

– создание необходимого теплообмена при подводе или отводе тепла;

– наличие необходимого реакционного объема для обеспечения требуемой производительности;

– возможность поддержания необходимого режима процесса;

– обеспечение максимальной скорости протекания реакций.

8.5.2. Типизация реакторов

Все реакторы, применяемые в химическом производстве, относят к тому или иному типу в зависимости от следующих факторов:

– агрегатного состояния участников процесса в реакторной подсистеме;

– состояния катализатора – жидкий или твердый катализатор (в стационарном, псевдоожиженном, диспергированном состоянии);

– расположения поверхности теплообмена (внешнее, внутреннее);

– способа отвода тепла (через поверхность теплообмена, за счет испарения реагентов или продуктов реакций, за счет подачи хладагентов);

– способа диспергирования газа, жидкости и твердых частиц (реагентов, катализаторов и вспомогательных веществ);

– способа развития поверхности контакта фаз.

Анализ этих факторов во многом определяет выбор конструкции вспомогательных устройств (перемешивающих, теплообменных).

По конструктивному признаку реакторы делятся:

– на реакторы типа реакционной камеры;

– реакторы колонного типа;

– реакторы шахтного типа;

– реакторы теплообменного типа;

– реакторы типа печи.

8.5.3. Примеры конструкций реакторов

Типичный пример конструкции реактора идеального вытеснения с политермическим режимом для эндотермических процессов приведен на рисунке 8.12.

Такой тип реактора применяют в производстве синтез-газа конверсией метана с водяным паром по реакции (8.43):

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂ – 206 кДж/моль. (8.43)

Принцип действия реактора идеального вытеснения шахтного типа показан на рисунке 8.13. Он представляет собой емкость (шахту), в которой на решетке помещен твердый зернистый материал. Высота слоя зернистого материала обычно больше диаметра реактора. Через слой материала проходит газ, который вступает во взаимодействие с твердым материалом. Концентрация реагирующих веществ в таком реакторе понижается по высоте слоя по логарифмической зависимости.

Рис. 8.12. Реактор идеального вытеснения с политермическим режимом для эндотермического процесса с катализатором в трубках

Рис. 8.13. Реактор идеального вытеснения шахтного типа для экзотермического процесса

По такому принципу работают многие каталитические реакторы, например, в процессе обжига железного колчедана или в процессе парокислородной конверсии метана по реакциям (8.44, 8.45):

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + 3420 кДж/моль, (8.44)

2CH₄ + O₂ = 2CO + 4H₂ + 35 кДж/моль. (8.43)

В экзотермических процессах температурный режим реактора близок к адиабатическому. Похожим образом работают насадочные колонны абсорбции газов жидкостями и десорбции газов из жидкостей.

Конверсия протекает на катализаторе, помещенном в трубках, а в межтрубном пространстве сжигается топливный газ для компенсации эндотермического эффекта реакции.

Реактор полного смешения характеризуется тем, что любой элементарный объем газа или жидкости, поступивший в реактор, мгновенно смешивается с содержимым реактора, так как в турбулентном потоке скорость циркуляционных движений по высоте и сечению реактора во много раз больше, чем скорость линейного движения по оси реактора. Концентрация всех веществ и степень превращения во всем объеме такого реактора одинакова и равна конечной.

Достаточное приближение к полному смешению достигается в реакторах с перемешивающими устройствами в жидкой фазе, а также в суспензиях твердых веществ в жидкостях. Такого типа реакторы широко применяются в нефтехимической, химической, пищевой промышленности.

Конструкции реакторов представлены на рисунках 8.15 – 8.18.

Рис. 8.14. Реакторы для жидких сред

На рисунке 8.14 обозначено:

а – насадочная колонна (режим вытеснения);

б – барботажная колонна с колпачковыми тарелками (режим вытеснения);

в – барботажная колонна с сетчатыми тарелками (режим вытеснения);

г – распределительная колонна (режим вытеснения);

д – реактор идеального смешения (одностадийный контакт фаз);

е – каскад реакторов смешения, противоточная схема.

Рис. 8.15. Конструкции контактных аппаратов

На рисунке 8.15 обозначено:

а – аппарат с одним неподвижным слоем катализатора;

б – аппарат с катализаторной сеткой;

в – полочный аппарат с промежуточным охлаждением реагентов посторонним хладоагентом во внутренних теплообменниках;

г – полочный аппарат с промежуточным охлаждением реагентов холодной исходной газовой смесью, поступающей на катализ;

д – полочный аппарат с промежуточным охлаждением во внешних теплообменниках;

е – полочный аппарат с вводом холодных реагентов между ступенями процесса;

ж – трубчатый аппарат с охлаждением посторонним хладоагентом;

з – трубчатый аппарат с охлаждением реагентов холодной исходной газовой смесью;

и – трубчатый аппарат с двойными теплообменными трубами.

Рис. 8.16. Реакторы для гомогенных систем

На рисунке 8.16 обозначено:

а – кубовый реактор непрерывного действия с перемешиванием;

б – реактор полупериодического действия с перемешиванием;

в – реактор периодического действия с перемешиванием;

г – каскад кубовых реакторов непрерывного действия;

д – каскад кубовых реакторов непрерывного действия с распределением сырья;

е – трубчатый реактор непрерывного действия;

ж – трубчатый реактор непрерывного действия с предварительным смешением сырьевых потоков;

з – трубчатый реактор непрерывного действия с поперечным распределением сырья;

и – охлаждаемый однотрубный реактор;

к – многотрубный реактор с теплообменом.

Рис. 8.17. Реакторы для гетерогенных систем

На рисунке 8.17 обозначено:

а – противоточный аппарат, работающий в режиме вытеснения;

б – аппарат с параллельным током, работающий в режиме вытеснения;

в – аппарат с перекрёстным током, работающий в режиме вытеснения;

г – аппарат со смешанной организацией потока, работающий в режиме вытеснения;

д – полупериодический реактор (газ в режиме вытеснения);

е – реактор для превращения твёрдого вещества в потоке газа (твёрдая фаза – в режиме смешения, газ – в промежуточном режиме);

ж – аппарат с псевдоожиженным слоем (твёрдая фаза – в режиме смешения, газ – в промежуточном режиме).

Контрольные вопросы

1. Дайте определение химического реактора. Приведите основные требова-ния к реакторам.

2. Приведите классификацию химических реакторов. Какие принципы положены в основу классификации химических реакторов?

3. Сравните графики изменений во времени основных параметров химических процессов в реакторах периодического и непрерывного действия.

4. Назовите особенности адиабатических реакторов. Изобразите графики температурных режимов адиабатических реакторов для эндотермических и экзотермических процессов.

5. Приведите особенности изо- и политермических реакторов.

6. Сформулируйте допущения модели реактора идеального смешения.

7. Почему при составлении балансовых уравнений для РИС в качестве элементарного объема может быть принят полный объем реактора?

8. Выведите уравнение материального баланса для стационарного проточного реактора идеального смешения.

9. Какова разница между действительным и средним временем пребывания реагентов в проточном реакторе? Для какого типа реакторов действительное и среднее время пребывания совпадают?

10. Сформулируйте допущения модели идеального вытеснения.

11. Составьте уравнение материального баланса для стационарного проточного реактора идеального вытеснения в дифференциальной форме.

12. Назовите основную причину, почему для достижения одинаковой степени превращения при равных условиях проведения реакции в проточном РИС требуется большее время пребывания реакционной массы по сравнению с проточным РИВ.

13. Сделайте анализ достоинств и недостатков реакторов идеального смешения и идеального вытеснения.

14. Сравните графики изменений по фронту реактора основных характеристик для реакторов типа РИС и РИВ.

15. Как изменяется движущая сила процесса в реакторах типа РИС и РИВ?

16. Приведите примеры процессов в реакторах типа РИС и РИВ.

17. Назовите типы реакторов по конструктивным элементам.