По конструктивному оформлению теплообменных устройств

Класссификация по конструктивным характеристикам.

Классификация химических реакторов

По принципу организации процесса химическая реакционная аппаратура может быть разделена на три группы:

- непрерывного действия;

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 непрерывнодействующих реакторах.

- периодического действия;

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 во время этих вспомогательных операций не может быть получено дополнительное количество продукта, их наличие обусловливает снижение производительности периодического реактора

- полунепрерывного действия.

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

По гидродинамическому режиму различают следующие типы реакторов:

- полного вытеснения;

Реактор не имеет ни одного механического конструктивного приспособления для перемешивания и характеризуется большими значениями соотношений между длиной и диаметром. При движении через реактор элемент объема, вероятно, ведет себя так же, как поршень в цилиндре, вытесняя все, что находиться перед ним. Состав реакционной смеси изменяется постепенно, по длине (высоте) реактора, вследствие протекания химической реакции.

1 - корпус; 2 - катализатор; 3 - теплоноситель (хладагент); 4 - исходные продукты; 5 - продукты реакции.

Рисунок 1 - Реактор вытеснения трубчатого типа:

- идеального смешения;

Когда элемент объема мгновенно перемешивается с содержимым реактора и состав этого элемента резко изменяется от состава питания до состава смеси в реакторе. В результате, во всех точках реакционного объема выравниваются параметры, характеризующие протекающий процесс. Это достигается с помощью мешалки или другого конструктивного приспособления (барботера, инжектора и т.д.).

1 - корпус; 2 - мешалка; 3 - рубашка для подогрева и охлаждения.

Рисунок 2 - Схема реактора со скребковой мешалкой.

1 - спираль большого диаметра; 2 - спираль малого диаметра; 3 - рубашка охлаждения.

Рисунок 3 - Схема реактора со спиралевидной мешалкой

- промежуточного типа (с промежуточным гидродинамическим режимом).

А В САL СА 0 L	Реактор непрерывного действия с полным вытеснением.
А В САПL СА 0 L	Реактор непрерывного действия с полным перемешиванием.

Каскад реакторов идеального смешения (РИС), представляющий собой ряд последовательно соединенных реакторов, вследствие изменения гидродинамической обстановки будет приближаться к реактору идеального вытеснения (РИВ). Таким образом, если длина РИВ требуется достаточно большой, то бывает более целесообразно (с точки зрения более компактной планировки оборудования) заменить один большой реактор на каскад меньших реакторов.

По тепловому режиму работы реакторы делят на следующие типы:

- изотермический реактор;

Реакторы, в которых процесс протекает при постоянной температуре во всех точках реакционного объема, называют изотермическими. Достичь постоянства температуры в реальных условиях весьма затруднительно, поэтому для большинства реакторов наиболее характерным является политропический режим, т. е. частичный отвод тепла реакции или подвод тепла извне. Для отвода и подвода тепла используют соответствующие тепло и хладагенты.

- адиабатический реактор;

Реакторы, работающие без теплообмена с окружающей средой, называются адиабатическими. Все тепло, выделяемое (или поглощаемое) в реакторе, аккумулируется реакционной смесью (вся теплота, выделяющаяся или поглощающаяся в результате химических процессов, расходуется на «внутренний» теплообмен – на нагрев или охлаждение реакционной смеси). Эти реакторы просты по конструкции, у них нет теплообменных устройств. Для создания адиабатического режима используют теплоизоляцию.

- реактор с программированным тепловым режимом.

В реакторах с программированным тепловым режимом теплообмен осуществляется в соответствии с заданной программой изменения температуры по высоте реактора или в определенных точках реакционного объема (в определенные промежутки времени).

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 (автоклавы; 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.).

а - проточный емкостный реактор с мешалкой и теплообменной рубашкой; б - многослойный каталитич. 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.

Рисунок 4 - Основные типы хим. реакторов

По фазовому состоянию:

- гомогенные;

- гетерогенные.

Гомогенным называют реактор, если в нем реагирующие вещества находятся в одной фазе, например, только в жидкой или только в газообразной, а гетерогенным - если в реакторе реагирующие вещества находятся в различных агрегатных состояниях.

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.

Одним из важных внешних факторов, влияющих на протекание химической реакции в нужном направлении и с заданной скоростью, является температура. С целью поддержания определенного температурного режима используют различные теплообменные аппараты (внутренние или внешние). Внутренние теплообменники (змеевики, трубчатые пучки и пр.) имеют развитую поверхность теплообмена, но контактируют непосредственно с реагентами, что в некоторых случаях недопустимо, кроме того, поверхность такого теплообменника сложно очищать. Удобнее использовать внешний обогрев (термостатирующие рубашки, водяные бани и др.). Как правило, внешние термостаты в сочетании с перемешивающими устройствами позволяют обеспечить равномерное распределение тепла по всему объему реактора.

Использование термостата позволяет не только нагревать и охлаждать, но и автоматически поддерживать температуру на определенном уровне. Большое разнообразие термостатов дает возможность подобрать модель под конкретного пользователя.

а - аппарат с рубашкой; б - аппарат с внутренним змеевиком; в - аппарат с наружным теплообменником; г - аппарат с внутренним теплообменником;

1 - исходное вещество;

2 - теплоноситель;

3 - продукты реакции;

Рисунок 5 - Схемы теплообменных устройств в реакторах смешения

а - внутренний теплообменник; б - наружный теплообменник; в - двойные трубки; г, д - кожухотрубчатые теплообменники; е - внутренние змеевики;

1 - теплоноситель (хладагент);

2 - исходное вещество;

3 - катализатор;

4 - продукты реакции.

Рисунок 6 - Схемы теплообменных устройств в реакторах вытеснения

Из всех перечисленных выше факторов агрегатное состояние вещества оказывает самое большое влияние на принцип действия реактора, и его конструктивного оформления. Кроме того, в зависимости от этого фактора определяется выбор некоторых основных и вспомогательных узлов аппарата, таких, как, например, питатель, перемешивающее устройство, поверхность теплообмена и т.д.