Основным элементом технологической схемы является реактор, от совер-
шенства которого зависит качество выпускаемой продукции. Для всех реакторов существуют общие принципы, на основе которых можно найти связь между конструкцией аппарата и основными закономерностями протекающего в нем химического процесса.
Критериями, по которым классифицируют реакционную аппаратуру, являются периодичность или непрерывность процесса, его гидродинамический и тепловой режимы, физические свойства взаимодействующих веществ.
По принципу организации процесса химическая реакционная аппаратура может быть разделена на три группы:
- реактор непрерывного действия;
- реактор периодического действия;
- реактор полунепрерывного (полупериодического) действия.
По гидродинамическому режиму различают следующие типы:
- реактор вытеснения непрерывного действия (РВНД);
- реактор смешения непрерывного действия (РСНД);
- реактор промежуточного типа (с промежуточным гидродинамическим режимом).
|
|
По тепловому режиму работы реакторы подразделяют на следующие типы:
- изотермический;
- адиабатический;
- политропический.
Реактор непрерывного действия. В таком реакторе (рис. 6.1) все отдель-
ные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются парал-
лельно и одновременно. Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме различен в разных точках объема аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема.
вещество тель
Рис. 6.1. Установка для непрерывного процесса:
1 - теплообменные аппараты; 2 - реактор
Рис. 6.2. Аппарат периодического действия | Рис. 6.3. Аппарат промежуточного типа |
В реакторе периодического действия (рис. 6.2) все отдельные стадии процесса протекают последовательно в разное время. Характер изменения концентраций реагирующих веществ одинаков во всех точках реакционного объема, но различен во времени для одной и той же точки объема.
Реактор полунепрерывного действия (рис. 6.3) работает в неустановившихся условиях. Такой реактор можно рассматривать как непрерывно действующий аппарат, в котором потоки входящего и выходящего из реактора вещества не равны (вследствие чего изменяется общая масса реагирующих веществ в объеме), и, кроме того, как периодически действующий аппарат, в котором ввод одного из реагирующих веществ или вывод продукта реакции осуществляется периодически.
Реактор полного вытеснения (рис. 6.4) характеризуется переменной концентрацией реагирующих веществ по длине аппарата, наибольшей разницей концентраций на входе и выходе из реактора и, следовательно, наибольшей средней движущей силой процесса.
|
|
а | б |
Рис. 6.4. Реактор вытеснения: а - однотрубный, б - многотрубный
Изменение концентрации в реакционном объеме (рис. 6.5, а) носит плавный характер, так как последующие реакционные объемы реагирующих веществ не смешиваются с предыдущими, а полностью ими вытесняются.
Рис. 6.5. Изменение концентрации веществ в реакторах: а - аппарат вытеснения; б - аппарат смешения; в - многосекционный аппарат смешения; г - аппарат промежуточного типа. Концентрация: С - текущая; Сн - начальная; Ск - конечная;
С* - равновесная; L - длина (высота) аппарата
Практически к режиму полного вытеснения можно приблизиться в реакторе с ма-
лым диаметром и большой длиною при относительно высоких скоростях движения реагирующих веществ.
Реакторы вытеснения находят широкое применение для проведения как гомогенных, так и гетерогенных каталитических процессов (например, окисления NO в NO2 и SO2 в SO3, синтеза аммиака и метилового спирта, хлорирования этилена, сульфирования пропилена и бутилена и т.д.).
Реактор полного смешения (рис. 6.6) обычно снабжен каким-либо перемешивающим устройством и характеризуется постоянством концентрации реагирующих веществ во всем объеме реакторов в данный момент времени (рис. 6.5, б) вследствие практически мгновенного смешения реагирующих веществ в реакционном объеме.
Рис.6.6 Реакторы смешения: а - одноступенчатый; б - вертикальный многоступенчатый; в - многосекционный горизонтальный: г - батарея аппаратов смешения
Поэтому изменение концентрации реагирующих веществ на входе в реактор носит скачкообразный характер. Средняя движущая сила процесса в таком аппарате будет меньше, чем в аппарате полного вытеснения. Реакторы этого типа наиболее широко применяются для проведения таких процессов как нитрование, сульфирование, полимеризация и др.
В некоторых случаях процесс химического превращения вещества проводится не в одном аппарате смешения, а в нескольких таких аппаратах, соединенных последовательно (рис. 6.6, г). Такая система, состоящая в некоторых случаях из 20 и более аппаратов, получила название каскада реакторов (батареи реакторов). В каскаде реакторов изменение концентрации реагирующих веществ носит ступенчатый характер (рис. 6.5, в), так как продукт реакции предыдущего аппарата является исходным реагирующим веществом в последующем аппарате.
Гидродинамический режим работы каскада реакторов является промежуточным и зависит от числа аппаратов: с увеличением числа реакторов в каскаде он приближается к режиму вытеснения, а при уменьшении - к режиму смешения.
В каскаде увеличивается время пребывания реагирующих веществ по сравнению с одним реактором смешения, а также растет выход продуктов реакции по сравнению с реактором вытеснения.
В реакторе промежуточного типа (с промежуточным гидродинамическим режимом) нельзя осуществить полностью ни один из перечисленных выше гидродинамических режимов движения реагирующих веществ. Средняя движущая сила процесса в таком аппарате больше, чем в аппарате полного смешения, но меньше, чем в аппарате полного вытеснения (рис. 6.5, г). Следует отметить, что значительная часть реакционной химической аппаратуры работает именно в этом гидродинамическом режиме.
Реакторы промежуточного типа применяют в тех случаях, когда процесс химического превращения вещества сопровождается большим тепловым эффектом или протекает при высоких концентрациях реагирующих веществ, а также в случае, когда одно из реагирующих веществ имеет низкую скорость растворения в реакционной смеси.
Изотермический реактор характеризуется постоянством температуры во всем реакционном объеме. В таком реакторе скорость подвода или отвода тепла должна быть строго пропорциональна количеству тепла, выделенного или поглощенного в процессе химического превращения вещества. На практике такой тепловой режим может быть достигнут лишь в условиях полного перемешивания реагирующих веществ. В качестве примера можно назвать реактор с кипящим слоем катализатора для получения изооктана.
|
|
Адиабатический реактор. В таком реакторе полностью отсутствует теплообмен с окружающей средой. Все тепло реакции как бы аккумулируется самим реакционным объемом. В адиабатическом реакторе имеет место наибольший перепад температур реагирующих веществ на входе и выходе из аппарата, который возрастает для экзотермических процессов и убывает - для эндотермических.
Примером реакторов, работающих в адиабатическом тепловом режиме, могут служить реакторы для проведения процессов прямой гидратации этилена и дегидрирования бутиленов.
В политропическом реакторе тепловой режим (изменение температуры в реакционном объеме) будет определяться не только собственно тепловым эффектом процесса химического превращения вещества, но и теплотехническими, и конструктивными факторами реакционной аппаратуры.