Лекция № 11. Теория химического реактора

Химический реактор – это основной аппарат технологической схемы, в котором осуществляется химическая реакция и сопутствующие ей физические процессы.

Современный химический реактор – сложный аппарат, имеющий множество устройств и механизмов, которые выполняют различные операции по проведению, ускорению и контролю протекающих химических и физических процессов. Любой химический реактор имеет загрузочно-разгрузочное устройство, теплообменные устройства для поддержания теплового режима процесса, перемешивающее или иное устройство для обеспечения массообмена, систему контрольно-измерительных приборов и другие приспособления.

Реактор характеризуют набором габаритных и технологических параметров. Габаритные параметры – это объем, диаметр, высота реактора, число трубок, тарелок и т.п. Технологические параметры – это состав, температура, скорость потока и т.п. реагентов (параметры входа) и продуктов (параметры выхода), а также параметры тепло- и хладоагентов.

Различают стационарный (установившийся) и нестационарный режимы работы реактора. При стационарном режиме в реакторе не происходит накопления вещества или тепла, то есть производные концентрации реагентов и температуры во времени равны нулю.

При нестационарном режиме в реакторе накапливается вещество или тепло.  Стационарный режим характерен для реакторов, работающих в непрерывном режиме; нестационарный – для периодических реакторов или для непрерывных реакторов в стадии пуска или остановки.

Каждый работающий реактор имеет определенный концентрационный и температурный режим. Концентрационный режим – поддержание оптимальной концентрации реагентов по объему (длине) реактора или во времени. Температурный режим  - это поддержание оптимальной температуры по объему (длине) реактора или во времени.

Основные требования к промышленным реакторам:

  • высокая производительность
  • высокая селективность
  • низкие энергетические затраты
  • надежность регулирования и установки технологического режима
  • простота обслуживания
  • безопасность работы
  • низкая стоимость.

Эффективность работы реактора зависит от его конструкции и режима осуществления в нем процесса. Работу реактора оценивают по следующим показателям:

  • производительность
  • интенсивность (средняя скорость, удельная производительность)
  • пропускная способность
  • коэффициент полезного действия – отношение объема, реактора, работающего в оптимальном режиме, к фактическому объему реактора.


Классификация химических реакторов

1) По организационной структуре процесса (по способу подвода сырья и отвода продуктов):

  • реакторы непрерывного действия
  • реакторы периодического действия
  • реакторы полупериодического или полунепрерывного действия.

Периодические реакторы характеризуются единством места завершения всех стадий процесса. Исходное сырье загружают в реактор и через определенное время выгружают продукты реакции, затем все операции повторяют. Реактор работает циклически. Время одного цикла равно

τцикла = τхим.р. + τвспомог. операций.

Так как режим работы периодических реакторов нестационарный, качество продукции изменяется от партии к партии. Реакторы периодического действия обладает низкой производительностью, высокой материало- и энергоемкостью, их трудно автоматизировать. Достоинствами этих реакторов является низкая стоимость и большая экономическая гибкость. Реакторы такого типа незаменимы при малотоннажном производстве продуктов широкого ассортимента, а также для отработки режимов процессов и исследования кинетических закономерностей.
Реакторы непрерывного действия (проточный) – это реакторы, в которых непрерывно загружается сырье и также непрерывно выгружаются продукты; все стадии процесса осуществляются параллельно и одновременно. В этих реакторах невозможно непосредственно изменить время реакции, поэтому пользуются понятием условного времени пребывания реагентов в реакторе.
,

где Vp – объем реактора (м3);

vоб. – объемная скорость подачи сырья (м3/ч)

Проточные реакторы характеризуются высокой производительностью, стационарностью работы, качеством продукции, позволяют рационально использовать энергию, легко автоматизировать процесс. Их недостатками является трудность запуска и установки, поэтому проточные реакторы используются в случае крупнотоннажных производств.

Реакторы полунепрерывного и полупериодического действия - это различные комбинации непрерывной и периодической организации работы реактора.

  1. По гидродинамическому режиму:
  • реакторы смешения
  • реакторы вытеснения.

В реакторах смешения конвективный перенос реагентов происходит путем интенсивного перемешивания, например, механической мешалкой или циркуляционным насосом.

В реакторах вытеснения перемешивания нет, а конвективный перенос реагентов осуществляется путем направленного движения потока реакционной смеси вдоль оси реактора.

В первом случае интенсивность конвективного переноса определяется скоростью вращения мешалки, во втором – линейной скоростью движения потока.

  1. По тепловому режиму:
  • адиабатические
  • изотермические
  • политропические

В адиабатических реакторах отсутствует теплообмен с окружающей средой и весь тепловой эффект реакции расходуется на изменение температуры реакционной смеси. Это идеальный  реактор; такой тепловой режим практически нереализуем.

В изотермических реакторах обеспечивается такой теплообмен с окружающей средой, который компенсирует полностью тепловой эффект реакции. В результате температура реакционной смеси остается строго постоянной. Это тоже идеальный реактор; на практике такое осуществить очень трудно. Близко к изотермическому режиму работают реакторы, в которых проводят процессы с очень малыми тепловыми эффектами или очень малой скоростью реакции, а также процессы, протекающие в растворе, где концентрация реагентов небольшая и тепло аккумулируется большим объемом растворителя.

Ближе к реальным условиям работы относится модель политропического реактора, в котором тепловой эффект химической реакции частично компенсируется за счет теплообмена с окружающей средой, а частично – за счет изменения температуры реакционной смеси.

  1. По фазовому составу реакционной смеси:
  • реакторы для проведения гомогенных процессов (газофазных и жидкофазных)
  • реакторы для проведения гетерогенных процессов
  • реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов (контактные аппараты).
  1. По конструктивным характеристикам:
  • емкостные реакторы
  • колонны
  • трубчатые реакторы
  • печи (реакторы для высокотемпературных процессов)
  • и другие.

Материальный баланс реактора

Материальный баланс – это равенство прихода и расхода вещества в реакторе или в процессе. Теоретической основой составления материальных балансов является закон сохранения материи М.И. Ломоносова.

Составим материальный баланс реактора, в котором протекает простая необратимая реакция       А → С.

Масса реагента, поступающего в реактор, в единицу времени, равно массе реагента А, расходуемому в реакторе в единицу времени.

mА приход = mАрасход

Реагент А расходуется на химическую реакцию, часть реагента выходит из реактора, часть – остается в реакционном объеме в неизменном виде (накапливается).

mАрасход = mА хим.р. + mА сток + mА накопл.

mА приход = mА хим.р. + mА сток + mА накопл.

mА приход - mА сток = mА хим.р. + mА накопл.

Обозначим  mА приход - mА сток  = mА конвек. – масса реагента А, переносимого за счет конвекции (потоком реакционной массы).

Тогда              mА накопл.mА конвек.mА хим.р.

Масса реагента А, остающееся неизменным в реакционном потоке, равно разнице между массой вещества А, переносимым конвективным потоком, и массой вещества А, израсходованным на химическую реакцию. Это есть уравнение материального баланса в общем виде.

Когда концентрация реагента непостоянна в различных точках объема реактора или во времени, нельзя составлять материальный баланс в общем виде, для всего объема реактора.  В этом случае составляют материальный баланс для элементарного объема реактора.

Основой этого материального баланса является уравнение конвективного переноса (см.  Амелин и др. с.71-73).

где СА – концентрация реагента А в реакционной смеси;

x,y,z – пространственные координаты;

Wx, Wy, Wz – составляющие скорости потока;

D – коэффициент диффузии;

rA – скорость химической реакции.

Член характеризует изменение концентрации реагента А во времени в элементарном объеме и соответствует mА накопл. в общем уравнении материального баланса.

Член отражает изменение концентрации реагента вследствие переноса его в направлении, совпадающим с направлением общего потока.

Член отражает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме в результате переноса его путем диффузии. Вместе эти члены характеризуют суммарный перенос вещества в движущейся среде путем конвекции и диффузии; в общем уравнение материального баланса им соответствует член mА конвек..

Член rA показывает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме за счет химической реакции. Ему соответствует член  m А хим.р. в общем уравнении материального баланса.

Полученное дифференциальное уравнение очень сложно в решении. В зависимости от типа реактора и режима его работы оно может быть преобразовано и упрощено.