Классификация химических реакторов

Наиболее рациональные признаки классификации химиче­ских реакторов следующие:

• способ организации процесса, в котором участвует химиче­ский реактор (РХ), - периодический, полунепрерывный, непре­рывный;

• режим движения реакционной смеси (смешение, вытесне­ние);

• тепловой режим в реакторе;

• фазовый состав реакционной смеси;

• конструктивные характеристики реактора.

Способ организации процесса. В реакторе периодического дей­ствия рабочий цикл включает загрузку реагирующих веществ, проведение химического или физико-химического превраще­ния, выгрузку продуктов реакции или физико-химического пре­вращения, подготовку реактора к новому циклу. Производи­тельное время пребывания реагирующих веществ равно време­ни, необходимому для полного свершения процесса взаимодей­ствия до заданной степени превращения. Полное время цикла равно сумме длительностей всех операций. Производительность такого аппарата ниже производительности реактора непрерыв­ного действия.

В реакторе полунепрерывного действия одну из операций-подачу сырья или вывод готового продукта - проводят периодически в зависимости от свойств ФХС, положенной в основу ХТП.

Так, в некоторых случаях накопление целевого продукта отстает от всех предыдущих операций, и тогда целевой продукт выдают по мере его накопления, периодически. Если целевой продукт необходим непрерывно, его подают непрерывно, а сы­рье - периодически. Так получают диоксид углерода из карбо­ната кальция в производстве кальцинированной соды. Газ, по­лучаемый в газогенераторе, подают непрерывно, а перерабаты­ваемое твердое углерод содержащее сырье - периодически. Про­изводительность такого аппарата также ниже производительно­сти аппарата непрерывного действия, но степень превращения может быть выше, чем в аппарате непрерывного действия.

В реакторе непрерывного действия все операции по получе­нию целевого продукта (подача реагентов, химическое или фи­зико-химическое превращение, вывод получаемого продукта) выполняют одновременно. Затраты времени на загрузку, вы­грузку и подготовку аппарата к проведению реакции отсутству­ют.

На крупнотоннажных химических производствах большая часть или все операции переработки сырья непрерывны. Дли­тельность пребывания отдельных частей сырьевого потока в ап­парате - величина случайная. Практическая степень превраще­ния в отдельных частях потока в аппарате непрерывного дейст­вия также величина случайная. Это функция распределения длительности пребывания отдельных частей потока и определя­ется гидродинамическим режимом аппарата.

Режим движения реакционной смеси. В зависимости от гидро­динамического режима реакторы подразделяют на реакторы смещения и реакторы вытеснения. В полной мере практически невозможно исключить в реакторах вытеснения некоторое сме­шение реагирующих компонентов по длине (высоте) реактора. В реакторах смешения также нельзя полностью исключить не­большие зоны неравенства концентраций. Поэтому модели та­ких реакторов принято называть реакторами идеального смеше­ния (РИС) и реакторами идеального вытеснения (РИВ). С вне­сением необходимых поправок модели РИС и РИВ можно ис­пользовать на практике.

Процесс смешения в РИС должен быть организован таким образом, чтобы в любой точке аппарата были абсолютно одина­ковые условия по концентрации реагентов, продуктов реакции, степени превращения, температуре, скорости химического или физико-химического превращения и т.д.

• Реактор идеального смешения периодического действия :

• aA+bB —> dD +-ΔH

• Уравнение материального баланса по одному из исходных веществ:

где Cа - концентрация А в реакционной среде; х, у, z - пространственные координаты; Wx WY Wz - составляющие скорости потока; Dк,м - коэффициент конвективной и молекулярной диффузии; r- скорость реакции как функция СА.

• Но так как во всем объеме все параметры одинаковы производная любого порядка от концентраций по х, у, z равна нулю, следовательно

уравнение можно записать в виде полного дифференциала:

где r A - скорость реакции (функция убыли компонента А).

• Если взаимодействие не сопровождается изменением объема реакционной смеси, то скорость, выраженная через степень превращения компонента А, (ХА), равна

где CAO - начальная концентрация компонента А; ХА - заданная степень превращения компонента А.

•Время, необходимое для достижения степени превращения

•Xа, составит

Интегрируя уравнение, получают

П одставив значение скорости простого одностороннего пре, вращения n-го порядка (~r_A = КСⁿ_А, где К - константа скорости превращения), получают уравнение

Если

то

где Са = С_АО – С_Ао Хр.