1.5.1 Классификация и основные показатели работы химических реакторов

В основу классификации химических реакторов положены три принципа: организационно-техническая структура операций, осуществляемых в реакторе, характер теплового режима и режима движения компонентов.

По организационно-технической структуре операций химико-технологические реакторы делятся на реакторы периодического действия и ректоры непрерывного действия.

В реакторы периодического действия реагенты загружают в начале операции. После определенного времени, необходимого для достижения заданной степени превращения, аппарат разгружают. Основные параметры процесса (концентрация реагентов и продуктов реакции, температура, давление) изменяются во времени. Для реакторов периодического действия характерно падение движущей силы процесса во времени вследствие уменьшения концентрации реагентов в ходе процесса. Это приводит к тому, что режим работы реакторов периодического действия нестационарен во времени и требует изменения параметров процесса (Т, Р и др.) для компенсации этого падения и поддержания скорости процесса на заданном уровне. Среднюю скорость процесса можно измерить производительностью реактора. Реакторы периодического действия работают, как правило, при сильном перемешивании реагентов, близком к полному смешению и, соответственно, при одинаковой температуре во всем реакционном объеме в любой момент времени.

Реакторы непрерывного действия от пуска до остановки непрерывно (или систематическими порциями) питают исходными веществами и выводят из них продукты реакции. Для реакторов непрерывного действия характерно постоянство движущей силы процесса во времени вследствие постоянства концентраций реагентов в ходе процесса. Поэтому режим работы реакторов непрерывного действия стационарен во времени и не требует корректировки параметров процесса.

Реакторы полунепрерывного действия характеризуются тем, что сырье поступает в аппарат непрерывно или определенными порциями через равные промежутки времени, а продукты реакции выгружаются периодически. В некоторых многостадийных производствах сочетаются в едином полунепрерывном процессе периодические (например, в доменном, загрузка шихты, выпуск чугуна) и непрерывные (восстановление оксидов железа и образование чугуна) процессы.

Режим движения реагентов.

Химические реакторы непрерывного действия по режиму движения компонентов делятся на реакторы идеального вытеснения (РИВ-Н), реакторы идеального (полного) смешения (РИС-Н) и реакторы промежуточного типа (РПТ-Н).

Реакторами идеального вытеснения называются реакторы непрерывного действия, в которых осуществляется ламинарный гидродинамический режим. В них поток реагентов движется в одном направлении по длине реактора, реагенты последовательно «слой за слоем» без перемешивания проходят весь реакционный путь. Примером реактора идеального вытеснения является контактный аппарат с катализатором внутри труб, шахтные печи. В РИВ-Н параметры, движущая сила процесса и скорость процесса изменяются по длине реактора (во времени). Причем отклонение средней движущей силы от постоянного значения является максимальным. Количественная оценка изменения концентрации, степени превращения, выхода продукта и др.показателей ХТП при протекании его в потоке с идеальным вытеснением зависит от характера изменения температуры по длине реактора.

Реакторами идеального (полного) смешения называются реакторы непрерывного действия, в которых осуществляется турбулентный гидродинамический режим. В них потоки реагентов смешиваются друг с другом и с продуктами химического превращения, т.е. равномерно распределяются по всей длине и во всем объеме реакционной зоны. В результате во всех точках реакционной зоны мгновенно выравниваются все парметры. В РИС-Н параметры, движущая сила процесса и скорость процесса постоянны по объему реактора (т.е. во времени), причем отклонение средней движущей силы от постоянного значения равно нулю. Вследствие полного перемешивания выравнивается и температура во всем объеме реакционной зоны. Таким образом, ХТП в потоке полного смешения может протекать только при изотермическом температурном режим, независимо от значения теплового эффекта, концентрации и степени превращения исходных веществ. По типу реакторов полного смешения работают смесители с механическими, струйными, пневматическими смесительными устройствами, пенные аппараты.

Реакторы промежуточного типа занимают по характеру изменения параметров и движущей силы процесса промежуточное место между этими крайними случаями.

Эффективность работы химического реактора во многом зависит от его теплового режима, влияющего на кинетику, состояние равновесия и селективность процесса, протекающего в реакторе. По тепловому режиму реакторы подразделяются на:

– Реакторы с адиабатическим режимом. Адиабатический температурный режим наблюдается при отсутствии в реакционной зоне теплообменников и хорошей изоляции от окружающей среды. Если при протекании ХТП не происходит фазовых переходов, связанных с плавление, испарением, конденсацией и другими физическими процессами, то изменение теплосодержания реагирующей смеси обусловлено лишь тепловым эффектом химической реакции и степенью превращения исходных веществ.

– Реакторы с изотермическим режимом, для которых характерно постоянство температуры в реакторе, что обеспечивается подводом тепла из реактора. Изотермический температурный режим в потоке идеального вытеснения наблюдается в случае протекания ХТП без теплового эффекта или когда скорость тепловыделения (теплопоглощения) мала, а теплопроводность среды в реакционной зоне высока. Например, это может быть гетерогенный процесс, протекающий с низкой скоростью, при наличии в реакционной зоне металлического катализатора с высокой теплопроводностью

– Реакторы с политермическим режимом, характеризующиеся подводом или отводом тепла из реактора при изменяющейся температуре в нем. Политермический температурный режим возможен лишь при наличии в реакционной зоне теплообменной поверхности. За счет этого в реакторе устанавливается заданный тепловой режим и достигается автотермичность процесса. Проведение ХТП в этом режиме позволяет существенно повысить степень превращения, выход продукта и др.показатели. Реакторы этого типа наиболее распространены в химическом производстве. Технологи должны стремиться проводить ХТП в потоках идеального вытеснения с оптимальным температурным режимом, однако не всегда удается преодолеть технические трудности, связанные с обеспечением требуемой интенсивности отвода или подвода теплоты по длине реакционной зоны реактора.

Конструктивные особенности реакторов определяются также фазовым состоянием реагирующих компонентов и термодинамическими параметрами протекания ХТП, т.е. температурой и давлением.

Основные показатели работы реакторов условно разделяют на технологические, эксплуатационные и экономические.

К технологическим характеристикам работы реактора можно отнести показатели ХТП, протекающих в том или ином реакторе. Кроме того работу реактора характеризуют производительности и интенсивность.

Производительностью П (моль/с, кг/с, м³/с) называют количество вырабатанного продукта или переработанного сырья за единицу времени. Производительность реакторов рассчитывается по уравнению:

П = m/ (t_р +t_з +t_в) или П =G/ t (1.5.3)

где: m– масса продукта, полученная за время цикла работы реактора; t_р,t_з, t_в – время химического процесса, загрузки компонентов в реактор и выгрузки продуктов из реактора , соответственно.

Поскольку в непрерывном процессе t_з=t_в=0, то производительность реакторов непрерывного действия выше таковой реакторов периодического действия при прочих равных условиях.

Производительность непрерывно действующего аппарата можно характеризовать объемной скоростью. Объемная скорость – величина, обратная времени пребывания (времени контакта). Определяется она как отношение объема загружаемого продукта V_р за время τ к полезному реакционному объему v.

V= V_р/ v (1.5.4)

Повышение производительности может быть достигнуто увеличением размера реакторов или скорости протекания ХТП. Максимальную производительность часто называют мощностью реактора.

Интенсивность работы реактора I (моль/с*м³, кг/ с*м³, м³/ с*м³) выражают как отношение производительности П к объему реактора v_р

I =П / v_р = G/ t v_р (1.5.5)

Интенсивность можно повысит улучшением конструкции ре6актора и изменением режимов протекания ХТП.

Энергетические показатели работы ректоров характеризуют затраты энергии на преодоление гидравлических сопротивлений потоком реагирующих веществ и на их перемешивание, а также эффективность использования теплоты, подводимой в реактор

К эксплуатационным характеристикам относят легкость управления и обеспечения устойчивого режима и безопасности реактора. Эти характеристики зависят от конструктивного совершенства реактора.

Экономические характеристики реактора определяют стоимость его изготовления и монтажа, а также затраты на проведение ремонтных работ.