4. Реакторы для проведения гомогенных реакций в газовой фазе

Простота конструкций, высокая производительность, а также возможность комплексного применения различных современных автоматических систем управления технологическим процессом способствует все большему распространению в химической промышленности реакторов с гомогенной газовой фазой.

При установлении проектных уравнений реакторов этого типа будут рассматриваться только реакторы непрерывного действия.

1. Изотермические реакторы

Основное проектное уравнение для реакторов, в которых протекают реакции в гомогенной газовой фазе проще всего выражать в следующем виде

. (4.1)

В этом уравнении V – объем реакционной зоны (объем реактора), л (м³); Y_N0 – мольный расход реагента, по которому определяется скорость реакции (питание) на входе в реактор, мольч^-1; r – инвариантная скорость химической реакции, мольч^-1л^-1 (мольч^-1м^-3); x_i – степень превращения (конверсия).

Из этого уравнения следует, что при постоянной температуре и общем давлении отношение V / Y_N0 будет зависеть только от x_i. Уравнение (4.1) можно проинтегрировать аналитически, а в сложных случаях – графически.

Например, если реакция

будет описываться уравнением скорости реакции первого порядка

, (4.2)

тогда, после подстановки уравнения (4.2) в (4.1), получаем

. (4.3)

В случае реакции

,

которая протекает по механизму второго порядка, скорость реакции при C_A0  C_B0 будет выражаться уравнением

. (4.4)

Обозначив в уравнении (4.4.) через M = C_B0 / C_A0 и учитывая, что в общем случае

, (4.5)

получаем

. (4.6)

Подставляя уравнение (4.6) в уравнение (4.1), можно найти, что

(4.7)

После интегрирования в пределах 0 – x_A уравнение (4.7) можно переписать в следующем виде:

. (4.8)

Уравнение (4.8) справедливо только при  < 1, в других случаях оно не имеет физико-химического смысла.

В то же время, когда на входе в реактор C_A0 / C_B0 = 1, то

, (4.9)

и тогда уравнение (4.1) принимает более простой вид:

. (4.10)

С помощью уравнений (4.8) и (4.10) можно рассчитать объем реактора в зависимости от степени превращения (x_A), если массовый расход поступающего в реактор реагента A, температура, давление и константа скорости химической реакции будут известны и постоянны.

В других, более сложных случаях (неэлементарные или необратимые реакции и т. д.) объем реакционной зоны (V) проще всего можно рассчитать графическим методом – построением функции 1 / r от x_i и определением площади (S) под этой кривой, которая будет равна S = V / Y_N0.

Несколько примеров конструктивного оформления реакторов полного вытеснения для проведения изотермических процессов приведены на рис. 4.1.

Реактор первого типа (а) представляет собой трубчатый реактор с теплообменом; второй (б) – изогнутую трубку большой длины, встроенную в теплообменное устройство.

а б

Рис. 4.1. Реакторы различных конструкций для проведения реакций в газовой фазе в изотермических условиях

а – трубчатый реактор; б – изогнутая одиночная трубка в тепловой рубашке.

В качестве тепловых агентов для поддержания заданной (постоянной) температуры в реакторах, представленных на рис. 4.1, обычно используют высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ), горячие дымовые газы, перегретый пар и хладагенты.

Изотермические реакторы (рис. 4.1, а, б) в химической технологии можно использовать для проведения процессов термического хлорирования и окисления низших насыщенных углеводородов (С₁ – С₆), а также процессов дегидрохлорирования низших хлорпроизводных алифатических углеводородов.