ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

Основные типы химических реакторов

Основным элементом технологической схемы является реактор, от совершенства 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 ней 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 делят на следующие типы:

• изотермический реактор;

• адиабатический реактор;

• политропический реактор.

Ниже кратко рассматриваются все указанные здесь типы реакторов.

Реактор непрерывного действия. В таком реакторе (рис. 6.1) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются параллельно 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.

Рис. 6.2. Аппарат периодического Рис. 6.3. Аппарат промежуточного действия 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 неус - тановившихся 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.

ИСХОДНЫ^!

вещества

Рис. 6.4. Реактор вытеснения: а - однотрубный; б - многотрубный

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.

Рис. 6.5. Изменение концентрации веществ в реакторах:
а - аппарат вытеснения; б - аппарат смешения;
в - многосекционныи аппарат смешения; г - аппарат промежуточного типа.
Концентрация: С — текущая; С„ - начачъная; Ск — конечная;

С* - равновесная; L длина (высота) аппарата

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.

Практически к режиму полного вытеснения можно приблизиться в реакторе с малым 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. 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 реагирую­
щих 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.