Основы проектирования химических производств

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 нем химического процесса.

Критериями, по которым классифицируют реакционную аппа­ратуру, являются периодичность или непрерывность процесса, его гидродинамический и тепловой режимы, физические свойства взаимо­действующих вешеств.

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;

— адиабатический;

— подтропический.

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.

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 неустано - вившихся 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.

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. Изменение

Тепло-

Рис. 6.4. Реактор пытссиения: а — однотрубный; б — многотрубный

Рис. 6.5. Изменение концентрации веществ в реакторах;

Аппарат вытеснения; 6— аппарат смешения; в — многосскционный аппарат смешения; г — аппарат промежуточного типа, концентрация: С—текущая; Си — начальная; Ск — конечная; С* — равновесная; і — длина (высота) аппарата

Концентрации в реакционном объеме (рис. 6.5, о) 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 N0 в Ы02 и 50, в 503, 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 носиг 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 но сравнению с реактором вытеснения.

В реакторе промежуточного типа (с промежуточным гидродинамиче­ским режимом) нельзя осуществить полностью ни один из перечислен­ных выше гидродинамических режимов движения реагирующих 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 температу-

Во всем реакционном объеме. В гаком реакторе скорость подвода ■’ЛИ отвода тепла должна быть строго пропорциональна количеству ■?пла, выделенного или поглощенного в процессе химического пре­вращения вещества. На практике такой тепловой режим может быть достигнут лишь в условиях полного перемешивания реагирующих ^шеств. В качестве примера можно назвать реактор с кипящим слоем vaтavЧизaтopa для получения изооктапа.

Адиабатический реактор. В таком реакторе полностью отсутствует - еплообмен с окружающей средой. Все тепло реакции как бы аккуму­лируется самим реакционным объемом. В адиабатическом реакторе -{меет место наибольший перепад температур реагирующих веществ на зходе 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 полигропическом 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.