Вопрос № 2. Химические реакторы, их основные типы

Химические реакторы, их основные типы. Материальный и тепловой балансы для реакторов полного смешения и идеального вытеснения.

Химический реактор – основной аппарат, где протекает хим. процесс.

Основной показатель эффективности работы реактора – интенсивность (И).

И – отношение производительности к реакционному объему или поверхности контакта. (П/V; П/S). От интенсивности зависит время, затрачиваемое на производство единицы продукции. А время зависит от степени превращения, начальной концентрации реагентов, скорости хим. процесса.

Классифицируются:

По изменению параметров процесса во времени

Реакторы периодического действия – происходит падение движущей силы процесса во времени из-за уменьшения концентрации реагентов, т.е процесс не стационарен во времени и требует корректировку параметров процесса.

Реакторы непрерывного действия (стационарные) – постоянство движущей силы процесса. Все параметры могут изменятся от точки к точке внутри аппарата, но сохраняют свои значения во времени.

По температурному режиму: высокотемпературные, низкотемпературные

Адиабатические реакторы – при спокойном (без перемешивания)течении потока реагентов не имеют теплообмена с окружающей средой, хорошая теплоизоляция. Все тепло экзотермической реакции собирается (накапливается) потоком реагирующих веществ.

Изотермические реакторы – температура постоянна во всех точках реакционного объема, (выгоднее, облегчают автоматизацию). Достигается в реакторах с мешалкой или в кипящем (псевдоожиженном) слое.

Политермические реакторы – частичная компенсация тепла реакции путем подвода (отвода) теплоты. Это реакторы с малой степенью смешения реагирующих веществ и теплообменниками.

По давлению: работающие при высоком, повышенном, нормальном и низком (под вакуумом)

По типу процесса: гомогенные, гетерогенные

По степени перемешивания реагентов: (реакторы непрерывного действия)

Реактор идеального вытеснения – ламинарное движение реакционной массы по всему фронту реактора. Основные показатели процесса изменяются по высоте реактора. В них достигается наибольшая величина движущей силы. Это емкость (шахта), в которой на решетки помещен твердый зернистый материал, высота его слоя больше диаметра реактора. Через слой проходит газ и вступает во взаимодействие с материалом (конц. реагентов понижается по высоте слоя)

Материальный баланс: -(dc_J / dt) - w_rJ = 0

Тепловой баланс: -u(dT/dz) - w_rA(∆H/c_pp) ± 2 K_T∆T_T.O / R c_pp = 0, где R- радиус цилиндрического канала.

Реакторы полного смешения – газы и жидкости, поступающие в реактор, мгновенно смешиваются со всем содержимым реактора, т.к. скорость циркуляционных движений по высоте и сечению реактора во много раз больше, чем скорость линейного движения по оси реактора. Концентрация веществ и степень превращения во всем объеме реактора одинакова и равна конечной. Это реакторы кипящего слоя с мешалкой; с перемешивающими устройствами в жидкостях, суспензиях твердых веществ и др.

РИС материальный баланс: v/u = t = c_J.0 – c_J.f /w_rJ, где

v- полный объем реактора; u- объемный расход; c_J.0, c_{J.f –} концентрация реагента, на входе и выходе из реактора; t (тау)-время; w_rJ- скорость.

РИС тепловой баланс: uc_pp(T₀ - T) - ∆Hw_rAV±K_TF_T.O∆T_T.O = 0, где c_p-средняя теплоемкость реакционной смеси; р- средняя плотность смеси; ∆H-тепловой эффект реакции на 1 моль реагента; K_T- коэффициент теплопередачи; F_T.O-поверхность теплообмена с окружающей средой; ∆T_T.O-движущая сила теплообмена (средняя разность температур в реакторе и внешней среде); индекс «0»-входящий поток.