Классификация химических реакторов и режимов их работы

Химические реакторы для проведения различных процессов отлича­ются друг от друга по конструктивным особенностям, размеру, внеш­нему виду. Однако, несмотря на существующие различия, можно вы­делить общие признаки классификации реакторов, облегчающие систе­матизацию сведений о них, составление математического описания и выбор метода расчета.

Наиболее часто употребляются следующие признаки классификации хими­ческих реакторов и режимов их работы [4–7]:

1) режим движения реакци­онной среды (гидродинамическая обстановка в реакторе);

2) условия теплообмена в реакторе;

3) фазовый состав реакционной смеси;

4) способ организации процесса;

5) характер изменения параметров про­цесса во времени;

6) конструктивные характеристики.

Классификация реакторов по гидродинамической обстановке. В зависимости от гидродинамической обстановки все реакторы можно разделить на реакторы смешения и вытеснения.

Реакторы смешения – это емкостные аппараты с пере­мешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом. Реакторы вытеснения – трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала. В трубчатых реакторах перемешивание име­ет локальный характер и вызывается неравномерностью распределения скорости потока и ее флуктуациями, а также завихрениями.

В теории химических реакторов рассматривают два идеальных аппарата – реактор идеального, или полного, смешения и реактор идеального, или полного, вытеснения. Для идеального смешения характерно полное выравнивание всех характеризующих реакцию параметров по объему реактора. Идеальное вытеснение предполагает, что любое ко­личество реагентов и продуктов через реактор перемещается как твер­дый поршень, и по длине реактора (в пространстве) в соответствии с особенностями реакции и сопровождающими ее физическими явлениями устанавливается определенное распределение концентраций реагентов, температуры и других параметров.

Реальные реакторы приближают­ся к модели идеального вытеснения или идеального смешения. Внесе­ние определенных поправок на неидеальность позволяет использовать модели идеальных аппаратов в качестве исходных для описания ре­альных реакторов.

Классификация по условиям теплообмена. Протекающие в реак­торах химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами (это тепловые эффекты химических реакций и сопровождающих их фи­зических явлений, таких, например, как процессы растворения, кри­сталлизации, испарения и т. п.). Вследствие выделения или поглоще­ния теплоты изменяется температура и возникает разность температур между реактором и окружающей средой, а в определенных случаях – температурный градиент внутри реактора. Разность температур ΔТ является движущей силой теплообмена.

При отсутствии теплообмена с окружающей средой химический ре­актор является адиабатическим. В нем вся теплота, выделя­ющаяся или поглощающаяся в результате химических процессов, расходуется на «внутренний» теплообмен – на нагрев или охлажде­ние реакционной смеси.

Реактор называется изотермическим, если за счет тепло­обмена с окружающей средой в нем обеспечивается постоянство темпе­ратуры. В этом случае в любой точке реактора за счет теплообмена полностью компенсируется выделение или поглощение теплоты.

В реакторах с промежуточным тепловым режи­мом тепловой эффект химической реакции частично компенсируется за счет теплообмена с окружающей средой, а частично вызывает изме­нение температуры реакционной смеси.

Особо следует выделить автотермические реакторы, в которых поддержание необходимой температуры процесса осуществ­ляется только за счет теплоты химического процесса без использова­ния внешних источников энергии. Обычно стремятся к тому, чтобы химические реакторы, особенно применяемые в крупнотоннажных производствах, были автотермическими.

Классификация по фазовому составу реакционной смеси. Для проведения гомогенных процессов применяют реакторы для газофазных и жидкофазных реакций, для проведения гетерогенных процессов – газожидко­стные реакторы, реакторы для процессов в системах газ – твердое вещество, жидкость – твердое вещество и др. Особо следует выделить реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов.

Классификация по способу организации процесса. По способу ор­ганизации процесса (способу подвода реагентов и отвода продуктов) реакторы подразделяют на периодические, непрерывно действующие (проточные) и полунепрерывные (полупериодические).

В реакторе периодического действия все отдель­ные стадии протекают последовательно и характеризуются различной продолжительностью. Все реагенты вводят в аппарат до начала реакции, а смесь продуктов отводят после окончания процесса. Продолжительность реакции можно измерить непосредственно, так как время реакции и время пребывания реаген­тов в реакционном объеме одинаковы. Параметры технологического процесса в периодически действующем реакторе изменяются во вре­мени. Между отдельными реакционными циклами в периодическом реак­торе необходимо осуществлять вспомогательные операции – загруз­ку реагентов и выгрузку продуктов. Поскольку во время этих вспомога­тельных операций не может быть получено дополнительное количество продукта, их наличие обусловливает снижение производительности периодического реактора.

В реакторе непрерывного действия (проточном) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются параллельно, одновременно и, следова­тельно, непроизводительные затраты времени на операции загрузки и выгрузки отсутствуют. Поэтому на современных крупнотоннажных химических производствах, где требуется высокая производительность реакционного оборудования, большинство химических реакций осу­ществляют в непрерывно действующих реакторах. Время пребывания отдельных частиц потока в непрерывно действующем реакторе в общем случае – случайная величина. Так как от времени, в течение которого происходит реакция, зависит степень химического превращения, то она будет разной для частиц с разным временем пребывания в реакторе. Средняя степень превращения оп­ределяется видом функции распределения времени пребывания от­дельных частиц, зависящим, в свою очередь, от характера перемешива­ния, структуры потоков в аппарате и гидродинамическо­го типа реактора.

Реактор полунепрерывного (полупериодиче­ского) действия характеризуется тем, что один из реагентов поступает в него непрерывно, а другой – периодически. Возможны варианты, когда реагенты поступают в реактор периодически, а про­дукты реакции выводятся непрерывно, или наоборот.

Классификация по характеру изменения параметров процесса во времени. В зависимости от характера изменения параметров процес­са во времени одни и те же реакторы могут работать в стационарном и нестационарном режимах.

Рассмотрим некоторую произвольную точку, находящуюся внут­ри химического реактора. Режим работы реактора называют ста­ционарным, если протекание химической реакции в произволь­но выбранной точке характеризуется одинаковыми значениями кон­центраций реагентов или продуктов, температуры и других параметров процесса в любой момент времени. В стационарном режиме параметры потока на выходе из реактора не зависят от времени. Обычно это постоянство выходных параметров обеспечивается постоян­ством во времени параметров на входе в реактор.

Если в произвольно выбранной точке происходят изменения пара­метров химического процесса во времени по тому или иному закону, режим работы реактора называют нестационарным. Неста­ционарный режим является более общим. Стационарный режим возмо­жен для непрерывно действующих проточных реакторов. Но даже эти реакторы работают в нестационарном режиме в моменты их пуска и ос­тановки. Нестационарными являются все периодические процессы.

Нестационарные реакторы характеризуются положительным или отрицательным накоплением вещества или энергии в реакторе. На­пример, для периодического реактора свойственно положительное на­копление продуктов реакции и отрицательное накопление (убыль) ис­ходных реагентов. При протекании в таком реакторе экзотермической реакции в отсутствие теплообмена с окружающей средой будет иметь место накопление теплоты (энергии), которое приведет к росту темпе­ратуры.

Стационарные проточные реакторы проще для моделирования (описываются более простыми уравнениями); протекающие в них про­цессы легче автоматизировать.

Нестационарность процесса в реакторе, естественно, вносит опре­деленные усложнения и в описание реактора, и в управление его ра­ботой, однако во многих случаях нестационарные режимы техноло­гических процессов, протекающих в химических реакторах, легче приблизить к оптимальным.

Классификация по конструктивным характеристикам. Химиче­ские реакторы отличаются друг от друга и по ряду конструктивных ха­рактеристик, оказывающих влияние на их расчет и изготовление. По этому принципу классификации можно выделить следующие типы реакторов: емкостные реакторы (автоклавы; реакторы-камеры; вер­тикальные и горизонтальные цилиндрические конверторы и т. п.); колонные реакторы (реакторы-колонны насадочного и тарельчатого типа; каталитические реакторы с неподвижным, движущимся и псевдоожиженным слоем катализатора; полочные реакторы); реакторы ти­па теплообменника; реакторы типа реакционной печи (шахтные, полочные, камерные, вращающиеся печи и т. п.).