8.1. Принципы классификации химических реакторов

В основу классификации химических реакторов положены три прин­ципа: организационно-техническая структура операций, осуществляемых в реакторе, характер теплового режима и режима движения компонентов.

8.1.1. По организационно-технической структуре операций реакто­ры делят на реакторы периодического и непрерывного дей­ствия.

Для реакторов периодического действия характерно падение движущей силы процесса во времени вследствие уменьшения концентрации реагентов в ходе процесса. Это приводит к тому, что режим работы реакторов периоди­ческого действия нестационарен во времени и требует изменения параметров процесса (температуры, давления и т.д.) для компенсации этого падения и поддержания скорости процесса на заданном уровне (рис.8.1).

с_А, Т, Р

с_А,0

с_А

с_А, Т, Р

Рис. 8.1. Режим работы реактора периодического действия

с_А,0, с_А, – концентрации реагента А начальная и в момент ;

Т, Р – температура и давление в реакторе.

Для реакторов непрерывного действия характерно постоянство движущей силы процесса во времени вследствие постоянства концентраций реагентов в ходе процесса. Поэтому режим работы таких реакторов стационарен во вре­ме­ни и не требует корректировки параметров процесса (рис. 8.2).

с_А,, Т, Р

с_А,0 с_А,

Т

Р

Рис. 8.2. Режим работы реактора непрерывного действия

В общем виде производительность реактора рассчитывают по формуле:

П = , (8.1)

где т – масса продукта, полученного за время цикла работы реактора;

– время химического процесса, загрузки компонентов и выгрузки продуктов, соответственно.

Так как в непрерывном процессе , то производительность ре­акторов непрерывного действия выше, чем реакторов периодического дейст­вия при прочих равных условиях.

Реакторы классифицируют также по температурному режиму и степени перемешивания. По температуре процесса реакторы делят на высокотем­пера­турные и низкотемпературные, по давлению – на реакторы, работающие при высоком, повышенном, нормальном и низком (под вакуумом) давлении. По типу процесса реакторы классифицируют на гомогенные и гетерогенные.

8.1.2. По температурному режиму реакторы и проводимые в них процессы разделяют на адиабатические, изотермические и политермические.

Адиабатические реакторы при спокойном (без перемешивания) тече­нии потока реагентов не имеют теплообмена с окружающей средой, т.е. име­ют хорошую теплоизоляцию. При этом все тепло экзотермической реакции аккумулируется потоком реагирующих веществ. Температурный режим в лю­­­бой точке по фронту реактора описывается уравнением:

T_k =T_н х, (8.2)

где: T_k , T_н – конечная и начальная температуры системы;

Q_p^/ – тепловой эффект процесса при полном переходе основного ком­по­нента из одного состояния в другое;

G – масса реакционной смеси;

с – средняя теплоемкость смеси в интервале температур Т_н–Т_к;

х – степень превращения.

Если обозначить Q_p^/ / G c = , то вышеприведенное уравнение являет­ся линейным и его можно записать следующим образом

Т_к = Т_н (8.3)

Знак «+» соответствует экзотермической реакции, знак «–» – эндотер­мической. представляет собой тангенс угла наклона графика зависимости температуры от степени превращения сырья, изображенного на рис. 8.3.

Т Т

tg Т_н

Т_к

Т_к

x_p x_p

Т_н

х х

а) б)

Рис.8.3. Изменение температурного режима по фронту

адиабатического реактора

а) – экзотермическая реакция; б) – эндотермическая реакция.

По времени контакта реагентов, которое пропорционально габаритам реактора H(L) ( = H/ w), степень превращения и температура в адиабати­ческом реакторе изменяются также по сложным кривым (рис. 8.4, 8.5).

Х,Т Т

1

Х_р

T_k 2

Т_н

0 Н(L) 0 H,

Рис. 8.4. Изменение степени превращения Х Рис. 8.5. Температурная характеристика изо-

и температуры Т по высоте Н (длине L) термического (1) и политермического реак-

адиабатического реактора торов (2)

Изотермические реакторы имеют постоянную температуру во всех точ­­ках реакционного объема, т.е. Т_к = Т_ср во времени и пространстве в соот-ветствии с графиком 1 на рис. 8.4. Изотермический режим более выгоден для производства и облегчает автоматизацию технологического процесса в реак­торе по сравнению с адиабатическим режимом.

Изотермический режим может быть достигнут в реакторах с мешалкой или в кипящем слое. В таких реакторах гидродинамический режим обеспечи­вает приближение к полному перемешиванию с продуктами реакции и инертными компонентами. При этом температура в экзотермических реакто-рах повышается, а в эндотермических понижается до конечной сразу после по­ступления исходных веществ в реакционное пространство. Можно прибли­зиться к изотермическому режиму путем подвода тепла для компенсации эндотермического эффекта или отвода тепла в экзотермическом процессе.

Политермические реакторы характеризуются частичной компенсацией тепла реакции путем отвода (подвода) теплоты. К политермическим относят реакторы с малой степенью смешения реагирующих веществ и теплооб-менниками, помещенными внутрь реакционного объема, например, трубча­тые контактные аппараты. Температура по высоте (длине) реактора изменя­ется по характерной кривой (рис. 8.5).