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.

Рис. 6.1. Установка для непрерывного процесса: 1 – теплообменные аппараты; 2 – реактор

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 действия	Рис. 6.3. Аппарат промежуточного 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 неустановившихся 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.

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 – многосекционный аппарат смешения; г – аппарат промежуточного типа. Концентрация: С – текущая; Сн – начальная; 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 NО 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.

Рис. 6.6. Реакторы смешения: а – одноступенчатый; б – вертикальный многоступенчатый; в – многосекционный горизонтальный; г – батарея аппаратов смешения

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 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 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 реакторетепловой 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.

6.2. Химические факторы, влияющие
на выбор реактора

Ниже будет показано, почему один тип реактора, обеспечивающий большой выход или лучшее качество продукта, оказывается предпочтительнее другого. Эти химические факторы могут существенно влиять на издержки производства. Имеются и другие, не менее важные факторы, к которым относятся капиталовложения и эксплуатационные расходы, связанные с оплатой рабочей силы, расходом электроэнергии, пара и т. п. Еще одним существенным фактором, не поддающимся денежному выражению, является охрана труда и охрана окружающей среды. Так, при реализации некоторых реакций нитрования, используемых в производстве взрывчатых веществ, технологически выгоднее применять реактор вытеснения, однако реактор смешения лучше удовлетворяет требованию безопасности процесса вследствие более простого регулирования температурного режима.

Эти дополнительные соображения часто могут оказаться причиной выбора иного типа реактора по сравнению с тем, который представляется целесообразным при рассмотрении только химической кинетики процесса.

Обычно при рассмотрении одних кинетических факторов имеется возможность выбора необходимого типа реактора на основе теоретических соображений. В основе этих соображений лежат данные анализа взаимосвязи кинетических факторов процесса и различия между основными типами реакторов. С этой целью анализируют различия в распределении времени пребывания, в характере изменения концентрации и температуре.

Проанализируем некоторые реакции, широко используемые в промышленном синтезе.