Классификация реакторов

Химические реакторы

Химическим реактором называется аппарат, в котором осуществляются химические процессы, сочетающие химические реакции с массо- и теплопереносом.

Все аппараты, расположенные до реактора, предназначены для подготовки сырья к химической переработке. Всё то, что находится после реактора, необходимо для разделения получающихся в результате реакции продуктов.

Классификация реакторов

При классификации реакторов принимают во внимание следующие основные признаки:

1. Характер операций, протекающих в реакторе

2. Режим движения реакционной среды

3. Тепловой режим

4. Фазовое состояние реагентов

По 1 признаку реакторы делят на периодические, непрерывные и полунепрерывные. Реакторы непрерывные, т. е. с непрерывной подачей реагентов, в свою очередь делят по характеру движения реакционной среды (т. е. по гидродинамической обстановке) на реакторы идеального вытеснения и реакторы идеального смешения.

На практике, исходя из назначения или даже внешнего вида, используют много разных названий химических реакторов - реактор, колонна, автоклав, камера, печь, контактный аппарат, окислитель и другие. Общие схемы некоторых из них приведенные на рис. 1.

Реактор 1 - емкостной. Реагенты (чаще жидкость, суспензия) загружают в начале рабочего цикла. Мешалка обеспечивает перемешивание реагентов. Температурный режим поддерживается с помощью теплоносителя, который циркулирует в рубашке или во встроенном теплообменнике. После проведения реакции продукты выгружают, и после очищения реактора цикл повторяется. Процесс периодический.

Реактор 2 - емкостной, проточный. Реагенты (чаще газ, жидкость, суспензия) непрерывно проходят через реактор. Газ барботирует через жидкость.

Реактор 3 - насадочный. Взаимодействуют газ и жидкость. Объем реактора заполнен кольцами Рашига или другими небольшими элементами - насадкой. Жидкость стекает по насадке. Газ двигается между элементами насадки.

Рис. 1. Схемы химических реакторов:

Г - газ; Ж - жидкость; Т - теплоноситель; Н -насадка; Тв - твердый реагент; К -катализатор; Хг - холодный газ

Реакторы 4-6 используют в основном для взаимодействия газа с твердым реагентом.

В реакторе 5 твердый реагент неподвижен, газообразный (или жидкий) реагент непрерывно проходит через реактор. Процесс периодический по твердому веществу.

В реакторах 4,6 процесс по твердому реагенту непрерыв­ный. Твердый реагент продвигается вдоль вращающегося наклонно установленного круглого реактора 4 или просыпается через реактор (подобно песочным часам). В реакторе 6 газ подается снизу, и при достаточно большой скорости подачи газа твердые частицы оказываются во взвешенном состоянии. Это - псевдоожиженный, или кипящий, слой, который обладает неко­торыми свойствами жидкости. Можно организовать непрерыв­ный поток твердого материала через аппарат.

Реактор 7 - трубчатый. По виду он подобен кожухотрубному теплообменнику. Через трубки, в которых протекает реакция, проходят газообразные или жидкие реагенты. Обычно в трубки загружен катализатор. Температурный режим обеспечивается циркуляцией в межтрубном пространстве теплоносителя.

Трубчатый реактор 7 используют часто для проведения высокотемпературных гомогенных реакций, в том числе в вязкой жидкости (например, пиролиз тяжелых углеводородов). Нередко такие реакторы называют печами. В промышленности типов реакторов (даже по общему виду) еще больше. Чтобы иметь возможность исследовать все разно­образие реакторов, проведем систематизацию конструкций ре­акторов и процессов, протекающих в них. На представ­ленном реакторе рис. 2.выделим структур­ные элементы, характерные для всех реакторов. В реактор засы­пано несколько слоев катализатора, где протекает химическая реакция. Это - реакционная зона 1, имеющаяся во всех реакторах. Исходная реакционная смесь подается через верхний штуцер. Чтобы обеспечить однородное прохождение газа через реакционную зону, установлен распределитель потока. Это - устройство ввода 2. В реакторе 2 на рис. 2.1 распредели­телем газа является барботер. К смесителям предъявляются осо­бые требования обеспечить однородный контакт реагентов. Между первым (сверху) и вторым слоями на рис. 2 в смеси­теле 3 смешиваются два потока - после первого слоя и добав­ляемый холодный газ, а после второго слоя помещен тепло­обменник 4. Продукты выводятся через выходное устройство 5. Возможны устройства разделения потоков.

Рис. 2.2. Структурные элементы реактора:

/ - реакционная зона; 2- устройство ввода реакционной смеси; 3 - смеситель; 4 - теплообменник; 5 - выходное устройство; Хг - холодный газ; Т - теплоноситель; И и П -исходный и конечный продукты соответственно

В устройствах ввода, вывода, смешения, разделения, распре­деления потоков и в теплообменниках протекают физические процессы. Поэтому дальнейшим объектом исследования будут в основном реакционные зоны, где протекают химические про­цессы. Процесс, происходящий в реакционной зоне, состоит из многих частных процессов, которые схематически показаны на рис. 3 для двух процессов - каталитического и газожидкост­ного.

Рис 3. Структура протекающих в химическом реакторе каталитического (а) и газожидкостного (б) процессов

На рис. 3, представлен неподвижный слой катализатора и выделены протекающие в нем процессы - составляющие общего процесса. Общий (конвективный) поток реагентов 1 проходит между зернами катализатора. Из потока реагенты диффундиру­ют к поверхности зерен (2)ив поры катализатора (3), на внут­ренней поверхности которых протекает реакция (4). Продукты обратным путем отводятся в поток. Выделяющееся тепло пере­носится по слою (5) и затем от слоя через стенку - к хладагенту (6). Возникающие вследствие протекания реакции градиенты концентрации и температуры вызывают потоки вещества и тепла (7), дополнительные к основному конвективному движе­нию реагентов.

На рис. 3, б представлен процесс в слое жидкости, через который барботирует газ. Последний проходит в виде пузырей (1). Между газом и жидкостью имеет место массоперенос (2). Жидкость не неподвижна - можно выделить ее движение около пузыря (3) и циркуляцию в масштабе слоя (4). Первое подобно турбулентной диффузии выравнивает градиенты концентраций, вторая аналогична циркуляционному конвективному движению жидкости через реакционную зону.

Только два примера показывают сложную структуру процес­сов, протекающих в реакционной зоне. Если учесть множество схем и конструкций реакторов, то многообразие процессов в них многократно возрастает. Необходим научный метод, позво­ляющий систематизировать это многообразие, найти общность в нем, выработать систему представлений о закономерностях яв­лений в этом многообразии и связей между ними, т. е. создать теорию химических процессов и реакторов. Такой научный ме­тод рассмотрен далее.