45. Химические реакторы

Как влияет тип реактора на деформацию теоретических представлений о протекании процесса в потоке?

Аппараты, в которых протекают ХТП, называют химическими реакторами(ХР).

45.1. Классификация

В промышленности исп-т тысячи различных реакторов, для ориентировки их классифицируют. Характерные признаки классификации (для хим. пр-ти):

1. временной, характеризующий изменения параметров режима во времени

2. гидродинамический, характеризующий режим движения и структуру потока

3. температурный, характеризующий изменение температуры по длине реакц зоны.

1- реакторы периодического и непрерывного действия

2 – реакторы смешения, вытеснения

3- адиабатический, изотермический и политермический реакторы.

Условно их разделяют на: технологические, энергетичесике, эксплуатационные и экономические. Технологические: показатели ХТП, протекающие в том или ином р-ре (Х,Ф,,U). Кроме этого работу реатора хар-т производительность и интенсивность.

Пм=m/

Пv = V/

Повышение П может быть достигнуто путем увеличения размеров реактора или увеличением скорости процесса. Максимальную производительность реактора наз-ют мощностью. Увеличение мощности реакторов – одно из основных направлений развития промышленности (эконом. и соц. факторы). Интенсивность – это производительность к объему реактора. Интенсивность можно повысить улучшая конструкцию реактора и скорость процесса. Обращает на себя внимание, что скорость ХТП и интенсивность ХТП – вещи пропорционалбные. Интенсивность фактически отражает скорость протекания ХТП.

Энергетические показатели – хар-т затраты энергии на проведение ХТП (преодоление гидравлического сопротивлений на перемешивание, на подвод теплоты для эндотермических пр-в, использование вторичных ресурсов при использовании экзотермических пр-в).

Экономические показатели - хар-т стоимость изготовления, монтажа, затраты на проведение ремонтных работ.

Эксплуатационные характеристики: легкость управления, обеспечение устойчивого режима и безопасности работы. Эти характеристики зависят от конструктивного св-в реактора, которые определяют и его ремонтноспособность.

Основные требования к реакторам сводятся к: повышению интенсивности его работы, снижению затрат на транспортировку реагентов, уменьшению потерь при проведении эндотермических реакций, увеличению степени использования тепла экзотермических реакций, обеспечению устойчивости технологического режима, безопасности работы (прочным, герметичным и т.д.), снижению стоимости изготовления реактора и его ремонта.

46. Основные требования к промышленным реакторам:

1. Максимальная производительность и интенсивность работы. В зависимости от того, где замеряется расход реакцион­ной смеси и концентрация вещества в ней.

Если заме­ряется расход реакционной смеси V_CK и концентрация целевого продукта в ней С_пк на выходе из реактора (конечные величины), то

I=Π/υ= V_CK * С_пк /υ= V_K С_пк

где V_CK—расход смеси, м³/ч; С_пк — концентрация продукта на выходе из реактора, кг/м³; v — реакционный объем, м³; V_K — ко­нечная объемная скорость, ч^-1. Если С_ПК безразмерна (например, объемные доли), то

I= V_K С_пкρ_п,

где р_п — плотность продукта, кг/м³. Если замеряется концентра­ция основного исходного вещества (например, концентрация А в реакции аА + ЬЪ -> dD+eE) то учитывая, что С_ПК = C_n.Хβ,

I=V_К C_n.Хβ или при C_И безразмерной

I=V_KC_И,Хβρ_П,

где β — отношение числа молей целевого продукта к числу молей основного исходного вещества. Если в реакции целевым является продукт D, то β=d/a

2. Высокий выход продукта и наибольшая селективность про­цесса. Они обеспечиваются оптимальными параметрами режима: температурой, давлением, концентрацией исходных веществ и продуктов реакции. Каталитический реактор должен обеспе­чить также возможность наиболее эффек­тивного применения катализатора. Однако высокий выход продукта х обычно нахо­дится в противоречии с интенсивностью работы реактора I (рис.20).

С повыше­нием объемной скорости степень превращения (или общий выход продукта) неизбежно снижается, тогда как интен­сивность процесса возрастает. В циклических схемах преимущество отдают интен­сивности, а в схемах с открытой цепью — высокой степени превращения при наи­большей селективности.

3. Минимальные энергетические затраты на перемешивание и транспортировку материалов через реактор, а также наилучшее использование тепла экзотермических реакций или тепла, подводимого в реактор для нагрева реагирующих веществ до оптималь­ных температур. Понижение энергетических затрат на транспорт газов и жидкос­тей достигается главным образом снижением гидравлического сопро­тивления реактора и, в первую очередь, упрощением конструкции. Для наилучшего использования тепла в реактор вставляют теплообменные элементы, что усложняет его конструкцию. На рис. 20 приведена кривая роста гидравлического сопротивления аппарата данной конструкции ΔР при возрастании объемной скорости V (за счет линейной скорости w, пропорциональной V), Увеличение интенсивности работы аппарата находится в противоречии с энер­гетическими затратами, измеряемыми соотношением ΔР : I.

4. Легкая управляемость, устойчивость режима и безопасность работы. Эти условия обеспечиваются рациональной конструкцией реактора и малыми колебаниями параметров технологического ре­жима, позволяющими легко автоматизировать работу реактора.

5. Низкая стоимость изготовления реактора и ремонта его. Это достигается простотой конструкции и применением дешевых конст­рукционных материалов: черных металлов, силикатных изделий, наиболее дешевых пластмасс.