15. Аппараты для синтеза плёнкообразующих веществ и их растворения.

Реакторы для синтеза плёнкообразующих веществ разделяются на реакторы непрерывного действия и реакторы периодического действия. Тип и конструкция реактора оказывают существенное влияние как на ход самого процесса, так и на свойства продукта, получаемого в результате него.

15.1. Непрерывнодействующие реакторы идеального смешения.

Под непрерывнодействующим реактором идеального (полного) смешения понимается аппарат емкостного типа с перемешивающим устройством, в нижнюю часть которого непрерывно поступают исходные реагенты, а из сливного патрубка непрерывно отводится реакционная смесь. Частицы загружаются в реактор веществ быстро и равномерно перемешиваются с частицами веществ, находящихся в реакторе; при этом время пребывания отдельных частиц в реакторе колеблется в широких пределах. Номинальное среднее время пребывания частиц в одиночном реакторе:

Относительное время пребывания частиц в одиночном реакторе:

Доля частиц, вынесенных из реактора за время ₀:

В одиночном реакторе полного смешения имеет место очень большая неравномерность времени пребывания отдельных частиц, зависящее от относительного времени пребывания частиц в нём. В каскаде непрерывнодействующих одиночных реакторов полного смешения (рис. 15.2 а) и в многоступенчатых реакторах (рис. 15.2 б и в) значительно снижается неравномерность времени пребывания частиц по сравнению с одноступенчатым реактором (рис. 15.1). С ростом числа ступеней заметно увеличивается равномерность времени пребывания отдельных частиц в каскаде. Вместе с увеличением доли вынесенных частиц всё равно заметная доля задержится в каскаде на длительное время. Этот недостаток реакторов полного смешения преодолевается за счёт увеличения общего объёма реактора.

Рисунок 15.1 – Непрерывнодействующий реактор полного смешения: 1 – корпус; 2 – мешалка; 3 – загрузочная труба; 4 – сливной патрубок.	Рисунок 15.2 – Непрерывнодействующие многоступенчатые реакторы полного смешения: а – каскад одиночных реакторов; б – многоступенчатый вертикальный (колонный) реактор; в – многоступенчатый горизонтальный реактор.

Приведённые расчётные уравнения основаны на математических моделях идеальных реакторов. В реальных реакторах, особенно больших размеров, мгновенное и равномерное перемешивание смеси практически недостижимо. Поэтому для более равномерного и интенсивного перемешивания содержимого реактора применяют мешалки.

15.2. Принципы выбора и расчёт реакторов идеального смешения

Особенности каскада (и многоступенчатых) непрерывнодействующих реакторов полного смешения: при необходимости ступенчатой или порционной загрузки реагирующих веществ для каждого вещества или порции необходима отдельная ступень; температура реакционной смеси может изменяться только ступенчато; при установившемся режиме работы каскада состав смеси постоянен на каждой ступени и, следовательно, он изменяется не плавно, а ступенчато.

При выборе для синтеза плёнкообразующих веществ оптимального типа непрерывнодействующего реактора полного смешения, определении его размеров, числа ступеней и других параметров необходимо учитывать кинетику реакции, зависимость её скорости от типа реактора, равномерность времени пребывания частиц в реакторе и особенности синтеза плёнкообразующих веществ.

Реакции можно классифицировать: по типу – необратимые и обратимые, простые и сложные (последовательные и параллельные); по молекулярности – числу одновременно взаимодействующих в элементарном акте химического превращения частиц (молекул или ионов); по порядку – показателю степени концентраций в кинетических уравнениях, характеризующих зависимость скорости реакции от концентрации реагентов.

По молекулярности реакции разделяют на моно-, би- и тримолекулярные. Мономолекулярные реакции – разложение молекулы на две или несколько молекул – встречаются значительно редко. Наиболее часто протекают бимолекулярные реакции, при которых в элементарном акте встречаются две молекулы, и значительно реже – тримолекулярные реакции. При расчёте реакторов необходимо знать порядок реакции, константу её скорости и степень превращения.

Скорость необратимой мономолекулярной простой гомогенной реакции выражается кинетическим уравнением первого порядка:

Для необратимой бимолекулярной простой гомогенной реакции, когда исходящие вещества А и В взяты, в эквимолекулярных количествах (С_А=С_В), скорость реакции выражается кинетическим уравнением второго порядка:

Большинство реакций органического синтеза нельзя отнести к простым и необратимым, для которых молекулярность совпадает с порядком. Обычно реакции состоят из двух и более элементарных актов, протекающих параллельно или последовательно. Порядок реакции, установленный исходя из экспериментальных данных, обусловлен суммарным влиянием кинетики параллельных и последовательных реакций и не отражает её механизма. Этим объясняется возможность существования реакций нулевого порядка (когда скорость реакции практически не зависит от концентрации реагирующих веществ), реакций дробных порядков и порядков, более высоких чем три.

Глубина реакции характеризуется степенью превращения исходных веществ (конверсией):

При синтезе плёнкообразующих веществ необходимо достигнуть высокой степени превращения исходных реагентов (х=0,98÷0,99). Поэтому интересно рассматривать зависимость скорости реакции от степени превращения при высоких значениях х.

Рисунок 15.3 – Зависимость  от С для реакторов разных типов:

а – Непрерывнодействующий реактор полного вытеснения; б – периодически действующий реактор полного смешения; в – одноступенчатый непрерывнодействующий реактор полного смешения; г – многоступенчатый непрерывнодействующий реактор полного смешения.

Характер изменения концентраций реагирующих веществ и продолжительность пребывания частиц в реакционной смеси зависят от типа реактора. На рис. 15.3 показано изменение концентрации реагирующих веществ при протекании реакции в реакторах различных типов. В непрерывнодействующем реакторе полного вытеснения (рис. 1.13 а) и периодически действующем реакторе (рис. 15.3 б) концентрация изменяется в соответствии с кинетическим уравнением реакции. В одноступенчатом непрерывнодействующем реакторе полного смешения (рис. 15.3 в) она постоянна и соответствует концентрации реагирующих веществ в реакционной смеси, выходящей из реактора, а в многоступенчатом непрерывнодействующем реакторе полного смешения (рис. 15.3 г) концентрация изменяется ступенчато и постоянна на каждой ступени.

Зависимость скорости реакции от степени превращения реагирующих веществ для непрерывнодействующих одно- и многоступенчатых реакторов полного смешения показана на рис. 15.4. В одноступенчатом реакторе непрерывного действия концентрация реагирующих веществ весьма низка, т.к. она должна соответствовать их содержанию в готовом продукте. Соответственно весьма низка и скорость реакции. С увеличением числа ступеней возрастает средняя скорость реакции. При n= она приближается к средней скорости реакции в аппарате полного вытеснения и емкостном аппарате периодического действия с мешалкой.

Рисунок 15.4 – зависимость r от U для непрерывнодействующих реакторов полного смешения:

а – одноступенчатый; б – многоступенчатый.

Для проведения реакции в непрерывнодействующих реакторах полного смешения определяют следующим образом. Объём всех ступеней реактора принимают одинаковым. Сначала рассчитывают длительность проведения реакции по полученной из кинетических уравнений зависимости =f(C) для заданного числа ступеней при соответствующем порядке реакции.

С увеличением числа ступеней снижается общий объём реакторов каскада (или объём многоступенчатого колонного реактора), но при этом установка усложняется и для неё требуются помещения значительных размеров. Оптимальное число ступеней определяют на основе технико-экономических расчётов. При синтезе плёнкообразующих веществ обычно используют каскад реакторов с числом ступеней 3-6, а колонные реакторы – с числом ступеней от 10 и выше.