Классификация химических реакторов

Лекция № 1

Теория химического реактора

 

Основное содержание химической технологии составляют процессы химического превращения вещества. Они осуществляются в специальных аппаратах, которые называются химическими реакторами. Химический реактор – аппарат, в котором осуществляется химическая реакция с получением целевого продукта. Реактор является главным аппаратом технологической установки, самым сложным по конструкции и самым дорогим по стоимости. От эффективности работы реактора зависит экономическая рентабельность всего технологического процесса.

В реакторе протекают как химические, так и физические процессы. Физические процессы создают условия протекания химической реакции. Поэтому химический реактор должен иметь специальные устройства:

· загрузочно-разгрузочное устройство;

· теплообменное устройство для поддержания теплового режима;

· перемешивающее устройство для ускорения массообмена.

Современный хим. реактор – это аппарат, имеющий множество устройств и механизмов, выполняющих различные операции по ускорению производства целевых продуктов. Он оборудован сложной системой контрольно-измерительных приборов, которые осуществляют контроль и регулирование температуры, давления, состава, расхода компонентов и других параметров.

Работу реактора характеризуют следующие показатели:

· Производительность – это количество готового продукта фактически вырабатываемого реактором в единицу времени;

· Мощность – максимальная производительность реактора;

· Интенсивность (средняя скорость технологического процесса, удельная производительность) – количество продукта, получаемого в единицу времени с единицы объёма или единицы поверхности реактора;

· Пропускная способность (производительность по сырью) – объёмный или весовой поток сырья, проходящий через реактор в единицу времени;

· Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение объёма реактора, работающего в оптимальном режиме, к фактическому объёму.

 

Параметры реактора:

1. Конструктивные;

2. Технологические.

1. Конструктивные параметры – габаритные размеры реактора (объём, высота, диаметр, объём катализатора, высота слоя катализатора, количество труб и их размеры и т.д.).

2. Технологические параметры – параметры входа и параметры выхода.

– Параметры входа – параметры потока сырья на входе в реактор: состав, температура, давление, скорость подачи сырья (кг/ч, м³/ч).

– Параметры выхода – параметры потока продуктов на выходе из реактора: состав, температура, давление, скорость отвода продуктов (кг/м² · ч).

– Параметры потока катализатора: состав катализатора, скорость подачи катализатора.

– Параметры теплоносителя или хладагента: температура, давление, скорость потока на входе и на выходе.

 

Основные требования, предъявляемые к реакторам

a. Высокая производительность с единицы реакционного объёма;

b. Высокая селективность для сложных реакций;

c. Низкие энергетические затраты;

d. Простота в обслуживании, дешевизна в изготовлении, высокие требования к технике безопасности;

e. Надёжность регулирования и устойчивость технологического режима;

f. Экономическая целесообразность.

 

Режим работы реактора

Режим работы хим. реактора подразделяют на стационарный или установившийся режим, и нестационарный – неустановившийся режим. Для стационарного режима характерно отсутствие зависимости параметров процесса от времени, т.е. характерно постоянство параметров реактора во времени. Производная концентрации, температуры, давления по времени равна нулю:

 

 

Стационарный режим характерен для непрерывно работающих реакторов.

При нестационарном режиме характерно непостоянство параметров во времени, происходит накопление тепла, веществ, давления. Нестационарный режим характерен для периодических реакторов и непрерывных реакторов в период пуска и остановки реактора. Нестационарный режим трудно автоматизировать и механизировать, качество получаемых продуктов невысокое.

По тепловому режиму

По тепловому режиму реакторы подразделяются на изотермические, адиабатические и политропические.

Изотермические реакторы имеют одинаковую и постоянную температуру во всех точках реакционного пространства; скорость реакции зависит только от состава. На практике такой тепловой режим работы реактора может быть достигнут в условиях полного перемешивания реагирующих веществ. Постоянство температуры обеспечивается за счёт подвода или отвода тепла. Есть теплообмен с окружающей средой. В изотермическом режиме проводят реакции:

· с малым тепловым эффектом;

· протекающие с низкой скоростью.

Изотермический режим работы реактора используется более широко, чем адиабатический.

Адиабатический режим – это когда в реакторе отсутствует теплообмен с окружающей средой. Процесс проводят без подвода и отвода тепла, тепло вводится в реактор или выводится из реактора с входящими и выходящими потоками. Частный случай адиабатического режима – автотермический режим, когда реакция осуществляется за счёт собственного выделяющегося тепла.

Конструкция этих реакторов проста, так как для осуществления адиабатического режима достаточно иметь хорошую изоляцию.

В адиабатическом режиме проводят реакции:

· не требующие строгого регулирования процесса;

· экзотермические реакции с большим тепловым эффектом при малой конверсии;

· эндотермические тепловые реакции с малым тепловым эффектом;

· процессы, в которых есть возможность регулирования параметров входа и выхода;

· если смесь реагентов и продуктов реакции обладает высокой теплоёмкостью и она может унести значительное количество тепла с выходящим потоком, не допуская перегрева реактора.

Изотермический и адиабатический режимы реакторов представляют собой идеальный случай, который на практике не наблюдается, однако режим многих производственных процессов приближается к этим моделям. Промышленные реакторы рассчитывают по уравнениям, полученным для изотермического и адиабатического режимов.

Наиболее близким к промышленным реакторам по температурному режиму является политропический режим – часть тепла отводится из реактора, а часть тепла остаётся в реакторе. Тепловое регулирование осуществляется как изотермическим, так и адиабатическим путём.

 

По конструктивной форме

По конструктивной форме реакторы объединяются в следующие группы:

1. Реакторы типа реакционной камеры;

2. Реакторы типа колонны;

3. Реакторы типа теплообменника;

4. Реакторы типа печи;

5. Реакторы трубчатого типа;

6. Реакторы типа смесителя (Рис.5).

Рис. 5. Конфигурация реакторов:

а – типа печи, б – типа реакционной камеры, в – типа теплообменника,

г – колонный аппарат, д – трубчатый реактор, е – смеситель (котломешалка)

Лекция № 1

Теория химического реактора

 

Основное содержание химической технологии составляют процессы химического превращения вещества. Они осуществляются в специальных аппаратах, которые называются химическими реакторами. Химический реактор – аппарат, в котором осуществляется химическая реакция с получением целевого продукта. Реактор является главным аппаратом технологической установки, самым сложным по конструкции и самым дорогим по стоимости. От эффективности работы реактора зависит экономическая рентабельность всего технологического процесса.

В реакторе протекают как химические, так и физические процессы. Физические процессы создают условия протекания химической реакции. Поэтому химический реактор должен иметь специальные устройства:

· загрузочно-разгрузочное устройство;

· теплообменное устройство для поддержания теплового режима;

· перемешивающее устройство для ускорения массообмена.

Современный хим. реактор – это аппарат, имеющий множество устройств и механизмов, выполняющих различные операции по ускорению производства целевых продуктов. Он оборудован сложной системой контрольно-измерительных приборов, которые осуществляют контроль и регулирование температуры, давления, состава, расхода компонентов и других параметров.

Работу реактора характеризуют следующие показатели:

· Производительность – это количество готового продукта фактически вырабатываемого реактором в единицу времени;

· Мощность – максимальная производительность реактора;

· Интенсивность (средняя скорость технологического процесса, удельная производительность) – количество продукта, получаемого в единицу времени с единицы объёма или единицы поверхности реактора;

· Пропускная способность (производительность по сырью) – объёмный или весовой поток сырья, проходящий через реактор в единицу времени;

· Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение объёма реактора, работающего в оптимальном режиме, к фактическому объёму.

 

Параметры реактора:

1. Конструктивные;

2. Технологические.

1. Конструктивные параметры – габаритные размеры реактора (объём, высота, диаметр, объём катализатора, высота слоя катализатора, количество труб и их размеры и т.д.).

2. Технологические параметры – параметры входа и параметры выхода.

– Параметры входа – параметры потока сырья на входе в реактор: состав, температура, давление, скорость подачи сырья (кг/ч, м³/ч).

– Параметры выхода – параметры потока продуктов на выходе из реактора: состав, температура, давление, скорость отвода продуктов (кг/м² · ч).

– Параметры потока катализатора: состав катализатора, скорость подачи катализатора.

– Параметры теплоносителя или хладагента: температура, давление, скорость потока на входе и на выходе.

 

Основные требования, предъявляемые к реакторам

a. Высокая производительность с единицы реакционного объёма;

b. Высокая селективность для сложных реакций;

c. Низкие энергетические затраты;

d. Простота в обслуживании, дешевизна в изготовлении, высокие требования к технике безопасности;

e. Надёжность регулирования и устойчивость технологического режима;

f. Экономическая целесообразность.

 

Режим работы реактора

Режим работы хим. реактора подразделяют на стационарный или установившийся режим, и нестационарный – неустановившийся режим. Для стационарного режима характерно отсутствие зависимости параметров процесса от времени, т.е. характерно постоянство параметров реактора во времени. Производная концентрации, температуры, давления по времени равна нулю:

 

 

Стационарный режим характерен для непрерывно работающих реакторов.

При нестационарном режиме характерно непостоянство параметров во времени, происходит накопление тепла, веществ, давления. Нестационарный режим характерен для периодических реакторов и непрерывных реакторов в период пуска и остановки реактора. Нестационарный режим трудно автоматизировать и механизировать, качество получаемых продуктов невысокое.

Классификация химических реакторов

Существуют общие принципы, позволяющие объединять разнообразные реакторы в классы:

· По организационной структуре (периодические, полупериодические, непрерывные);

· По гидродинамическому режиму процесса (полного смешения, полного вытеснения);

· По тепловому режиму (реакторы изотермического типа, адиабатического типа, политропический реактор);

· По фазовому состоянию (реакторы для гомогенных или для гетерогенных процессов);

· По конструктивной форме (колонные аппараты, трубчатые реакторы, смесители, печи, теплообменники);

· По направлению движения потоков (прямоточные, противоточные, реакторы с перекрёстным током).

Рис. 1. Классификация химических реакторов