Реактор идеального вытеснения

Химические реакторы

Классификация химических реакторов и режимов их работы

Химические реакторы для проведения различных процессов отличаются друг от друга по конструктивным особенностям, раз­меру, внешнему виду. Однако, несмотря на существующие разли­чия, можно выделить общие признаки классификации реакторов, облегчающие систематизацию сведений о них, составление мате­матического описания и выбор метода расчета.

Наиболее употребимы следующие признаки классификации химических реакторов и режимов их работы: 1) режим движения реакционной среды (гидродинамическая обстановка в реакторе); 2) условия теплообмена в реакторе; 3) фазовый состав реакционной смеси; 4) способ органи­зации процесса; 5) характер изменения параметров процесса во времени; 6) конструктивные характеристики.

Классификация реакторов по гидродинамической обстановке. В зависимости от гидродинамической обстановки можно разде­лить все реакторы на реакторы смешения и вытеснения.

Реакторы смешения — это емкостные аппараты с перемешива­нием механической мешалкой или циркуляционным насосом. Реакторы вытеснения — трубчатые аппараты, имеющие вид удли­ненного канала. В трубчатых реакторах перемешивание имеет ло­кальный характер и вызывается неравномерностью распределения скорости потока и ее флуктуациями, а также завихрениями.

В теории химических реакторов обычно сначала рассматрива­ют два идеальных аппарата: реактор идеального, или полного, сме­шения и реактор идеального, или полного, вытеснения.

Классификация по условиям теплообмена. Протекающие в реак­торах химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами (это тепловые эффекты химических реакций и сопровождающих их физических явлений, таких, например, как процессы растворе­ния, кристаллизации, испарения и т. п.). Вследствие выделения или поглощения теплоты изменяется температура и возникает раз­ность температур между реактором и окружающей средой, а в оп­ределенных случаях температурный градиент внутри реактора.

При отсутствии теплообмена с окружающей средой химиче­ский реактор является адиабатическим. В нем вся теплота, выде­ляющаяся или поглощающаяся в результате химических процес­сов, расходуется на «внутренний» теплообмен — на нагрев или охлаждение реакционной смеси.

Реактор называется изотермическим, если вследствие теплообме­на с окружающей средой в нем обеспечивается постоянство темпе­ратуры. В этом случае в любой точке реактора в результате теплооб­мена полностью компенсируется выделение или поглощение теплоты.

В реакторах с промежуточным тепловым режимом тепловой эф­фект химической реакции частично компенсируется теплообменом с окружающей средой, а частично вызывает изменение температу­ры реакционной смеси.

Классификация по фазовому составу реакционной смеси. Реакто­ры для проведения гомогенных процессов подразделяют на аппа­раты для газофазных и жидкофазных реакций. Аппараты для про­ведения гетерогенных процессов, в свою очередь, подразделяют на газожидкостные реакторы, реакторы для процессов в системах газ — твердое вещество, жидкость — твердое вещество и др. Особо следует выделить реакторы для проведения гетерогенно-каталити­ческих процессов.

Классификация по способу организации процесса. По способу организации процесса (способу подвода реагентов и отвода про­дуктов) реакторы подразделяют на периодические, непрерывно-действующие и полунепрерывные (полупериодические).

В реакторе периодического действия все отдельные стадии про­текают последовательно, в разное время. Все реагенты вводят в ап­парат до начала реакции, а смесь продуктов отводят по окончании процесса. Продолжительность реакции можно измерить непосред­ственно, так как время реакции и время пребывания реагентов в реакционном объеме одинаковы. Параметры технологического про­цесса в периодически действующем реакторе изменяются во времени.

Между отдельными реакционными циклами в периодическом реакторе необходимо выполнить вспомогательные операции — за­грузку реагентов и выгрузку продуктов. Поскольку во время этих вспомогательных операций не может быть получено дополнитель­ное количество продукта, их наличие обусловливает снижение производительности периодического реактора.

В реакторе непрерывного действия (проточном) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реа­гирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продук­та) осуществляются параллельно, одновременно и, следовательно, непроизводительные затраты времени на операции загрузки и вы­грузки отсутствуют. Поэтому на современных крупнотоннажных химических предприятиях, где требуется высокая производительность реакционного оборудования, большинство химических реакций осуществляют в непрерывнодействующих реакторах.

В реакторе полунепрерывного (полупериодического) действия один из реагентов поступает в него непрерывно, а другой — периодиче­ски. Возможны варианты, когда реагенты поступают в реактор перио­дически, а продукты реакции выводятся непрерывно, или наоборот.

Классификация по характеру изменения параметров процесса во времени. В зависимости от характера изменения параметров про­цесса во времени одни и те же реакторы могут работать в стацио­нарном и нестационарном режимах.

Рассмотрим некоторую произвольную точку, находящуюся внутри химического реактора. Режим работы реактора называют стационарным, если протекание химической реакции в произвольно выбранной точке характеризуется одинаковыми значениями кон­центраций реагентов или продуктов, температуры, скорости и дру­гих параметров процесса в любой момент времени. В стационар­ном режиме параметры потока на выходе из реактора не зависят от времени. Обычно это постоянство выходных параметров обес­печивается постоянством во времени параметров на входе в реактор.

Если в произвольно выбранной точке происходят изменения параметров химического процесса во времени по тому или иному закону, режим работы реактора называют нестационарным. Неста­ционарный режим является более общим. Стационарный режим возможен для непрерывнодействующих проточных реакторов. Но даже эти реакторы работают в нестационарном режиме в моменты их пуска и остановки. Нестационарными являются все периоди­ческие процессы.

Классификация по конструктивным характеристикам. Химиче­ские реакторы отличаются друг от друга и по ряду конструктивных характеристик, оказывающих влияние на расчет и изготовление аппаратов. По этому принципу классификации можно выделить такие типы реакторов: емкостные реакторы (автоклавы; реакторы-камеры; вертикальные и горизонтальные цилиндрические конвер­торы и т. п.); колонные реакторы (реакторы-колонны насадочного и тарельчатого типа; каталитические реакторы с неподвижным, дви­жущимся и псевдоожиженным слоем катализатора; полочные ре­акторы); реакторы-теплообменники; реакторы типа реакционной печи (шахтные, полочные, камерные, вращающиеся печи) и т. д.

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ С ИДЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ ПОТОКА В ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ

Реактор идеального смешения

Для модели идеального смешения принимается ряд допуще­ний. Допускается, что в результате интенсивного перемешивания устанавливаются абсолютно одинаковые условия в любой точке реактора: концентрации реагентов и продуктов, степени превра­щения реагентов, температура, скорость химической реакции и т. д. Например, в некоторый момент времени τ, во всех точках ректора выполняются следующие условия:

; ; ,

где x, y, z – пространственные координаты.

В проточном реакторе идеального смешения концентрации участников реакции в выходном потоке в рассматриваемый момент времени т, строго равны концентрациям тех же веществ в реакторе.

Чтобы перечисленные допущения могли быть выполнены, необ­ходимо принять еще одно допущение: переход от одной концент­рации к другой в реакторе идеального смешения не должен иметь протяженности во времени. Изменение концентрации исходного реагента от начальной С_J,0 во входном потоке в данный момент времени х, до концентрации в реакторе С_J, в этот же момент времени должно происходить мгновенно (скачкообразно).

Схемы реакторов идеального смешения с механическим переме­шивающим устройством (а) и циркуляционным контуром (б)

Приблизиться к режиму идеального смешения можно, обеспе­чив интенсивное перемешивание реакционной смеси механиче­скими мешалками разного типа или циркуляционными насосами, создающими высокую кратность циркуляции. Смешение, близкое к идеальному, легче выполнить в емкостных аппаратах с прибли­зительно равными диаметром и высотой.

Рассмотрим два частных случая: периодический реактор иде­ального смешения и проточный реактор идеального смешения, работающий в стационарном режиме.

Периодический реактор идеального смешения. В периодический реактор все реагенты вводят до начала реакции, а все продукты выводят из него только по окончании процесса. В ходе реакцион­ного цикла никаких веществ в реактор не вводят и из него не выводят, так что общая масса реакционной смеси в реакторе оста­ется постоянной, изменяется лишь ее состав.

Время пребывания реагентов в реакторе (продолжительность реакци­онного цикла) определяется промежутком от начала загрузки исходной реакционной смеси до выгрузки конечной смеси из реактора. В разные моменты времени условия в периодиче­ском реакторе различные (концентрация реагентов, продуктов, скорость реакции и т. д.), однако в каждый данный момент времени из-за допущения об идеальности эти параметры строго одинаковы в объеме реактора.

Для осуществления процесса в периодиче­ском реакторе кроме «реакционного» времени нужно затра­тить вспомогательное время на загрузку реагентов, выведение ре­актора на нужный технологический режим, разгрузку и очистку. Полное время одного цикла работы периодического реактора суммируется, таким образом, из основного τ_хр и вспомогательного τ_всп:

τ = τ_хр + τ_всп.

Наличие τ_всп как составной части времени цикла приводит к сни­жению производительности химического реактора (количество продукта, получаемого в единицу времени) и является одним из существенных недостатков периодических процессов вообще. Дру­гие их недостатки — большие затраты ручного труда, сложность решения задач автоматизации (так как условия в реакторе во вре­мени постоянно меняются).

Однако периодические реакторы обычно можно приспособить к широкому диапазону условий реакций, что удобно при необ­ходимости производить на одной установке различные химиче­ские продукты, например, в промышленности химических реак­тивов. Периодические реакторы с интенсивным перемешиванием, приближающимся к идеальному смешению, применяют в произ­водствах реактивов, органических красителей, лекарственных пре­паратов — там, где для достижения достаточной глубины пре­вращения требуется сравнительно длительное время, а объемы производства невелики.

Периодические реакторы смешения часто применяют в мик­робиологической промышленности для культивирования аэроб­ных микроорганизмов. Процесс культивирования для большин­ства микроорганизмов длится 48—72 ч, т. е. достаточно длителен. Интенсивное перемешивание в ферментаторе позволяет обеспе­чить равномерное распределение температуры, что особенно важно в таких процессах, так как даже небольшие локальные разогревы могут привести к гибели микроорганизмов. Изолированность реак­ционной системы в периодическом реакторе позволяет устранить опасность отравления микроорганизмов случайными примесями, которые могут попасть в аппарат при непрерывной подаче реагентов.

Окончательное решение о целесообразности применения пе­риодического или непрерывного процесса можно вынести лишь на основании экономической оценки (сравнения расходов на экс­плуатацию, амортизацию, электроэнергию, пар, сырье и т. д.). Как правило, при проведении такого сравнения оказывается, что пе­риодические процессы выгодны при относительно невысокой про­изводственной мощности в тех случаях, когда получают дорого­стоящие продукты.

Проточный реактор идеального смешения в стационарном режиме. Если необходимо обеспечить получение большого количества про­дукта одинакового качества, химический процесс предпочитают проводить в непрерывнодействующих реакторах с установившим­ся режимом. Распространенным видом таких проточных аппара­тов являются реакторы смешения. Проточный реактор смешения может работать как в нестационарном режиме (пуск, выход на ре­жим, остановка), так и в стационарном, установившемся режиме.

В качестве элементарного объема для реактора идеального смешения мож­но принять полный объем реактора V. При стационарном режиме работы реактора не происходит изменения постоянных по объему концентраций участников реакции и во времени, следовательно, в качестве элементар­ного промежутка времени можно принять любой конечный временной интервал, например единицу времени (1 с, 1 мин или 1 ч).

Стационарность процесса в проточном реакторе можно обеспечить, если объемные расходы на входе v₀ и выходе v_f равны между собой (v₀ = v_f = v).

Величина измеряется в единицах времени и характеризует среднее время, в течение которого обнов­ляется содержимое проточного реактора. Эту величину называют средним временем пребывания реагентов в проточном реакторе.

Действительное время пребывания частиц в проточном реак­торе смешения является случайной величиной в отличие от време­ни пребывания реагентов в периодическом реакторе. Пусть, на­пример, в реактор введено N одинаковых частиц. В периодическом реакторе все они будут находиться равное время от загрузки до выгрузки. В проточном реакторе идеального смешения эти части­цы мгновенно и равномерно распределяются по всему объему ап­парата, и так как из аппарата непрерывно выходит поток продук­тов, то в момент ввода частиц в реактор какое-то их количество может сразу же оказаться в выходном потоке. Некоторые частицы, равномерно распределяясь в новых порциях реакционной смеси, вошедшей в аппарат, могут находиться в нем бесконечно долго. Отсюда можно сделать вывод, что действительное время пребыва­ния частиц в проточном реакторе — это случайная величина, ко­торая может изменяться от 0 до ∞. Непрерывную случайную ве­личину можно задать с помощью вероятностных характеристик, в частности функций распределения случайной величины. Ис­пользование в качестве характеристики времени пребывания час­тиц в проточном реакторе величины является удобным спосо­бом усреднения действительного времени пребывания, так как эта величина связана с конструктивными характеристиками реактора: его объемом и объемным расходом реакционной смеси.

Реактор идеального вытеснения

Реактор идеального вытеснения представляет собой длинный канал, через который реакционная смесь движется в поршневом режиме. Каждый элемент потока, условно выделенный двумя плоскостями, перпендикулярными оси канала, движется через него как твердый поршень, вытесняя предыдущие элементы потока и не перемешиваясь ни с предыдущими, ни со следующи­ми за ним элементами.

Схема реактора идеального вытеснения

Естественно, что при проведении химической реакции, напри­мер реакции, в которой участвуют два или более реагентов, пере­мешивание участников реакции является необходимым условием ее осуществления, иначе невозможным будет контакт между раз­ноименными молекулами, в результате которого и происходит эле­ментарный акт реакции. Если в реакторе идеального смешения перемешивание носит глобальный характер и благодаря ему пара­метры процесса полностью выравниваются по объему аппарата, в реакторе идеального вытеснения перемешивание является ло­кальным: оно происходит в каждом элементе потока, а между со­седними по оси реактора элементами, как уже указывалось, пере­мешивания нет.

Идеальное вытеснение возможно при выполнении следующих допущений: 1) движущийся поток имеет плоский профиль линейных скоростей; 2) отсутствует обусловленное любыми причинами пе­ремешивание в направлении оси потока; 3) в каждом отдельно взятом сечении, перпендикулярном оси потока, параметры про­цесса (концентрации, температуры и т. д.) полностью выравнены.

Следует отметить, что строго эти допущения в реальных реак­торах не выполняются. Из гидравлики известно, что даже в очень гладких каналах при движении потока, характеризующегося высо­кими числами Рейнольдса Re, у стенок канала существует так на­зываемый пограничный вязкий подслой, в котором градиент ли­нейной скорости очень велик. Сравнивая профили скоростей при различных потоках видно, что максимально приблизить­ся к идеальному вытеснению можно лишь в развитом турбулент­ном режиме.

Профили линейных скоростей потока при ламинарном (а), раз­витом турбулентном (б) и идеальном поршневом (в) режимах течения жидкости

Однако турбулентный поток характеризуется наличием нере­гулярных пульсаций, носящих хаотичный характер, в результате чего некоторые частицы потока могут опережать основной поток или отставать от него, т. е. произойдет частичное перемешивание в осевом направлении. Конечно, абсолютные значения таких пе­ремещений будут невелики по сравнению с основным осевым перемещением потока и при больших линейных скоростях ими можно пренебречь. В то же время турбулентные пульсации в ради­альном направлении будут способствовать локальному перемеши­ванию реагентов и выполнению третьего допущения.

В реальном реакторе можно приблизиться к режиму идеально­го вытеснения, если реакционный поток — турбулентный и при этом длина канала существенно превышает его поперечный раз­мер (например, для цилиндрических труб L/d> 20).

Среднее время пребывания для реактора идеаль­ного вытеснения в силу первого допущения о плоском профиле линейных скоростей действительное время пребывания всех частиц потока в аппарате будет одинаковым и, следовательно, является удобной характеристикой, пропорциональной объему реактора.

Сравнивая эффективности работы проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения можно видеть, что при одинаковых условиях проведения одной и той же реакции для достижения равной глуби­ны превращения среднее время пребывания реагентов в проточном реакторе идеального смешения должно быть больше, чем в реакторе идеального вытеснения. Этот факт легко может быть объяснен характером распределения концентрации реагентов по объему указанных ре­акторов. Если в проточном реакторе идеального смешения кон­центрации во всех точках равны конечной концентрации, то в реакторе идеального вытеснения в двух соседних точках на оси реактора концентрации реагентов уже отличаются. Скорость реакции, согласно закону действующих масс, про­порциональна концентрации реагентов. Следовательно, в реакто­ре идеального вытеснения она всегда выше, чем в проточном ре­акторе идеального смешения. А при большей скорости протекания реакции для достижения той же глубины превращения требуется меньшее время пребывания реагентов в реакторе.

Следовательно, при равном объемном расходе для достижения одинаковых результатов реактор идеального вытеснения должен иметь меньший объем, чем проточный реактор идеального смеше­ния.

При сравнении не учитывался ряд факторов, ограничивающих применение аппаратов, работающих в режиме, близком к идеаль­ному вытеснению. К ним следует отнести, например, большое гид­равлическое сопротивление трубчатых реакторов, трудность чист­ки таких аппаратов и т. д. Конструктивно проточные аппараты с интенсивным перемешиванием проще, но обладают тем харак­терным недостатком, что в них устанавливается низкая концент­рация исходного реагента (равная конечной) и, следовательно, низкой будет скорость химической реакции. Для использования преимуществ реакторов смешения и в то же время поддержания в реакционной системе более высоких концентраций реагентов можно создать каскад реакторов идеального смешения последова­тельным включением нескольких реакторов.