Выбор реакторных устройств и пути интенсификации их работы

● Выбор конструкции реакторного устройства должен проводиться на основе системного подхода. При выборе реакторного устройства необходимо учитывать все технологические и экономические требования.

Одной из важнейших характеристик реакторных устройств является удельная производительность, численно равная количеству основного продукта, получаемого с единицы реакционного объема в единицу времени. Удельная производительность реактора связана непосредственно с кинетикой химических процессов и типом реактора.

Для достижения одной и той же удельной производительности в непрерывно действующем реакторе и реакторе периодического действия требуется разное время. В реакторах периодического действия ко времени химического процесса необходимо добавлять время, затрачиваемое на загрузку, выгрузку, охлаждение и нагрев потоков.

При проведении быстрых химических реакций невыгодно использовать реакторы периодического действия, а для реакций, протекающих медленно и в малом объеме, могут применяться реакторы периодического действия.

Другим важным фактором при выборе реакторного устройства является метод подвода или отвода тепла. Количество тепла, которое выделяется или поглощается при осуществлении химического процесса, всегда пропорционально количеству реагирующих веществ (реакционному объему). Количество тепла, подводимого или отводимого при осуществлении процесса, должно быть пропорционально поверхности теплообмена реактора. В свою очередь, объем реактора, и его поверхность неодинаково зависят от его диаметра.

С увеличением размеров аппарата, в том числе его реакционного объема, уменьшается удельный отвод тепла в нем. Поэтому с увеличением реакционного объема термические условия работы реактора должны приближаться к адиабатическим, а в небольшом по размеру реакторе – к изотермическим. Это значит, что при неинтенсивном теплообмене с окружающей средой на практике целесообразно использовать реакторы большого размера (аппараты с большими реакционными объемами), а при интенсивном – с малыми реакционными объемами (небольшие аппараты).

При выборе типа реактора основное значение имеет анализ кинетических факторов, их взаимосвязи, а также механизма процесса.

Сравнение выходов продуктов в непрерывно действующих реакторах идеального смешения и вытеснения, а также в реакторах идеального смешения периодического действия и их реакционных объемов при постоянной конверсии показывает, что в случае последовательных реакций целесообразно использовать реактор периодического действия или реактор вытеснения. Если необходимо иметь интенсивный тепло- и массообмен между реагирующими веществами, то можно применять каскад реакторов с перемешиванием.

Для проведения простых реакций первого порядка в каскаде аппаратов идеального смешения их реакционные объемы должны быть одинаковыми, а в случае, когда реакции сложные и порядок основной реакции выше, чем побочных реакций, объем каждого последующего аппарата в каскаде больше объема предыдущего. При низких концентрациях исходных веществ требуемый реакционный объем будет меньше в случае использования аппаратов смешения, а не аппаратов вытеснения.

Для реакций, протекающих медленно и требующих длительного времени, наименьший реакционный объем будет при использовании каскада реакторов с перемешиванием.

При выборе и сравнении реакторов по кинетическим характеристикам процесса часто пользуются зависимостью между величиной обратной скорости реакции и конверсией. Этот метод позволяет подобрать оптимальный по производительности вариант аппаратурного оформления процесса для кинетического уравнения практически любого типа реакции.

Большое влияние тип реактора оказывает на селективность процесса и, следовательно, на качество получаемого продукта. Это обусловлено разным характером распределения концентраций реагентов и продуктов в реакционном объеме аппарата. Этот факт особенно важно учитывать при проведении последовательных и параллельных реакций различного порядка.

На качество продуктов основное влияние оказывает время их пребывания в объеме реактора.

На избирательность химического процесса большое влияние может оказывать также способ подачи реагирующих веществ в аппарат. Реагенты могут вводиться одновременно для сохранения высоких концентраций, наоборот, подаваться постепенно для обеспечения низких концентраций.

Таким образом, при выборе и сравнении типов реакторных устройств одним из главных факторов являются кинетические закономерности процесса.

Но, естественно, при выборе реакторного устройства необходимо учитывать экономическую эффективность, основными из слагаемых которой являются себестоимость продуктов и ее составляющие, а также доход от удельной производительности реактора.

Необходимость экономической оценки объясняется тем, что технологические параметры (концентрация, температура, давление, соотношение реагирующих потоков) могут по-разному влиять на такие показатели, как конверсия, селективность, удельная производительность реактора, а следовательно, и на себестоимость продуктов.

● Эффективность работы реакторной подсистемы определяется, прежде всего, интенсивностью реакций. Главными показателями эффективности химических процессов являются: средняя скорость реакции, конверсия за один проход через реактор, выход целевого продукта в расчете на израсходованное сырье. При этом скорость реакции часто определяет производительность или интенсивность всего технологического процесса. Конверсия сырья за один проход определяет расход энергии, так как ее затраты требуются на выделение непрореагировавшего сырья, доведение его до необходимых условий (температура, давление) и транспортировку. Выход целевых продуктов определяет энергетические затраты на разделение и формирует предпосылки для создания безотходных производств, так как чем больше эта величина, тем меньше побочных продуктов, которые требуется перерабатывать или доводить до товарного вида.

Интенсифицировать работу реакторной подсистемы можно за счет выбора наиболее интенсивного катализатора, который позволит не только увеличить конверсию реагентов за один проход, но и повысить селективность процесса.

При выбранном катализаторе процесс можно интенсифицировать, меняяв определенных пределах условия проведения процесса(температуру, давление). Для этого необходимо определить их оптимальные значения, так как зависимость скоростей реакций от условий процесса достаточно сложна. Интенсивность всего процесса в значительной степени зависит от интенсивности подвода реагентов в зону реакций и отвода продуктов реакций из нее.

Скорость реакции пропорциональна изменению концентраций реагирующих веществ. Увеличение изменения концентраций может быть достигнуто повышением концентрации исходных реагентов. Именно этот путь интенсификации процессов наиболее распространен в технологии.

Однако этот путь не всегда может быть приемлем, так как высокие начальные концентрации реагентов могут вызвать чрезмерное увеличение скорости процесса и при больной теплоте реакций могут возникнуть трудности с отводом тепла. Кроме того, существуют реакции, для которых повышение концентраций реагентов не дает существенного эффекта, но может даже привести к снижению скорости процесса.

Увеличение концентрации каждого из компонентов может быть достигнуто не только за счет подачи реагентов в разных соотношениях, но и за счет рециклов по компонентам.

Одним из основных способов увеличения скорости химического процесса является перемешивание реагентов.

Суммарная скорость обратимой реакции может быть увеличена за счет избирательного отвода одного или нескольких продуктов из зоны реакции.

Интенсификация работы реакторных подсистем будет наиболее эффективной, если:

Ø их рассматривать в совокупности с другими подсистемами;

Ø использовать все закономерности реакционных процессов;

Ø все способы интенсификации рассматривать совместно, т. е. как сложную систему.