I Модели идеальных реакторов

Степень перемешивания реагирующих масс в реакторах влияет на режим их работы. Полное смешивание обеспечивает постоянство параметров, в частности температуры во всем реакционном объеме, а при идеальном вытеснении температура изменяется по высоте реакционного объема. В результате в реакторах вытеснения меняется константа скорости реакции и соответственно скорости процесса.

Реактор идеального вытеснения. В таком реакторе, например трубчатом, все частицы движутся в заданном направлении, не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади частицами и полностью вытесняя находящиеся впереди частицы потока (поршневое движение потока). Время пребывания всех частиц и аппаратах идеального вытеснения одинаково.

По длине реактора плавно изменяются концентрации реагентов и, в соответствии с этим, изменяется скорость реакции.

Уравнение, описывающее процесс идеального вытеснения, позволяет, если известна кинетика процесса, определить время пребывания реагентов, а затем размеры реактора при заданных расходах реагентов и степени превращения или производительность реактора при заданных размере реактора и степени превращения.

К реакторам идеального вытеснения можно отнести трубчатые контактные аппараты с катализатором в трубах (рис. 1).

Рис. 1 Каталитический трубчатый реактор для эндотермических процессов

Реактор полного смешения проточный. Проточный реактор смешения представляет собой аппарат, в котором интенсивно перемешиваются реагенты (рис. 2).

Рис. 2 Реактор полного смешения проточный

Исходные реагенты

Продукты

В него непрерывно подаются реагенты и непрерывно выводятся продукты реакции. Поступающие в такой реактор частицы вещества мгновенно смешиваются с находящимися в нем частицами, т.е. равномерно распределяются в объеме аппарата. В результате во всех точках реакционного объема мгновенно выравниваются параметры, характеризующие процесс: концентрации, степень превращения, скорости реакции, температуры и др.

Интенсивное перемешивание реагирующих масс в реакторах при протекании основной реакции в жидкой фазе более необходимо, чем для реакции в газовой фазе. Интенсивность любого процесса в жидкой фазе в 10³ - 10⁵ раз выше, чем в газовой, поэтому в ряде производств стремятся растворить (абсорбировать) реагенты из газовой фазы в жидкую. Реакторы с перемешивающими устройствами применяются для гомогенно-жидкостных и гетерогенных процессов в системе жидкость – твердое (суспезии), жидкость – жидкость (эмульсии) и газ – жидкость.

Для реактора полного смешения размер реактора, расход реагентов, начальные или конечные концентрации реагентов, степень превращения могут быть определены, если известна кинетика процесса.

Каскад реакторов полного смешения. В единичном реакторе полного смешения вследствие того, что концентрации реагентов мгновенно снижаются до конечной величины, скорость реакции при больших степенях превращения невелика, и поэтому для достижения высоких степеней превращения требуются реакторы большого объема. Более целесообразна установка ряда последовательно соединенных реакторов полного смешения каскад реакторов (рис. 3)

Продукты

Исходные реагенты

Рис. 3 Схема каскада реакторов полного смешения

В каскаде реакторов полного смешения состав реакционной смеси изменяется при переходе из одного аппарата в другой. При этом в каждой ступени каскада, как это характерно для реакторов полного смешения, параметры процесса постоянны по всему объему. Для определения числа теоретических ступеней каскада используются алгебраические и графические методы.

Алгебраический метод расчета основан на материальном балансе, который составляется для каждой ступени каскада (материальный баланс – это вещественное выражение закона сохранения массы, согласно которому во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших во взаимодействие, равна массе веществ, образовавшихся в результате этого взаимодействия, то есть приход веществ равен его расходу).

Графический метод основан на построении графика зависимости изменения концентрации вещества на выходе из реактора от скорости реакции в этом реакторе.

По числу реакторов в каскаде определяется время пребывания реагентов и объем каскада. Увеличение числа реакторов в каскаде при достижении одной и той же степени превращения приводит к уменьшению времени пребывания в них реагентов и соответственно общего объема каскада.

Реактор периодического действия. В реактор периодического действия единовременно загружают определенное количество реагентов, которые находятся в нем до тех пор, пока не будет достигнута желаемая степень превращения. После этого реактор разгружают. Распределение концентрации при любой степени смешения реагентов во времени аналогично реактору идеального вытеснения.

II Сравнение реакторов

Одним из факторов, которые используются для сравнения и выбора реактора, является влияние концентрации реагентов, точнее движущей силы процесса на производительность реактора. При этом условно принимается постоянство других параметров технологического режима.

Реакторы идеального вытеснения и полного смешивания. При прохождении реакционной смеси через реактор идеального вытеснения уменьшается концентрация исходных реагентов по высоте или длине реактора и в соответствии с этим снижается движущая сила процесса, а при постоянстве других параметров – и скорость процесса.

Аналогичная картина наблюдается в реакторах периодического действия.

Средние концентрации исходных веществ, а следовательно, и средняя движущая сила процесса для этих типов реакторов определяется формулой:

,

где С_ср – средняя концентрация исходных веществ, – начальная концентрация исходных веществ, – конечная концентрация.

При прохождении реагентов через реактор полного смешения = . Следовательно, средняя движущая сила процесса в проточных реакторах смешения всегда ниже, чем в реакторах периодического действия и в реакторах вытеснения.

Также следует заметить, что постоянство температуры и концентрации реагентов по всему объему реактора смешения облегчает управление процессом, автоматизацию работы реактора. В реакторах смешения эффективнее, чем при режиме вытеснения, протекают реакции с высокими концентрациями реагентов и при больших тепловых эффектах реакции. Интенсивное перемешивание улучшает условие теплопередачи; уменьшаются теплообменные поверхности для отвода или подвода теплоты от реагирующей системы.

С другой стороны, перемешивание может вызвать нежелательное истирание твердых реагентов, эрозию аппаратуры, усиление уноса из реактора измельченных твердых частиц или капель жидкости. Энергетические затраты в реакторах смешения могут быть в несколько раз выше, чем при режиме вытеснения.

Единичный реактор и каскад реакторов полного смешивания. Движущая сила процесса в каскаде будет больше, чем в единичном реакторе. Разница в движущей силе будет тем больше, чем большее число реакторов в каскаде. При бесконечно большом числе реакторов в каскаде движущая сила каскада приближается к движущей силе реактора идеального вытеснения. Но чем больше число реакторов в каскаде, тем для данной степени превращения меньше реакционный объем системы.

Реакторы периодического и непрерывного действия.Реакторы периодического действия работают при нестационарном технологическом режиме. При этом независимо от степени перемешивания реагирующих масс изменяются во времени не только концентрации реагентов, но и температура, давление, а соответственно, и константа скорости процесса. Если периодический реактор работает в режиме полного смешения, то время, необходимое для достижения заданной степени превращения, рассчитывается по характеристическому уравнению, которое совпадает с характеристическим уравнением реактора идеального вытеснения. Следовательно, если были бы возможны одинаковые условия проведения процесса в реакторах периодического действия и идеального вытеснения, то их объемы были бы равны между собой. Но условия протекания процесса в промышленных проточных реакторах лучше, чем в периодических.

Кроме того, производительность реактора периодического действия ниже, чем реактора идеального вытеснения, работающего непрерывно, потому что при использовании периодически действующего реактора затрачивается время на загрузку реагентов, после чего в нем происходит химическое превращение. По окончании реакции производят опорожнение реактора, на что также требуется определенное количество времени.

Критерием целесообразности проведения процесса периодически или непрерывно является сравнение экономических показателей работы реактора, а также себестоимость получаемой продукции в зависимости от производительности аппаратуры.

Таким образом, при небольшой производительности может оказаться экономически выгодным использование реактора периодического действия.