Химические реакторы

1.

Химические реакторы
Признаки классификация химических реакторов и режимов их
работы:
• 1) по режиму движения реакционной среды (гидродинамическая
обстановка в реакторе);
• 2)по условиям теплообмена в реакторе;
• 3) по фазовым состав реакционной смеси;
• 4) по способу организации процесса;
• 5) по характеру изменения параметров процесса во времени;
• 6) по конструктивным характеристикам.
1

2.

Классификация химических реакторов по
гидродинамической обстановке
• Реакторы смешения – это емкостные аппараты с перемешиванием
механической мешалкой или циркуляционным насосом. Иногда в качестве
способа перемешивания используется барботаж газообразного реагента через
слой жидкой реакционной массы.
2

3.

Реакторы идеального смешения.
а) одноступенчатый аппарат;
б) характер изменения концентрации в одноступенчатом аппарате;
в) вертикальный многоступенчатый аппарат;
г) многосекционный горизонтальный аппарат;
д) батарея аппаратов смешения;
е) характер изменения концентрации в многоступенчатом аппарате.
3

4.

• изменение концентрации реагирующих веществ на входе в
реактор носит скачкообразный характер. Средняя движущая
сила процесса в таком аппарате будет меньше, чем в
аппарате полного вытеснения.
• Реакторы этого типа наиболее широко применяются для
проведения таких процессов, как нитрование,
сульфирование, полимеризация и т.д.
• В некоторых случаях процесс химического превращения
вещества проводится не в одном аппарате смешения, а в
нескольких таких аппаратах, соединенных последовательно.
Такая система, состоящая в некоторых случаях из 20 и более
аппаратов, получила название каскада реакторов .
• В каскаде реакторов изменение концентрации реагирующих
веществ носит ступенчатый характер, так как продукт
реакции предыдущего аппарата является исходным
реагирующим веществом в последующем аппарате.
4

5.

• Гидродинамический режим работы каскада реакторов
является промежуточным и зависит от числа аппаратов; с
увеличением числа реакторов в каскаде он приближается к
режиму вытеснения, а при уменьшении к режиму смешения.
• В каскаде увеличивается время пребывания реагирующих
веществ по сравнению с одним реактором смешения, а
также возрастает выход продукта реакции по сравнению с
реактором вытеснения.
5

6.

• Реакторы вытеснения – трубчатые аппараты, достаточно большой длины
по сравнению с диаметром. В таких аппаратах течение реакционного
потока имеет поршнеобразный характер. Перемешивание в таких
реакторах имеет локальный характер и вызывается неравномерностью
распределения скорости потока и его флуктуациями, а также
завихрениями.
а) однотрубный реактор;
б) многотрубный реактор.
6

7.

• Реактор идеального вытеснения характеризуется переменной концентрацией
реагирующих веществ по длине аппарата, наибольшей разницей концентраций
на входе и выходе из реактора и, следовательно, наибольшей средней движущей
силой процесса.
• Практически к режиму идеального вытеснения можно приблизиться в реакторе
с малым диаметром и большой длиною при относительно высоких скоростях
движения реагирующих веществ. Реакторы идеального вытеснения находят
широкое применение для проведения как гомогенных, так и гетерогенных
каталитических процессов (например, окисления NO в NO2, SO2 в SO3, синтеза
аммиака и метилового спирта, хлорирование этилена, сульфирования
пропилена и бутилена и т.д.).
7

8.

Классификация химических реакторов по
условиям теплообмена.
• При отсутствии теплообмена между реактором и окружающей
средой химический реактор является адиабатическим. Вся теплота,
выделяющаяся или поглощающаяся в результате химических
реакций, расходуется на внутренний теплообмен, т.е. на нагрев или
охлаждение реакционной смеси.
• Если теплообмен с окружающей средой протекает гораздо быстрее,
чем тепловыделение или теплопоглощение, то во всех точках
реакционной зоны обеспечивается постоянство температуры и
такой реактор называется изотермическим.
8

9.

• Реакторы, в которых скорости тепловыделения или теплопоглощения соизмеримы со
скоростями теплообмена с окружающей средой, температурный режим представляет
собой результат баланса между этими процессами и в общем случае это обусловливает
неравномерность распределения температуры в реакционной зоне. Такие реакторы
называются политермическими.
Автотермические реакторы, реакторы в которых поддержание необходимой
температуры процесса осуществляется исключительно за счёт теплоты химического
процесса без использования внешних источников энергии. В практике химической
технологии стремятся к тому, чтобы химические реакторы, особенно в крупнотоннажных
производствах, были автотермическими.
9

10.

3. Классификация химических реакторов
по фазовому составу реакционной массы.
• Реакторы для проведения гомогенных процессов подразделяют на
аппараты для газофазных и жидкофазных реакций. Аппараты для
проведения реакций с двухфазными системами подразделяют на
газо-жидкостные, реакции для систем газ – твёрдое тело, жидкость
твёрдое тело и др.
10

11.

Классификация по способу организации
процесса.
• По способу подачи реагентов и отвода продуктов реакторы подразделяют на
периодические, непрерывные и полунепрерывные (полупериодические).
• В реакторе периодического действия все реагенты вводят в реактор до начала
реакции, смесь выдерживают в реакторе необходимое время, после чего
производится выгрузка продуктов.
• Продолжительность операции от момента загрузки до момента выгрузки
соответствует времени реакции.
• Параметры технологического процесса в периодическом реакторе изменяются
во времени.
• Недостатки периодических реакторов – цикличность работы, низкая
производительность, большие затраты ручного труда. Такие реакторы выгодны
11
при организации малотоннажных производств.

12.

• В реакторе непрерывного действия (проточном) производится
непрерывная подача реагентов в реакционную зону и непрерывный
отвод продуктов. Эти реакторы обеспечивают высокую
производительность и их применение особенно выгодно при
организации крупнотоннажных производств.
• Реактор полунепрерывного (полупериодического) действия
характеризуется тем, что 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.
12

13.

Классификация по конструктивным
характеристикам
Химические реакторы отличаются друг от друга по ряду конструктивных
характеристик, оказывающих влияние на расчет и изготовление аппаратуры.
Конкретная конструкция реактора определяется рядом факторов: фазовым
составом реакционной массы, режимом процесса, физическими свойствами
реакционной смеси и др. Различают реакторы для гомогенных, гетерогенных и
гетерофазных процессов.
13