Trebovania_k_reaktoram

1. Лекция № 4

Требования, предъявляемые к реакторам. Коэффициент
заполнения реакторов. Взаимосвязь производительности и
интенсивности со степенью превращения и скоростью
ХТП.
1

2.

Химическим реактором называется аппарат, в котором
осуществляются
химико-технологические
процессы,
сочетающие
химические
реакции
с
массопереносом
(диффузией).
Основной аппарат – реактор, в котором осуществляется
химическое превращение (химические реакции) исходного сырья в
готовый продукт.
Вспомогательные аппараты – выполняют функции подготовки
сырья к реакции и разделения продуктов реакции, очистки,
концентрирования и т.д.
Выбор конструкции и размеров химического реактора
определяется скоростями протекающих в них процессов массо- и
теплообмена и химических реакций.
При этом задаются производительностью установки, элементом
которой является химический реактор, и степенью превращения
сырья.
2

3.

Интенсивность – основной показатель работы реактора,
свидетельствующий о его совершенстве и соответствии заданной
цели.
Главной задачей при расчете реактора является установление
зависимости:
τ = f (х, C, U)
(1)
где: U – скорость химического процесса, τ – время пребывания реагентов в
реакторе, х – степень превращения реагентов в целевой продукт, С – начальная
концентрация реагентов.
Расчет химического
зависимости:
А = G / ΔC·К,
реактора
ведется
по
следующей
(2)
где: А – основной размер реактора, G – количество вещества,
перерабатываемого в единицу времени, ΔC - движущая сила процесса,
К –
коэффициент скорости процесса.
3

4. Требования к химическим реакторам:

1)
Обеспечивать
наибольшую
производительность
и
интенсивность.
2) Давать высокую степень превращения при максимальной
селективности процесса.
3) Иметь малые энергетические затраты на транспортировку и
перемешивание реагирующих веществ.
4) Быть достаточно простым в устройстве и дешёвым (т.е.
материал для изготовления аппарата должен быть недорогим –
сталь 3 (черновая сталь), недорогие изделия силикатной
промышленности, недефицитные пластмассы и др.)
5) Наиболее полно использовать теплоту экзотермической реакции
и теплоту, подводимую извне для эндотермических процессов.
6)
Быть
надежными
в
работе,
по-возможности
механизированными
и
обеспечивающими
автоматическое
регулирование процесса.
4

5.

Классификация реакторов
Режим движения реакционной среды
Температурный режим или условия теплообмена
Фазовый состав
Способ организации процесса
Характер изменения параметров процесса во времени
Конструкционные характеристики 5

6. Режим движения реакционной среды:

а) Полное перемешивание (смешение)
б) Идеальное вытеснение
Полное смешение - режим, при котором турбулизация столь
сильна, что концентрация реагентов в реакторе одинакова во
всем объеме аппарата от ввода исходной смеси до места вывода
продукции.
Реактор смешения – ёмкостной аппарат с перемешивающим
устройством (механическим – механические мешалки различной
конструкции или пневматическим – с помощью насосов).
Реактор может быть проточным.
6

7. Реакторы смешения

Каскад из периодических реакторов
смешения
а – периодический;
б – проточный непрерывный
7

8.

Вследствие
полного
перемешивания
выравнивается
температура во всем объёме реакционной зоны (и все параметры,
характеризующие ХТП).
ХТП в потоке полного перемешивания может протекать при
изотермическом температурном режиме, независимо от
теплового эффекта, которым сопровождается химическое
превращение.
Время пребывания частиц в реакторе в потоке полного
перемешивания распределяется неравномерно.
τ΄ = υp/V
(3)
υp – реакционный объём аппарата; V – объёмный расход
реагирующей смеси.
τ 1< τ΄ < τ2
(4)
Неравномерность пребывания частиц в таком реакторе приводит к
снижению движущей силы процесса.
8

9. Идеальное вытеснение - режим, при котором исходная смесь не перемешивается с продуктами реакции, а последовательно проходит

ламинарным потоком по всей длине или высоте аппарата
реактора.
При этом происходит плавное изменение концентрации в
направлении потока реагентов.
Реактор идеального вытеснения
Реактор вытеснения – трубчатый реактор, имеющий вид
удлиненного канала.
Истинное время пребывания равно среднему времени
пребывания в реакторе:
τi = τ΄
(5)
9

10. Температурный режим или условия теплообмена

∆Т является движущей силой для таких процессов
По температурному режиму реакторы (чаще всего проточные) и
происходящие в них процессы делят на:
• Изотермические
• Адиабатические
• Политермические
10

11. Изотермический

Температура постоянна во всем реакционном объеме, во
времени и пространстве (tk=tср).
Можно приблизиться к изотермическому процессу при
помощи теплообменных устройств. При этом в каждом
элементарном объеме аппарата отвод или подвод теплоты
должен быть равен теплоте реакции.
Qp = qp· Cисх· х · G = kт· F · ΔTτ = QП
(6)
Qp, QП – теплота подвода или отвода тепловых реакций;
qp – тепловой эффект реакции процесса при полном превращении исходных
веществ или при полном переходе из одной фазы в другую.
Cисх – начальная концентрация основного исходного вещества.
х- степень превращения основного исходного вещества.
G – общая масса (количество) реакционной смеси.
F – поверхность теплоотдачи.
ΔTτ- средняя движущая сила за время τ.
kт – коэффициент теплоотдачи через теплообменную поверхность.
11

12. Адиабатический

При адиабатическом режиме нет подвода или отвода теплоты, при
этом вся теплота реакции аккумулируются потоком реагирующих
веществ.
В таких реакторах, температура потока вдоль оси реактора прямоили обратнопропорцианальна степени превращения исходного
вещества в конечный продукт.
Температурный режим в любой точке по высоте или длине реактора:
о
(7)
q p
Cисх
qp
tк tн
G c
x tн
c
x
tk, tн- начальная и конечная температуры системы; qp- тепловой эффект реакции;
ĉ- средняя удельная теплоемкость исходной реакционной смеси в интервале
температур tk, tн; λ- адиабатический коэффициент разогрева или охлаждения, равная
q p
G c
о
Cисх
qp
(8)
c
tк tн x
или
x
(9)
12

13. Политермический

В таких реакторах теплота реакции лишь частично отводится из
зоны реакции или компенсируется за счёт подвода. В результате
температура, по длине или высоте реакционного объема, изменяется
неравномерно.
К политермическим аппаратам можно отнести реакторы с малой
степенью смешения реагирующих веществ и теплообменниками,
помещенными внутри аппарата.
Проведение ХТП в политермический режимах позволяет в
некоторых случаях повысить степень превращения основного
исходного компонента и выход целевого продукта.
Изменение температуры рассчитывают:
t к t н t
о
Cисх
qp
c
kT F t
x
G c
(10)
13

14.

Фазовый состав
1) Аппараты, для проведения гомогенных процессов –
жидкофазных, газофазных реакций.
2) Аппараты, для проведения гетерогенного процесса –
газожидкостные реакторы; реакторы для систем Г-Т, Ж-Т и
др.; реакторы для гетерокаталитических процессов.
Способ организации процесса
• Периодические реакторы
• Непрерывные реакторы
• Полунепрерывные реакторы
14

15.

В реакторах периодического действия все стадии протекают
последовательно и в разное время.
В реакторе непрерывного действия все стадии осуществляются
параллельно и одновременно. К таким реакторам относятся
проточные реакторы.
Реакторы полунепрерывного действия характеризуются тем, что
один из реагентов поступает в него непрерывно, а другой
периодически.
15

16. Характер изменения параметров процесса во времени

• Реакторы, работающие в стационарном режиме.
• Реакторы, работающие в нестационарном режиме.
Режим работы 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.
Нестационарный режим – если в произвольно выбранной
точке происходят изменения параметров химического процесса
во времени по тому или другому закону.
16

17. Конструктивные характеристики

• Емкостные реакторы – автоклавы, реакторы-камеры,
вертикальные и горизонтальные цилиндрические конвекторы и
др.;
• Колонные (в том числе каталитические) реакторы –
колонны различных типов (колпачковые, насадочные,
тарельчатые, сорбционные, контактные с неподвижным,
подвижным, псевдоожиженным слоем), полочные реакторы;
• Реакторы-теплообменники – реакторы различных
конструкций (трубчатые, полочные, рубашечные и др.);
• Реакционные печи – шахтные, полочные, камерные,
форсуночные и др.
17

18. Реакторы для гомогенных процессов газофазных (а – д) и жидкофазных (д – з)

а, б – камерные реакторы с горелками (а – режим идеального вытеснения);
б – промежуточный; в -камерный реактор с сильным перемешиванием, изотермический; г, д –
трубчатые реакторы вытеснения, политермического режима; е, з – реакторы с мешалками, режим
полного смешения (е – одиночный периодического действия; ж – одиночный непpeрывного
действия; (з – каскад реакторов); А, В – исходные реагенты; D – продукты реакции.
18

19. Типы реакторов для гетерогенных процессов с участием газовых и жидких реагентов (Г—Ж): а, б — колонные пленочные (а — с

насадкой, б — трубчатый); в, г — колонные барботаж-ные (в
— с ситчатыми тарелками, г — с колпачковыми тарелками); д, е — колонные реакторы с
разбрызгиванием жидкости (д ~ полый, е — циклонный); ж — реактор с распылением
жидкости; з, и — пенные реакторы; Г — газ; Ж — жидкость
19