Классификация химических реакторов

Многообразные химические реакторы классифицируют по ряду признаков.

По принципу действия различают реакторы периодичес­кого, полупериодического и непрерывного действия. Особеннос­ти проведения процессов в таких реакторах рассмотрены в гл. 1.

По тепловому режиму проведения реакции различают ре­акторы адиабатического и изотермического действия, а также реакторы с промежуточным (политропическим) тепловым режимом.

В реакторах адиабатического действия отсутствует теплообмен с окружающей средой. Вся теплота, выделяемая (или поглощае­мая) в результате химической реакции, уходит из реактора с про­дуктом. Реакторы адиабатического действия отличаются просто­той конструкции и большой удельной мощностью. Их корпус снаб­жен значительным теплоизоляционным слоем, уменьшающим потери теплоты в окружающую среду.

Для реакторов изотермического действия характерно постоян­ство температуры в реакционном объеме. Это обеспечивается ин­тенсивным теплообменом с окружающей средой и конструктив­но достигается наличием в аппарате теплообменных устройств (рубашка, теплообменные трубы и пр.).

В реакторах с промежуточным (политропическим) тепловым ре­жимом происходит частичный теплообмен с окружающей средой, причем часть теплоты выводится из аппарата с продуктом реакции.

По организации процесса перемешивания различа­ют реакторы вытеснения и реакторы смешения.

В реакторах вытеснения химическое взаимодействие осуще­ствляется при движении реагентов в трубах. В трубчатых реакто­рах перемешивание и взаимодействие компонентов происходят за счет турбулентных пульсаций и неравномерности профиля скоро­сти потока по сечению реактора. Чем выше скорость потока реа­гентов, тем больше турбулентность и эффективнее перемешива­ние.

Идеальная структура потока характеризуется поршневым тече­нием реагентов, т.е. режимом идеального вытеснения. Такой ре­жим наиболее эффективен. Для обеспечения необходимого време­ни реакции в этом случае используют циркуляционный контур, при наличии которого часть потока, выходящего из реактора, возвращается на вход. На практике приблизиться к режиму иде­ального вытеснения позволяет применение труб малого диаметра и большой длины. Снаружи эти реакторы могут быть снабжены теплообменными устройствами в виде рубашки.

Достоинствами таких реакторов являются высокая интенсив­ность смешения и возможность эффективного теплообмена. К не­достаткам можно отнести трудности, возникающие при необхо­димости дополнительного ввода химических компонентов в про­цессе реакции. Указанные реакторы применяют для проведения гомогенных и гетерогенных реакций, например синтеза аммиака и метилового спирта, хлорирования этилена и др.

В реакторах смешения перемешивание реагентов осуществля­ется одним из известных способов: механическим, пульсационным, пневматическим перемешиванием газом или циркуляци­онным перемешиванием жидкости (см. гл. 11). Чем выше интен­сивность процесса перемешивания, тем ближе он к режиму иде­ального смешения, когда в любой точке реакционного объема все параметры процесса постоянны вследствие мгновенного переме­шивания реагирующих веществ. В таком идеализированном реак­торе отсутствуют застойные зоны и зоны циркуляции.

В реальных реакторах смешения вследствие несовершенства кон­струкции смесителя и самого реактора возможно образование за­стойных зон (например, в придонной области или у стенок реак­тора). Для предотвращения этого явления реактор снабжают вер­тикальными перегородками, а днищу придают сферическую или эллиптическую форму. В реакторах такого типа проводят смеше­ние, полимеризацию и другие процессы.

По числу фаз, участвующих в р е а к ц и и, различают ре­акторы для проведения гомогенных и гетерогенных реакций.

По конструктивным особенностям различают емкост­ные и колонные реакторы, а также реакторы теплообменного типа.

В емкостных реакторах химическая реакция проводится в рабо­чем объеме — емкости, куда через специальный штуцер загружа­ют сырье, а через сливной штуцер осуществляют выгрузку про­дукта (см. рис. 2.2). В емкостных реакторах проводятся гомогенные реакции в жидкой фазе. Более подробно о реакторах емкостного типа изложено в гл. 11.

На производстве емкостные реакторы работают в непрерыв­ном режиме и часто устанавливаются последовательно. Такое раз­мещение называют каскадом реакторов смешения. В каскаде зна­чительно активизируется перемешивание за счет уменьшения ре­акционного объема, снижения отрицательного влияния застой­ных зон и зон циркуляции. В конечном итоге это приводит к до­стижению более высоких значений степени превращения и выхо­да исходных компонентов реакции.

В колонном реакторе основным требованием к конструкции яв­ляется интенсивное взаимодействие реагентов на всех ступенях контакта. Такое взаимодействие может быть достигнуто созданием развитой поверхности контакта фаз путем установления контакт­ных устройств в виде тарелок (тарельчатые колонны), слоев на­садки (насадочные колонны), распыливанием жидкой фазы (рас­пылительные колонны) или диспергированием газовой фазы в слое жидкости (барботажные колонны). Тот или иной способ со­здания развитой поверхности контакта фаз выбирается в зависи­мости от типа реакции, физических свойств реагирующих веществ и практического опыта. Более подробно особенности конструк­ций колонных аппаратов рассмотрены в гл. 17.

В барботажных колоннах химическая реакция протекает в жид­кой фазе, в которую из газа за счет процесса абсорбции перено­сится реагирующее вещество. Барботажная колонна (рис. 25.1)

Реакторы теплообменного типа часто используют в химических процессах для проведения реакций при высокой температуре. Среди многообразия реакторов-печей можно выделить трубчатые печи и реакторы окислительного пиролиза.

Описание конструкции трубчатой печи и принципа ее действия приведено в гл. 13.

В реакторах окислительного пиролиза (рис. 25.2) процесс горе­ния происходит в присутствии кислорода, что обеспечивает тем­пературу 1400... 1600°С. Сырье смешивается с воздухом и посту­пает в камеру горения, куда через форсунку подается топливо. Сы­рье воспламеняется, но полностью не сгорает. В реакционной трубе происходит его разложение, вследствие подачи воды через фор­сунки температура снижается, и процесс прекращается. В реакторах подобного типа получают сажу — продукт, широко применяемый

Рис. 25.2. Реактор окислительного пиролиза:

1 — форсунка для топлива и воздуха; 2 — форсунка для воды; 3 — реакционная труба; 4 — камера горения

в разных отраслях промышленности (резиновая, лакокрасочная, полиграфическая и др.).