Химические реакторы

12.Основные типы химических реакторов

Химические реакторы

Химическийреактор – это центральный аппарат влюбом химико-технологическом процессе,сопровождающийся массо- и теплообменом.

Требованияк химическим реакторам:

  • обеспечивать максимальную производительностьиинтенсивность;
  • обеспечивать максимальную степень превращения и максимальную селективность;
  • реактор должен иметь минимальные затраты на перемешивание и транспортирование реагентов и продуктов;
  • в реакторе в максимальной степени должна использоваться теплота химической реакции;
  • реакторы должны быть надежными, максимально автоматизированными и механизированными;
  • реакторы должны быть дешевыми и простыми.

Функциональная зависимость временипребывания реагентов в реакторе отразных факторов

τ- время пребывания реагентов в реакторе,

X– степень превращения исходногореагента;

C– начальная концентрация исходногореагента;

vскорость химической реакции

Уравнение,связывающее эти параметры, являетсяматематическим описанием моделиреактора.

Классификацияхимических реакторов по способуорганизации процесса

1)периодические

2) непрерывные

3) полунепрерывные

Режимработы реактора

периодическогодействия непрерывного действия

нестационарные стационарные

Со,Сτ—концентрации реагентовначальная и в моментτ,

Т,Р —температура и давление в реакторе

Реакторыпериодические.

Продолжительностьодного цикла, проводимого в периодическомреакторе, определяется по уравнению:

Где-полноевремя цикла,-рабочее время 9затрачиваемое на проведениехимической реакции),-вспомогательноевремя (загрузка реагентов и выгрузкапродукта).

Периодическиехимические процессы по своей природевсегда являются нестационарными(неустановившимися), так как в ходехимической реакции параметры процессаизменяются во времени (например,концентрация веществ, участвующих вреакции, т.е. происходит накоплениепродуктов реакции).

Реакторыс различными режимами движения среды

Реакторидеального смешения периодический(РИС-П)– это емкостный аппарат смешалкой, в который периодическизагружают исходные реагенты

Вреакторе создается весьма интенсивноеперемешивание, поэтому в любоймомент времениконцентрация реагентоводинаковаво всем объемереактораиизменяется лишь во временипо мерепротекания химической реакции.

Такоеперемешивание можно считать идеальным.

уравненияреактора

СА- концентрация реагента А в реакционнойсмеси; х,у,z– пространственныекоординаты; wxwywz– составляющие скорости потока;D– коэффициент молекулярной и конвективнойдиффузии;rA- скоростьхимической реакции.

Послепреобразования и интегрированияполучают уравнение, которое являетсяматематическим описаниеммоделиРИС-П

Реакторынепрерывного действия с различнымирежимами движения среды

  • реакторы идеального вытеснения (РИВ-Н),
  • реакторы идеального смешения (РИС-Н),
  • реакторы промежуточного типа (РПТ-Н).

длянепрерывных реакторов применяют понятиеусловного времени пребыванияреагентов в системе (времени контакта)

гдеVrобъем реактора;V0объем реакционнойсмеси,поступающей в реактор вединицу времени (объемный расходреагентов)

РЕАКТОРЫС РАЗЛИЧНЫМИ ТЕПЛОВЫМИ РЕЖИМАМИ

Каждыйтип реактора может работать в трехрежимах: адиабатическом,изотермическомиполитропическом.

Приадиабатическом режиме в реактореотсутствует теплообмен с окружающейсредой и тепло химической реакцииполностью расходуется на изменениетемпературы реакционной смеси.

Приизотермическом режиме путем подводаили отвода тепла в реакторе поддерживаютпостоянную температурув течениевсего процесса.

Приполитропическом режиме температура вреакторе непостоянна, при этом частьтепла может отводиться от реакционнойсмеси или подводиться к ней.

Уравнениятепловых балансов реакторов различныхтипов

Классификация поусловиям теплообмена.

Протекающие вреакторах химические реакции сопровождаютсятепловыми эффектами. Вследствие выделенияили поглощения теплоты изменяетсятемпература и возникает разностьтемператур между реактором и окружающейсредой, а в определенных случаяхтемпературный градиент внутри реактора.Разность температур является движущейслой теплообмена.

При отсутствиитеплообмена с окружающей средойхимический реактор является адиабатическим. В Нем теплота, выделяющаяся илипоглощающаяся в результате химическихпроцессов, расходуется на «внутренний»теплообмен – на нагрев или охлаждениереакционной смеси.

Реактор называетсяизотермическим, если за счет теплообменас окружающей средой в нем обеспечиваетсяпостоянство температуры. В этом случаев любой точке реактора за счет теплообменаполностью компенсируется выделениеили поглощение теплоты.

В реакторах спромежуточным тепловым режимом тепловойэффект химической реакции частичнокомпенсируется за счет теплообмена сокружающей средой, а частично вызываетизменение температуры реакционнойсмеси.

Автотермическиереакторы, в которых поддержаниенеобходимой температуры процессаосуществляется только за счет теплотыхимического процесса без использованиявнешних источников энергии. Обычностремятся к тому, чтобы химическиереакторы, особенно применяемые вкрупнотоннажных производствах, былиавтотермическими.

Классификация пофазовому составу реакционной смеси.

Реакторыдля проведения гомогенных процессовподразделяются на аппараты для газофазныхи жидкофазных реакций. Аппараты дляпроведения гетерогенных процессов,подразделяются на газожидкостные,реакторы для процессов в системегаз-твердое вещество, жидкость – твердоевещество и др.

Источник: https://studfile.net/preview/5866152/page:9/

Виды химических реакторов. Реакторы идеального смешения и идеального вытеснения

Химические реакторы

План лекции:

4.1 Виды химических реакторов. Реакторы идеального смешения и идеального вытеснения.

4.2 Реакторы для гомогенных процессов

4.3. Реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой

4.4. Реакторы для газо-жидкостных процессов

Химический реактор – устройство, предназначенное для проведения в нём химических превращений.

Химический реактор – понятие обобщённое, относится к реакторам, колоннам, башням, автоклавам, камерам, печам, контактным аппаратам, полимеризаторам, дожигателям, гидрогенизаторам, окислителям и другим аппаратам, названия которых происходят из-за их назначения или даже внешнего вида.

При классификации реакторов принимают во внимание следующие основные признаки:

1) характер операции, протекающей в реакторе;

2) режим движения реакционной среды;

3) тепловой режим;

4) фазовое состояние реагентов.

По первому признаку реакторы делят на периодические, непрерывные и полунепрерывные. Реакторы непрерывные, т.е. с непрерывной подачей реагентов и отводом продуктов, в свою очередь, подразделяются по характеру движения реакционной среды (т.е. по гидродинамической обстановке в реакторе) на реакторы идеального вытеснения и реакторы идеального смешения.

Реакторы периодические характеризуются единовременной загрузкой реагентов.

При этом процесс складывается из трех стадий: загрузки сырья, его обработки (химическое превращение) и выгрузки готового продукта. После завершения последовательности этих стадий они повторяются вновь, т.е.

работа реактора осуществляется циклически. Продолжительность одного цикла, проводимого в периодическом реакторе, определяется по уравнению

τп = τ + τвсп, (4.1)

где τп – полное время цикла; τ – рабочее время (затрачиваемое на проведение химической реакции); τвсп – вспомогательное время (загрузка реагентов и выгрузка продукта).

Реактор идеального смешения периодический представляет собой аппарат с мешалкой, в который периодически загружают исходные реагенты (рис. 4.1).

В таком реакторе создается весьма интенсивное перемешивание, поэтому в любой момент времени концентрация реагентов одинакова во всем объеме реактора и изменяется лишь во времени, по мере протекания химической реакции. Такое перемешивание можно считать идеальным.

Рис. 4.1 Реактор идеального смешения периодический

Изменение концентрации исходного реагента А во времени и в объеме реактора показано на рис. 10. Обозначения, приведенные на рис. 4.1 и 4.

2 имеют следующие значения: NA,0, NA – количество исходного реагента Aв реакционной смеси в начале и конце процесса; CA,0, СA – начальная и конечная концентрации реагента Aв реакционной смеси; XA,0, XA – начальная и конечная степень превращения реагента A; τ – время; y – пространственная координата (координата места).

а) б)

Рис. 4.2. Распределение концентрации реагента в периодическом реакторе идеального смешения: а) по времени, б) по месту ( по объему).

Периодические химические процессы по своей природе всегда являются нестационарными (неустановившимися), так как в ходе химической реакции параметры процесса изменяются во времени (например, концентрация веществ, участвующих в реакции, т.е. происходит накопление продуктов реакции).

Реакторы периодического действия просты по конструкции, требуют небольшого числа вспомогательного оборудования, поэтому они особенно удобны для проведения опытных работ по изучению химической кинетики.

В промышленности они обычно используются в малотоннажных производствах и для переработки относительно дорогостоящих химических продуктов.

Большинство же промышленных процессов оформляется с использованием реакторов непрерывного действия.

В реакторах непрерывного действия (или проточных реакторах) питание реагентами и отвод продуктов реакции осуществляется непрерывно.

Если в периодическом реакторе можно непосредственно, по часам, измерить продолжительность реакции, то в реакторе непрерывного действия этого сделать нельзя, так как при установившемся режиме в этих реакторах параметры не меняются со временем.

В связи с этим для непрерывных реакторов применяют понятие условного времени пребывания реагентов в системе (времени контакта)

(4.1 )

где Vr – объем реактора; V0 – объем реакционной смеси, поступающей в реактор в единицу времени (объемный расход реагентов).

Реактор идеального вытеснения (РИВ) представляет собой трубчатый аппарат, в котором отношение длины трубы L к ее диаметру d достаточно велико.

В реактор непрерывно подаются исходные реагенты, которые превращаются в продукты реакции по мере перемещения их по длине реактора (рис. 4.3).

Гидродинамический режим в РИВ характеризуется тем, что любая частица потока движется только в одном направлении по длине реактора, обратное (продольное) перемешивание отсутствует; отсутствует также перемешивание по сечению реактора.

Предполагается, что распределение вещества по этому сечению равномерное, т.е. значения параметров реакционной смеси одинаковые.

Каждый элемент объема реакционной массы dVr движется по длине реактора, не смешиваясь с предыдущими и последующими элементами объема, и ведет себя как поршень в цилиндре, вытесняя все, что находится перед ним.

Поэтому такой режим движения реагентов называется иногда поршневым или режимом полного вытеснения.

Состав каждого элемента объема последовательно изменяется по длине реактора вследствие протекания химической реакции. Концентрация исходного реагента А постепенно меняется по длине реактора от начального значения CА,0 до конечного СА (рис.4.3).

Следствием такого режима движения реакционной смеси является то, что время пребывания каждой частицы в реакторе одно и то же.

При составлении математического описания РИВ исходят из дифференциального уравнения материального баланса, преобразуя его с учетом указанных выше особенностей этого реактора.

В реальном реакторе гидродинамическая обстановка отличается от обстановки в идеальном реакторе.

Например, в реальном реакторе вытеснения, помимо поршневого движения основного потока по длине реактора, возможно перемешивание потока в продольном и радиальном направлениях.

Степень отклонения показателей реального реактора от идеального зависит от трех величин: коэффициента продольного перемешивания (конвективной диффузии) DL линейной скорости потока w и длины реактора L. Эти величины сведены в безразмерный комплекс DL/(wL).

Рис. 4.3 Реактор идеального вытеснения и зависимости концентрации реагента СА и степени превращения ХА от длины реактора.

Общий вид реактора и схемы некоторых из них приведены на рис. 4.4.

Ёмкостный реактор 1 оснащён мешалкой, которая перемешивает реагенты (чаще жидкости, суспензии), помещаемые внутрь аппарата. Температурный режим поддерживается с помощью теплоносителя, циркулирующего в рубашке реактора или во встроенном в него теплообменнике. После проведения реакции продукты выгружают, и после очистки реактора цикл повторяется. Процесс периодический.

Ёмкостный реактор 2 является проточным, т.к. реагенты (чаще газ, жидкость, суспензия) непрерывно проходят через него. Газ барботирует через жидкость. Колонный реактор 3 характеризуется отношением высоты к диаметру, которое для промышленных реакторов составляет 4-6 (в емкостных реакторах это отношение около 1). Взаимодействие газа и жидкости такое же, как в реакторе 2.

Рис. 4.4. Схемы химических реакторов:

Г – газ; Ж – жидкость; Т – теплоноситель; Н – насадка; ТВ – твердый реагент; К – катализатор; Хг –холодный газ; Топл. – топливо.

Насадочный реактор 4 оснащен кольцами Рашига или другими небольшими элементами – насадкой. Взаимодействуют газ и жидкость. Жидкость стекает по насадке, а газ движется между элементами насадки.

Реакторы 5-8 в основном используют для взаимодействия газа с твёрдым реагентом. В реакторе 5 твёрдый реагент неподвижен, газообразный или жидкий реагент непрерывно проходит через него. Процесс периодический по твёрдому веществу.

Ректоры 6-8 модифицированы таким образом, чтобы и по твёрдому реагенту процесс являлся непрерывным.

Твёрдый реагент продвигается вдоль вращающегося наклонно установленного круглого реактора 6 или просыпается через реактор 7.

В реакторе 8 газ попадается снизу под большим давлением так, что твёрдые частицы оказываются во взвешенном состоянии, образуя псевдоожиженный или кипящий слой, обладающий некоторыми свойствами жидкости.

Трубчатый реактор 9 по виду подобен кожухотрубному теплообменнику. Через трубки, в которых протекает реакция, проходят газообразные или жидкие реагенты. Обычно в трубки загружен катализатор. Температурный режим обеспечивают циркуляцией теплоносителя в межтрубном пространстве.

Реакторы 5 и 9 используют также для проведения процессов на твёрдом катализаторе.

Трубчатый реактор 10 часто применяют для осуществления высокотемпературных гомогенных реакций, в том числе в вязкой жидкости (например, пиролиз тяжёлых углеводородов). Нередко такие реакторы называют печами.

Многослойный реактор 11 оснащён системой, позволяющей охлаждать или нагревать реагент, находящийся между несколькими слоями твёрдого вещества, выполняющего роль, например, катализатора.

На рисунке показано охлаждение исходного газообразного вещества холодным газом, введенным между верхними слоями катализатора, и теплоносителем через систему теплообменников, помещенных между другими слоями катализатора.

Многослойный реактор 12 предусмотрен для проведения в нём газожидкостных процессов.

Приведенные на рис 4.4 схемы отображают лишь часть применяемых в промышленности реакторов. Однако проведенная далее систематизация конструкций реакторов и протекающих процессов, позволяет разобраться и провести исследование в любом из них.

Для всех реакторов характерны общие структурные элементы, представленные в реакторе на рис. 4.5, аналогичном 11-му на рис. 4.4.

Реакционную зону 1, в которой протекает химическая реакция, представляют несколько слоёв катализатора. Она есть во всех реакторах: в реакторах 1-3 на рис. 4.4 – это слой жидкости, в реакторах 4, 5, 7 – слой насадки или твёрдого компонента, в реакторах 6, 8 – часть объёма реактора с твёрдым компонентом, в реакторах 9, 10 – внутренний объём трубок, где протекает реакция.

Рис. 4.5. Структурные элементы химического реактора:

1 – реакционная зона; 2 – входное и распределительное устройство; 3 – смеситель; 4 – теплообменник; 5 – выходное устройство; Хг – холодный газ; Т – теплоноситель; И и П – исходный и конечный продукты соответственно.

Исходная реакционная смесь подаётся через верхний штуцер. Чтобы обеспечить равномерно распределённое прохождение газа через реакционную зону, обуславливающее однородный контакт реагентов, установлен распределитель потока. Это – устройство ввода 2. В реакторе 2 на рис. 4.4 распределителем газа является барботер, в реакторе 4 – разбрызгиватель.

Между первым сверху и вторым слоями два потока смешиваются в смесителе 3. Между вторым и третьим слоями помещен теплообменник 4. Эти структурные элементы предназначены для изменения состава и температуры потока между реакционными зонами.

Теплообмен с реакционной зоной (отвод теплоты, выделяющейся в результате протекания экзотермических реакций или подогрев реагирующей смеси) осуществляется через поверхность встроенных теплообменников или через внутреннюю поверхность рубашки реактора (аппарат 1 на рис. 4.4), либо через стенки труб в реакторах 9, 10.

Реактор может быть оснащён устройствами разделения потоков. Продукты выводятся через выходное устройство 5.

В теплообменниках и устройствах ввода, вывода, смешения, разделения, распределения потоков протекают физические процессы.

Химические реакции осуществляются в основном в реакционных зонах, которые будут дальнейшим объектом исследования.

Процесс, происходящий в реакционной зоне, представляет собой совокупность частичных этапов, которые схематически показаны на рис. 4.6 для каталитического и газожидкостного взаимодействия.

Рис. 4.6. Схема потоков в каталитическом (а) и газожидкостном (б) процессах.

Рис. 4.6,а представляет схему реакционного процесса с участием катализатора, через неподвижный слой которого проходит общий (конвективный) поток газообразных реагентов (1). Реагенты диффундируют к поверхности зерен (2) и проникают в поры катализатора (3), на внутренней поверхности которых протекает реакция (4).

Образующиеся продукты реакции обратным путем отводятся в поток. Выделяющаяся в результате химического превращения теплота за счёт теплопроводности переносится по слою (5), а от слоя через стенку – к хладагенту (6). Возникающие градиенты концентраций и температуры вызывают дополнительные потоки теплоты и вещества (7) к основному конвективному движению реагентов в слое.

На рис. 4.6,б представлен процесс в слое жидкости, через который барботирует газ. Между пузырями (1) газа и жидкостью происходит массообмен реагентами (2).

Динамика жидкости складывается из движения около пузырей (3) и циркуляции в масштабе слоя (4). Первое – подобно турбулентной диффузии, второе аналогично циркуляционному конвективному движению жидкости через реакционную зону.

В жидкости и, в общем случае, в газе протекает химическое превращение (5).

Приведенные примеры показывают сложную структуру процессов, протекающих в реакционной зоне. Если учесть множество схем и конструкций существующих реакторов, то разнообразие процессов в них многократно возрастает.

Необходим научный метод, позволяющий систематизировать это многообразие, найти общность в нём, выработать систему представлений о закономерностях явлений и связей между ними, т.е.

создать теорию химических процессов и реакторов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/9_67826_vidi-himicheskih-reaktorov-reaktori-idealnogo-smesheniya-i-idealnogo-vitesneniya.html

Реакторы химические – Химия

Химические реакторы

Бизнес 25 июля 2016

Химическая реакция является процессом, который ведет к преобразованию реагентов. Она характеризуется изменениями, в результате которых получают один или несколько продуктов, отличных от исходных.

Химические реакции носят различный характер.

Он зависит от типа реагентов, получаемого вещества, условий и времени синтеза, декомпозиции, смещения, изомеризации, кислотно-щелочных, окислительно-восстановительных, органических процессов и др.

Химические реакторы представляют собой емкости, предназначенные для проведения реакций с целью выработки конечного продукта. Их конструкция зависит от различных факторов и должна обеспечивать максимальный выход наиболее экономически эффективным способом.

Виды

Существуют три основные базовые модели химических реакторов:

  • Периодического действия.
  • Непрерывный с мешалкой (НРМ).
  • Реактор с поршневым потоком (РПП).

Эти базовые модели могут быть модифицированы в соответствии с требованиями химического процесса.

Реактор периодического действия

Химические агрегаты этого типа используются в периодических процессах при небольших объемах производства, длительном времени реакций или там, где достигается лучшая селективность, как в некоторых процессах полимеризации.

Для этого применяются, например, емкости из нержавеющей стали, содержимое которых перемешивается внутренними рабочими лопастями, пузырьками газа или с помощью насосов. Контроль температуры осуществляется с помощью теплообменных рубашек, холодильников орошения или прокачкой через теплообменник.

Реакторы периодического действия в настоящее время используются в химической и перерабатывающей пищевой промышленности. Их автоматизация и оптимизация создают сложности, так как необходимо сочетать непрерывные и дискретные процессы.

Полупериодические химические реакторы совмещают работу в непрерывном и периодическом режимах. Биореактор, например, периодически загружается и постоянно выделяет углекислый газ, который необходимо непрерывно удалять. Аналогичным образом при реакции хлорирования, когда одним из реагирующих веществ является газ хлор, если его не вводить непрерывно, то большая его часть улетучивается.

Для обеспечения больших объемов производства в основном используются химические реакторы непрерывного действия либо емкости металлические с мешалкой или с непрерывным потоком.

Непрерывный реактор с мешалкой

В емкости из нержавеющей стали подаются жидкие реагенты. Для обеспечения надлежащего взаимодействия их перемешивают рабочие лопасти.

Таким образом, в реакторах данного типа реагирующие вещества непрерывно подаются в первый резервуар (вертикальный, стальной), затем они попадают в последующие, одновременно тщательно перемешиваясь в каждой емкости.

Хотя состав смеси однороден в каждом отдельном резервуаре, в системе в целом концентрация изменяется от емкости к емкости.

Среднее количество времени, которое дискретное количество реагента проводит в резервуаре (время пребывания) может быть рассчитано простым делением объема емкости на среднюю объемную скорость прохождения потока через него. Ожидаемый процент завершения реакции рассчитывается с использованием химической кинетики.

Изготавливаются емкости из нержавеющей стали или сплавов, а также с эмалированным покрытием.

Некоторые важные аспекты НРМ

Все расчеты выполняются с учетом идеального смешивания. Реакция протекает со скоростью, связанной с конечной концентрацией. В состоянии равновесия скорость потока должна быть равна скорости расхода, в противном случае резервуар переполнится или опустеет.

Часто экономически выгодно работать с несколькими последовательными или параллельными НРМ. Нержавеющие резервуары, собранные в каскад из пяти или шести единиц, могут вести себя как реактор с поршневым потоком.

Это позволяет первому агрегату работать с более высокой концентрацией реагентов и, следовательно, более высокой скоростью реакции.

Также в резервуар вертикальный стальной можно поместить несколько ступеней НРМ, вместо того чтобы процессы проходили в различных емкостях.

В горизонтальном исполнении многоступенчатый агрегат секционирован вертикальными перегородками различной высоты, через которые смесь поступает каскадами.

Когда реагенты плохо смешиваются или значительно различаются по плотности, используется вертикальный многоступенчатый реактор (эмалированный или из нержавеющей стали) в противоточном режиме. Это эффективно для проведения обратимых реакций.

Небольшой псевдожидкий слой является полностью смешанным. Большой коммерческий реактор с псевдосжиженным слоем имеет практически однородную температуру, но сочетает смешиваемые и вытесняемые потоки и переходные состояния между ними.

Химический реактор идеального вытеснения

РПП – это реактор (нержавеющий), в котором один или больше жидких реагентов прокачиваются через трубу или трубы. Их также называют трубчатыми проточными. Он может иметь несколько труб или трубок. Реагенты постоянно поступают через один конец, а продукты выходят с другого. Химические процессы протекают по мере прохождения смеси.

В РПП скорость реакции градиентна: на входе она очень высокая, но со снижением концентрации реагентов и увеличением содержания продуктов выхода ее скорость замедляется. Обычно достигается состояние динамического равновесия.

Обычными являются как горизонтальная, так и вертикальная ориентация реактора.

Когда требуется передача тепла, отдельные трубы помещаются в рубашку или используется кожухотрубный теплообменник. В последнем случае химические вещества могут находиться как в кожухе, так и в трубе.

Емкости металлические большого диаметра с насадками или ваннами подобны РПП и широко применяются. В некоторых конфигурациях используется осевой и радиальный поток, множественные оболочки со встроенными теплообменниками, горизонтальное или вертикальное положение реактора и так далее.

Емкость с реагентом может быть заполнена каталитическими или инертными твердыми частицами для улучшения межфазного контакта в гетерогенных реакциях.

Важное значение в РПП имеет то, что в расчетах не учитывается вертикальное или горизонтальное смешивание – это и подразумевается под термином «поршневой поток». Реагенты могут быть введены в реактор не только во входное отверстие.

Таким образом, можно добиться более высокой эффективности РПП или сократить его размеры и стоимость. Производительность РПП обычно выше, чем у НРМ того же объема.

При равных значениях объема и времени в поршневых реакторах реакция будет иметь более высокий процент завершения, чем в агрегатах смешения.

Динамическое равновесие

Для большинства химических процессов невозможно достичь 100-процентного завершения. Их скорость уменьшается с ростом этого показателя до того момента, когда система достигает динамического равновесия (когда суммарная реакция или изменение состава не происходит).

Точка равновесия у большинства систем расположена ниже 100% завершения процесса. По этой причине необходимо произвести процесс разделения, такого как дистилляция, чтобы отделить оставшиеся реагенты или побочные продукты от целевого.

Эти реагенты могут иногда повторно использоваться в начале процесса, например, такого, как процесс Хабера.

Применение РПП

Реакторы поршневого потока используются для проведения химического преобразования соединений во время их движения по системе, напоминающей трубы, для целей проведения масштабных, быстрых, гомогенных или гетерогенных реакций, непрерывного производства и при процессах с выделением большого количества тепла.

Идеальный РПП имеет фиксированное время пребывания, т. е. любая жидкость (поршень), поступающая в момент времени t, покинет его в момент времени t + τ, где τ – время пребывания в установке.

Химические реакторы данного типа обладают высокими показателями производительности в течение длительных периодов времени, а также превосходной теплопередачей. Недостатками РПП является сложность осуществления контроля за температурой процесса, что может привести к нежелательным температурным перепадам, а также их более высокая стоимость.

Каталитические реакторы

Хотя агрегаты данного типа часто реализуются в виде РПП, они требуют более сложного обслуживания.

Скорость каталитической реакции пропорциональна количеству катализатора, контактирующего с химическими веществами.

В случае твердого катализатора и жидких реагентов скорость процессов пропорциональна доступной площади, поступлению химикатов и отбору продуктов и зависит от наличия турбулентного перемешивания.

Каталитическая реакция фактически часто является многоэтапной. Не только первоначальные реагенты взаимодействуют с катализатором. С ним реагируют и некоторые промежуточные продукты.

Поведение катализаторов также важно в кинетике этого процесса, особенно в высокотемпературных нефтехимических реакциях, так как они деактивируются спеканием, коксованием и аналогичными процессами.

Применение новых технологий

РПП используются для конверсии биомассы. В экспериментах применяются реакторы высокого давления. Давление в них может достигать 35 МПа. Использование нескольких размеров позволяет варьировать время пребывания от 0,5 до 600 с. Для достижения температуры свыше 300 °C применяют реакторы с электрическим подогревом. Подача биомассы производится с помощью HPLC-насосов.

Рпп аэрозольных наночастиц

Существует значительный интерес к синтезу и применению наноразмерных частиц для различных целей, включая высоколегированные сплавы и толстопленочные проводники для электронной промышленности.

Другие области применения включают измерения магнитной восприимчивости, передача в дальнем ИК-диапазоне и ядерный магнитный резонанс. Для этих систем необходимо производить частицы контролируемого размера.

Их диаметр, как правило, находятся в диапазоне от 10 до 500 нм.

Вследствие их размера, формы и высокой удельной площади поверхности эти частицы могут быть использованы для производства косметических пигментов, мембран, катализаторов, керамики, каталитических и фотокаталитических реакторов.

Примеры применения наночастиц включают SnO2 для датчиков угарного газа, TiO2 для световодов, SiO2 для коллоидного диоксида кремния и оптических волокон, C для углеродных наполнителей в шинах, Fe для записывающих материалов, Ni для батарей и, в меньших объемах, палладий, магний и висмут. Все эти материалы синтезируются в аэрозольных реакторах.

В медицине наночастицы используются для профилактики и лечения раневых инфекций, в искусственных костных имплантатах, а также для визуализации мозга.

Пример производства

Для получения частиц алюминия поток аргона, насыщенного парами металла, охлаждается в РПП диаметром 18 мм и длиной 0,5 м от температуры 1600 °С со скоростью 1000 °С/с. По мере прохождения газа через реактор происходит зарождение и рост частиц алюминия. Скорость потока составляет 2 дм3/мин, а давление равно 1 атм (1013 Па).

По мере движения газ охлаждается и становится перенасыщенным, что приводит к зарождению частиц в результате столкновений и испарений молекул, повторяющихся до тех пор, пока частица не достигнет критического размера. По мере движения через перенасыщенный газ, молекулы алюминия конденсируются на частицах, увеличивая их размеры.

Химические реакторы в атомной промышленности

Слово реактор всегда ассоциируется с атомными электростанциями, но эти устройства в полной мере применяется для производства большинства химических элементов: аммиака, азотной, серной кислоты и прочее.

Химические реакторы что это?

Это агрегаты, в которых химикаты производят в промышленных масштабах. Они имеют разные формы и размеры от нескольких кубических сантиметров до огромных структур.

Например, печи для производства извёстки могут иметь высоту более 25 метров и удерживать в любое время более 400 тонн материалов.

Конструкция реактора определяется многими факторами, но особенно важными являются термодинамика и кинетика проводимых химических реакций. Два основных типа реактора называются периодическими и непрерывными.

Пакетные (периодические)

Агрегаты этой серии используются для большинства реакций, проводимых в лаборатории. Реагенты помещают в пробирку, колбу или стакан. Их смешивают вместе, часто нагревают для проведения реакции и затем охлаждают. Продукты выливают и, при необходимости, очищают.

Эта процедура также проводится в промышленности, причем ключевым отличием является размер реактора и количество реагентов. Такие реакторы обычно используются, когда компания хочет производить ряд продуктов с различными реагентами и одним и тем же оборудованием.

Непрерывные реакторы

Альтернативой периодическому процессу является непрерывная подача реагентов в агрегат в одну точку, что позволяет проводить реакцию и выводить продукты в другой точке. Должен быть одинаковый расход реагентов и продуктов.

Непрерывные реакторы обычно устанавливаются при производстве больших количеств химического вещества. Важно, чтобы агрегат работал в течение долгого времени без остановки. Как гласит новостной портал reactor.

space, ученые нашли способ продлить работу химического реактора до 30 лет, подробнее об этом можно прочесть здесь — https://reactor.space/news/chemicalreactormaterial/.

Время пребывания в реакторе контролируется скоростью подачи реагентов в агрегат. Например, если реактор имеет объем 20 м 3, а скорость подачи реагентов составляет 40 м 3 ч -1, время пребывания составляет 20 м 3/40 м 3 ч -1 = 0,5 ч. Легко точно контролировать расход реагентов. Объем фиксирован и поэтому время процесса также хорошо контролируется.

https://www..com/watch?v=YcFA_dEvLq4

Продукт имеет тенденцию быть более стабильным по качеству из непрерывного реактора, поскольку параметры реакции (например, время пребывания, температура и давление) лучше контролируются, чем при периодических операциях.

Они также производят меньше отходов и требуют гораздо более низкого хранения как сырья, так и продуктов, что приводит к более эффективной работе. Следовательно, капитальные затраты на тонну произведенного продукта ниже.

Основным недостатком является их отсутствие гибкости, поскольку, как только реактор был построен, в редких случаях его можно использовать для проведения другой химической реакции.

Такие агрегаты подразделяются на несколько типов: трубчатые, с неподвижным или псевдоожиженным слоем, CSTR.

Реактор – для чего он нужен

Агрегаты, которые позволяют осуществлять проведение определенных процессов, в замкнутом пространстве, будь то ядерные, химические принято называть реакторами. Любой из них предназначен для переработки некоторых элементов в экономически выгодную продукцию: энергия, химические элементы. Наиболее сложным и известным является ядерный реактор.

Из чего состоит ядерный реактор

Для работы всех агрегатов, работающих на мирном атоме необходимо следующее:

  • Топливо. Обычно этим элементом являются оксид уран (UO 2) который находится в виде топливных стержней. В новом реакторе с новым топливом необходим источник нейтронов, чтобы получить реакцию. Обычно это бериллий, смешанный с полонием, радием или другим альфа-эмиттером.Альфа-частицы из распада вызывают высвобождение нейтронов из бериллия, когда он превращается в углерод-12.Перезапуск реактора с использованием какого-либо используемого топлива может не потребовать этого, так как может быть достаточно нейтронов для достижения критичности при удалении управляющих стержней.
  • Модератор. Материал в сердцевине замедляет нейтроны, высвобождаемые из деления, так что они вызывают большее деление. Обычно для этого используют воду или такой элемент как графит.
  • Контрольные стержни. Они изготавливаются с использованием элементов, позволяющих поглощать нейтроны, таких как бор, гафний или кадмий. Они вставляются или выводятся из ядра для контроля скорости реакции или для его остановки. В некоторых реакторах PWR используются специальные управляющие стержни, чтобы поддерживать низкий уровень мощности эффективно.
  • Охлаждающая жидкость. Жидкость циркулирует через сердечник, чтобы переносить тепло от него. В реакторах с легкой водой водяной замедлитель функционирует также как первичный хладагент.За исключением BWR, есть контур вторичной охлаждающей жидкости, где вода становится парной.PWR имеет от двух до четырех первичных контуров хладагента с насосами, приводимыми в движение парами или электричеством.
  • Напорный сосуд или напорные трубки. Обычно это прочный стальной сосуд, содержащий сердечник реактора и замедлитель.
  • Парогенератор. Часть системы охлаждения реакторов под давлением, где первичный хладагент высокого давления, приносящий тепло из реактора, используется для приготовления пара для турбины во вторичном контуре.
  • Сдерживание. Структура вокруг реактора и связанные с ним парогенераторы, которые предназначены для защиты от вторжения и защиты от внешних воздействий от радиации в случае серьезной неисправности внутри. Это типичная бетонная и стальная конструкция толщиной в метр.

Новые российские и некоторые другие реакторы устанавливают устройства локализации расплава или «ловушки» под сосудом под давлением для улавливания любого расплавленного основного материала в случае крупной аварии.

Заключение

Постоянные изыскания, проводимые учеными, позволяют сделать работу ядерных электростанций более безопасной, а утилизацию отходов более дешёвой.

Источник: https://himya.ru/reaktory-ximicheskie.html

Химические реакторы. Классификация химических реакторов и режимов их работы

Химические реакторы

Классификация химических реакторов и режимов их работы

Химические реакторы для проведения различных процессов отличаются друг от друга по конструктивным особенностям, раз­меру, внешнему виду. Однако, несмотря на существующие разли­чия, можно выделить общие признаки классификации реакторов, облегчающие систематизацию сведений о них, составление мате­матического описания и выбор метода расчета.

Наиболее употребимы следующие признаки классификации химических реакторов и режимов их работы: 1) режим движения реакционной среды (гидродинамическая обстановка в реакторе); 2) условия теплообмена в реакторе; 3) фазовый состав реакционной смеси; 4) способ органи­зации процесса; 5) характер изменения параметров процесса во времени; 6) конструктивные характеристики.

Классификация реакторов по гидродинамической обстановке. В зависимости от гидродинамической обстановки можно разде­лить все реакторы на реакторы смешения и вытеснения.

Реакторы смешения — это емкостные аппараты с перемешива­нием механической мешалкой или циркуляционным насосом. Реакторы вытеснения — трубчатые аппараты, имеющие вид удли­ненного канала. В трубчатых реакторах перемешивание имеет ло­кальный характер и вызывается неравномерностью распределения скорости потока и ее флуктуациями, а также завихрениями.

В теории химических реакторов обычно сначала рассматрива­ют два идеальных аппарата: реактор идеального, или полного, сме­шения и реактор идеального, или полного, вытеснения.

Классификация по условиям теплообмена.

Протекающие в реак­торах химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами (это тепловые эффекты химических реакций и сопровождающих их физических явлений, таких, например, как процессы растворе­ния, кристаллизации, испарения и т. п.).

Вследствие выделения или поглощения теплоты изменяется температура и возникает раз­ность температур между реактором и окружающей средой, а в оп­ределенных случаях температурный градиент внутри реактора.

При отсутствии теплообмена с окружающей средой химиче­ский реактор является адиабатическим. В нем вся теплота, выде­ляющаяся или поглощающаяся в результате химических процес­сов, расходуется на «внутренний» теплообмен — на нагрев или охлаждение реакционной смеси.

Реактор называется изотермическим, если вследствие теплообме­на с окружающей средой в нем обеспечивается постоянство темпе­ратуры. В этом случае в любой точке реактора в результате теплооб­мена полностью компенсируется выделение или поглощение теплоты.

В реакторах с промежуточным тепловым режимом тепловой эф­фект химической реакции частично компенсируется теплообменом с окружающей средой, а частично вызывает изменение температу­ры реакционной смеси.

Классификация по фазовому составу реакционной смеси. Реакто­ры для проведения гомогенных процессов подразделяют на аппа­раты для газофазных и жидкофазных реакций.

Аппараты для про­ведения гетерогенных процессов, в свою очередь, подразделяют на газожидкостные реакторы, реакторы для процессов в системах газ — твердое вещество, жидкость — твердое вещество и др.

Особо следует выделить реакторы для проведения гетерогенно-каталити­ческих процессов.

Классификация по способу организации процесса. По способу организации процесса (способу подвода реагентов и отвода про­дуктов) реакторы подразделяют на периодические, непрерывно-действующие и полунепрерывные (полупериодические).

В реакторе периодического действия все отдельные стадии про­текают последовательно, в разное время. Все реагенты вводят в ап­парат до начала реакции, а смесь продуктов отводят по окончании процесса.

Продолжительность реакции можно измерить непосред­ственно, так как время реакции и время пребывания реагентов в реакционном объеме одинаковы.

Параметры технологического про­цесса в периодически действующем реакторе изменяются во времени.

Между отдельными реакционными циклами в периодическом реакторе необходимо выполнить вспомогательные операции — за­грузку реагентов и выгрузку продуктов. Поскольку во время этих вспомогательных операций не может быть получено дополнитель­ное количество продукта, их наличие обусловливает снижение производительности периодического реактора.

В реакторе непрерывного действия (проточном) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реа­гирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продук­та) осуществляются параллельно, одновременно и, следовательно, непроизводительные затраты времени на операции загрузки и вы­грузки отсутствуют. Поэтому на современных крупнотоннажных химических предприятиях, где требуется высокая производительность реакционного оборудования, большинство химических реакций осуществляют в непрерывнодействующих реакторах.

В реакторе полунепрерывного (полупериодического) действия 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.

Классификация по характеру изменения параметров процесса во времени. В зависимости от характера изменения параметров про­цесса во времени одни и те же реакторы могут работать в стацио­нарном и нестационарном режимах.

Рассмотрим некоторую произвольную точку, находящуюся внутри химического реактора.

Режим работы реактора 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.

В стационар­ном режиме параметры потока на выходе из реактора не зависят от времени. Обычно это постоянство выходных параметров обес­печивается постоянством во времени параметров на входе в реактор.

Если в произвольно выбранной точке происходят изменения параметров химического процесса во времени по тому или иному закону, режим работы реактора называют нестационарным. Неста­ционарный режим является более общим.

Стационарный режим возможен для непрерывнодействующих проточных реакторов. Но даже эти реакторы работают в нестационарном режиме в моменты их пуска и остановки. Нестационарными являются все периоди­ческие процессы.

Классификация по конструктивным характеристикам. Химиче­ские реакторы отличаются друг от друга и по ряду конструктивных характеристик, оказывающих влияние на расчет и изготовление аппаратов.

По этому принципу классификации можно выделить такие типы реакторов: емкостные реакторы (автоклавы; реакторы-камеры; вертикальные и горизонтальные цилиндрические конвер­торы и т. п.

); колонные реакторы (реакторы-колонны насадочного и тарельчатого типа; каталитические реакторы с неподвижным, дви­жущимся и псевдоожиженным слоем катализатора; полочные ре­акторы); реакторы-теплообменники; реакторы типа реакционной печи (шахтные, полочные, камерные, вращающиеся печи) и т. д.

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ С ИДЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ ПОТОКА В ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ

Реактор идеального смешения

Для модели идеального смешения принимается ряд допуще­ний.

Допускается, что в результате интенсивного перемешивания устанавливаются абсолютно одинаковые условия в любой точке реактора: концентрации реагентов и продуктов, степени превра­щения реагентов, температура, скорость химической реакции и т. д. Например, в некоторый момент времени τ, во всех точках ректора выполняются следующие условия:

; ; ,

где x, y, z – пространственные координаты.

В проточном реакторе идеального смешения концентрации участников реакции в выходном потоке в рассматриваемый момент времени т, строго равны концентрациям тех же веществ в реакторе.

Чтобы перечисленные допущения могли быть выполнены, необ­ходимо принять еще одно допущение: переход от одной концент­рации к другой в реакторе идеального смешения не должен иметь протяженности во времени.

Изменение концентрации исходного реагента от начальной СJ,0 во входном потоке в данный момент времени х, до концентрации в реакторе СJ, в этот же момент времени должно происходить мгновенно (скачкообразно).

Схемы реакторов идеального смешения с механическим переме­шивающим устройством (а) и циркуляционным контуром (б)

Приблизиться к режиму идеального смешения можно, обеспе­чив интенсивное перемешивание реакционной смеси механиче­скими мешалками разного типа или циркуляционными насосами, создающими высокую кратность циркуляции. Смешение, близкое к идеальному, легче выполнить в емкостных аппаратах с прибли­зительно равными диаметром и высотой.

Рассмотрим два частных случая: периодический реактор иде­ального смешения и проточный реактор идеального смешения, работающий в стационарном режиме.

Периодический реактор идеального смешения. В периодический реактор все реагенты вводят до начала реакции, а все продукты выводят из него только по окончании процесса. В ходе реакцион­ного цикла никаких веществ в реактор не вводят и из него не выводят, так что общая масса реакционной смеси в реакторе оста­ется постоянной, изменяется лишь ее состав.

Время пребывания реагентов в реакторе (продолжительность реакци­онного цикла) определяется промежутком от начала загрузки исходной реакционной смеси до выгрузки конечной смеси из реактора.

В разные моменты времени условия в периодиче­ском реакторе различные (концентрация реагентов, продуктов, скорость реакции и т. д.

), однако в каждый данный момент времени из-за допущения об идеальности эти параметры строго одинаковы в объеме реактора.

Для осуществления процесса в периодиче­ском реакторе кроме «реакционного» времени нужно затра­тить вспомогательное время на загрузку реагентов, выведение ре­актора на нужный технологический режим, разгрузку и очистку. Полное время одного цикла работы периодического реактора суммируется, таким образом, из основного τхр и вспомогательного τвсп:

τ = τхр + τвсп.

Наличие τвсп как составной части времени цикла приводит к сни­жению производительности химического реактора (количество продукта, получаемого в единицу времени) и является одним из существенных недостатков периодических процессов вообще. Дру­гие их недостатки — большие затраты ручного труда, сложность решения задач автоматизации (так как условия в реакторе во вре­мени постоянно меняются).

Однако периодические реакторы обычно можно приспособить к широкому диапазону условий реакций, что удобно при необ­ходимости производить на одной установке различные химиче­ские продукты, например, в промышленности химических реак­тивов.

Периодические реакторы с интенсивным перемешиванием, приближающимся к идеальному смешению, применяют в произ­водствах реактивов, органических красителей, лекарственных пре­паратов — там, где для достижения достаточной глубины пре­вращения требуется сравнительно длительное время, а объемы производства невелики.

Периодические реакторы смешения часто применяют в мик­робиологической промышленности для культивирования аэроб­ных микроорганизмов. Процесс культивирования для большин­ства микроорганизмов длится 48—72 ч, т. е. достаточно длителен.

Интенсивное перемешивание в ферментаторе позволяет обеспе­чить равномерное распределение температуры, что особенно важно в таких процессах, так как даже небольшие локальные разогревы могут привести к гибели микроорганизмов.

Изолированность реак­ционной системы в периодическом реакторе позволяет устранить опасность отравления микроорганизмов случайными примесями, которые могут попасть в аппарат при непрерывной подаче реагентов.

Окончательное решение о целесообразности применения пе­риодического или непрерывного процесса можно вынести лишь на основании экономической оценки (сравнения расходов на экс­плуатацию, амортизацию, электроэнергию, пар, сырье и т. д.). Как правило, при проведении такого сравнения оказывается, что пе­риодические процессы выгодны при относительно невысокой про­изводственной мощности в тех случаях, когда получают дорого­стоящие продукты.

Проточный реактор идеального смешения в стационарном режиме.

Если необходимо обеспечить получение большого количества про­дукта одинакового качества, химический процесс предпочитают проводить в непрерывнодействующих реакторах с установившим­ся режимом.

Распространенным видом таких проточных аппара­тов являются реакторы смешения. Проточный реактор смешения может работать как в нестационарном режиме (пуск, выход на ре­жим, остановка), так и в стационарном, установившемся режиме.

В качестве элементарного объема для реактора идеального смешения мож­но принять полный объем реактора V. При стационарном режиме работы реактора не происходит изменения постоянных по объему концентраций участников реакции и во времени, следовательно, в качестве элементар­ного промежутка времени можно принять любой конечный временной интервал, например единицу времени (1 с, 1 мин или 1 ч).

Стационарность процесса в проточном реакторе можно обеспечить, если объемные расходы на входе v0 и выходе vf равны между собой (v0 = vf = v).

Величина измеряется в единицах времени и характеризует среднее время, в течение которого обнов­ляется содержимое проточного реактора. Эту величину называют средним временем пребывания реагентов в проточном реакторе.

Действительное время пребывания частиц в проточном реак­торе смешения является случайной величиной в отличие от време­ни пребывания реагентов в периодическом реакторе. Пусть, на­пример, в реактор введено N одинаковых частиц. В периодическом реакторе все они будут находиться равное время от загрузки до выгрузки.

В проточном реакторе идеального смешения эти части­цы мгновенно и равномерно распределяются по всему объему ап­парата, и так как из аппарата непрерывно выходит поток продук­тов, то в момент ввода частиц в реактор какое-то их количество может сразу же оказаться в выходном потоке.

Некоторые частицы, равномерно распределяясь в новых порциях реакционной смеси, вошедшей в аппарат, могут находиться в нем бесконечно долго. Отсюда можно сделать вывод, что действительное время пребыва­ния частиц в проточном реакторе — это случайная величина, ко­торая может изменяться от 0 до ∞.

Непрерывную случайную ве­личину можно задать с помощью вероятностных характеристик, в частности функций распределения случайной величины.

Ис­пользование в качестве характеристики времени пребывания час­тиц в проточном реакторе величины является удобным спосо­бом усреднения действительного времени пребывания, так как эта величина связана с конструктивными характеристиками реактора: его объемом и объемным расходом реакционной смеси.

Источник: https://studopedia.su/18_78169_himicheskie-reaktori.html

Реакторы химические

Химические реакторы

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ

Реакторы химические (от лат. rе- приставка, означающая обратное действие, и actor – приводящий в действие, действующий), пром. аппараты для осуществления хим. р-ций.

Конструкция и режим работы реакторов химических определяются типом р-ции, фазовым состоянием реагентов, характером протекания процесса во времени (периодический, непрерывный, с изменяющейся активностью катализатора), режимом движения реакц.

среды (периодический, полупроточный, с рециклом), тепловым режимом работы (адиабатический, изотермический, с теплообменом), типом теплообмена, видом теплоносителя. По типу конструкции реакторы химические подразделяют на емкостные, колонные, трубчатые (рис. 1). Емкостные реакторы химические-полые аппараты, часто снабженные перемешивающим устройством.

Перемешивание газо-жидкостных систем может производиться барботированием газообразного реагента. Теплообмен осуществляется через пов-сть реакторов химических или путем частичного испарения жидкого компонента реакц. смеси. К реакторам этого типа относят также аппараты с неподвижным или псевдоожиженным слоем (одним или несколькими) катализатора (см., напр.

, Псевдоожижение). В многослойных реакторах теплообмен осуществляется смешением потоков реагентов или в теплообменных элементах аппарата. В емкостных реакторах химических проводят непрерывные, перио-дич. и полупериодич. процессы (см. Непрерывные и периодические процессы).

Рис. 1 Основные типы хим. реакторов: а-проточный емкостный реактор с мешалкой и теплообменной рубашкой; б – многослойный каталитич. реактор с промежуточными и теплообменными элементами; в-колонный реактор с насадкой для двухфазного процесса; г-трубчатый реактор; И-исходные в-ва; П- продукты р-ции; Т – теплоноситель; К – катализатор; Н-насадка; ТЭ теплообмен-ные элементы.

Колонные реакторы химические могут быть пустотелыми либо заполненными катализатором или насадкой (см. Насадочные аппараты). Для улучшения межфазного массообмена применяют диспергирование с помощью разбрызгивателей (см. Распыливание), барботеров, мех.

воздействия (вибрация тарельчатой насадки, пульсация потоков фаз) или насадки, обеспечивающей высокоскоростное пленочное движение фаз. Реакторы химические данного типа используют в осн. для проведения непрерывных процессов в двух- или трехфазных системах. Трубчатые реакторы химические применяют часто для каталитич.

р-ций с теплообменом в реакц. зоне через стенки трубок и для осуществления высокотемпературных процессов газификации. При одновременном скоростном движении неск. фаз в таких реакторах достигается наиб. интенсивный межфазный массообмен. Специфич. особенностями отличаются реакторы химические для электрохим. (см. Электролиз), плазмохим.

(см. Плазма-химическая технология) и радиационно-хим. (см. Радиацион-но-химическая технология) процессов.

При расчете реакторов химических определяют необходимые для достижения заданной производительности и селективности процесса объем аппарата, скорость потока, пов-сть теплообмена, гидравлич. сопротивление, режим работы, конструктивные параметры (уточняются на основании аэродинамич. испытаний). Расчет выполняют на основе данных по термодинамике и кинетике р-ций, скорости тепло- и массообмена (см.

Макрокинетика)с учетом структуры потоков в аппаратах. Наиб. полный расчет, проводимый методом моделирования с использованием ЭВМ, включает определение полей т-ры и концентрации, оптим. режима, схемы теплообмена и циркуляции (см. Оптимизация), а также, наряду с выбором способа управления, анализ устойчивости режима. См. также Массообмен, Перемешивание, Печи, Пленочные аппараты, Теплообмен.

Лит.: Левеншпиль О., Инженерное оформление химических процессов пер. с англ., М., 1969; Дидушинский Я., Основы проектирования каталити ческих реакторов, пер. с польск., М., 1972; Расчет химико-технологических процессов, под ред. И. П. Мухленова, Л.

, 1976; Общая химическая технология, ч. 1. Теоретические основы химической технологии, 4 изд., М., 1984, с. 77-119 Кутепов А. М., Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г., Общая химичес кая технология, 2 изд., ч. 1, М., 1990, с. 63-169. B.C.

Бесков

Динамические режимы хим. реакторов характеризуются изменением во времени параметров, определяющих состояние процесса (концентрация, т-ра, давление и др.). В дина-мич. режиме всегда функционирует реактор периодич.

действия, в к-ром ход процесса изменяется от момента загрузки сырья до выгрузки готового продукта. Реактор непрерывного действия должен работать в стационарном, неизменном во времени режиме. Однако из-за неизбежных внеш. возмущений, напр.

изменения состава сырья, условий отвода или подвода теплоты, возникают отклонения от стационарного режима. Они м. б. незначительными и существенными, приводящими к заметным изменениям качества продукта, производительности реактора и даже к авариям. Динамич.

режимы реакторов непрерывного действия исследуют с помощью их мат. моделей в виде диффе-ренц. ур-ний в обыкновенных или частных производных.

Динамич. режимы непрерывно действующего реактора идеального смешения, в к-ром протекает экзотермич. р-ция первого порядка, описываются безразмерной системой ур-ний, составленной на основе материального (1) и теплового (2) балансов:

где х, у -переменные, пропорциональные соотв. концентрации реагирующего в-ва и т-ре в реакторе; x0, y0-те же переменные для потока на входе реактора; ут – переменная, пропорциональная т-ре окружающей среды; l-констан та, пропорциональная расходу потока на входе реактора, b-константа, пропорциональная коэф. теплопередачи и площади пов-сти теплообмена с окружающей средой; т-время.

Стационарные режимы реактора определяются условием dx/dт = dy/dт = 0. Решение ур-ний (1), (2) при этом дает значения xs и ys для стационарного состояния. В зависимости от параметров реактора стационарных состояний м. б. одно или три; в общем случае их всегда нечетное число.

Динамич. режимы исследуют с помощью фазовой плоскости x, у. Решения системы (1), (2) являются ф-циями времени х(т), y(т) и начальных условий. Каждому мгновенному состоянию реактора (рис. 2) в момент тк соответствует на плоскости х, у нек-рая точка М, наз.

изображающей. При изменении т эта точка будет двигаться по фазовой плоскости; траектория точки наз. фазовой. Вся совокупность траекторий, отвечающих разл. начальным условиям, представляет собой фазовый портрет системы, к-рый однозначно отражает динамич. режимы.

Стационарные состояния реактора изображены на фазовых портретах спец. точками (А, В, С). Направление изменения режима реактора указывается стрелками.

Если траектория стремится к стационарному состоянию, то оно устойчиво, а режим реактора работоспособен. Если траектория выходит из стационарного состояния, то оно неустойчиво.

Исследования устойчивости стационарных состояний – одна из главных задач изучения динамич. режимов.

На рис. 2 представлены фазовые портреты системы, отражающие наиб. интересные динамич. режимы функционирования хим. реакторов. Портрет а соответствует режиму с единств.

устойчивым стационарным состоянием А, при отклонении от к-рого переменные х и у стремятся в него вернуться. Спиральный характер траекторий на портрете б означает, что режим приближения к единств.

стационарному состоянию А является колебательным затухающим.

Траектории на портрете в, отвечающие неустойчивому стационарному состоянию А, уходят от него и стремятся к замкнутой траектории Г, наз. предельным циклом. Движение изображающей точки по Г означает незатухающие колебания х и у. Исследования таких режимов (автоколебаний)-еще одна задача изучения динамич. режимов.

Портрет г соответствует режиму с тремя стационарными состояниями, одно из к-рых неустойчиво. Принципиально возможен случай, когда все стационарные состояния неустойчивы. При этом они охватываются предельным циклом. Изучение динамич. режимов позволяет решать проблемы оптим. конструирования и автоматизации хим. реакторов.

Рис. 2. Фазовые портреты хим. реакторов: а-устойчивый режим с монотонным приближением к единств. стационарному состоянию А; б-устойчивый режим с колебат. приближением к состоянию А; в-автоколебат. режим, от стационарного состояния А режим переходит на предельный цикл Г; г-случай трех стационарных состояний, из к-рых А и С устойчивы, В-неустойчиво.

Лит.: Вольтер Б. В., Сальников И. Е., Устойчивость режимов работы химических реакторов, 2 изд., М., 1981; Aris R., Mathematical modelling techniques, S. F., 1979. Б. В. Вольтер.

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ

Источник: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3842.html

Vse-referaty
Добавить комментарий