Введение в анализ химических реакторов: Учебное пособие по дисциплинах «Химические процессы и реакторы» и «Макрокинетика химических процессов и расчет реакторов», страница 2

Реагирующие вещества и продукты реакции могут находиться в реакторе в различных состояниях: твердом, жидком, газообразном или в виде плазмы (последний случай - это особый тип плазмохимических реакторов, которые в пособии рассматриваться не будут). Химические процессы в современных технологиях осуществляются, как правило, в присутствии катализаторов, которые могут находиться также в виде твердых, жидких или газообразных веществ. Химические реакции обычно сопровождаются выделением или поглощением тепла, в результате чего реагенты и продукты реакции могут существенно разогреваться или охлаждаться. В то же время температура реакции обычно задается в достаточно узком диапазоне и для ее поддержания необходимо применять различные приемы отвода или подвода тепла.

Таким образом, химический реактор в общем случае - это сложный аппарат, сочетающий в себе одновременно функции контактного аппарата, гидравлического устройства, теплообменника и собственно химического реактора.

1.2 Типы химических реакторов

В зависимости от выбранных критериев химические реакторы можно разделить на различные группы:

по изменению режима работы во времени (рис. 1.1):

- периодического действия (рис. 1.1, а), в которых осуществляется периодические загрузка реагентов и выгрузка продуктов реакции (этот тип относится к закрытым системам - отсутствует материальный обмен с окружающей средой);

- полунепрерывного действия (рис. 1.1, б, выгрузка происходит периодически, а один или несколько реагентов подаются постоянно);

- непрерывного действия (рис. 1.1, в, г, проточные реакторы или открытые системы, т.е., для которых имеет место материальный обмен с окружающей средой).

по энергообмену с внешней средой:

- адиабатические реакторы (теплообмен с внешней средой отсутствует);

- изотермические реакторы и реакторы с заданным распределением температуры в объеме (реализуются особые условия теплообмена с внешней средой, обеспечивающие необходимое распределение температуры в объеме - с помощью встроенных теплообменников, через стенку реактора и т. д.).

по агрегатному составу реакционной среды:

- однофазные реакторы (и продукты и исходные реагенты находятся в одном агрегатном состоянии - газообразном, жидком или твердом);

- многофазные реакторы (рис. 1.2):

- двухфазные (газ-жидкость, жидкость-жидкость, газ-твердое, жидкость-твердое);

- трехфазные (в реакторе одновременно присутствуют газ, жидкость и твердое).

по интенсивности перемешивания реагентов:

- реакторы идеального перемешивания (рис. 1.1, г - концентрации и температура во всем объеме реактора постоянны);

- идеального вытеснения (рис. 1.1., в - реакционная смесь движется в реакторе без перемешивания в направлении потока);

- реакторы с частичным перемешиванием (распределение концентраций и температуры в реакторе зависят от интенсивности перемешивания реакционной среды).

по структуре потока в реакторе:

- с ламинарными потоками;

- с турбулентными потоками;

- с барботажным или пенным слоем (рис. 1.2);

- с псевдоожиженным слоем твердых частиц;

- с неподвижным слоем гетерогенного катализатора (рис. 1.3, а);

- с движущимся и циркулирущим слоем и т.д.

по конструкции:

- трубчатые (рис. 1.1, в, 1.3, а) и радиальные реакторы (рис.1.3, б);

- с неподвижными и динамическими слоями;

- одноступенчатые, многополочные, каскады реакторов;

- однопроходные и с рециклом;

- с внутренними и внешними теплообменниками и т.д.

Выбор реактора для реализации определенного химического процесса зависит от особенностей протекающих химических реакций, свойств реакционной среды, интенсивности тепловыделения или теплопоглощения, чувствительности процесса к изменению режимных параметров (температуры, концентрации, расходов реагентов), технических возможностей создания той или иной конструкции.

1.3 Основные этапы и проблемы разработки химических реакторов

Любое современное химическое производство - это сложная химико-технологическая система, включающая в себя множество взаимосвязанных процессов и аппаратов. Как правило, реальные промышленные процессы состоят из следующих основных стадий (рис. 1.4):

- подготовка исходного сырья (дробление, измельчение, очистка от механических примесей, извлечение вредных компонентов, концентрация полезных веществ, нагрев или охлаждение, перевод в необходимое агрегатное состояние, предварительное смешение реагентов в определенной пропорции и т.д.);

- осуществление химической стадии (или стадий) в условиях, обеспечивающих получение максимального количества целевого (целевых) продукта из минимального количества сырья (при одновременном максимально возможном подавлении образования побочных продуктов);