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);
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.