6.2.4. Комбинация реактора смешения с реактором вытеснения
В этом разделе будут рассмотрены обстоятельства, благоприятствующие использованию определенных типов комбинированных реакторов, а именно:
- одноступенчатого РСНД, соединенного последовательно с РВНД;
- РВНД, соединенного с одноступенчатым или многоступенчатым реактором смешения.
Такая компоновка может оказаться полезной не только по кинетическим соображе
ниям. Например, первая схема соединения реакторов (рис. 6.9, а) целесообразна в тех случаях, когда важно добиться хорошей степени перемешивания двух или более реагентов в начале реакции. В этом частном случае реактор смешения является не столько реактором, сколько смесителем.
Рис. 6.9. Схема, поддержания низкой концентрации реагента А путем ступенчатого добавления его в реактор вытеснения (а) или смешения (б)
Вторая схема (рис. 6.9,б) целесообразна тогда, когда реактор вытеснения является оптимальным с точки зрения химической кинетики, причем применение одного или более аппаратов с мешалкой, позволяющих проводить реакцию полнее, дает возможность сократить капиталовложения по сравнению с затратами, связанными с созданием реактора вытеснения эквивалентного объема.
Примером более желательного использования первой схемы по кинетическим соображениям является реакция нитрования гексамина. В этом случае мгновенный выход проходит через максимум. Таким образом, оптимальный вариант для данной реакции (и, действительно, лучший, чем любой другой из рассмотренных ранее) сводится к использованию одноступенчатого реактора смешения, работающего при постоянном составе реагентов. Этот реактор определяет максимальный выход целевого продукта. К нему последовательно присоединяется реактор вытеснения, доводящий реакционную смесь до требуемого отношения ρ1, путем монотонного, а не ступенчатого уменьшения концентрации реагентов. Интересно сравнить относительные объемы реакторов рассматриваемых типов для получения полимеров. При одинаковых производительности, расходе реагентов и температурах соответствующие данные приведены в табл. 6.2.
Таблица 6.2. Влияние кинетики процесса на относительный
объем реактора при конверсии, равной 90%
|
Тип реактора |
Порядок реакции по мономеру |
Объем реактора |
|
РВНД |
1 |
1 |
|
РСНД |
1 |
4 |
|
РВПД |
2 2 |
1 |
|
РСПД |
10 | |
|
Каскад из 2-х РСНД |
2 |
3 |
Различие в объемах растет с увеличением конверсии и порядка реакции по мономеру. Из данных, приведенных в табл. 6.2, следует, что применение каскада реакторов смешения позволяет уменьшить суммарный реакционный объем. В пределе бесконечности последовательность реакторов смешения превращается в РВНД.
При расчете числа ступеней в каскаде следует учитывать экономические факторы. На практике при некотором числе ступеней капитальные затраты проходят через минимум и снова начинают возрастать. Поэтому при проектировании каскада обычно сравнивают затраты при различном числе ступеней.