Лекция 5. Химические реакторы

Химический реактор – основной элемент аппаратурного оформления любой технологической схемы. В нем протекают как химические, так и физические процессы; вместе с тем при его расчете и конструировании необходимо учитывать механические факторы.

Для процесса, который предстоит внедрить в промышленность или усовершенствовать в ходе эксплуатации, химические исследования дают информацию:

• об условиях равновесия,

• скоростях основных и побочных реакций,

• влиянии тепла и примесей на результат процесса,

• поведении катализаторов и т.п.

Когда такие сведения уже собраны в более или менее полной форме, инженеру необходимо получить ответ на следующие вопросы:

1. Какой способ производства следует принять?

2. Какой тип реактора наиболее удобен?

3. Каковы должны быть размеры реактора?

Для получения ответов на эти вопросы разрабатывают стратегию управления, при которой

целевые продукты производятся с заданной скоростью и наименьшими затратами

и осуществляют расчет реактора.

Такие вопросы можно решать не частными, а общими методами, рассматривая процессы

• с учетом движения потоков в реакторах,

• тепловых эффектов реакции,

• условий перемешивания реакционной смеси;

• экономических требований.

Наиболее важным показателем, отражающим совершенство химического реактора, является интенсивность протекающего в нем процесса.

Интенсивность тем выше, чем меньше время, затраченное на получение единицы заданного продукта, поэтому главной задачей при изучении химических процессов, протекающих в реакторах любого типа, является установление функциональной зависимости времени пребывания реагентов в реакторе от разных факторов:

τ = f (X , C, r) , (1)

где X – степень превращения исходного реагента; C – начальная концентрация исходного реагента; r – скорость химической реакции.

Уравнение, связывающее четыре указанных параметра, является математическим описанием модели реактора или уравнением реактора (характеристическим уравнением).

УРАВНЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА РЕАКТОРА

Основанием для получения уравнения реактора любого типа является материальный баланс, составленный по одному из компонентов реакционной смеси.

Составим такой баланс по исходному реагенту A при проведении простой необратимой реакции A → R.

В общем виде уравнение материального баланса:

(2)

где В_А(пр) – количество реагента А, поступающего в единицу времени в тот реакционный объем, для которого составляется баланс;

В_А(расх) – количество реагента А, расходуемого в единицу времени в реакционном объеме.

Учитывая, что поступивший в реактор реагент А расходуется в трех направлениях, можно записать:

(3)

где В_{А (х.р)}– количество реагента А, вступающее в реакционном объеме в химическую реакцию в единицу времени;

В_А(ст) – сток реагента А, т.е. количество реагента А, выходящее из реакционного объема в единицу времени;

В_А(нак) – накопление реагента А, т.е. количество реагента А, остающееся в реакционном объеме в неизмененном виде в единицу времени.

С учетом уравнения (3) уравнение (2) записывается в виде:

(4)

Разность между В_А(пр) и В_А(ст) представляет собой количество реагента А, переносимое конвективным потоком В_А(конв) :

(5)

Принимая это во внимание, уравнение (4) можно записать:

(6)

В каждом конкретном случае уравнение материального баланса принимает различную форму.

Баланс может быть составлен

• для единицы объема реакционной массы,

• для бесконечно малого (элементарного) объема,

• а также реактора в целом.

При этом можно рассчитывать материальные потоки,

• проходящие через объем за единицу времени,

• либо относить эти потоки к 1 моль исходного реагента или продукта.

В общем случае, когда концентрация реагента непостоянна в различных точках реактора или непостоянна во времени, материальный баланс составляют в дифференциальной форме для элементарного объема реактора:

(7)

где C_A – концентрация реагента А в реакционной смеси;

x, y, z – пространственные координаты;

–составляющие скорости потока;

D – коэффициент молекулярной и конвективной диффузии;

r_A – скорость химической реакции.

Левая часть уравнения (7) характеризует общее изменение концентрации исходного вещества во времени в элементарном объеме, для которого составляется материальный баланс. Это – накопление вещества А, которому соответствует величина В_А(нак) в уравнении (6).

Первая группа членов правой части уравнения (7) отражает изменение концентрации реагента А вследствие переноса его реакционной массой в направлении, совпадающем с направлением потока.

Вторая группа членов правой части уравнения (7) отражает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме в результате переноса его путем диффузии.

Указанные две группы правой части уравнения характеризуют суммарный перенос вещества в движущейся среде путем конвекции и диффузии. В уравнении (6) им соответствует величина В_А(конв) – такой суммарный перенос вещества называют конвективным массообменом, или конвективной диффузией).

И, наконец, член r_A показывает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме за счет химической реакции. Ему в уравнении (6) соответствует величина В_{А (х.р} .

Применительно к типу реактора и режиму его работы дифференциальное уравнение материального баланса (7) может быть преобразовано, что облегчает его решение.

В том случае, когда параметры процесса постоянны во всем объеме реактора и во времени, нет необходимости составлять баланс в дифференциальной форме. Баланс составляют в конечных величинах, взяв разность значений параметров на входе в реактор и на выходе из него.

Все процессы, протекающие в химических реакторах, подразделяют на:

• стационарные (установившиеся);

• нестационарные (неустановившиеся).

К стационарным относят процессы, при которых в системе или в рассматриваемом элементарном объеме реакционной смеси параметры процесса (например, концентрация реагента А, температура и т.д.) не изменяются во времени, поэтому в реакторах отсутствует накопление вещества (или тепла) и производная от параметра по времени равна нулю.

При нестационарных режимах параметры непостоянны во времени и всегда происходит накопление вещества (тепла).

Классификация реакторов

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);

• выгрузки готового продукта.

После завершения последовательности этих стадий они повторяются вновь, т.е. работа реактора осуществляется циклически.

Реактор идеального смешения периодический, называемый сокращенно РИС-П, представляет собой аппарат с мешалкой, в который периодически загружают исходные реагенты.

N_A,0, N_A – количество исходного реагента A в реакционной смеси в начале и конце процесса;

C_A,0, С_A – начальная и конечная концентрации реагента A в реакционной смеси;

X_A,0, X_A – начальная и конечная степень превращения реагента A

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.

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.

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.

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.

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

Реактор идеального вытеснения и зависимости концентрации реагента са и степени превращения ха от длины реактора

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.

Реактор идеального смешения непрерывный (РИС-Н) представляет собой аппарат с мешалкой, в который непрерывно подаются реагенты, и также непрерывно выводятся из него продукты реакции.

Реактор идеального смешения непрерывный

В РИС-Н наблюдается резкое изменение концентрации исходного реагента при входе в реактор в результате мгновенного смешения поступающей смеси с реакционной массой, уже находящейся в реакторе, где концентрация исходного реагента значительно ниже, чем концентрация исходного реагента в поступающей смеси.