XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

ВВЕДЕНИЕ

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

Химический реактор – устройство, предназначенное для проведения в нем химических превращений с целью выработки конечного продукта.

Химический реактор – понятие обобщенное, относится к реакторам, колоннам, башням, автоклавам и другим аппаратам. Их конструкция зависит от различных факторов и должна обеспечивать максимальный выход наиболее экономически эффективным способом.

Цель работы реактора – выработка конечного продукта из исходных компонентов при соблюдении требований максимальной эффективности процесса: создание устойчивого и стабильного режима проведения реакции; высокие энергетические показатели; минимальная стоимость реактора; простота работы и ремонта.

1 Общие сведения

1) Химические реакции могут сопровождаться тепловыми эффектами, а, следовательно, возникает необходимость подвода или отвода теплоты и регулирования температуры;

2) Многие химические процессы протекают в присутствии катализаторов, следовательно, возникает необходимость обеспечить хороший контакт реагирующих веществ с катализатором, а также обеспечить его загрузку, выгрузку и регенерацию

3)Конструкции реакторов зависят от типа химической реакции, наличия или отсутствия катализатора, теплового и гидродинамического режимов, способа подвода и отвода реагентов и др.

4) Реакционные аппараты по большей части индивидуальны по конструкции.

2 Признаки химических реакторов

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 часто используются 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.

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.

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 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.

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).

3 Классификация химических реакторов по условиям теплообмена

Тепловой эффект реакции требует различных теплообменных устройств для отвода или подвода теплоты в реакционный объем. Поэтому деление процессов на экзо- и эндотермические требует выбора и соответствующего химического реактора. По тем же причинам реакторы, также как и химические процессы, делят по наивысшей температуре процесса на низко- и высокотемпературные; по применяемому давлению — на аппараты, работающие на высоком, повышенном, нормальном и низком (под вакуумом) давлениях.

Если теплообмен с окружающей средой протекает гораздо быстрее, чем тепловыделение или теплопоглощение, то во всех точках реакционной зоны обеспечивается постоянство температуры и такой реактор называется изотермическим. В нем разность температур равна нулю во всем объеме реактора и это условие достигается одним из следующих способов:

1) интенсивное перемешивание реагентов при незначительном тепловом эффекте;

2) благодаря подводу или отводу тепла;

3) за счет регулирования температуры сырья, поступающего в реакционную смесь.

При отсутствии теплообмена между реактором и окружающей средой химический реактор является адиабатическим. Вся теплота, выделяющаяся или поглощающаяся в результате химических реакций, расходуется на внутренний теплообмен, т.е. на нагрев или охлаждение реакционной смеси. Такие аппараты снабжены хорошей тепловой изоляцией. Вся теплота реакции аккумулируется потоком реагирующих веществ.

Реакторы, в которых скорости тепловыделения или теплопоглощения соизмеримы со скоростями теплообмена с окружающей средой, температурный режим представляет собой результат баланса между этими процессами и в общем случае это обусловливает неравномерность распределения температуры в реакционной зоне. Такие реакторы называются политермическими.

Особо следует выделить автотермические реакторы, в которых поддержание необходимой температуры процесса осуществляется исключительно за счёт теплоты химического процесса без использования внешних источников энергии. В практике химической технологии стремятся к тому, чтобы химические реакторы, особенно в крупнотоннажных производствах, были автотермическими.

4 Политермические реакторы

Политермическими называются реакторы, которые характеризуются частичным подводом теплоты или отводом теплоты из зоны реакции в соответствии с заданной программой изменения температуры по длине (высоте) реактора идеального вытеснения или неполного смешения.

К политермическим аппаратам относят реакторы с малой степенью смешения реагирующих веществ и теплообменниками, помещенными внутри реакционного объема, например трубчатые контактные аппараты

Политермическими реакторами во времени являются реакторы полного смешения периодического действия. При изучении и количественной оценке процессов, происходящих в реакторе, для вывода уравнений температурного режима используют тепловые балансы, основанные на законе сохранения энергии.

Сложный политермический режим наблюдается в насадочных башнях для сорбционных и десорбционных процессов, т.к. процессы адсорбции сопровождаются теплообменом между газом и жидкостью.

5 Уравнение теплового баланса

Изменение температуры ΔT° в политермическом реакторе определяется величиной и знаком теплового эффекта q_х.р ,реакции, начальной концентрацией реагентов С_А0, степенью превращения X_А реагентов и количеством теплоты fт, подводимой или отводимой из зоны реакции.

Изменение температуры рассчитывается по уравнениям теплового баланса реактора, которые учитывают приход теплоты с реагентами, теплоту реакции, теплообмен с окружающей средой и вынос теплоты с продуктами реакции рис.1.

Рисунок 1. Уравнение теплового баланса политермического реактора

Тепловой баланс складывается из следующих величин:

где K_T – коэффициент теплопередачи, F – поверхность теплопередачи, ср ∆t – средняя движущая сила теплопередачи.

Из уравнения теплового баланса политермического реактора можно найти:

1) изменение температуры ΔT° по высоте H реактора (при жидком вытес­нении) при известной теплоте Q, которая передается через стенки реактора:

если известно слагаемое -   => найти изменениетемпературы ΔT° в зависимости от степени превращения X_А,

2) зная изменение температуры ΔT°, можно определить степеньпревращения Х_А при известной теплоте Q, подводимой / отводимой через стенки реактора;

3) определить поверхность теплопередачи f_т .

Применение:

Политермический режим наблюдается в реакторах, в которых тепловой эффект Qx.p. основной химической реакции лишь частично компенсируется за счет тепловых эффектов побочных реакций или физических процессов, по знаку противоположных основному процессу. К таким реакторам относятся многие шахтные и доменные печи.

6 Требования к реакторам

обеспечивать наибольшую производительность и интенсивность;

2) давать возможно более высокую степень превращения при максимальной селективности процесса;

3) иметь малые энергетические затраты на транспортировку и перемешивание реагентов;

4) быть достаточно простыми в устройстве и дешевыми, для чего при изготовлении реакторов необходимо использовать недорогие изделия силикатной промышленности, недефицитные пластмассы;

5) наиболее полно использовать теплоту экзотермических реакций и теплоту, подводимую извне, для осуществления эндотермических процессов;

6) быть надежными в работе, по возможности наиболее полно

механизированными и обеспечивать автоматическое регулирование процесса.

Однако перечисленные требования носят часто противоречивый характер. Например, увеличение степени превращения приводит к снижению производительности аппарата, а высокие механизация и автоматизация — к его удорожанию. Поэтому необходимо обеспечить такую совокупность выполнения требований, которая бы привела к наивысшей экономической эффективности работы реактора. Для этого учитывается вклад каждого из показателей в общий экономический эффект работы аппарата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для выбора типа реактора и определения его производительности часто приходится прибегать к экспериментальным исследованиям и переносу результатов эксперимента на промышленные условия. При расчете и выборе моделей реакторов необходимо учитывать влияние теплового эффекта или энтальпии реакции. Температура же существенно влияет на результат химико-технологического процесса в целом и особенно на химическую реакцию, в зависимости от этого выделяют политермический режим, в котором тепловой эффект лишь частично будет компенсироваться за счет тепловых эффектов различных побочных реакций и физических процессов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Химический реактор [Электронный ресурс]//Информационный ресурс translated.turbopages – Режим доступа: https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.8caaa53d-63bc4227-f2ac4a22-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Chemical_reactor /, свободный – Загл. с экрана.

Виды химических реакторов [Электронный ресурс]//Информационный ресурс fb – Режим доступа: http://fb.ru/article/258744/chto-takoe-himicheskie-reaktoryi-vidyi-himicheskih-reaktorov/, свободный – Загл. с экрана.

Классификация химических реакторов [Электронный ресурс]//Информационный ресурс studopedia - Режим доступа: https://studopedia.su/18_78169_himicheskie-reaktori.html/, свободный – Загл. с экрана.

Требования, предъявляемые к химическим реактора [Электронный ресурс]//Информационный ресурс poznayka - Режим доступа: Мhttps://poznayka.org/s63295t1.html/, свободный – Загл. с экрана.

Код для цитирования: Скопировать