2.12. Химические реакторы, их основные типы. Материальный и тепловой балансы для реакторов полного смешения и идеального вытеснения

Химический реактор – основной аппарат, где протекает хим. процесс.

Основной показатель эффективности работы реактора – интенсивность (И).

И – отношение производительности к реакционному объему или поверхности контакта. (П/V; П/S). От интенсивности зависит время, затрачиваемое на производство единицы продукции. А время зависит от степени превращения, начальной концентрации реагентов, скорости хим. процесса.

Классифицируются:

По изменению параметров процесса во времени

Реакторы периодического действия – происходит падение движущей силы процесса во времени из-за уменьшения концентрации реагентов, т.е процесс не стационарен во времени и требует корректировку параметров процесса.

Реакторы непрерывного действия (стационарные) – постоянство движущей силы процесса. Все параметры могут изменятся от точки к точке внутри аппарата, но сохраняют свои значения во времени.

По температурному режиму: высокотемпературные, низкотемпературные

Адиабатические реакторы – при спокойном (без перемешивания)течении потока реагентов не имеют теплообмена с окружающей средой, хорошая теплоизоляция. Все тепло экзотермической реакции собирается (накапливается) потоком реагирующих веществ.

Изотермические реакторы – температура постоянна во всех точках реакционного объема, (выгоднее, облегчают автоматизацию). Достигается в реакторах с мешалкой или в кипящем (псевдоожиженном ) слое.

Политермические реакторы – частичная компенсация тепла реакции путем подвода (отвода) теплоты. Это реакторы с малой степенью смешения реагирующих веществ и теплообменниками.

По давлению: работающие при высоком, повышенном, нормальном и низком (под вакуумом)

По типу процесса: гомогенные, гетерогенные

По степени перемешивания реагентов: (реакторы непрерывного действия)

Реактор идеального вытеснения – ламинарное движение реакционной массы по всему фронту реактора. Основные показатели процесса изменяются по высоте реактора. В них достигается наибольшая величина движущей силы. Это емкость (шахта), в которой на решетки помещен твердый зернистый материал, высота его слоя больше диаметра реактора. Через слой проходит газ и вступает во взаимодействие с материалом (конц. реагентов понижается по высоте слоя).

Реакторы полного смешения – газы и жидкости, поступающие в реактор, мгновенно смешиваются со всем содержимым реактора, т.к. скорость циркуляционных движений по высоте и сечению реактора во много раз больше, чем скорость линейного движения по оси реактора. Концентрация веществ и степень превращения во всем объеме реактора одинакова и равна конечной. Это реакторы кипящего слоя с мешалкой; с перемешивающими устройствами в жидкостях, суспензиях твердых веществ и др.

Материальный баланс полного смешения

Уравнение материального баланса периодического реактора полного смешения

 - w_rJ = dc_J / dt   или  (dc_J / dt ) - w_rJ = 0

где w_rJ  - скорость хим. реакции; c_J – концентрация реагента.

Уравнение материального баланса стационарного реактора полного смешения

- w_rJ = ν/V∙(c_J,0 - c_J,f) или ν/V∙(c_J,0 - c_J,f) - w_rJ = 0

 где c_J,0 и  c_J,f  – концентрация реагента на входе и на выходе из реактора; V – полный объем реактора; ν – объемный расход реакционного потока.

Материальный баланс идеального вытеснения

Уравнение материального баланса периодического реактора идеального вытеснения

-u_z(dc_J/dz) - w_rJ = dc_J/dτ

где u_z – линейная скорость потока; z – координата оси канала; τ – время.

Уравнение материального баланса стационарного реактора идеального вытеснения

-u_z(dc_J/dz) - w_rJ = 0

Тепловой баланс

Тепловой баланс реактора полного смешения в неизотермическом (непостоянная температура) нестационарном  режиме

ν₀c_p,0ρ₀T₀ - νc_p,0ρT - ΔHw_rAV ± K_TF_TOΔT_TO = V[d(c_pρT)/dτ]

где c_p- средняя теплоемкость реакционной смеси; ρ - средняя плотность смеси; ∆H - тепловой эффект реакции на 1 моль реагента; K_T - коэффициент теплопередачи; F_TO - поверхность теплообмена с окружающей средой; ∆T_TO - движущая сила теплообмена (средняя разность температур в реакторе и внешней среде);

Тепловой баланс реактора полного смешения в неизотермическом (непостоянная температура) стационарном  режиме

νc_pρ(T - T₀) - ∆Hw_rAV ± K_TF_TO∆T_TO = 0.

Тепловой баланс реактора идеального вытеснения

c_pρ(dT/dt) = VΣH_jw_j – hF(T - T_C)

где H_j – тепловой эффект реакции j; w_j – скорость реакции j; c_p, ρ – теплоемкость и плотность реакционной среды; h - коэффициент теплоотдачи; T_С - температура хладагента; F - поверхность теплообмена; V – полный объем реактора.