Химические реакторы

Нестационарность процесса в реакторе, естественно, вносит определенные усложнения и в описание реактора, и в управление его работой, однако во многих случаях нестационарные режимы технологических процессов, протекающих в химических реакторах, легче приблизить к оптимальным.

Класссификация 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 типа теплообменника; реакторы типа реакционной печи (шахтные, полочные, камерные, вращающиеся печи и т.п.) [1].

2 Реактор идеального смешения непрерывного действия

Схема потоков в реакторе полного смешения представлена на рис. 1. В реакторе такого типа концентрация любого компонента равномерна по всему реакционному объему, и поэтому уравнение материального баланса можно записать для всего объема реактора. Для установившегося режима:

                                                                    Gпр= Gух+ Gхр ,                                                      (1)

где Gпр – масса вещества, поступающего в элементарный объем в единицу времени; Gух - масса вещества, выходящего из элементарного объема в единицу времени; Gхр – скорость расходования исходного вещества в результате химической реакции, протекающей в элементарном объеме:

где, - начальная концентрация исходного вещества, -  конечная концентрация  исходного вещества, - объемный расход реакционной смеси,  - скорость химической реакции, - время химической реакции,

-степень превращения, V- объем реакционной смеси.

Уравнение (5, 6)  представляют собой проектные уравнения  реактора идеального смешения и позволяют определить неизвестную величину по заданным. В любом случае для реактора идеального смешения его размер, расход  реагентов, начальные и конечные концентрации могут быть определены только при условии, если известна кинетика процесса.

В таблице 1 приведены расчетные уравнения для реактора идеального смешения непрерывного действия при проведении в нем простых обратимых и необратимых, а также сложных химических реакций [2].

Таблица 1. Расчетные уравнения для РИС-Н

Продолжение таблицы 1

2        Реактор идеального вытеснения

Реактор идеального вытеснения характеризуется тем, что любой элемент объема реагирующей среды движется по высоте (длине) реактора параллельно другим элементам, не смешиваясь с предыдущими и последующими элементами объема.

На рис. 2 схематично показана изменение степени превращения хА, исходных концентраций СА и других параметров в реакторе идеального вытеснения. Материальный баланс такого реактора при Gнач = 0 запишется в виде:

После подстановки значений составляющих материального баланса в уравнение (7) и преобразований получим:

                                             ,                                      (11)

Приведенное уравнение с начальным условием V=0, СА= СА0 для некоторых видов простых химических реакций имеет аналитическое решение. В таблице 2 приведены решения уравнения (11) как расчетные формулы для реактора, работающего в режиме идеального вытеснения при проведении в нем необратимых химических реакций, когда реакционный объем остается постоянным [2].

Таблица 2. Расчетные уравнения для реактора идеального вытеснения

Продолжение таблицы 2

4 Реакторы идеального смешения периодического действия

Реактор идеального смешения периодического действия представляет собой аппарат, снабженный перемешивающим устройством. Загрузка реагентов и выгрузка продуктов осуществляется периодически. Материальный баланс реактора периодического действия в соответствии с уравнением 1:

                                                                                         (12);             

                                                                       (13); 

                                                                                           (14).

После разделения переменных и интегрирования находим:

                                                                                           (15)