Подготовка сырья Химическое превращение Разделение реакционной

химическая реакция и сопутствующие ей физические процессы - это Химический

реактор. Элементы технологической схемы, расположенные до и после реактора, в основном предназначены для подготовки перерабатываемого сырья и разделения реакционной смеси (выделение целевого продукта, побочных продуктов, не превращенных реагентов).

котором рассматриваются различные подходы к расчету реактора, позволяющие получить данные,

достаточные для проектирования промышленного аппарата.
Как и в случае других аппаратов, используемых в химической промышленности (тепло- и массообменных и т.д.) для изучения, расчета и проектирования реакторов используется метод моделирования.
Математическая модель – это упрощенное изображение процессов, протекающих в реакторе, которое сохраняет наиболее существенные свойства реального объекта и передает их в математической форме.

существенно отличаться габаритами и конструктивными особенностями, имеются общие признаки, позволяющие

классифицировать реакторы:

По гидродинамическому режиму.
По способу организации процесса (способу подвода сырья и отвода продуктов).
По тепловому режиму.
По фазовому состоянию реакционной смеси.
По конструктивным характеристикам.

и импульса – квантовый (излучением), молекулярный, и конвективный (перенос движущейся

массой вещества).
В ректорах смешения конвективный перенос вещества происходит путем интенсивного перемешивания (например, механической мешалкой, циркуляционным насосом, барботаж газа через жидкость)
В реакторах вытеснения конвективный перенос вещества осуществляется путем направленного движения потока реакционной смеси вдоль оси реактора.
В первом случае интенсивность конвективного переноса определяется скоростью вращения мешалки (и т.д.), во втором – линейной скоростью движения потока.

4

отвода продуктов):
реактор непрерывного действия
реактор периодического действия
реактор полупериодического (или полунепрерывного) действия
Периодический

реактор характеризуется единством места завершения всех стадий процесса.
Сырье загружают в реактор, «устанавливают» рабочие параметры (нагрев до рабочей температуры и т.д.), проводят реакцию, охлаждают реакционную смесь, выгружают реакционную смесь, очищают реактор (например, промывают и высушивают).
Далее следующий цикл работы.
Время одного цикла равно
Времяцикла = Времяхим.р. + Времявспомог. операций

5

труда (минус)
«гибкость» - широкий диапазон рабочих температур и

давлений, легко перенастроить с одного режима на другой, нет жесткой привязки к конкретной химической реакции (плюс)
Реакторы такого типа используются:
при малотоннажном производстве продуктов широкого ассортимента (например, в фармакологии);
при исследовании кинетических закономерностей химических реакций

6

химической реакции от начального времени - 0 до конечного времени

- к

Периодический реактор смешения

7

поступает сырье и также непрерывно выводятся продукты реакции (реакционная смесь);

все стадии процесса осуществляются параллельно и одновременно.
В этих реакторах сложно непосредственно изменить время реакции, поэтому часто пользуются понятием условного времени пребывания реагентов в реакторе:

Для проточных реакторов с неподвижным слоем гетерогенного катализатора может быть использована аналогичная характеристика.
Расчетная формула в этом случае включает не только объем аппарата, занятый катализатором, но и свободный объем зернистого слоя (порозность слоя) .

Где
VРеактора – объем реактора (м3);
Vсырья – объемная скорость подачи сырья (м3/ч)

8

реакционной смеси при стандартных (нормальных) условиях – для газов это

температура 0С и давление 760 мм рт. ст., для жидкостей - температура 20С (комнатная температура).
Более правильно использовать при расчете объем исходной смеси, приведенный к давлению и температуре в реакторе для газов, и к температуре в реакторе для жидкостей.

Средняя молярная масса может быть найдена как отношение массы многокомпонентной смеси к суммарному количеству всех компонентов, выраженному в моль.

В случае, когда подвижная фаза является жидкостью, изменение давления в области до 1000 атм, на ее плотность и соответственно объем, влияния не оказывает. Температурная зависимость плотности для многих индивидуальных веществ может быть найдена в справочниках, плотность смеси жидкостей в первом приближении находится по уравнению (где wi – массовая доля компонента, а i – его плотность)

Расчет плотности газовой смеси производится по формуле:

9

реализуется нисходящее движение жидкости по гранулам в пленочном режиме –

то есть в условиях, когда только часть свободного объема слоя катализатора занята жидкостью.
Расчет времени пребывания жидкости в таком аппарате могут быть осуществлен по алгоритмам, применяемым при расчете насадочных абсорберов.
Для таких систем фиктивная линейная скорость движения жидкости (объемная скорость, отнесенная к свободному сечению аппарата) пропорциональна корню квадратному от удельного массового расхода жидкости:

WЖ – удельный массовый расход жидкости, кг/(м2с);
g – ускорение свободного падения
d – номинальный размер гранулы
Ж – динамическая вязкость жидкости

10

постоянной скоростью подаются реагенты, одновременно,
из реактора отводятся продукты реакции (в

общем случае реакционная масса,
содержащая продукты реакции и не превращенные реагенты)

11

жидкой фазе загружается в реактор, далее во времени непрерывно добавляется

второй реагент, также находящийся в жидкой фазе
Б. Второй газообразный реагент непрерывно добавляется к первому, находящемуся в жидкой фазе
В. Один из продуктов реакции непрерывно отводиться из реактора (например реакция этерификации - н-бутанола уксусной кислотой продуктами которой являются сложный эфир бутилацетат и вода

Непрерывной отвод из системы самого низкокипящего компонента, позволяет сместить равновесие реакции в нужном направлении

12

тепловой эффект реакции расходуется на изменение температуры реакционной смеси.
В

изотермическом реакторе обеспечивается такой теплообмен с окружающей средой, который компенсирует полностью тепловой эффект реакции. В результате температура реакционной смеси остается строго постоянной.
Чисто адиабатический и чисто изотермический режимы работы реактора являются идеальными приближениями. На практике, близко к изотермическому режиму работают реакторы, в которых проводят процессы с очень малыми тепловыми эффектами или очень малой скоростью реакции, а также процессы, протекающие в растворе, где концентрация реагентов небольшая и тепло аккумулируется большим объемом растворителя.
Ближе к реальным условиям работы относится модель политропического реактора, в котором тепловой эффект химической реакции частично компенсируется за счет теплообмена с окружающей средой.

14

(газофазных и жидкофазных)
реакторы для проведения гетерогенных процессов
реакторы для проведения гетерогенно-каталитических

процессов


5. По конструктивным характеристикам:
емкостные реакторы
колонны
трубчатые реакторы
печи (реакторы для высокотемпературных процессов)

15

теплообменником
Условия проведения реакции дегидратации
1-фенилэтанола в промышленных условиях
21
И-1

ГОСТ 8136-85; ОАО «Азот»
г. Днепродзержинск, Украина
катализатор марки АОК
ТУ

6-68-146-02; АО «Катализатор»,
г. Новосибирск, Россия

Диаметр реактора 3,0 м

объем, диаметр, высота реактора, число трубок, тарелок и т.п.
Технологические

параметры – это концентрация, температура, скорость потока реагентов (параметры входа) и продуктов (параметры выхода), а также параметры тепло- и хладоагентов.

29

любой точке реактора во времени не происходит изменения концентрации и

температуры

При нестационарном режиме концентрация и температура в любой точке реактора меняются во времени:

Стационарный режим реализуется в реакторах непрерывного действия.
Нестационарный в периодических реакторах, и в непрерывных реакторах во время пуска или остановки реактора.

30

- уравнение теплового баланса

В общем виде уравнение материального баланса

применительно к реагенту можно представить в виде:
количество вещества, поступающего на вход в реактор в единицу времени – расход вещества в единицу времени (на химическую реакцию, а также выходящего из реактора) = накопление (убыль) вещества в реакторе в единицу времени

По аналогии уравнение теплового баланса в общем виде:
приход тепла в реактор в единицу времени – расход тепла в единицу времени = накопление (убыль) тепла в реакторе в единицу времени

Для реактора, работающего в стационарном режиме, когда концентрация и температура во времени не меняются, правая часть обоих уравнений равна 0.

31