Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Часть серии по
Химическая инженерия
Основы
Единичные процессы
Аспекты
Глоссарии
Категория Категория

Химический реактор представляет собой замкнутый объем , в котором химическая реакция происходит. [1] [2] [3] [4] В химической инженерии под ним обычно понимают технологический сосуд, используемый для проведения химической реакции [5], которая является одной из классических единичных операций в химическом анализе процессов. Конструкция химического реактора затрагивает множество аспектов химической инженерии . Инженеры-химики проектируют реакторы, чтобы максимизировать чистую приведенную стоимость данной реакции. Разработчики гарантируют, что реакция протекает с максимальной эффективностью в направлении желаемого выходного продукта, производя наивысшийвыход продукта при минимальных затратах на покупку и эксплуатацию. Нормальные эксплуатационные расходы включают ввод энергии, отвод энергии, затраты на сырье , рабочую силу и т. Д. Энергетические изменения могут происходить в форме нагрева или охлаждения, откачки для повышения давления, потери давления на трение или перемешивания.

Инженерия химических реакций - это отрасль химического машиностроения, которая занимается химическими реакторами и их конструкцией, особенно путем применения химической кинетики в промышленных системах.

Обзор [ править ]

Химический реактор с мешалкой и рубашкой охлаждения в разрезе.
Химический реактор с обернутыми вокруг него полукатушками

Наиболее распространенными основными типами химических реакторов являются резервуары (где реагенты смешиваются во всем объеме) и трубы или трубки (для реакторов с ламинарным потоком и реакторов с поршневым потоком ).

Оба типа могут использоваться как реакторы непрерывного действия или реакторы периодического действия, и в них могут использоваться одно или несколько твердых веществ ( реагенты , катализаторы или инертные материалы), но реагенты и продукты обычно представляют собой жидкости (жидкости или газы). Реакторы в непрерывных процессах обычно работают в стационарном режиме , тогда как реакторы в периодических процессах обязательно работают в переходном состоянии . Когда реактор вводится в эксплуатацию либо в первый раз, либо после останова, он находится в переходном состоянии, и ключевые параметры процесса меняются со временем.

Для оценки наиболее важных технологических параметров различных химических реакторов используются три идеализированные модели:

  • Модель реактора периодического действия ,
  • Модель реактора непрерывного действия с мешалкой (CSTR) и
  • Модель реактора идеального вытеснения (PFR).

Многие реальные реакторы можно смоделировать как комбинацию этих основных типов.

Ключевые переменные процесса включают:

  • Время пребывания (τ, нижний регистр греческого тау)
  • Объем (V)
  • Температура (T)
  • Давление (P)
  • Концентрации химических веществ (C 1 , C 2 , C 3 , ... C n )
  • Коэффициенты теплоотдачи (h, U)

Трубчатый реактор часто может быть уплотненным слоем . В этом случае трубка или канал содержат частицы или гранулы, обычно твердый катализатор . [6] Реагенты в жидкой или газовой фазе прокачиваются через слой катализатора. [7] Химический реактор также может быть псевдоожиженным слоем ; см. Реактор с псевдоожиженным слоем .

Химические реакции, происходящие в реакторе, могут быть экзотермическими , что означает выделение тепла, или эндотермическими , что означает поглощение тепла. Резервуарный реактор может иметь охлаждающую или нагревательную рубашку или охлаждающие или нагревательные змеевики (трубки), обернутые вокруг внешней стороны его стенки сосуда для охлаждения или нагрева содержимого, в то время как трубчатые реакторы могут быть спроектированы как теплообменники, если реакция является сильно экзотермической. , или подобные печи, если реакция сильно эндотермична . [8]

Типы [ править ]

Реактор периодического действия [ править ]

Основная статья: Реактор периодического действия

Самый простой тип реактора - реактор периодического действия. Материалы загружаются в реактор периодического действия, и реакция продолжается со временем. Реактор периодического действия не достигает стационарного состояния, поэтому часто требуется контроль температуры, давления и объема. Поэтому многие реакторы периодического действия имеют порты для датчиков и ввода и вывода материала. Реакторы периодического действия обычно используются в мелкомасштабном производстве и в реакциях с биологическими материалами, например, при пивоварении, варке целлюлозы и производстве ферментов. Одним из примеров реактора периодического действия является реактор под давлением .

CSTR (реактор непрерывного действия с мешалкой) [ править ]

Основная статья: Реактор непрерывного действия с мешалкой
Проверка состояния внутри корпуса реактора непрерывного действия с мешалкой (CSTR). В рабочем колесе (или перемешивающие лопасти) на вал помощи перемешивания . Перегородка в нижней части изображения также помогает в смешивании.

В CSTR один или несколько жидких реагентов вводятся в резервуар-реактор, который обычно перемешивают с помощью крыльчатки, чтобы гарантировать надлежащее перемешивание реагентов при удалении потока, выходящего из реактора. Разделение объема резервуара на средний объемный расход через резервуар дает время , необходимое для обработки одного объема жидкости в реакторе. Используя химическую кинетику , можно рассчитать ожидаемый процент завершения реакции . Некоторые важные аспекты CSTR:

  • В установившемся режиме массовый расход на входе должен равняться массовому расходу на выходе, в противном случае резервуар переполнится или опустеет (переходное состояние). Пока реактор находится в переходном состоянии, уравнение модели должно быть выведено из дифференциального баланса массы и энергии.
  • Реакция протекает со скоростью реакции, связанной с конечной (выходной) концентрацией, поскольку предполагается, что концентрация однородна по всему реактору.
  • Часто экономически выгодно использовать несколько CSTR последовательно. Это позволяет, например, первому CSTR работать при более высокой концентрации реагента и, следовательно, более высокой скорости реакции. В этих случаях размеры реакторов могут варьироваться, чтобы минимизировать общие капитальные вложения, необходимые для реализации процесса.
  • Можно продемонстрировать, что бесконечное количество бесконечно малых CSTR, работающих последовательно, было бы эквивалентно PFR. [9]

Поведение CSTR часто аппроксимируется или моделируется поведением реактора непрерывного действия с идеальным перемешиванием (CISTR). Все расчеты, выполненные с помощью CISTR, предполагают идеальное перемешивание . Если время пребывания в 5-10 раз превышает время перемешивания, это приближение считается допустимым для инженерных целей. Модель CISTR часто используется для упрощения инженерных расчетов и может использоваться для описания исследовательских реакторов. На практике это возможно только в реакторах промышленного размера, в которых время перемешивания может быть очень большим.

Петлевой реактор - это каталитический реактор гибридного типа, который физически напоминает трубчатый реактор, но работает как CSTR. Реакционная смесь циркулирует в петле трубы, окруженной рубашкой для охлаждения или нагревания, при этом происходит непрерывный поток исходного материала и выхода продукта.

PFR (реактор поршневого потока) [ править ]

Простая диаграмма, иллюстрирующая модель реактора идеального вытеснения
Основная статья: Модель реактора с поршневым потоком

В PFR, иногда называемом трубчатым реактором непрерывного действия (CTR) [10], один или несколько жидких реагентов прокачиваются через трубу или трубу. Химическая реакция протекает по мере прохождения реагентов через PFR. В реакторах этого типа изменение скорости реакции создает градиент по отношению к пройденному расстоянию; на входе в PFR скорость очень высока, но по мере того, как концентрация реагентов уменьшается, а концентрация продукта (ов) увеличивается, скорость реакции замедляется. Некоторые важные аспекты ИПФ:

  • Идеализированная модель PFR не предполагает осевого перемешивания: любой элемент жидкости, проходящей через реактор, не смешивается с жидкостью до или после него, как подразумевается под термином « поршневой поток ».
  • Реагенты могут быть введены в PFR в других местах реактора, кроме входа. Таким образом можно получить более высокую эффективность или уменьшить размер и стоимость PFR.
  • PFR имеет более высокую теоретическую эффективность, чем CSTR того же объема. То есть при одинаковом пространстве-времени (или времени пребывания) реакция будет протекать до более высокого процента завершения в PFR, чем в CSTR. Это не всегда верно для обратимых реакций.

Для большинства химических реакций, представляющих промышленный интерес, реакция не может протекать до 100%. Скорость реакции снижается по мере того, как реагенты расходуются до точки, где система достигает динамического равновесия (нет чистой реакции или изменения химических веществ). Точка равновесия для большинства систем завершена менее чем на 100%. По этой причине процесс разделения, такой как дистилляция , часто следует за химическим реактором, чтобы отделить любые оставшиеся реагенты или побочные продукты от желаемого продукта. Эти реагенты могут иногда использоваться повторно в начале процесса, например, в процессе Габера.. В некоторых случаях для достижения равновесия могут потребоваться очень большие реакторы, и инженеры-химики могут выбрать разделение частично прореагировавшей смеси и рециркуляцию оставшихся реагентов.

В условиях ламинарного потока предположение о поршневом потоке очень неточно, поскольку жидкость, проходящая через центр трубы, движется намного быстрее, чем жидкость у стенки. Реактор непрерывного действия с перегородками (COBR) обеспечивает тщательное перемешивание за счет комбинации колебаний жидкости и перегородок с отверстиями, что позволяет приблизить поршневой поток в условиях ламинарного потока .

Полупакетный реактор [ править ]

Основная статья: Полупакетный реактор

Полупериодический реактор работает как с непрерывным, так и с периодическим режимом ввода и вывода. Например, в ферментер загружается партия среды и микробов, которые постоянно производят углекислый газ, который необходимо непрерывно удалять. Точно так же реакция газа с жидкостью обычно затруднена, потому что для реакции с равной массой жидкости требуется большой объем газа. Чтобы решить эту проблему, непрерывную подачу газа можно барботировать через порцию жидкости. Как правило, при полупериодической работе один химический реагент загружается в реактор, а второй добавляется медленно (например, для предотвращения побочных реакций.), или продукт, который является результатом фазового перехода, непрерывно удаляется, например, газ, образующийся в результате реакции, твердое вещество, которое выпадает в осадок, или гидрофобный продукт, который образуется в водном растворе.

Каталитический реактор [ править ]

Хотя каталитические реакторы часто реализуются как реакторы идеального вытеснения, их анализ требует более сложной обработки. Скорость каталитической реакции пропорциональна количеству катализатора, с которым контактируют реагенты, а также концентрации реагентов. Для твердофазного катализатора и реагентов в жидкой фазе это пропорционально площади воздействия, эффективности диффузии реагентов и продуктов, а также эффективности смешивания. Идеального перемешивания обычно нельзя предполагать. Кроме того, каталитический путь реакции часто происходит в несколько стадий с промежуточными продуктами, которые химически связаны с катализатором; и поскольку химическое связывание с катализатором также является химической реакцией, это может повлиять на кинетику. Каталитические реакции часто демонстрируют так называемую фальсифицированную кинетику., когда кажущаяся кинетика отличается от реальной химической кинетики из-за эффектов физического переноса.

Также следует учитывать продукт катализатора. В частности, в высокотемпературных нефтехимических процессах катализаторы дезактивируются такими процессами, как спекание , коксование и отравление .

Типичным примером каталитического реактора является каталитический нейтрализатор, который перерабатывает токсичные компоненты автомобильных выхлопов. Однако большинство нефтехимических реакторов являются каталитическими и отвечают за большую часть промышленного химического производства, с примерами чрезвычайно больших объемов, включая серную кислоту , аммиак , продукты риформинга / BTEX (бензол, толуол, этилбензол и ксилол) и каталитический крекинг в псевдоожиженном слое . Возможны различные конфигурации, см. Гетерогенный каталитический реактор .

Внешние ссылки [ править ]

  • Простые модели CSTR в MATLAB
  • Энергоэффективные процессы для полимеров, автор Ролунд Кункель

Ссылки [ править ]

  1. ^ Перейра, Кармо Дж .; Лейб, Тибериу М. (2008). «Секция 19, Реакторы». Справочник инженера-химика Перри (8-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл . п. 4. ISBN 9780071542265. OCLC  191805887 .
  2. ^ Prud'homme, Роджер (2010-07-15). Потоки реактивных жидкостей . Springer Science + Business Media . п. 109. ISBN 9780817646592.
  3. ^ Шмидт, Лэнни Д. (1998). Инженерия химических реакций . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета . ISBN 0195105885.
  4. ^ Levenspiel, Октав (январь 1993). Омнибук химического реактора . Книжные магазины Oregon St Univ. ISBN 0882461605.
  5. ^ Суреш, S .; Сундарамурти, С. (18 декабря 2014 г.). Зеленая химическая инженерия: введение в катализ, кинетику и химические процессы . CRC Press . п. 67. ISBN 9781466558854.
  6. ^ Якобсен, Хьюго А. (2014-04-02). Моделирование химического реактора: многофазные реактивные потоки . Springer Science + Business Media . п. 1057. ISBN 9783319050928.
  7. ^ Фоли, Александра (2014-08-15). "Что такое реактор с набивным слоем"? " . COMSOL Multiphysics © . Архивировано 20 октября 2016 года . Проверено 19 октября 2016 .
  8. ^ Павлин, Д.Г. Ричардсон, Дж. Ф. (2012-12-02). Химическая инженерия, Том 3: Химические и биохимические реакторы и управление процессами . Эльзевир . п. 8. ISBN 0080571549.
  9. ^ Ravi, R .; Vinu, R .; Гуммади, С. Н. (26 сентября 2017 г.). Химическая инженерия Коулсона и Ричардсона: Том 3A: Химические и биохимические реакторы и реакционная техника . Баттерворт-Хайнеманн . п. 80. ISBN 9780081012239.
  10. ^ "Реактор поршневого потока | Vapourtec Ltd" . Vapourtec . Архивировано 20 октября 2016 года . Проверено 19 октября 2016 .