РЕАКТОРЫ ХИМИЧЕСКИЕ

РЕАКТОРЫ ХИМИЧЕСКИЕ (отлат. rе- приставка, означающая обратное действие, и actor – приводящий в действие,действующий), пром. аппараты для осуществления хим. р-ций. Конструкция и режимработы реакторов химических определяются типом р-ции, фазовым состоянием реагентов, характеромпротекания процесса во времени (периодический, непрерывный, с изменяющейся активностьюкатализатора), режимом движения реакц. среды (периодический, полупроточный,с рециклом), тепловым режимом работы (адиабатический, изотермический, с теплообменом),типом теплообмена, видом теплоносителя. По типу конструкции реакторы химические подразделяютна емкостные, колонные, трубчатые (рис. 1). Емкостные реакторы химические-полые аппараты,часто снабженные перемешивающим устройством. Перемешивание газо-жидкостных системможет производиться барботированием газообразного реагента. Теплообменосуществляется через пов-сть реакторов химических или путем частичного испарения жидкого компонентареакц. смеси. К реакторам этого типа относят также аппараты с неподвижным илипсевдоожиженным слоем (одним или несколькими) катализатора (см., напр., Псевдоожижение).В многослойных реакторах теплообмен осуществляется смешением потоков реагентовили в теплообменных элементах аппарата. В емкостных реакторах химических проводят непрерывные,перио-дич. и полупериодич. процессы (см. Непрерывные и периодические процессы).

Рис. 1 Основные типы хим.реакторов: а-проточный емкостный реактор с мешалкой и теплообменной рубашкой;б – многослойный каталитич. реактор с промежуточными и теплообменнымиэлементами; в-колонный реактор с насадкой для двухфазного процесса; г-трубчатыйреактор; И-исходные в-ва; П- продукты р-ции; Т – теплоноситель; К – катализатор;Н-насадка; ТЭ теплообмен-ные элементы.

Колонные реакторы химические могут бытьпустотелыми либо заполненными катализатором или насадкой (см. Насадочныеаппараты). Для улучшения межфазного массообмена применяют диспергированиес помощью разбрызгивателей (см. Распыливание), барботеров, мех.воздействия (вибрация тарельчатой насадки, пульсация потоков фаз) или насадки,обеспечивающей высокоскоростное пленочное движение фаз. Реакторы химические данного типа используютв осн. для проведения непрерывных процессов в двух- или трехфазных системах.Трубчатые реакторы химические применяют часто для каталитич. р-ций с теплообменом в реакц.зоне через стенки трубок и для осуществления высокотемпературных процессов газификации.При одновременном скоростном движении неск. фаз в таких реакторах достигаетсянаиб. интенсивный межфазный массообмен. Специфич. особенностями отличаются реакторы химические для электрохим. (см. Электролиз), плазмохим. (см. Плазма-химическаятехнология) и радиационно-хим. (см. Радиацион-но-химическая технология)процессов.

При расчете реакторов химических определяютнеобходимые для достижения заданной производительности и селективности процессаобъем аппарата, скорость потока, пов-сть теплообмена, гидравлич. сопротивление,режим работы, конструктивные параметры (уточняются на основании аэродинамич.испытаний). Расчет выполняют на основе данных по термодинамике и кинетике р-ций,скорости тепло- и массообмена (см. Макрокинетика)с учетом структурыпотоков в аппаратах. Наиб. полный расчет, проводимый методом моделированияс использованием ЭВМ, включает определение полей т-ры и концентрации, оптим.режима, схемы теплообмена и циркуляции (см. Оптимизация), а также,наряду с выбором способа управления, анализ устойчивости режима. См. также Массообмен,Перемешивание, Печи, Пленочные аппараты, Теплообмен.

Лит.: ЛевеншпильО., Инженерное оформление химических процессов пер. с англ., М., 1969; ДидушинскийЯ., Основы проектирования каталити ческих реакторов, пер. с польск., М., 1972;Расчет химико-технологических процессов, под ред. И. П. Мухленова, Л., 1976;Общая химическая технология, ч. 1. Теоретические основы химической технологии,4 изд., М., 1984, с. 77-119 Кутепов А. М., Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г.,Общая химичес кая технология, 2 изд., ч. 1, М., 1990, с. 63-169. B.C. Бесков

Динамические режимыхим. реакторов характеризуются изменением во времени параметров, определяющихсостояние процесса (концентрация, т-ра, давление и др.). В дина-мич. режимевсегда функционирует реактор периодич. действия, в к-ром ход процесса изменяетсяот момента загрузки сырья до выгрузки готового продукта. Реактор непрерывногодействия должен работать в стационарном, неизменном во времени режиме. Однакоиз-за неизбежных внеш. возмущений, напр. изменения состава сырья, условий отводаили подвода теплоты, возникают отклонения от стационарного режима. Они м. б.незначительными и существенными, приводящими к заметным изменениям качествапродукта, производительности реактора и даже к авариям. Динамич. режимы реакторовнепрерывного действия исследуют с помощью их мат. моделей в виде диффе-ренц.ур-ний в обыкновенных или частных производных.

Динамич. режимы непрерывнодействующего реактора идеального смешения, в к-ром протекает экзотермич. р-цияпервого порядка, описываются безразмерной системой ур-ний, составленной на основематериального (1) и теплового (2) балансов:

где х, у -переменные,пропорциональные соотв. концентрации реагирующего в-ва и т-ре в реакторе; x0,y0-те же переменные для потока на входе реактора; ут- переменная, пропорциональная т-ре окружающей среды; l-констан та,пропорциональная расходу потока на входе реактора, b-константа, пропорциональнаякоэф. теплопередачи и площадипов-сти теплообмена с окружающей средой; т-время.

Стационарные режимы реактораопределяются условием dx/dт = dy/dт =0. Решение ур-ний (1), (2) при этом дает значения xs и ysдля стационарного состояния. В зависимости от параметров реактора стационарныхсостояний м. б. одно или три; в общем случае их всегда нечетное число.

Динамич. режимы исследуютс помощью фазовой плоскости x, у. Решения системы (1), (2) являютсяф-циями времени х(т), y(т) и начальных условий.Каждому мгновенному состоянию реактора (рис. 2) в момент тксоответствует на плоскости х, у нек-рая точка М, наз. изображающей. Приизменении т эта точка будет двигаться по фазовой плоскости; траектория точкиназ. фазовой. Вся совокупность траекторий, отвечающих разл. начальным условиям,представляет собой фазовый портрет системы, к-рый однозначно отражает динамич.режимы.

Стационарные состоянияреактора изображены на фазовых портретах спец. точками (А, В, С). Направлениеизменения режима реактора указывается стрелками. Если траектория стремится кстационарному состоянию, то оно устойчиво, а режим реактора работоспособен.Если траектория выходит из стационарного состояния, то оно неустойчиво. Исследованияустойчивости стационарных состояний – одна из главных задач изучения динамич.режимов.

На рис. 2 представленыфазовые портреты системы, отражающие наиб. интересные динамич. режимы функционированияхим. реакторов. Портрет а соответствует режиму с единств. устойчивымстационарным состоянием А, при отклонении от к-рого переменные х и устремятся в него вернуться. Спиральный характер траекторий на портрете бозначает, что режим приближения к единств. стационарному состоянию А являетсяколебательным затухающим.

Траектории на портретев, отвечающие неустойчивому стационарному состоянию А, уходят от негои стремятся к замкнутой траектории Г, наз. предельным циклом. Движение изображающейточки по Г означает незатухающие колебания х и у. Исследованиятаких режимов (автоколебаний)-еще одна задача изучения динамич. режимов. Портретг соответствует режиму с тремя стационарными состояниями, одно из к-рых неустойчиво.Принципиально возможен случай, когда все стационарные состояния неустойчивы.При этом они охватываются предельным циклом. Изучение динамич. режимов позволяетрешать проблемы оптим. конструирования и автоматизации хим. реакторов.

Рис. 2. Фазовые портретыхим. реакторов: а-устойчивый режим с монотонным приближением к единств.стационарному состоянию А; б-устойчивый режим с колебат. приближениемк состоянию А; в-автоколебат. режим, от стационарного состояния А режимпереходит на предельный цикл Г; г-случай трех стационарных состояний,из к-рых А и С устойчивы, В-неустойчиво.

Лит.: Вольтер Б.В., Сальников И. Е., Устойчивость режимов работы химических реакторов, 2 изд.,М., 1981; Aris R., Mathematical modelling techniques, S. F., 1979. Б. В.Вольтер.

В разделе Акции и скидки на нашем сайте https://resant.ru/ на странице https://resant.ru/aktsiya-skidki-otoplenie-vodosnabzhenie.html можно всегда найти выгодное предложение по отоплению и водоснабжению