Химический реактор – это замкнутый объем, в котором происходит химическая реакция . [1] [2] [3] [4] В химической технологии под ним обычно понимают технологический сосуд, используемый для проведения химической реакции, [5] которая является одной из классических единичных операций в анализе химических процессов. Проектирование химического реактора затрагивает множество аспектов химической технологии . Инженеры-химики проектируют реакторы так, чтобы максимизировать чистую приведенную стоимость данной реакции. Разработчики гарантируют, что реакция протекает с максимальной эффективностью в направлении желаемого конечного продукта, обеспечивая максимальный выход продукта, требуя при этом наименьших затрат на покупку и эксплуатацию. Обычные эксплуатационные расходы включают затраты энергии, отвод энергии, затраты на сырье , рабочую силу и т. д. Изменения энергии могут проявляться в форме нагрева или охлаждения, перекачки для повышения давления, потери давления из-за трения или перемешивания.
Инженерия химических реакций — это раздел химической инженерии, который занимается химическими реакторами и их проектированием, особенно применением химической кинетики в промышленных системах.
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 или периодического действия, и в любом из них может содержаться одно или несколько твердых веществ ( реагентов , катализаторов или инертных материалов), но реагенты и продукты обычно представляют собой жидкости (жидкости или газы). Реакторы в непрерывных процессах обычно работают в установившемся режиме , тогда как реакторы в периодических процессах обязательно работают в переходном состоянии . Когда реактор вводится в эксплуатацию впервые или после остановки, он находится в переходном состоянии, и ключевые переменные процесса изменяются со временем.
Существуют три идеализированные модели, используемые для оценки наиболее важных переменных процесса различных химических реакторов:
Многие реальные реакторы можно смоделировать как комбинацию этих основных типов.
Ключевые переменные процесса включают в себя:
Трубчатый реактор часто может представлять собой насадочный слой . В этом случае трубка или канал содержит частицы или гранулы, обычно твердый катализатор . [6] Реагенты в жидкой или газовой фазе прокачиваются через слой катализатора. [7] Химический реактор также может представлять собой псевдоожиженный слой ; см. Реактор с псевдоожиженным слоем .
Химические реакции, происходящие в реакторе, могут быть экзотермическими , то есть выделением тепла, или эндотермическими , то есть поглощением тепла. Реактор-резервуар может иметь охлаждающую или нагревательную рубашку или охлаждающие или нагревательные змеевики (трубки), обернутые вокруг внешней стенки его резервуара для охлаждения или нагрева содержимого, тогда как трубчатые реакторы могут быть сконструированы как теплообменники , если реакция сильно экзотермична . или как печи , если реакция сильно эндотермична . [8]
Самый простой тип реактора — реактор периодического действия. Материалы загружают в реактор периодического действия, и реакция протекает во времени. Реактор периодического действия не достигает устойчивого состояния, и часто необходим контроль температуры, давления и объема. Поэтому многие реакторы периодического действия имеют порты для датчиков, а также ввода и вывода материала. Реакторы периодического действия обычно используются в мелкомасштабном производстве и реакциях с биологическими материалами, например, в пивоварении, варке целлюлозы и производстве ферментов. Одним из примеров реактора периодического действия является реактор под давлением .
В CSTR один или несколько жидких реагентов вводятся в резервуарный реактор, который обычно перемешивается с помощью крыльчатки , чтобы обеспечить правильное смешивание реагентов, в то время как выходящие из реактора продукты удаляются. Разделение объема резервуара на среднюю объемную скорость потока через резервуар дает пространственное время или время, необходимое для обработки одного объема жидкости в реакторе. Используя химическую кинетику , можно рассчитать ожидаемый процент завершения реакции . Некоторые важные аспекты CSTR:
Поведение CSTR часто аппроксимируется или моделируется поведением реактора непрерывного действия с идеальным перемешиванием (CISTR). Все расчеты, выполненные с помощью CISTR, предполагают идеальное смешивание . Если время пребывания в 5-10 раз превышает время смешивания, такое приближение считается допустимым для инженерных целей. Модель CISTR часто используется для упрощения инженерных расчетов и может использоваться для описания исследовательских реакторов. На практике к этому можно только приблизиться, особенно в реакторах промышленного размера, в которых время смешивания 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 нагрева, при этом происходит непрерывный поток исходного материала и продукта.
В PFR, который иногда называют трубчатым реактором непрерывного действия (CTR), [10] один или несколько жидких реагентов перекачиваются через трубу или трубку. Химическая реакция протекает по мере прохождения реагентов через PFR. В реакторе этого типа изменение скорости реакции создает градиент в зависимости от пройденного расстояния; на входе в PFR скорость очень высока, но по мере уменьшения концентрации реагентов и увеличения концентрации продукта(ов) скорость реакции замедляется. Некоторые важные аспекты PFR:
Для большинства химических реакций, представляющих промышленный интерес, невозможно довести реакцию до 100% завершения. Скорость реакции снижается по мере расходования реагентов до момента, когда система достигает динамического равновесия (чистой реакции или изменения химических веществ не происходит). 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 иногда можно использовать повторно в начале процесса, например, в процессе Габера . В некоторых случаях для достижения равновесия потребуются очень большие реакторы, и инженеры-химики могут решить разделить частично прореагировавшую смесь и переработать оставшиеся реагенты.
В условиях ламинарного потока предположение о поршневом потоке весьма неточно, поскольку жидкость, проходящая через центр трубы, движется намного быстрее, чем жидкость у стенки. Реактор непрерывного действия с колебательными перегородками (COBR) обеспечивает тщательное перемешивание за счет сочетания колебаний жидкости и диафрагменных перегородок, что позволяет аппроксимировать поршневой поток в условиях ламинарного потока .
Полупериодический реактор работает как с непрерывным, так и с периодическим входом и выходом. Например, в ферментер загружается партия среды и микробов, которые постоянно производят углекислый газ, который необходимо постоянно удалять. Точно так же реакция газа с жидкостью обычно затруднена, поскольку для реакции с равной массой жидкости требуется большой объем газа. Чтобы преодолеть эту проблему, через порцию жидкости можно барботировать непрерывную подачу газа. Как правило, при полупериодическом режиме один химический реагент загружается в реактор, а второй химический реагент добавляется медленно (например, для предотвращения побочных реакций ), или продукт, возникающий в результате фазового перехода, непрерывно удаляется, например, образовавшийся газ. в результате реакции выделяется твердое вещество или гидрофобный продукт, образующийся в водном растворе.
Хотя каталитические реакторы часто реализуют в виде реакторов идеального вытеснения, их анализ требует более сложной обработки. Скорость каталитической реакции пропорциональна количеству катализатора, с которым контактируют реагенты, а также концентрации реагентов. При использовании твердофазного катализатора и жидкофазных реагентов это пропорционально площади воздействия, эффективности диффузии реагентов внутрь и наружу продуктов, а также эффективности смешивания. Обычно невозможно предположить идеальное смешивание. Более того, каталитический путь реакции часто протекает в несколько стадий с промежуточными соединениями, химически связанными с катализатором; а поскольку химическое связывание с катализатором также является химической реакцией, оно может влиять на кинетику. Каталитические реакции часто демонстрируют так называемую фальсифицированную кинетику , когда кажущаяся кинетика отличается от фактической химической кинетики из-за физических эффектов переноса.
Также следует учитывать поведение катализатора. В частности, в высокотемпературных нефтехимических процессах катализаторы дезактивируются в результате таких процессов, как спекание , коксование и отравление .
Типичным примером каталитического реактора является каталитический нейтрализатор , перерабатывающий токсичные компоненты автомобильных выхлопов. Однако большинство нефтехимических реакторов являются каталитическими и отвечают за большую часть промышленного химического производства, причем чрезвычайно объемные примеры включают серную кислоту , аммиак , риформат / БТЭК (бензол, толуол, этилбензол и ксилол) и флюид-каталитический крекинг . Возможны различные конфигурации, см. Гетерогенный каталитический реактор .
