Химический реактор — это замкнутый объем, в котором происходит химическая реакция . [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 анализе химических процессов. Проектирование химического реактора имеет дело с несколькими аспектами химической инженерии . Инженеры-химики проектируют реакторы для максимизации чистой приведенной стоимости для данной реакции. Проектировщики гарантируют, что реакция протекает с максимальной эффективностью в направлении желаемого выходного продукта, производя максимальный выход продукта при минимальном количестве денег на его покупку и эксплуатацию. Обычные эксплуатационные расходы включают в себя потребление энергии, отвод энергии, затраты на сырье , рабочую силу и т. д. Изменения энергии могут происходить в форме нагрева или охлаждения, перекачивания для повышения давления, потери давления из-за трения или перемешивания.
Химическая реакционная техника — это раздел химической инженерии, который занимается химическими реакторами и их проектированием, в частности, 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 непрерывные реакторы или реакторы периодического действия, и любой из них может вмещать одно или несколько твердых веществ ( реагентов , катализаторов или инертных материалов), но реагенты и продукты обычно являются жидкостями (жидкостями или газами). Реакторы в непрерывных процессах обычно работают в стационарном состоянии , тогда как реакторы в периодических процессах обязательно работают в переходном состоянии . Когда реактор вводится в эксплуатацию, либо в первый раз, либо после остановки, он находится в переходном состоянии, и ключевые переменные процесса изменяются со временем.
Для оценки наиболее важных технологических параметров различных химических реакторов используются три идеализированные модели:
Многие реальные реакторы можно смоделировать как комбинацию этих основных типов.
Ключевые переменные процесса включают в себя:
Трубчатый реактор часто может быть насадочным слоем . В этом случае трубка или канал содержит частицы или гранулы, обычно твердый катализатор . [6] Реагенты в жидкой или газообразной 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 , то есть выделяющими тепло, или эндотермическими , то есть поглощающими тепло. Резервуарный реактор может иметь охлаждающую или нагревательную рубашку или охлаждающие или нагревательные змеевики (трубки), обернутые вокруг внешней стороны стенки его сосуда для охлаждения или нагревания содержимого, в то время как трубчатые реакторы могут быть спроектированы как теплообменники , если реакция сильно экзотермическая , или как печи, если реакция сильно эндотермическая . [8]
Самый простой тип реактора — реактор периодического действия. Материалы загружаются в реактор периодического действия, и реакция протекает с течением 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 и ввода и вывода материалов. Реакторы периодического действия обычно используются в мелкосерийном производстве и реакциях с биологическими материалами, например, в пивоварении, варке целлюлозы и производстве ферментов. Одним из примеров реактора периодического действия является реактор давления .
В CSTR один или несколько жидких реагентов вводятся в резервуар-реактор, который обычно перемешивается крыльчаткой для обеспечения надлежащего смешивания реагентов, в то время как стоки реактора удаляются. Деление объема резервуара на среднюю объемную скорость потока через резервуар дает время пространства или время, необходимое для обработки одного объема реактора жидкости. 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 использованием 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 быть использована для описания исследовательских реакторов. На практике к ней можно приблизиться, особенно в реакторах промышленного размера, в которых время перемешивания может быть очень большим.
Петлевой реактор — это гибридный тип каталитического реактора, который физически напоминает трубчатый реактор, но работает как CSTR. Реакционная смесь циркулирует в петле трубы, окруженной рубашкой для охлаждения или нагрева, и существует непрерывный поток исходного материала на входе и продукта на выходе.
В PFR, иногда называемом непрерывным трубчатым реактором (CTR), [10] один или несколько жидких реагентов прокачиваются через трубу или трубку. Химическая реакция протекает по мере того, как реагенты перемещаются через PFR. В этом типе реактора изменение скорости реакции создает градиент относительно 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, чтобы реакция достигла 100% завершения. Скорость реакции уменьшается по мере расходования реагентов до точки, в которой система достигает динамического равновесия (нет чистой реакции или изменения химических видов). Точка равновесия для большинства систем менее 100% завершения. 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 могут быть повторно использованы в начале процесса, например, в процессе Габера . В некоторых случаях для достижения равновесия потребуются очень большие реакторы, и инженеры-химики могут выбрать разделение частично прореагировавшей смеси и рециркуляцию оставшихся реагентов.
В условиях ламинарного потока предположение о пробковом потоке крайне неточно, поскольку жидкость, проходящая через центр трубки, движется гораздо быстрее, чем жидкость у стенки. Непрерывный колебательный реактор с перегородками (COBR) обеспечивает тщательное смешивание за счет комбинации колебаний жидкости и перегородок с отверстиями, что позволяет приблизиться к пробковому потоку в условиях ламинарного потока .
Полупериодический реактор работает как с непрерывными, так и с периодическими входами и выходами. Например, ферментер загружается партией среды и микробов, которые постоянно производят углекислый газ, который необходимо непрерывно удалять. Аналогично, реакция газа с жидкостью обычно затруднена, поскольку для реакции с равной массой жидкости требуется большой объем газа. Чтобы преодолеть эту проблему, непрерывная подача газа может барботироваться через партию жидкости. В общем, при полупериодической работе один химический реагент загружается в реактор, а второй химикат добавляется медленно (например, для предотвращения побочных реакций ), или продукт, который получается в результате фазового перехода, непрерывно удаляется, например, газ, образующийся в результате реакции, твердое вещество, которое выпадает в осадок, или гидрофобный продукт, который образуется в водном растворе.
Хотя каталитические реакторы часто реализуются как реакторы с поршневым потоком, их анализ требует более сложного подхода. Скорость каталитической реакции пропорциональна количеству катализатора, с которым контактируют реагенты, а также концентрации реагентов. В случае твердофазного катализатора и жидкофазных реагентов она пропорциональна площади воздействия, эффективности диффузии реагентов внутрь и продуктов наружу и эффективности смешивания. Идеальное смешивание обычно не может быть предположено. Кроме того, путь каталитической реакции часто происходит в несколько этапов с промежуточными продуктами, которые химически связаны с катализатором; и поскольку химическое связывание с катализатором также является химической реакцией, оно может повлиять на кинетику. Каталитические реакции часто демонстрируют так называемую фальсифицированную кинетику , когда кажущаяся кинетика отличается от фактической химической кинетики из-за физических транспортных эффектов.
Поведение катализатора также является предметом рассмотрения. 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 чрезвычайно большими объемами примеров, включая серную кислоту , аммиак , риформат/ BTEX (бензол, толуол, этилбензол и ксилол) и каталитический крекинг с псевдоожиженным слоем . Возможны различные конфигурации, см. Гетерогенный каталитический реактор .
