Реакторы непрерывного действия (также называемые реакторами проточного типа ) переносят материал в виде проточного потока. Реагенты непрерывно подаются в реактор и выходят в виде непрерывного потока продукта. Реакторы непрерывного действия используются для широкого спектра химических и биологических процессов в пищевой , химической и фармацевтической промышленности. Исследование рынка реакторов непрерывного действия выявит ошеломляющее разнообразие форм и типов машин. Однако за этим изменением скрывается относительно небольшое количество ключевых конструктивных особенностей, определяющих возможности реактора. При классификации реакторов непрерывного действия может быть более полезно рассматривать эти конструктивные особенности, а не всю систему.
Реакторы можно разделить на две большие категории: реакторы периодического действия и реакторы непрерывного действия. [1] Реакторы периодического действия представляют собой резервуары с перемешиванием, достаточно большие, чтобы обрабатывать весь запас полного периодического цикла. В некоторых случаях реакторы периодического действия могут работать в полупериодическом режиме, когда в резервуар загружают одно химическое вещество, а второе химическое вещество добавляют медленно. Реакторы непрерывного действия обычно меньше реакторов периодического действия и обрабатывают продукт как проточный поток. Реакторы непрерывного действия могут быть выполнены в виде труб с перегородками или без них или в виде серии взаимосвязанных ступеней. Ниже рассмотрены преимущества двух вариантов.
Скорость теплопередачи внутри реактора можно определить по следующему соотношению:
где:
С точки зрения конструкции реактора, на мощность теплопередачи сильно влияет размер канала, поскольку он определяет площадь теплопередачи на единицу объема. Размер канала можно классифицировать по-разному, однако в самом широком смысле это следующие категории:
Промышленные реакторы периодического действия: 1–10 м 2 /м 3 (в зависимости от мощности реактора)
Лабораторные реакторы периодического действия: 10–100 м 2 /м 3 (в зависимости от мощности реактора)
Реакторы непрерывного действия (немикро): 100–5000 м 2 /м 3 (в зависимости от размера канала)
Микрореакторы: 5 000–50 000 м 2 /м 3 (в зависимости от размера канала)
Преимущество каналов малого диаметра заключается в высокой способности теплопередачи. Однако при этом они имеют меньшую пропускную способность, более высокий перепад давления и повышенную склонность к блокированию. Во многих случаях физическая структура и технологии изготовления микрореакторов сильно затрудняют очистку и разблокировку.
Регулирование температуры является одной из ключевых функций химического реактора. [3] Плохой контроль температуры может серьезно повлиять как на урожайность , так и на качество продукции. Это также может привести к кипению или замерзанию внутри реактора, что может привести к полной остановке работы реактора. В крайних случаях плохой контроль температуры может привести к серьезному избыточному давлению, которое может оказаться разрушительным для оборудования и потенциально опасным.
В реакторе периодического действия хороший контроль температуры достигается, когда тепло, добавляемое или отводимое поверхностью теплообмена (qx), равно теплу, выделяемому или поглощаемому обрабатываемым материалом (qp). Для проточных реакторов, состоящих из труб или пластин, соблюдение соотношения qx = qp не обеспечивает хорошего контроля температуры, поскольку скорость технологического выделения/поглощения тепла варьируется в разных точках реактора. Контроль температуры на выходе не предотвращает образование горячих/холодных зон внутри реактора. Горячие или холодные точки, вызванные экзотермической или эндотермической активностью, можно устранить, переместив датчик температуры (Т) в точку, где существуют горячие/холодные точки. Однако это приводит к перегреву или переохлаждению после датчика температуры.
Во многих различных типах пластинчатых или трубчатых реакторов используется простой контроль температуры продукта с помощью обратной связи. С точки зрения пользователя, этот подход подходит только для процессов, в которых воздействие горячих/холодных точек не ставит под угрозу безопасность, качество или производительность.
Микрореакторы могут быть трубчатыми или пластинчатыми и иметь проточные каналы малого диаметра (обычно менее 1 мм). Значение микрореакторов состоит в том, что площадь теплопередачи (А) на единицу объема (продукта) очень велика. Большая площадь теплообмена означает, что высокие значения qx могут быть достигнуты при низких значениях Tp – Tj. Низкое значение Tp – Tj ограничивает степень возможного переохлаждения. Таким образом, температуру продукта можно контролировать путем регулирования температуры теплоносителя (или продукта).
Сигналом обратной связи для управления температурой процесса может быть температура продукта или температура теплоносителя. Часто более практично контролировать температуру теплоносителя.
Хотя микрореакторы являются эффективными устройствами теплопередачи, узкие каналы могут привести к высоким перепадам давления, ограниченной пропускной способности и склонности к закупорке. Они также часто изготавливаются таким образом, что очистка и демонтаж затруднены или невозможны.
Условия внутри реактора непрерывного действия изменяются по мере прохождения продукта по проточному каналу. В идеальном реакторе конструкция проточного канала оптимизирована с учетом этого изменения. На практике это достигается разбиением реактора на ряд ступеней. На каждом этапе идеальные условия теплопередачи могут быть достигнуты путем изменения соотношения поверхности к объему или потока охлаждения/нагрева. Таким образом, на стадиях, где технологическая теплоотдача очень высока, либо используются экстремальные температуры теплоносителя, либо высокое соотношение поверхности к объему (или и то, и другое). Решая проблему в виде серии этапов, можно использовать экстремальные условия охлаждения/нагрева в горячих/холодных точках, не допуская перегрева или переохлаждения в других местах. Значение этого заключается в том, что можно использовать каналы большего размера. Обычно желательны проточные каналы большего размера, поскольку они обеспечивают более высокую скорость, меньший перепад давления и меньшую склонность к закупорке.
Смешение является еще одним важным классификационным признаком реакторов непрерывного действия. Хорошее перемешивание повышает эффективность тепломассообмена.
С точки зрения траектории через реактор идеальным условием потока для реактора непрерывного действия является поршневое течение (поскольку оно обеспечивает равномерное время пребывания внутри реактора). Однако существует определенный конфликт между хорошим перемешиванием и поршневым течением, поскольку смешивание вызывает как осевое, так и радиальное движение жидкости. В реакторах трубчатого типа (со статическим перемешиванием или без него) адекватное перемешивание может быть достигнуто без серьезного нарушения поршневого потока. По этой причине реакторы такого типа иногда называют реакторами идеального вытеснения.
Реакторы непрерывного действия можно классифицировать по механизму смешивания следующим образом:
Диффузионное смешивание основано на градиентах концентрации или температуры внутри продукта. Этот подход распространен в микрореакторах, где толщина каналов очень мала и тепло может передаваться к поверхности теплопередачи и от нее за счет проводимости. В каналах большего размера и для некоторых типов реакционных смесей (особенно несмешивающихся жидкостей) смешивание путем диффузии непрактично.
В реакторе непрерывного действия продукт непрерывно прокачивают через реактор. Этот насос также можно использовать для ускорения перемешивания. Если скорость жидкости достаточно высока, существуют условия турбулентного течения (что способствует перемешиванию). Недостатком этого подхода является то, что он приводит к созданию длинных реакторов с высокими перепадами давления и высокими минимальными скоростями потока. Это особенно верно, когда реакция протекает медленно или продукт имеет высокую вязкость. Эту проблему можно решить с помощью статических смесителей. Статические смесители представляют собой перегородки в канале потока, которые используются для перемешивания. Они способны работать как в турбулентных условиях, так и без них. Статические смесители могут быть эффективными, но при этом требуют относительно длинных каналов потока и создают относительно высокие перепады давления. Колебательный реактор с перегородками представляет собой специализированную форму статического смесителя, в котором направление технологического потока меняется. Это обеспечивает статическое перемешивание при низком чистом потоке через реактор. Преимущество этого заключается в том, что реактор остается сравнительно коротким.
В некоторых реакторах непрерывного действия для смешивания используется механическое перемешивание (а не насос для перекачки продукта). Хотя это усложняет конструкцию реактора, оно дает значительные преимущества с точки зрения универсальности и производительности. Благодаря независимому перемешиванию можно поддерживать эффективное перемешивание независимо от производительности и вязкости продукта. Это также устраняет необходимость в длинных каналах потока и высоких перепадах давления.
Еще одной менее желательной особенностью механических мешалок является сильное осевое перемешивание, которое они создают. Эту проблему можно решить, разбив реактор на серию смешанных ступеней, разделенных небольшими каналами поршневого потока.
Наиболее известной формой реактора непрерывного действия этого типа является резервуарный реактор непрерывного перемешивания (CSTR). По сути, это реактор периодического действия, используемый в непрерывном потоке. Недостаток одноступенчатого CSTR заключается в том, что он может быть относительно расточительным для продукта во время запуска и остановки. Реагенты также добавляются к смеси, богатой продуктом. Для некоторых типов процессов это может повлиять на качество и выход продукции. Эти проблемы решаются с помощью многоступенчатых CSTR. В больших масштабах для стадий CSTR можно использовать обычные реакторы периодического действия.
