Войти
A химический реактор - это замкнутый объем, в котором протекает химическая реакция. В химическом машиностроении обычно понимается технологический сосуд, используемый для проведения химической реакции, которая является одной из классических единичных операций в анализе химического процесса. При проектировании химического реактора учитываются несколько аспектов химической инженерии. Инженеры-химики проектируют реакторы так, чтобы максимизировать чистую приведенную стоимость для данной реакции. Разработчики гарантируют, что реакция протекает с наивысшей эффективностью по отношению к желаемому выходному продукту, давая самый высокий выход продукта, при этом требуя наименьшего количества денег для покупки и эксплуатации. Нормальные эксплуатационные расходы включают затраты энергии, отвод энергии, сырье, затраты на рабочую силу и т. Д. Энергетические изменения могут проявляться в виде нагрева или охлаждения, перекачки для повышения давления, потери давления на трение или волнение.
Химическая реакционная техника - это отрасль химического машиностроения, которая занимается химическими реакторами и их конструкцией, особенно путем применения химической кинетики в промышленных системах.
Частичный вид химического реактора с мешалкой и охлаждающей рубашкой 
Химический реактор с обернутыми вокруг него полукольцами Наиболее распространенными основными типами химических реакторов являются резервуары (в которых реагенты смешиваются во всем объеме) и трубы или трубки (для реакторов с ламинарным потоком и поршневых реакторов )
Оба типа могут быть используются в качестве реакторов непрерывного действия или реакторов периодического действия, и любой из них может содержать 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 установившемся режиме, тогда как реакторы в периодических процессах обязательно работают в переходном состоянии. Когда Реактор запускается либо в первый раз, либо после останова, 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:
Трубчатый реактор часто может быть уплотненным слоем. В этом случае трубка или канал содержат частицы или гранулы, обычно твердый катализатор. Реагенты в жидкой или газовой фазе прокачиваются через слой катализатора. Химический реактор также может быть псевдоожиженным слоем ; см. Реактор псевдоожиженного слоя.
Химические реакции, протекающие в реактор может быть экзотермическим, что означает отвод тепла, или эндотермическим, что означает поглощение тепла. Резервуарный реактор может иметь охлаждающую или нагревательную рубашку или охлаждающие или нагревательные змеевики (трубки), обернутые вокруг за пределами стенки сосуда для охлаждения или нагрева содержимого, в то время как трубчатые реакторы могут быть сконструированы как теплообменники, если реакция сильно экзотермические или подобные печи, если реакция сильно эндотермическая.
Самый простой тип реактора представляет собой 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 высокого давления.
Проверка условий внутри корпуса реактора с мешалкой непрерывного действия (CSTR). Лопасти рабочего колеса (или мешалки) на валу помогают перемешивать. перегородка внизу изображения также помогает при перемешивании. В CSTR один или несколько жидких реагентов вводятся в резервуар-реактор, который обычно перемешивается с помощью лопастного колеса для обеспечения надлежащего перемешивания реагентов при удалении выходящего потока реактора. Разделение объема резервуара на средний объемный расход через резервуар дает пространственное время 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 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, особенно в реакторах промышленного размера, в которых время перемешивания может быть очень большим.
Петлевой реактор представляет собой 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 выхода продукта.
Простая схема, иллюстрирующая модель реактора с поршневым потоком В PFR, иногда называемом трубчатым реактором непрерывного действия (CTR), один или несколько жидких реагентов являются прокачивается через трубу или трубку. 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 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 продолжилась до 100%. Скорость реакции снижается по мере расходования реагентов до точки, где система достигает динамического равновесия (нет чистая реакция, или происходит изменение 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 трубки, движется намного быстрее, чем жидкость у стенки. В реакторе непрерывного действия с перегородками (COBR) достигается тщательное перемешивание за счет комбинации колебаний жидкости и перегородок с отверстиями, что позволяет приблизиться к пробковому потоку в условиях ламинарного потока.
Полупериодический реактор работает как с непрерывным, так и с периодическим режимом ввода и вывода. Например, ферментер загружен партией 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, можно барботировать непрерывную подачу газа 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.
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. В случае 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 ложную кинетику, когда кажущаяся кинетика отличается от реальной химической кинетики из-за физических эффектов переноса.
Продукт катализатора также является предметом рассмотрения. В частности, в высокотемпературных нефтехимических процессах катализаторы дезактивируются такими процессами, как спекание, коксование и отравление.
Распространенным примером каталитического реактора является катализатор, перерабатывающий 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, продукт риформинга / BTEX (бензол, толуол, этилбензол и ксилол) и каталитический крекинг в псевдоожиженном слое. Возможны различные конфигурации, см. Гетерогенный каталитический реактор.
Химический портал 
Инженерный портал 