12.4 Аппараты идеального вытеснения, идеального смешения и промежуточного типа

Реакторы идеального вытеснения (рисунок 175). Реактор идеального вытеснения характеризуется переменной концентрацией реагирующих веществ по длине аппарата, наибольшей разницей концентраций на входе и выходе из реактора и, следовательно, наибольшей средней движущей силой процесса.

а) однотрубный реактор; б) многотрубный реактор.

Рисунок 175 - Реакторы идеального вытеснения.

Изменение концентрации в реакционном объеме носит плавный характер, так как последующие реакционные объемы реагирующих веществ не смешиваются с предыдущим, а полностью вытесняются.

Практически к режиму идеального вытеснения можно приблизиться в реакторе с малым диаметром и большой длиною при относительно высоких скоростях движения реагирующих веществ. Реакторы идеального вытеснения находят широкое применение для проведения как гомогенных, так и гетерогенных каталитических процессов (например, окисления NO в NO2, SO2 в SO3, синтеза аммиака и метилового спирта, хлорирование этилена, сульфирования пропилена и бутилена и т.д.).

Реакторы идеального смещения (рисунок 176). Реактор полного смещения обычно снабжен каким либо перемешивающим устройством и характеризуется постоянством концентрации реагирующих веществ во всем объеме реактора в данный момент времени, вследствие практически мгновенного смещения реагирующих веществ в реакционном объеме.

Поэтому изменение концентрации реагирующих веществ на входе в реактор носит скачкообразный характер. Средняя движущая сила процесса в таком аппарате будет меньше, чем в аппарате полного вытеснения.

Реакторы этого типа наиболее широко применяются для проведения таких процессов, как нитрование, сульфирование, полимеризация и т.д.

В некоторых случаях процесс химического превращения вещества проводится не в одном аппарате смешения, а в нескольких таких аппаратах, соединенных последовательно. Такая система, состоящая в некоторых случаях из 20 и более аппаратов, получила название каскада реакторов (рисунок 176д). В каскаде реакторов изменение концентрации реагирующих веществ носит ступенчатый характер, так как продукт реакции предыдущего аппарата является исходным реагирующим веществом в последующем аппарате.

а) одноступенчатый аппарат; б) характер изменения концентрации в одноступенчатом аппарате; в) вертикальный многоступенчатый аппарат; г) многосекционный горизонтальный аппарат; д) батарея аппаратов смешения; е) характер изменения концентрации в многоступенчатом аппарате.

Рисунок 176 - Реакторы идеального смешения.

Гидродинамический режим работы каскада реакторов является промежуточным и зависит от числа аппаратов; с увеличением числа реакторов в каскаде он приближается к режиму вытеснения, а при уменьшении к режиму смешения.

В каскаде увеличивается время прибывания реагирующих веществ по сравнению с одним реактором смешения, а также возрастает выход продукта реакции по сравнению с реактором вытеснения.

Реактор промежуточного типа. В реакторе промежуточного типа нельзя осуществлять полностью ни один из перечисленных выше гидродинамических режимов движения реагирующих веществ. Средняя движущая сила процесса в таком аппарате больше, чем в аппарате полного смешения, но меньше, чем в аппарате полного вытеснения. Следует отметить, что значительная часть реакционной химической аппаратуры работает именно в этом гидродинамическом режиме.

Реакторы промежуточного типа применяют в тех случаях, когда процесс химического превращения вещества сопровождается большим тепловым эффектом или протекает при высоких концентрациях реагирующих веществ, а также в случае, когда одно из реагирующих веществ имеет низкую скорость растворения в реакционной смеси.