Берлин Ал.Ал., Прут Э.В. - Химические реакторы

ХИМИЯХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫАл. Ал. БЕРЛИН, Э. В. ПРУТМосковский физико-технический институт, Долгопрудный Московской обл.ВВЕДЕНИЕCHEMICAL REACTORSAl. Al. BERLIN, E. V. PRUTThe main models of chemical reactors and theiraction principles are considered.

Special attention is given to the application of extruders asa reactor for carrying out a chemical reactionin viscous polymeric media. The possibility ofuse of extruders for the recycling of polymericmaterials and for carrying out a chemical reaction of synthesis and modification of polymersin solid state is considered.© Берлин Ал.Ал., Прут Э.В., 2000Проанализированы основные модели химических реакторов и принципы их работы.Особое внимание уделено применению экструдеров как реакторов для проведенияхимических реакций в вязких полимерныхсредах.

Рассмотрена возможность применения экструдеров для измельчения полимерных материалов и проведения химических реакций синтеза и модификации полимеров в твердой фазе.30www.issep.rssi.ruЧеловечество давно пользуется искусственными химическими веществами и материалами, для получениякоторых применяют специальные аппараты и оборудование. Конструкции химических реакторов весьма разнообразны и должны отвечать определенным требованиям для того, чтобы продукт получался с максимальнойпроизводительностью, высокого качества, минимальными затратами исходных веществ, энергии и труда.Для создания реактора оптимальной конструкциинеобходимы, как говорят, исходные данные.

В первуюочередь следует знать кинетику химической реакции,то есть информацию об основной реакции, приводящейк целевому продукту, и о побочных процессах, приводящих к нерациональному расходу сырья и образованиюненужных, а иногда и вредных веществ (кинетика – наука о скоростях химических реакций).

Далее требуютсяданные о теплоте, выделяющейся или поглощаемой входе реакции, и о предельной, возможной степени превращения исходных веществ в продукты. На эти вопросы отвечает химическая термодинамика. Посколькудля осуществления реакции молекулы исходных реагентов должны встретиться друг с другом, реакционнуюсистему необходимо хорошо перемешивать.

Эффективность смешения зависит от вязкостей компонентов,взаимной растворимости исходных веществ и продуктов, скоростей потоков, геометрии реактора и различного рода устройств ввода реагентов. Этими вопросамизанимается наука, называемая гидродинамикой. Протекание химической реакции также влияет на смешение. Это изучает химическая гидродинамика. Наконец,температурный режим в реакторе следует поддерживатьв соответствии с требованиями кинетики, чтобы оптимизировать скорости реакции и выход целевого ипобочных продуктов.

Наука, которая занимается описанием химических реакций с учетом процессов массои теплопереноса, получила название макрокинетика(макроскопическая кинетика). Этот термин предложилизвестный отечественный ученый Д.А. Франк-Каменецкий.Таким образом, в общем виде задача расчета химического реактора чрезвычайно сложна.

Однако проблемуС О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 4 , 2 0 0 0ХИМИЯможно значительно упростить, используя некоторыепредельные модели.ОСНОВНЫЕ МОДЕЛИХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВРеактор идеального смешения периодического действия (РИСПД). Кастрюля с борщом, стоящая на огне, –пример химического реактора идеального смешенияпериодического действия.

Хороший повар знает,сколько времени варить борщ, чтобы он был вкусным.Одна из важнейших характеристик процесса – времяпребывания реакционной смеси в реакторе, котороедолжно быть согласовано с кинетикой основной химической реакции. Если время меньше необходимого, будет мал выход продукта. Если время пребывания слишком велико, могут пойти нежелательные побочныереакции. Предположим, что интересующий нас целевой продукт является промежуточным в серии последовательных реакций. Например, получим монохлорбензол, используя в качестве исходных реагентовбензол и хлор. Схематически реакцию можно представить в видеC6H6 + Cl2C6H5Cl + HCl,C6H5Cl + Cl2C6H4Cl2 + HCl,C6H4Cl2 + Cl2C6H3Cl3 + HClВ этом случае количество монохлорбензола (целевой продукт) проходит через максимум от времени, ивремя пребывания должно соответствовать этому максимуму.Вторая важная характеристика такого реактора –эффективность смешения.

В промышленности существуют различные методы смешения реагентов и перемешивания реакционной смеси. Чаще всего для этихцелей используют вращающиеся мешалки различнойконфигурации. Каждый реактор со своим перемешивающим устройством можно охарактеризовать некоторым средним временем смешения τсм . Измерить τсмможно следующим образом.

В какое-то место реакторавводится окрашенное вещество (индикатор). Затем,отбирая пробы в разных точках, определяют, за какоевремя весь объем реактора станет равномерно окрашенным. Реактор идеального смешения – это такойреактор, в котором выполняется условиеτсм ! τхим ,(1)где τхим – характерное время химической реакции. Приэтом концентрации всех веществ в любой момент времени будут одинаковы во всех точках реактора.В некоторых случаях в реактор сначала вводитсячасть реагентов, а затем постепенно добавляется наиболее реакционноспособный реагент. Так, при полу-чении хлорбензола в реактор с бензолом медленновводится газообразный хлор. Если при этом также выполняется условие (1), то реактор носит название реактора идеального смешения полупериодического действия.

Заметим, что в этом случае особенно важно, чтокритерием идеальности смешения является соотношение времени смешения и времени химической реакции, а не времени пребывания, которое может значительно превышать время химической реакции.Реактор идеального вытеснения (РИВ). Химическуюреакцию можно проводить в трубчатом реакторе, приэтом предварительно перемешанные реагенты вводятсяс одной стороны реактора, а конечная смесь выводитсяс другой.

Такой реактор называется реактором идеального вытеснения. Если нет перемешивания вдоль реактора и линейная скорость перемещения реакционноймассы вдоль реактора υ постоянна: реагирующая смеськак бы (или на самом деле) вытесняется поршнем. Тогдавремя пребывания реагирующей смеси в реакторе длиной L равно L / υ и одинаково для любой ее части. Такойреактор работает в непрерывном режиме, а каждый элемент реакционной смеси проходит такой же путь, что ив РИСПД. Поэтому описание работы обоих реакторовполностью идентично, причем параметр L / υ для РИВпросто соответствует времени реакции для РИСПД.Один из вариантов получения полиэтилена являетсяпримером промышленного процесса с РИВ.Реактор идеального смешения непрерывного действия (РИСНД).

Схема РИСНД приведена на рис. 1. В реактор непрерывно вводятся реагенты, а реакционнаясмесь, содержащая продукты и исходные вещества, интенсивно перемешивается и постоянно выводится изреактора. Среднее время пребывания реакционнойсмеси в таком реакторе равно V / W, где V – объем реактора, а W – суммарная объемная скорость подачи всехреагентов.В отличие от рассмотренных РИСПД и РИВ вРИСНД существует широкое распределение по временам пребывания, то есть одни молекулы, попав в реактор, находятся в нем длительное время, а другие быстроего покидают. Концентрации всех веществ в этом реакторе постоянны.Интересно проиллюстрировать различие реакторов на примере так называемой живущей полимеризации.

В раствор с мономером вводится инициатор, ккоторому последовательно присоединяются молекулымономера, образуя полимерную цепь. Если такую реакцию проводить в РИСПД, в РИВ или обычной лабораторной колбе с мешалкой, то все макромолекулы будутиметь практически одну и ту же длину (молекулярнуюмассу). Если тот же самый процесс проводить в РИСНД,то полимерный продукт будет состоять из набора молекул различной молекулярной массы. Другими словами,Б Е РЛ И Н А л . А л .

, П Р У Т Э . В . Х И М И Ч Е С К И Е Р Е А К Т О Р Ы31ХИМИЯРеагентПродуктыМешалкаТеплообменникино наступает спустя некоторое время после начала егоработы. Для определения температуры в РИСНД следует рассмотреть тепловой баланс. Скорость выделения тепла за счет химической реакции равнаEVQw хим = VQk [ A ] [ B ] = VQk 0 exp  – ------- [ A ] [ B ], RT где V – объем реактора, Q – теплота реакции, wхим –скорость реакции, k – константа скорости, k0 и E –предэкспоненциальный множитель и энергия активации, [A ] и [B ] – концентрации реагентов. Выражениедля скорости реакции записано в предположении бимолекулярного процесса A + BC.

Тепло расходуется на нагрев исходных реагентов от начальной температуры T0 до температуры T в реакторе. Скорость расходатепла на нагрев равна Wcp(T − T0), где cp – средняя теплоемкость реакционной массы. Кроме того, часть тепла отводится из реактора через стенки к теплоносителюсо скоростью Sχ(T − T1), где χ – коэффициент теплопередачи через стенку, T1 – температура теплоносителя. Приравнивая приход и расход тепла и разделивна V, имеемEQk 0 exp  – ------- [ A ] [ B ] = RT РеагентРис. 1.

Схема реактора идеального смешения непрерывного действияструктура и свойства полимера зависят от того, в какомреакторе он получен.Условие идеальности смешения для РИСНД то же,что и для реактора идеального смешения периодического действия (1). Существенное значение для производительности реактора и особенно для качества продуктаимеют тепловой режим работы реактора, температура итемпературные поля в нем.Для РИСПД и РИВ можно выделить два предельных режима. Первый изотермический, когда все теплореакции (если реакция экзотермическая) отводится отреакционной смеси.