Каскад реакторов смешения

В некоторых случаях использование одинарного реактора не позволяет достичь высокой эффективности химической реакции и получения заданных веществ, поскольку концентрация исходных продуктов в рабочей емкости реактора быстро снижается до конечного значения. Для решения данной проблемы применяют каскад реакторов (батарею реакторов) – систему расположенных последовательно и соединенных друг с другом реакторов. Таким образом, реакция протекает не в одном аппарате, а в нескольких – конечный продукт предыдущего реактора является исходным для следующего реактора в каскаде. Более точное название таких систем – каскад реакторов идеального смешения.

Общие принципы работы каскада реакторов

Для понимания принципов действия каскада реакторов, необходимо проанализировать проблему смешивания в реакторах различных типов: реакторах идеального смешения периодического действия (РИС-П) и непрерывного действия (РИС-Н). В соответствии с целью химического процесса – в данном случае смешивания, оба типа реакторов снабжены перемешивающими устройствами, отличие заключается в загрузке и выгрузке продуктов.

Первый тип (периодического действия) – это реакторы, загрузка исходных и выгрузка готовых продуктов в которые осуществляется периодически, через заданные промежутки времени. В таких аппаратах перемешивание осуществляется максимально интенсивно, что обеспечивает одинаковую концентрацию реагентов по всему объему. На концентрацию в таких устройствах влияет только время, она меняется (снижается) по мере протекания реакции. А поскольку подача реагентов в реактор периодическая, то изменение концентрации носит прерывистый, скачкообразный характер. Производительность периодических реакторов не очень велика.

Второй тип (непрерывного действия) – реакторы, в которых загрузка и выгрузка продукта осуществляется непрерывно. Здесь также осуществляется интенсивное перемешивание и концентрация реагентов одинакова на весь объем, но за счет непрерывной подачи реагентов в емкость реактора, концентрация поддерживается и сохраняется до выхода продукта из емкости.

Высокая скорость протекания процесса и постоянная или периодическая выгрузка части реагентов в реакторах идеального смешения часто приводят к неполному завершению процесса. Увеличивать степень превращения веществ в одном реакторе можно, продлевая время проведения реакции, что снижает общую производительность. При этом компенсировать данный эффект за счет увеличения объема бесконечно невозможно.

Чтобы повысить производительность реакторов идеального смешения, решить проблему падения концентрации исходных реагентов до конечного значения и повысить степень превращения веществ, применяют каскады реакторов идеального смешения (К-РИС), также называемые «батареями реакторов». В таких связанных между собой последовательно аппаратах изменение концентрации реагирующих веществ носит ступенчатый характер, и происходит постепенно, а продукт реакции предыдущего аппарата является исходным реагирующим веществом в последующем.

Рабочая концентрация веществ в каскадах реакторов в общем выше, чем в единичном реакторе идеального смешения и фактически приближается к ее значению в реакторе идеального вытеснения (РИВ) – трубчатом реакторе с большим отношением длины трубки к ее диаметру, в котором исходные реагенты превращаются в продукты реакции по мере перемещения их по длине реактора. Чем больше реакторов в каскаде, тем ближе его эффективность к показателям РИВ.

Каскады реакторов смешения могут состоять из нескольких (иногда десятков), как однотипных реакторов, так, в ряде случаев, и разнотипных.

Например, каскады реакторов для лабораторного применения могут состоять как из стеклянных, так и металлических аппаратов. Могут быть оснащены одним и более термостатами , мешалками различных типов, набором датчиков и измерительных приборов. Дополнительно такие системы могут комплектоваться термостатами, гидравлическими и пневматическими насосами. Учитывая сложность контроля работы каскадов реакторов, особое место уделяется автоматизированным системам управления , которые позволяют поддерживать заданные режимы и обеспечивать безопасность процессов.

Каскады реакторов обычно используют при необходимости вести процесс с глубокой степенью превращения исходных компонентов, если это позволяет снизить количество нежелательных побочных продуктов.

Технологически применение каскадов реакторов позволяет понизить концентрации реагентов по ступеням и уменьшить общий объем системы, не снижая выхода продукта. С увеличением числа реакторов общий объём каскада реакторов, необходимых для достижения необходимой степени превращения, уменьшается. В каскаде реакторов увеличивается эффективное время реакции компонентов по сравнению с аппаратами полного перемешивания, а также возрастает выход целевого продукта.

По интенсивности процессов батареи реакторов фактически занимают промежуточное положение между режимами смешения и вытеснения.

В идеальном случае при применении бесконечного числа бесконечно малых реакторов непрерывного действия с мешалками, объединенных в каскаде, система становится эквивалентной трубчатому реактору идеального вытеснения.

Применение каскада реакторов смешения

Каскады реакторов наиболее часто применяют для процессов: растворения, экстрагирования, выщелачивания, нитрования, сульфирования, полимеризации.

Примерами применения каскадов реакторов могут служить: синтез полипропилена, поливинилацетата, полистирола (схемы технологических процессов представлены ниже).

Преимущества применения каскадов реакторов

Каскады реакторов широко применяются в химических технологиях, как с лабораторно-исследовательскими, так и производственными целями. Это объясняется их преимуществами:

• возможность достижения достаточно высокой производительности и интенсивности химических реакций;
• возможность изготовления систем под конкретные цели и задачи;
• доступность узлов и деталей;
• возможность настройки параметров управления под широкий спектр химических реакций;
• легкостью чистки по сравнению с другими системами (например, реакторами идеального вытеснения), что особенно важно при проведении химических реакций, протекающих с образованием стойких отложений, например, при полимеризации и синтезе смол.

Из недостатков каскадных реакторов можно выделить относительную сложность запуска в работу с необходимостью привлечения специализированных компаний и квалифицированных специалистов для интеграции оборудования и настройки автоматизированного управления.

Расчет и проектирование каскадов реакторов

Расчет и проектирование каскада реакторов полного смешения сложный процесс, который заключается в решении следующих задач:

1) определении числа реакторов в системе, необходимых для достижения заданного выхода конечного реакционного продукта;

2) определении оптимальных объемов отдельных реакторов в каскаде.

Известно несколько методов расчета каскада реакторов:

1) алгебраический (аналитический);

2) графический;

3) моделирование с помощью автоматизированных вычислительных систем.

Последний метод с применением вычислительных систем значительно облегчает работу инженеров разработчиков при проектировании каскадов реакторов и дает возможность моделировать протекающие процессы, в частности определять степени превращения веществ, а также время выхода каждого из реакторов на стационарный режим.

Каскады реакторов от компании «Тирит»

Обладая обширным опытом производства химического оборудования компания «Тирит» предлагает клиентам проектирование, разработку и производство каскадов реакторов, которые могут быть построены на базе стеклянных, металлических или реакторов с покрытиями PTFE (тефлон). Кроме того, в каскад могут устанавливаться реакторы высокого давления для решения соответствующих производственных задач. Все реакторы размещаются на специализированных пространственных рамах, оснащаются рубашками для контроля температуры, электроприводными мешалками различных типов, набором датчиков и измерительных приборов. Под задачи клиентов может поставляться дополнительное оборудование, например термостаты и насосы различных типов. Высококвалифицированные специалисты компании проведут расчеты каскадов реакторов, разработают проект, соберут комплект оборудования, настроят автоматизированную систему управления под цели и задачи клиента. Для получения консультации или оформления заказа обращайтесь по телефонам +7 (495) 223-18-03, 8-800-600-18-03, электронной почте info@tirit.org или заполните заявку на сайте.