Реакторные системы (каскады реакторов смешения)

Оглавление:

• Реализованные проекты каскадов реакторов
• Зачем нужны каскады реакторов
• Общие принципы работы реакторных систем
• Применение каскада реакторов смешения
• Преимущества применения каскадов реакторов
• Возможности Тирит в разработке реакторных систем

Реализованные проекты каскадов реакторов

Прежде, чем дать теоретические основы использования реакторных систем (каскадов реакторов), предлагаем вам ознакомиться с уже реализованными нами системами.

Реакторная система для наработки полимера. Схема работы периодическая.

Реакторная система представляет собой каскад реакторов, закрепленных на индивидуальных рамах. Включает в себя:

Реакторы объемом 1, 3 и 20л, мерник 1,6 л и мерную емкость 10л. Реакторы оснащены термостатами в качестве системы нагрева и охлаждения, а также взрывозащищенными двигателями для перемешивания продукта.

Реакторная система для проведения растворной полимеризации. Схема работы непрерывная.

Реакторная система представляет собой каскад реакторов, закрепленных на индивидуальных рамах. Включает в себя:

Реакторы объемом 1 (в количестве 3х штук), 5 и 20л (в количестве 2х штук), комплект мерников 500 мл и мерную емкость 10л. Реакторы оснащены термостатами в качестве системы нагрева и охлаждения, двигателями для перемешивания продукта, шестеренчатыми и плунжерными насосами.

Зачем нужны каскады реакторов

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 реакторных систем

Для понимания принципов действия системы из 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:

• определении числа реакторов в системе, необходимых для достижения заданного выхода конечного реакционного продукта;
• определении оптимальных объемов отдельных реакторов в каскаде.

Известно несколько методов расчета каскада реакторов:

• алгебраический (аналитический);
• графический;
• 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.

Возможности Тирит в разработке реакторных систем

Мы предлагаем проектирование, сборку и запуск реакторных систем «под ключ». Под задачи пользователя в реакторную систему кроме реакторов подключаются термостаты, дозирующие и вакуумные насосы, диспергаторы, фильтры, датчики температуры, рН и другое оборудование.

Процесс строится следующим образом

1. Предлагаем готовое (базовое) решение, если у заказчика нет технического задания, при необходимости модифицируем под решаемую задачу. Если заказчик обращается с готовым техническим заданием, подбираем комплектацию системы реакторов согласно ТЗ.
2. Готовим технико-коммерческое предложение, состоящее из описательной части и изображения предлагаемой системы. В случае нестандартных запросов, прикладываем схематическое изображение системы.
3. Готовим чертежи (сборного и детализированного), которые впоследствии, при поставке передаются заказчику вместе с технической документацией. При необходимости, пользователь может заказать 3D-макет будущей установки, чтобы понять расположение реакторов и вспомогательного оборудования в пространстве.
4. Собираем реакторную систему в сервисном центре “Тирит”. Если в ходе сборки выясняется, что что-то не учтено при расчетах, то при предварительной сборке это корректируется, чтобы заказчик получил работоспособную установку.
5. Осуществляем поставку, сборку и запуск реакторной системы на объекте заказчика. Некоторые лабораторные установки не требуют обязательного выезда наших специалистов, при необходимости клиент может проконсультироваться по телефону. Но большие установки всегда собираются на месте нашими специалистами. После сборки проверяется работоспособность оборудования: герметичность системы, работа мешалок, нагрев и охлаждение термостата и т.п.

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. 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.