Реакторы смешения и вытеснения

Химические реакторы разделяют на две группы по типу гидродинамической структуры потока — реакторы смешения и реакторы вытеснения. 

Наиболее распространенный и востребованный тип — это реактор смешения (реактор для смешивания). Перемещение веществ в его емкости происходит с помощью перемешивающего устройства.

В теории химии используется понятие “химический реактор идеального смешения” или “реактор полного смешения”. Такой реактор предполагает достижение полного смешения, выравнивание всех параметров реакции по объему реактора (концентрация веществ, температура, скорость химических реакций и т.д.). Характеристическое уравнение химического реактора идеального (полного) смешения выводится на базе материального баланса для всего объема. На практике химические реакторы с некоторой погрешностью приближены к модели идеального смешения, и введение соответствующих корректировок в формулу позволяет произвести расчет для конкретных реакторов.

По принципу функционирования реакторы смешения делятся на периодические и непрерывные, РИС-П и РИС-Н, соответственно.

Периодический реактор идеального смешения представляет собой реактор с мешалкой, в который подаются исходные вещества. После того как в системе достигается требуемая степень превращения, готовый продукт выводится из аппарата. Другими словами, загрузка реагентов и выгрузка продуктов производятся периодически. Снижение концентрации реагентов связано с ходом протекающей химической реакции.

Непрерывный реактор идеального смешения – это реактор с мешалкой, работающий в непрерывном режиме, в него постоянно поступают реагенты и одновременно отводятся продукты реакции. Концентрация компонентов одинакова во всем объеме и совпадает с ее значением на выходе. Разница между исходной и конечной концентрацией определяется скоростью протекания реакции и временем нахождения веществ в аппарате. Чем интенсивнее идет реакция, тем заметнее этот перепад.

Химический реактор вытеснения (его еще называют реактором идеального вытеснения или проточным реактором) – это аппарат, в котором реагенты движутся через рабочий объем потоком, практически не перемешиваясь по длине траектории. Главная особенность такого типа реактора – наличие градиента концентрации и температуры вдоль направления движения. В начале реактора смесь содержит в основном исходные вещества, а по мере продвижения вперед их концентрация снижается, одновременно увеличивается доля продуктов реакции.

• вещества вступают в реакцию последовательно, как бы «вытесняя» друг друга из зоны реакции;
• отсутствует полное перемешивание по объtму, в отличие от реактора идеального перемешивания;
• параметры процесса (концентрация, температура, скорость реакции) изменяются вдоль оси реактора.

В таблице ниже можно увидеть характеристики реакторов идеального смешения и реакторов вытеснения. 

Схематично ключевое отличие реакторов смешения от реакторов вытеснения показано на рисунке:

Работа периодического реактора для смешивания химии основана на последовательных разовых процессах. Одномоментно реагенты вводят в емкость, после окончания процесса превращения выводят. В ходе реакционного цикла допускается дозагрузка реагентов. Модели реакторов периодического смешения, которые можно приобрести в ГК “Тирит”:

Химический реактор Unic на настольном стенде (производство Россия)

Компактный и устойчивый реактор смешения периодического действия, спроектирован для размещения на лабораторных столах и в вытяжных шкафах. На стенде можно разместить стеклянные емкости от 500 мл до 3 л. Реактор рассчитан на работу при атмосферном давлении или под вакуумом, а также при отрицательных температурах. Реакционная емкость может быть цилиндрической или сферической формы. Нагрев/охлаждение осуществляется с помощью циркуляционного термостата.

Химический реактор ROMM (производство Россия)

Реакторы изготавливаются индивидуально под конкретную задачу. Материал изготовления может быть — пищевая нержавеющая сталь AISI304 или фармацевтическая сталь 316L. Эти реакторы смешения и вытеснения предназначены для работы при давлении от 50 мбар до 5 бар, диапазон рабочих температур от -40°С до +200°С (опционально до +300°С). Рабочий объем емкости варьируется от 2 до 100 л.

Автоматический реактор Atlas Potassium (производство Syrris, Англия)

Это универсальная система для проведения лабораторных синтезов. На одном основании есть возможность разместить емкости от 50 мл до 5 л. Можно использовать емкости разных форм (цилиндрические с круглым или плоским дном, конические и т.д.) и материалов (из боросиликатного стекла, нержавеющей стали или hastelloy). Емкости меняются без разбора системы. К реактору идет якорная или пропеллерная мешалка. Температурный режим поддерживается циркуляционным термостатом. Также есть возможность подключения датчиков контроля параметров работы (pH, мутность, температура и т.д.).

Оборудование этого типа также называют проточными или поточными реакторами. Они позволяют осуществлять непрерывную подачу реагентов параллельно с протеканием химических процессов и выгрузкой продуктов реакции.

Одна из самых востребованных моделей реактора идеального смешения непрерывного действия в ГК “Тирит” — проточный реактор ASIA (производство Syrris, Англия). Это модульная система, при необходимости расширить возможности система просто дополняется необходимым блоком. Реакторы ASIA представлены разными сериями — с ручным управлением, с автоматическим одной реакцией, с автоматическим несколькими реакциями. В базовую комплектацию входят: микрореактор, система контроля давления, поршневой двухканальный насос. Дополнительные модули представлены широким ассортиментом: модуль впрыска реагентов, модуль нагрева, модуль охлаждения, различные модули анализа, системы сбора образцов, системы автоматизации и т.д. Узнать подробнее о проточных реакторах ASIA.