Непрерывный реактор - Continuous reactor

Реакторы непрерывного действия (также обозначается как проточные реакторы) переносят материал как текущий поток. Реагенты непрерывно подаются в реактор и выходят в виде непрерывного потока продукта. Реакторы непрерывного действия используются для самых разных химический и биологические процессы в пределах еда, химический и фармацевтический отрасли. Обзор рынка реакторов непрерывного действия выявит огромное разнообразие форм и типов машин. Однако за этим изменением скрывается относительно небольшое количество ключевых конструктивных особенностей, которые определяют возможности реактора. При классификации реакторов непрерывного действия может быть более полезным взглянуть на эти конструктивные особенности, а не на всю систему.

Пакетная или непрерывная

Реакторы можно разделить на две большие категории: реакторы периодического действия и реакторы непрерывного действия. Реакторы периодического действия представляют собой резервуары с мешалкой, достаточно большие, чтобы справиться с полным инвентарем полного цикла периодического действия. В некоторых случаях реакторы периодического действия могут работать в полупериодическом режиме, когда одно химическое вещество загружается в емкость, а второе добавляется медленно. Реакторы непрерывного действия обычно меньше по размеру, чем реакторы периодического действия, и обрабатывают продукт как текущий поток. Реакторы непрерывного действия могут быть выполнены в виде труб с или без перегородки или серию взаимосвязанных этапов. Ниже рассматриваются преимущества двух вариантов.

Преимущества реакторов периодического действия

Реакторы периодического действия очень универсальны и используются для множества различных операций ( дистилляция, место хранения, кристаллизация, жидкость-жидкостная экстракция др.) в дополнение к химическим реакциям.
В промышленности существует большая установленная база реакторов периодического действия, и методы их использования хорошо известны.
Реакторы периодического действия отлично подходят для работы с такими сложными материалами, как суспензии или продукты со склонностью к загрязнению.
Реакторы периодического действия представляют собой эффективное и экономичное решение для многих типов медленных реакций.

Преимущества реакторов непрерывного действия

В ставка многих химических реакций зависит от реагента концентрация. Реакторы непрерывного действия, как правило, способны справляться с гораздо более высокими концентрациями реагентов из-за их превосходных мощности теплопередачи. Плунжерный поток реакторы имеют дополнительное преимущество, заключающееся в большем разделении реагентов и продуктов, что дает лучший профиль концентрации.
Небольшой размер реакторов непрерывного действия делает возможными более высокие скорости смешивания.
Выход из реактора непрерывного действия можно изменять, изменяя время работы. Это увеличивает операционную гибкость для производителей.

Способность теплопередачи

Скорость теплопередачи внутри реактора может быть определена из следующего соотношения:

{displaystyle q_ {x} = UA (T_ {p} -T_ {j})}

куда:

q_Икс: тепло, выделяемое или поглощаемое процессом (Вт)

U: коэффициент теплопередачи теплообменника (Вт / (м²К))

А: площадь теплообмена (м²)

Т_п: температура процесса (K)

Т_j: температура рубашки (K)

С точки зрения конструкции реактора, на пропускную способность сильно влияет размер канала, поскольку он определяет площадь теплопередачи на единицу объема. Размер канала можно классифицировать по-разному, однако в самом широком смысле это следующие категории:

Промышленные реакторы периодического действия: 1-10 м²/ м³ (в зависимости от мощности реактора)

Лабораторные реакторы периодического действия: 10 - 100 м²/ м³ (в зависимости от мощности реактора)

Реакторы непрерывного действия (немикро): 100 - 5000 м²/ м³ (в зависимости от размера канала)

Микрореакторы: 5000 - 50 000 м²/ м³ (в зависимости от размера канала)

Каналы малого диаметра обладают преимуществом высокой теплопередачи. Однако при этом они имеют меньшую пропускную способность, более высокий перепад давления и повышенную тенденцию к блокированию. Во многих случаях физическая структура и технологии изготовления микрореакторов очень затрудняют очистку и разблокировку.

Контроль температуры

Контроль температуры - одна из ключевых функций химического реактора. Плохой контроль температуры может серьезно повлиять на оба Уступать и качество продукции. Это также может привести к кипению или замерзанию внутри реактора, что может полностью остановить работу реактора. В крайних случаях плохой контроль температуры может привести к сильному избыточному давлению, которое может быть разрушительным для оборудования и потенциально опасным.

Одноступенчатые системы с высоким тепловым или охлаждающим потоком

В реакторе периодического действия хороший контроль температуры достигается, когда тепло, добавляемое или отводимое поверхностью теплообмена (qx), равно теплу, генерируемому или поглощаемому обрабатываемым материалом (qp). Для проточных реакторов, состоящих из трубок или пластин, выполнение соотношения qx = qp не обеспечивает хорошего контроля температуры, поскольку скорость выделения / поглощения технологического тепла изменяется в различных точках внутри реактора. Контроль температуры на выходе не предотвращает появление горячих / холодных участков внутри реактора. Горячие или холодные точки, вызванные экзотермический или эндотермический активность можно устранить, переместив датчик температуры (T) в точку, где есть горячие / холодные точки. Однако это приводит к перегреву или переохлаждению за датчиком температуры.

Горячие / холодные точки образуются, когда реактор рассматривается как одноступенчатый для контроля температуры.
Горячие / холодные точки можно устранить, перемещая датчик температуры. Однако это вызывает переохлаждение или перегрев после датчика температуры.

Многие различные типы пластинчатых или трубчатых реакторов используют простой контроль температуры продукта с обратной связью. С точки зрения пользователя этот подход подходит только для процессов, в которых влияние горячих / холодных точек не ставит под угрозу безопасность, качество или выход продукции.

Одноступенчатые системы с низким тепловым или охлаждающим потоком

Микрореакторы могут быть трубчатыми или пластинчатыми и иметь ключевую особенность проточных каналов малого диаметра (обычно менее 1 мм). Значение микрореакторов заключается в том, что площадь теплопередачи (A) на единицу объема (продукта) очень велика. Большая площадь теплопередачи означает, что высокие значения qx могут быть достигнуты при низких значениях Tp - Tj. Низкое значение Tp - Tj ограничивает степень возможного переохлаждения. Таким образом, температуру продукта можно контролировать, регулируя температуру теплоносителя (или продукта).

Перегрев / переохлаждение предотвращается за счет ограниченной разницы температур между продуктом и теплоносителем.

Сигналом обратной связи для управления температурой процесса может быть температура продукта или температура теплоносителя. Часто практичнее контролировать температуру теплоносителя.

Хотя микрореакторы являются эффективными устройствами теплопередачи, узкие каналы могут привести к высоким перепадам давления, ограниченной пропускной способности и тенденции к блокированию. Они также часто изготавливаются таким образом, что их очистка и демонтаж затруднены или невозможны.

Многоступенчатые системы с высоким тепловым или охлаждающим потоком

Условия внутри реактора непрерывного действия изменяются по мере прохождения продукта по проточному каналу. В идеальном реакторе конструкция проточного канала оптимизирована с учетом этого изменения. На практике это достигается разбивкой реактора на серию ступеней. На каждой стадии идеальные условия теплопередачи могут быть достигнуты путем изменения отношения поверхности к объему или охлаждающего / нагревающего потока. Таким образом, на этапах, где тепловая мощность процесса очень высока, используются либо экстремальные температуры теплоносителя, либо высокое соотношение поверхности к объему (или и то, и другое). Решая проблему в виде серии этапов, следует использовать экстремальные условия охлаждения / нагрева в горячих / холодных точках без перегрева или переохлаждения где-либо еще. Значение этого в том, что можно использовать более крупные проточные каналы. Обычно желательны проточные каналы большего размера, поскольку они обеспечивают более высокую скорость, меньший перепад давления и меньшую тенденцию к закупорке.

Смешивание

Перемешивание - еще один важный классифицирующий признак реакторов непрерывного действия. Хорошее перемешивание повышает эффективность тепломассообмена.

С точки зрения траектории через реактор идеальный состояние потока для реактора непрерывного действия - поршневой поток (поскольку это обеспечивает равномерное время пребывания в реакторе). Однако существует определенное противоречие между хорошим перемешиванием и поршневым потоком, поскольку перемешивание вызывает осевое, а также радиальное движение жидкости. В реакторах трубчатого типа (со статическим перемешиванием или без него) адекватное перемешивание может быть достигнуто без серьезного нарушения поршневого потока. По этой причине эти типы реакторов иногда называют реакторами идеального вытеснения.

Реакторы непрерывного действия можно классифицировать по механизму перемешивания следующим образом:

Смешивание диффузией

Диффузионное смешивание зависит от концентрации или температурных градиентов внутри продукта. Этот подход является общим для микрореакторов, в которых толщина каналов очень мала и тепло может передаваться к поверхности теплопередачи и от нее посредством теплопроводности. В больших каналах и для некоторых типов реакционной смеси (особенно несмешивающихся жидкостей) смешивание путем диффузии нецелесообразно.

В качестве реактора можно использовать простую трубку. Системы малого диаметра обычно основаны на смешивании путем диффузии.

Смешивание с перекачивающим насосом продукта

В реакторе непрерывного действия продукт непрерывно прокачивается через реактор. Этот насос также можно использовать для перемешивания. Если скорость жидкости достаточно высока, существуют условия турбулентного потока (что способствует перемешиванию). Недостатком этого подхода является то, что он приводит к образованию длинных реакторов с высокими перепадами давления и высокими минимальными расходами. Это особенно верно, когда реакция идет медленно или продукт имеет высокую вязкость. Эту проблему можно уменьшить с помощью статических смесителей. Статические смесители представляют собой перегородки в проточном канале, которые используются для облегчения перемешивания. Они могут работать в турбулентных условиях или без них. Статические смесители могут быть эффективными, но при этом для них требуются относительно длинные проточные каналы и возникают относительно высокие перепады давления. Колебательный реактор с перегородками представляет собой специализированную форму статического смесителя, в котором направление технологического потока меняется. Это обеспечивает статическое перемешивание с низким чистым потоком через реактор. Это дает преимущество в том, что реактор остается относительно коротким.

Статический смеситель позволяет смешивать как в турбулентных условиях, так и без них.
Колебательный реактор с перегородкой использует комбинацию статического перемешивания и циклического изменения направления потока.

Смешивание механической мешалкой

В некоторых реакторах непрерывного действия для перемешивания используется механическое перемешивание (а не перекачивающий насос продукта). Хотя это усложняет конструкцию реактора, это дает значительные преимущества с точки зрения универсальности и производительности. Благодаря независимому перемешиванию эффективное перемешивание может поддерживаться независимо от производительности или вязкости продукта. Это также устраняет необходимость в длинных проточных каналах и высоких перепадах давления.

Одна менее желательная особенность механических мешалок - это сильное осевое перемешивание, которое они создают. Эта проблема может быть решена путем разделения реактора на ряд смешанных ступеней, разделенных небольшими каналами поршневого потока.

Наиболее известной формой реактора непрерывного действия этого типа является резервуарный реактор с непрерывным перемешиванием (CSTR). По сути, это реактор периодического действия, используемый в непрерывном потоке. Недостатком одноступенчатого CSTR является то, что он может быть относительно расточительным для продукта во время запуска и остановки. Реагенты также добавляют к смеси, богатой продуктом. Для некоторых типов процессов это может повлиять на качество и урожайность. Эти проблемы решаются с помощью многоступенчатых CSTR. В больших масштабах для стадий CSTR могут использоваться обычные реакторы периодического действия.