Типы химических реакторов и принцип их работы

Типы химических реакторов и принцип их работы

Производственный реактор представляет собой комплексное устройство, а не отдельный сосуд: котел, верхний конденсатор, декантер и приемник рассчитываются одновременно, поскольку коэффициент рефлюкса и распределение растворителя определяются всеми четырьмя элементами.

Классификация, используемая в учебниках, делит реакторы на периодические, полупериодические, реакторы с непрерывным перемешиванием и проточные. Эта классификация верна, но практически бесполезна на этапе спецификации, поскольку реактор, работающий на схеме реакционной инженерии, и реактор, работающий на заводском конвейере, различаются тем, что на схеме никогда не отображается: кривой вязкости смеси в процессе приготовления.

Процесс варки смолы, алкидной или эпоксидной смолы начинается с нескольких сотен сантипуаз и заканчивается где-то между десятью тысячами и несколькими сотнями тысяч. На этой заключительной стадии коэффициент теплопередачи резко падает, крутящий момент мешалки возрастает, и реакционная масса перестает вести себя как жидкость, для которой были написаны уравнения из учебников. Поэтому в этом руководстве рассматриваются четыре типа реакторов и принцип их работы, а затем мы переходим к той части, которая фактически определяет, будет ли работать установка — тепловая конструкция, рабочее колесо и уплотнение вала.

Сравнение четырех типов

Примечание к области применения: компания POLYC производит периодические и полупериодические реакторы с рубашкой охлаждения и перемешиванием. Реактор проточного типа указан выше для полноты классификации, а не как предлагаемая продукция — для таких задач требуется трубчатое оборудование с иной механической конструкцией.

Периодический и полупериодический режимы: где используются перемешиваемые сосуды.

В реакторе периодического действия вся загрузка присутствует с самого начала, поэтому движущая сила уменьшается по мере расхода реагентов, и реакция замедляется к концу. Это приемлемо — а иногда и желательно — для конденсационной полимеризации, где для достижения целевого кислотного числа или вязкости требуется время и жесткий контроль температуры, а не производительность.

Полупериодический процесс преобразует тот же сосуд в процесс с регулируемой скоростью подачи путем подачи одного компонента. Это стандартное решение для экзотермической реакции: вместо того, чтобы рассчитывать размер рубашки охлаждения в соответствии с общим тепловыделением полной загрузки, скорость подачи устанавливается таким образом, чтобы тепловыделение никогда не превышало того, что рубашка может отвести. Сосуд становится теплоотводом, а подача — регулятором. Механически это тот же самый котел с дозированной линией подачи и более быстрым контуром регулирования температуры.

Практическим следствием этого является то, что характеристики полупериодического процесса определяются скорее приборами, чем геометрией сосуда. Если скорость подачи сырья не удается поддерживать, то и температура не может быть поддержана, и никакое увеличение площади рубашки охлаждения не компенсирует этого. Именно поэтому один и тот же сосуд может хорошо работать с одним продуктом и плохо — с другим, демонстрируя более резкий экзотермический эффект.

CSTR: Что меняется при переходе на непрерывный режим работы?

Отличительной особенностью реактора непрерывного действия с перемешиванием является то, что выходной поток имеет тот же состав, что и содержимое сосуда. Подача сырья происходит через поток продукта, и в стационарном состоянии сосуд представляет собой хорошо перемешанный объем с единым составом. Непосредственным результатом является ограниченная степень превращения в одном сосуде: реагирующий поток выходит сразу после поступления, унося с собой непрореагировавший материал.

Обычно в инженерных расчетах используется каскадная схема — три-пять емкостей, соединенных последовательно, где каждая из них работает как ступень, а вся схема в целом приближается к режиму поршневого потока. Для высоковязких продуктов каскадная схема часто непрактична, поскольку перенос массы в 100 000 сП между емкостями представляет собой проблему обработки материалов еще до того, как она станет проблемой реакции. Именно это единственное ограничение объясняет, почему заводы по производству смол и клеев остаются в периодическом режиме, в то время как производство низковязких товарных химических продуктов переходит в непрерывный режим.

Тепловая структура: решающий фактор при выборе.

Большинство сосудов с рубашкой охлаждения имеют три тепловые структуры, выбор которых определяется тепловой нагрузкой и размером сосуда, а не типом реакции. Традиционная рубашка охлаждения представляет собой второй слой, окружающий сосуд. Она проста, эффективна и имеет фиксированную и часто умеренную площадь теплопередачи на единицу объема.

Внешняя полутрубчатая спираль, приваренная к корпусу, пропускает теплоноситель под более высоким давлением и с большей скоростью через меньший канал, что повышает коэффициент пленочного натяжения со стороны корпуса, сохраняя при этом толщину стенки меньше, чем требуется для рубашки высокого давления. В больших емкостях это разница между приемлемым и неприемлемым временем нагрева. Внутренняя спираль размещает поверхность непосредственно в продукте, обеспечивая наибольшую площадь в самой маленькой емкости, но она препятствует работе мешалки, задерживает материал и ее сложнее очищать между приемами продуктов.

Выбор источника нагрева — отдельное решение: циркуляция термомасла, технологический пар, электрические нагревательные элементы или индукционный нагрев с нулевым расстоянием. Пар обеспечивает высокие коэффициенты теплопередачи, но фиксированную температуру, определяемую давлением. Термомасло позволяет достигать более высоких температур при низком давлении и обычно выбирается, когда процесс протекает при температуре около 300 °C. Электрический нагрев подходит для небольших емкостей и площадок без системы теплоносителя.

Выбор рабочего колеса осуществляется в соответствии с кривой вязкости.

Реакторы часто проектируются по объему и площади рубашки, при этом мешалка рассматривается как вспомогательное устройство. На практике именно импеллер определяет однородность смеси, наличие загрязнений на стенках и достаточно ли крутящего момента у двигателя в конце процесса варки, когда продукт достигает максимальной консистенции.

• Закрепите с помощью шпателей из ПТФЭ.— высоковязкий рабочий инструмент. Он очищает стенку, удаляя застоявшуюся пленку, которая в противном случае изолирует оболочку от изделия, и снижает теплопередачу именно тогда, когда она наиболее важна.
• Многоступенчатая турбина Раштона— Радиальный поток и высокое сдвиговое напряжение для работы с низкими вязкостью и диспергирования газа в жидкости. Не лучший выбор, когда масса загустевает.
• Выброшенное весло— осевой поток, хорошая объемная конверсия при средней вязкости, более щадящее воздействие на продукты, чувствительные к сдвигу.
• Спиральная лента— для очень высокой вязкости, когда необходимо перемещать всю массу, а не просто циркулировать.

Выбор трансмиссии является частью этого решения, а не дополнительной опцией. Мощный редуктор и двигатель соответствующего размера должны выдерживать максимальный крутящий момент на заключительном этапе приготовления, который может во много раз превышать пусковой крутящий момент. Двигатель, рассчитанный на начальную загрузку, заглохнет или выйдет из строя в последний час приготовления партии.

Вакуум, давление и уплотнение валов

В реакторе, где растворитель кипятится сверху и конденсируется обратно, процесс протекает под вакуумом. Реакторы на основе смолы POLYC рассчитаны на полный вакуум до -0,098 МПа и избыточное давление до 1,6 МПа, при температуре процесса до 300 °C. Вакуум — это не удобство, а способ снижения температуры кипения, позволяющий удалять растворитель без варки продукта, и именно он обеспечивает возможность регулирования коэффициента рефлюкса.

Уплотнение — это место контакта вакуума и растворителя. Стандартным решением является двойное механическое уплотнение с жидкостным охлаждением и собственной системой циркуляции барьерной жидкости, поскольку оно охлаждает уплотнительные поверхности и обеспечивает буфер между технологическим процессом и атмосферой. Картриджное уплотнение упрощает замену. Магнитный привод полностью исключает проникновение и выбирается в случаях, когда растворитель токсичен или обладает высокой летучестью. Сальниковые уплотнения остаются в эксплуатации на старых или менее надежных сосудах, и они, по своей конструкции, протекают.

Технические характеристики

В таблице ниже показан стандартный диапазон размеров. Мощность мешалки увеличивается с объемом, а скорость снижается для самых больших размеров, чтобы скорость вращения наконечника и крутящий момент оставались в пределах возможностей привода.

Стандартный диапазон размеров. Производительность, контактирующая с рабочей средой сталь (SUS304 / SUS316L), тепловая структура, тип рабочего колеса и уплотнение вала выбираются в зависимости от режима работы. Доступны варианты с более высоким расчетным давлением; взрывозащищенные конфигурации доступны по запросу, с подтверждением соответствия вашей классификации взрывоопасной зоны.

Как строится судно

Изготовление реакторов, сварка рубашек, сборка рабочих колес и установка уплотнений осуществляются на предприятии площадью 9000 м² в городе Уси, провинция Цзянсу. Это имеет большее значение для реакторов, чем для большинства другого оборудования, поскольку корпус реактора изготавливается в единственном экземпляре — геометрия рубашки, зазор между рабочим колесом и расположение уплотнений определяются конкретным изделием и условиями эксплуатации, и ошибка в спецификации не может быть исправлена ​​заменой по каталогу.

Реактор со смолой поставляется в комплекте: сосуд, верхний конденсатор, декантер и приемник, подобранные по размерам таким образом, чтобы коэффициент рефлюкса и распределение растворителя были определены до отгрузки. Стандартные комплектации отгружаются в течение 30-45 дней. На каждое устройство предоставляется 3-летняя международная гарантия.

Выбор между ними: краткий контрольный список

1. Начинайте с кривой вязкости, а не с класса реакции.Укажите поставщику начальную и конечную вязкость при температуре процесса. Большинство ошибок при расчете размеров реактора связаны с недостаточной вязкостью на заключительном этапе.
2. Выбор между периодическим и полупериодическим приготовлением зависит от экзотермического эффекта.Если общее тепловыделение за цикл превышает возможности доступной поверхности по его отводу, то решение заключается в регулировании подачи тепла, а не в увеличении размера рубашки охлаждения.
3. Расчет размеров тепловой конструкции должен производиться с учетом времени нагрева, а не только в установившемся режиме.Даже сосуд, хорошо поддерживающий температуру, может слишком долго достигать её, и это ограничение обычно проявляется в сосудах самых больших размеров.
4. Рассматривайте мешалку и ее трансмиссию как единый элемент.Редуктор и двигатель работают с максимальным крутящим моментом в конце приготовления, а не со средним крутящим моментом.
5. Подбирайте уплотнение в соответствии с растворителем, а не только с давлением.При использовании токсичных или высоколетучих растворителей целесообразно применять магнитный привод или двойное уплотнение с барьерной цепью.
6. Границы области исследования следует подтвердить заранее.Сосуд, конденсаторная система и ресивер представляют собой единую тепловую систему; их раздельное определение приводит к неправильным расчетам коэффициентов рефлюкса.

Часто задаваемые вопросы

Изучите связанные ресурсы