Реакторы: понятие и виды

ВФ ФГОУ СПО «ШРКТЭ»

Реферат на тему:

Реакторы 

Выполнил  студент 3 курса, д-131 группы

Сафронов  Олег Сергеевич 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                       Проверила  Потапова О.И.     
 
 
 

Введение 

Рассматривая  многообразные реакторные устройства, применяемые в настоящее время  в биохимических производствах, можно сделать вывод, что во всех реакторах происходят определенные физические процессы (гидродинамические, тепловые, массообменные), с помощью  которых создаются оптимальные  условия для проведения собственно биохимического превращения вещества (биохимической реакции). Для осуществления  этих биохимических процессов биохимический  реактор снабжается типовыми конструктивными  элементами, широко применяемыми в  аппаратах для проведения собственно биохимических процессов (мешалки, контактные устройства, теплообменники и т.д.). Поэтому все биохимические  реакторы представляют собой комплексные  аппараты, состоящие из известных  конструктивных элементов, большинство  которых используется для проведения технологических операций, не сопровождающихся биохимическим превращением перерабатываемых веществ. Количество таких конструктивных сочетаний, а значит, и типов реакторов  может быть достаточно большим, что  объясняется многообразием и  сложностью протекающих биохимических  реакций. Однако, для всех биохимических  реаторов, существуют общие принципы, на основе которых можно найти связь между конструкцией аппарата и основными закономерностями протекающего в нем биохимического процесса.

Критериями, по которым можно классифицировать реакционные аппараты, являются периодичность, или непрерывность процесса, его  стерильность, гидродинамический режим, тепловой эффект и требуемое количество кислорода для реакций биосинтеза, а так же физические свойства (аргегатное, фазовое состояние) взаимодействующих веществ. Основные типы реакторов описаны ниже. 

1. Классификация  биохимических реакторов 

По  принципу организации  процесса биохимические реакторы подразделяются на три группы.

В реакторе периодического действия (рис. 1) все отдельные стадии процесса протекают последовательно, в разное время. Характер изменения конценраций реагирующих веществ одинаков во всех точках реакционного объема, но различен по времени для одной и той же точки объема. В таком аппарате продолжительностль реакции можно измерить непосредственно, так как время реакции и время пребывания реагентов в реакционном объеме одинаковы. Параметры технологического процесса в периодически действующем реакторе изменяются во времени. Реакторы периодического действия мало производительны и плохо поддаются автоматическому контролю и регулированию.

В реактроре непрерывного действия (рис. 2) все отдельные стадии процесса биохимического превращения вещества (подача реагирующих веществ, биохимические реакции, вывод конечного продукта) осуществляются параллельно, одновременно. Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме различен в каждый момент времени в разных точках объема аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема.

В таких аппратах технологические параметры процесса постоянны во времени. Однако, продолжительность реакции в реакторах непрерывного действия нельзя измерить непосредственно.

В аппаратах  непрерывного действия время реакции  не может совпадать с временем пребывания реагентов, так как каждая элементарная частица вещества находится в реакционном объеме разное время, и, следовательно, общее время пребывания зависит от характера распределения времени пребывания отдельных частиц. В общем случае время реакции зависит от интенсивности перемешивания, структуры потоков в аппарате, и для каждого гидродинамического типа реактора оно индивидуально.

Непрерывно действующие  реакторы высокопроизводительны, легко  поддаются механизации при обслуживании и автоматическому контролю и  регулированию при управлении, в  том числе с применением быстодействующих электронно-вычислительных машин.

Реактор полунепрерывного (полупериодического) действия (рис. 3) работает в неустановленных условиях, так как один из реагентов поступает непрерывно, а другой – периодически. Возможны варианты, когда реагенты поступают в реактор периодически, а продукты реакции выгружаются непрерывно. Такой реактор можно рассматривать как непрерывнодействующий аппарат, в котором потоки входящего и выходящего из реактора вещест не равны, и, кроме того, как периодически действующий аппарат, в котором ввод одного из реагирующих веществ или вывод продукта реакции осуществляется периодически. Реакторы полупериодического действия используются тогда, когда изменения скорости подачи реагентов позволяет регулировать скорость процесса.

В таблице 1 сопоставлены факторы определяющие периодичность  и непрерывность процесса в реакторе.

По  гидродинамическому режиму (структуре  потоков) ректоры делятся на три группы.

Реакторы  идеального (полного) перемешивания – аппараты, в которых потоки реагентов мгновенно и равномерно перемешиваются во всем реакционном объеме. Это значит, что состав и температуру реакционной смеси в таком аппарате можно считать одинаковыми во всем его объеме. На рисунке 4а предствлена типичная зависимость изменения концентрации субстрата во времени в таком реакторе.

К такому типу реакторов  могут быть отнесены аппараты малого объема с механическим перемешиванием жидкости, частотой вращения мешалки  не менее 4 с^–1 и временем гомогенизации не более 8 минут.

Реакторы  идеального (полного) вытеснения – аппараты, в которых движение реагентов носит поршеневой характер, то есть каждый предыдущий объем, проходящий через аппарат, не смешивается с последующим, так как вытесняется им. В таком аппарате существует определенное распределение скоростей потока по его сечению. В результате состав, а так же температура реакционной смеси в цетре аппарата и у его стенок различны; и температур на входе и выходе из аппарата. К таким аппаратам относятся трубчатые реакторы при соотношении их высоты к диаметру, равным не менее 20 (H/D ≥ 20). Однако, в больших реакционных объемах, как правило, режим полного (идеального) вытеснения нарушается за счет эффекта обратного перемешивания. Типичная зависимость изменения концентрации во времени для такого аппарата представлена на рис 4б.

Реакторы  с промежуточным  гидродинамическим  режимом. Этот тип аппаратов очень широко распространен на практике. Наиболее часто отклонение от идеального режима пермешивания в реакционном объеме наблюдается, например, в аппаратах большого объма при недостаточной частоте вращения мешалки, наличии теплообменных устройств внутри аппарата, большой скорости подачи реагентов в аппарат непрерывного действия и т.д. В этих случаях возникают застойные зоны (объемы с малым перемешиванием или вообще без перемешивания), байпасные потоки в аппарате а так же проскок потока без смешения через аппарат. (рис. 5)

На рисунке 4в  показана характерная зависимость  изменения концентрации субстрата  во времени в таком реакторе.

В аппаратах  идеального вытеснения регулярный гидродинамический  режим может быть нарушен в  результате поперечного и особенно продольного пермешивания потока (рис. 6), что приводит к частичному выравниванию концентраций и температур по сечению и длине реактора. Объясняется это тем, что продольное (обратное) пермешивание ускоряет перемещение одних элементов объема, а других – замедляет, вследствие чего время пребывания их в реакторе становится различным.

Одним их технических  приемов уменьшения эффекта продольного  пермешивания является секционирование реакционного объема (рис. 7), в результате чего пермешивание приобретает локальный характер и по длине аппарата сохраняется гидродинамический режим, близкий к режиму полного вытеснения.

Типичная зависимость  изменения концентрации субстрата  во времени в многосекционном  аппарате представлена на рисунке 4г.

К аппаратам  с промежуточным гидродинамическим  режимом относятся большинство ферментеров колонного типа.

Реактор, как  аппарат, в котором протекает  основной процесс биотехнологии  – образование нового продукта в  результате сложного взаимодействия исходных веществ, должен работать эффективно, то есть обеспечивать требуемую глубину  и избирательность биохимического превращения. Следовательно, биохимический  реактор должен удовлетворять ряду различных требований: иметь необходимый  реакционный объем, обеспечивать определенный гидродинамический режим движения реагентов, создавать требуемую  поверхность контакта взаимодействующих  фаз, поддерживать необходимый теплообмен в процессе, режим аэрации и  т.д.

В промышленных условиях важнейшее значение приобретает  не только скорость биохимического превращения  вещества, но и производительность аппаратуры, поэтому выбор типа и конструкции оборудования является одним из главных и отвествтвенных этапов реализации химико-технологического процесса.

По  конструкции биохимические реакторы классифицируются следующим образом:

• реакторы емкостного типа (типа реакционной камеры);
• реакторы типа колонны;
• реакторы трубчатого типа;
• реакторы пленочного типа;
• реакторы мембранного типа;
• реакторы с псевдоожиженным слоем (рис. 8).

Конструктивный  тип реактора зависит от условий  проведения процесса и свойств участвующих  в нем веществ.

К важнейшим  из факторов, определяющий устройство реактора, относятся: агрегатное состоянияние исходных веществ и продуктов реакции, а так же их биохимические и микробиологиеческие свойства; температрура и давление, при которых протекает процесс; тепловой эффект процесса и скорость теплообмена; интенсивность переноса массы (массообмен), перемешивания реагентов; непрерывность или периодичность процесса; удобство монтажа и ремонта аппаратуры, простота его изготовления; доступность конструкционного материала и т.д.

Из всех перечисленных  выше факторов агрегатное состояние  вещества оказывает наибольшее влияние  на принцип организации движения взаимодействующих фаз и определяет конструктивный тип реакционного устройства. Кроме того, от этого фактора зависит  выбор некоторых основных и вспомогательных  деталей аппарата, таких как, например, перемешивающее устройство, поверхность  теплообмена и др.

С точки зрения определения  технологических  возможностей биохимических реакторов целесообразно систематизировать с учетом основных гидродинамических и массообменных показателей. Эти показатели будут в значительной мере зависеть от количества и способа подвода энергии на перемешивание и аэрацию в реакторах. В соответствии с этим все биохимические реакторы (ферментеры) могут быть отнесены к трем группам.

Реакторы  с подводом энергии  через газовую  фазу (рис. 9). Эта группа аппаратов отличается простотой конструкции и надежностью эксплуатации, так как отсутствуют движущие детали и узлы. К таким аппаратам относятся, например, барботажные эрлифтерные ферментеры.

Реакторы  с подводом энергии  через жидкую фазу (рис. 10). Характерным конструктивным признаком таких аппаратов является наличие самовысасывающего элемента, или насоса. К этой группе аппаратов можно отнести, например, ферментеры с самовысасывающими перемешивающими устройствами, с эжекционной системой перемешивания и аэрации, с внешним циркуляционных контуром.

Реакторы  с комбинированным  подводом энерги (рис. 11). Основной конструктивных элемент таких аппаратов – перемешивающее устройство, обеспечивающее высокоэффективное диспергирование и гомогенизацию. К этой группе относятся высокоинтенсивные аппараты с механическим перемешиванием и одновременно барботажем сжатым воздухом.

Биохимический реактор имеет ряд устройств  и даже целых узлов, с помощью  которых к нему присоединяются основное и вспомогательное оборудование, а так же арматура и контрольно-измерительные  приборы. 

2. Устройство  и принципы работы биохимических  реакторов

2.1. Реакторы  с неподвижным слоем биокатализатора 

Колонны с насадкой иммобилизованного катализатора в  настоящее время используются в  нескольких промышленных процессах, и  есть все основания полагать, что  в ближайшее время область  их применения существенно расширится. В таких реакторах, называемых реакторами с неподвижным слоем катализатора, с помощью иммобилизованных ферментов  осуществляют изомеризацию глюкозы, частичный  селективный гидролиз пенициллина, селективное расщепление смеси  производных рацемических аминокислот. В реакторах с неподвижным  слоем изучались также процессы с участием иммобилизованных клеток.

В простейшем и  часто довольно успешно применяющемся  математическом описании работы реактора с неподвижным слоем катализатора в основу положена модель реактора полного вытеснения, модифицированная с целью учета влияния каталитической насадки на структуру течений  и кинетику реакций. Поверхностную  скорость потока через реактов определяют как объемную скорость потока исходных веществ, отнесенного к площади поперечного сечения пустот, которое представляет собой произведение общей площади поперечного сечения колонны на долю пустот e.