2.1. Основні типи хімічних реакторів
Хімічні перетворення здійснюють у реакторах, конструкція яких розрахована на проведення процесів певного типу при параметрах, близьких до оптимальних.
Хімічний реактор — технологічний апарат, в якому здійснюють хіміко-технологічні процеси, що поєднують хімічні реакції з масопереносом (дифузією).
Допоміжні апарати для підготовчих та заключних операцій у технологічних схемах розташовані до та після реактора. Основне призначення апаратів, розташованих перед реактором, — підготовка сировини і реагентів до реакції, а апаратів, розташованих за реактором, — розділення і концентрування продуктів реакції або їх очищення від шкідливих домішок.
Хоч різноманіття хімічних і фізичних явищ, що лежать в основі різних ХТП, висуває широкий спектр вимог до хімічних реакторів, всі вони повинні:
забезпечувати найбільшу продуктивність та інтенсивність;
гарантувати найвищий ступінь перетворення при максимальній селективності процесу;
мати малі енерговитрати на транспортування та перемішання реагентів;
бути простими за конструкцією і недорогими;
найповніше використовувати тепло екзотермічних реакцій та зовнішнє тепло для проведення ендотермічних процесів;
бути надійними в роботі при повній механізації та автоматичному регулюванні процесів.
Враховуючи протиріччя між деякими з цих основних вимог, їх сукупність повинна забезпечувати найвищу економічну ефективність роботи реактора.
Реактори відрізняються як конструктивно, так і за режимами їх роботи. Найпоширенішою є класифікація хімічних реакторів і режимів їх роботи за такими критеріями: 1) гідродинамічним режимом в реакторі; 2) умовами теплообміну в реакторі; 3) фазовим складом реагуючої суміші; 4) способом організації процесу; 5) характером змін у часі параметрів процесу; 6) конструктивними особливостями.
За гідродинамічним режимом виділяють реактори змішування та витіснення.
За умовами теплообміну є реактори адіабатичні, ізотермічні, з проміжним тепловим режимом та автотермічні.
За фазовим складом реагуючої суміші виділяють реактори для газофазних процесів, газо-рідинні, для рідиннофазних процесів, газотвердофазні, рідинно-твердофазні, для гетерогенно-каталітичних процесів.
По способу організації процесу виділяють періодичні, напівперіодичні та безперервно діючі реактори.
По характеру зміни в часі параметрів процесу реактори поділяються на стаціонарні та нестаціонарні.
За конструктивними характеристиками виділяють ємностні реактори (автоклави, камери, циліндри); реактори-колонки (насадочні, тарільчатого типу); каталітичні реактори з нерухомим, рухомим та псевдозрідженим шаром каталізатора; реактори-теплообмінники; реактори — реакційні печі (шахтні, камерні, обертові).
2.2. Узагальнена типова схема хтп
Надзвичайно широкий, навіть в межах кожного із 7 класів хімічної промисловості, асортимент продукції обумовлює розмаїття технологічних схем, їх апаратурного оформлення та типів і меж коливань технологічних параметрів їх реалізації. Хоч це і ускладнює створення типової схеми ХТП, все-таки у переважній більшості хімічних виробництв можна виділити 4 етапи: 1) контроль якості і кількості сировинних і допоміжних компонентів; 2) підготовка всіх реагентів до взаємодії та їх дозування перед подачею в реактор; 3) хімічні перетворення в реакторі вхідних речовин на цільові та побічні продукти; 4) фінішна обробка продуктів реакції, їх розділення і очищення (рис. 3).
Основними параметрами, що впливають на хімічні перетворення в реакторі, є: температура Т, тиск Р, концентрація реагуючих компонентів С, наявність каталізатора і його активність, величина водневого показника рН та окисно-відновного потенціалу Eh і тривалість взаємодії т. Температура Т, впливаючи на в'язкість середовища, дифузійний перенос компонентів та хімічні процеси взаємодії, належить до найсильніших та найуніверсальніших параметрів, що впливають на ХТП. Тиск Ρ суттєво впливає на реакції в газах. Вплив концентрацій реагуючих компонентів С регулюється законом діючих мас. Величина рН регулює процеси кислотно-основного каталізу і гідролізу. Величина потенціалу Eh найсильніше впливає на реакції за участю елементів, що змінюють валентність та ступінь окиснення.
Неповнота зв'язування вхідних реагентів вимагає після відділення від цільових продуктів їх повторного повернення на вхід реактора.
Метою фінішної обробки продуктів взаємодії є їх розділення та очищення від домішок.
Рис. 3. Узагальнена типова схема ХТП.
Умовні позначення: Α1...Αn, В1...Вn — вхідні сировинні компоненти і реагенти; ΔΑ1...ΔΑn, ΔΒ1...ΔΒn — залишки компонентів, що не прореагували; ОП1... ОПn, — основні продукти реакції; ПП1...ППn — побічні продукти реакції; КОП1...КОПn— кінцеві товарні основні продукти реакції; КПП1...КППn— кінцеві товарні побічні продукти реакції; Q — тепло, що вводиться (виводиться) в реактор; W — технологічна електроенергія; І — етап контролю сировинно-енергетичних ресурсів; II— найтиповіші процеси підготовки реагентів; III— процеси хімічних перетворень; IV — фінішна обробка продуктів. Т — температура; р— тиск; С— концентрація компонентів; рН — водневий показник; Eh — окисно-відновний потенціал; τ — тривалість процесу.