Введение

Реакторы химической промышленности по сравнению с другими аппаратами для осуществления тепло- и массообменных процессов чрезвычайно разнообразны по своему конструктивному оформлению.

На конструктивное оформление реакторов существенно влияет целый ряд факторов, из которых особенно необходимо отметить следующие:

а) величина теплового эффекта реакции, а также необходимость проведения реакций в изотермическом режиме или же в неизотермических условиях;

б) фазовый состав (гомогенные системы: газ₁+газ₂, ж₁+ж₂, тв₁+тв₂; гетерогенные системы: г+ж, г+тв, ж+тв, г+ж+тв);

в) максимальное значение оптимальной температуры в зоне реакции;

г) условия перемешивания или создания контактов реагентов на молекулярном уровне при оптимальных для данного типа реакций температурах;

д) гидродинамическая обстановка в реакторе.

Классификация химических реакторов

Несмотря на обилие конструкций реакторов, можно выделить общие признаки классификации реакторов.

В настоящее время реакторы принято [1-3] классифицировать по следующим признакам:

1. По способу организации процесса в реакторе:

а) периодического действия;

б) непрерывного действия;

в) полупериодического действия.

2. По гидродинамической обстановке в реакторе:

а) реактор идеального смешения;

б) реактор идеального вытеснения;

в) реактор промежуточного или смешанного типа работы.

3. По условиям теплообмена:

а) изотермический реактор, в котором в каждой точке реакционного пространства стараются поддерживать постоянную температуру;

б) адиабатический реактор, в котором вся теплота, выделяющаяся или поглощающаяся в результате химических процессов, расходуется на «внутренний» теплообмен – на нагрев или охлаждение реакционной смеси;

в) неизотермический реактор с изменением температуры по длине или объему реактора иногда по определенному, управляемому закону;

г) автотермические реакторы, в которых необходимая температура процесса поддерживается без использования внешних источников энергии.

4. По фазовому составу:

а) для проведения гомогенных процессов в системах:

газ-газ,

жидкость-жидкость,

твердое -твердое ;

б) для проведения гетерогенных процессов в системах:

газ-жидкость,

газ-твердое,

жидкость-твердое,

в трехфазных системах: газ+жидкость+твердое.

5. По давлению в реакторе:

а) реакторы под вакуумом;

б) низкого давления – до 1 МПа;

в) среднего давления – до 10 МПа;

г) высокого давления – до 32 МПа;

д) сверхвысокого давления – более 32 МПа.

6. По использованию катализатора в процессе реакции, наличие которого часто оказывает огромное влияние на конструктивное оформление реактора:

а) каталитические реакторы;

б) некаталитические реакторы.

Как видно из приведенной классификации, на конструкцию реактора оказывает влияние очень большое число факторов (гидродинамика, режим работы, температура, фазовый состав, давление, наличие катализатора и даже производительность (как будет дальше показано).

Анализ основных факторов, оказывающих влияние на конструкцию реакторов, показывает, что их конструктивное оформление наиболее удобно рассматривать по фазовому составу реагирующих систем, так как способы подготовки реагентов, способы интенсификации процессов для одних и тех же систем одни и те же, а реализованы они при разном конструктивном оформлении реакторов в зависимости от теплового эффекта реакции, оптимальной температуры в зоне реакции, давления и наличия катализатора, что наглядно будет далее показано на примере реакторов при осуществлении как гомогенных, так и гетерогенных процессов.

Поскольку скорость химических реакций очень сильно зависит от температуры (по экспоненциальному закону Аррениуса), то большинство конструкций реакторов «привязано» к температурным режимам в реакторе и абсолютным количествам выделяющихся или поглощающихся теплот в единице объема реактора.

Поэтому не случайно в появляющихся в последние годы новых конструкциях реакторов ученые и конструкторы пытаются оптимизировать зачастую противоречивые требования: максимум к.п.д. (т.е. высокая степень превращения лимитирующего компонента) при минимуме затрат энергии (например, минимуме гидравлического сопротивления реактора), при высокой удельной производительности т продукции/т веса реактора и оптимальной температуре.

В последние 50 лет в развитых странах в ряде химических производств (производства NH₃, H₂SO₄, CH₃OH, аммофоска и др.) разработаны, изготовлены и работают на производстве агрегаты большой единичной мощности. Конструктора при минимизации их габаритов с целью уменьшения капитальных затрат натолкнулись на трудно решаемую проблему «минимума габаритов», связанную, в первую очередь, с невозможностью решения тепловой задачи в реакторе при дальнейшем увеличении его габаритов, несмотря на все имеющиеся способы интенсификации и совершенное конструктивное оформление процессов теплообмена.

Второй серьезной проблемой при разработке реакторов большой единичной мощности явилось решение задачи обеспечения механической надежности агрегатов, связанной с обеспечением долговечности основных его узлов при увеличении скоростей движения потоков с целью минимизации габаритов оборудования.

Увеличение удельной производительности любого оборудования автоматически ведет к росту скоростей движения компонентов (согласно уравнению неразрывности потока), что отрицательно сказывается на его надежности, так как при большей скорости потока возрастают абразивный и коррозионный износы внутренних элементов оборудования.

Поэтому конструкторам нового реакционного оборудования помимо требования максимально возможной степени превращения реагирующих компонентов, минимальных энергозатрат и его габаритов необходимо решать вопросы обеспечения механической надежности и технологической устойчивости реактора. Под технологической устойчивостью реактора понимается поддержание постоянной степени превращения реагентов (х_А = const) при возможных (даже при наличие систем автоматики) колебаниях параметров процесса (расходов, температур, давлений).