Требования к промышленным реакторам, их классификация и структурные элементы

Реактор – устройство, в котором происходит осложненное тепло- и массообменными явлениями химическое превращение – химический процесс. Реактор является основным элементом любого химического производства. Современные промышленные химические реакторы являются объектами значительных масштабов и различаются большим разнообразием форм и конструкций: емкостные, колонные, трубчатые – типа теплообменников, вращающиеся цилиндры, реакционные печи и т.д. На практике их называют исходя из внешнего вида: реактор, башня, автоклав, камера, печь, контактный аппарат и др., иногда по типу протекающих реакций: полимеризатор, алкилатор, окислитель, дожигатель и т.д.

К промышленным реакторам предъявляются определенные требования:

1. Получение заданных технологических результатов и производительность. Параметры функционирования реактора определяются параметрами протекающего в нем химического процесса и технологические результаты оцениваются показателями химического процесса (степенб превращения сырья, селективность и скорость процесса). Производительность реактора – количество целевого продукта, полученное в единицу времени. Иногда производительность оценивают по количеству пропускаемой реакционной смеси. Максимальная производительность реактора называется мощностью.

2. Высокая интенсивность протекания процесса. Интенсивность – производительность, отнесенная к величине, характеризующей размер реактора (объем, высота, площадь сечения и т.д.). При оценке работы реактора для каталитических процессов производительность часто относят к единице объема или массы катализатора в реакторе. Количество продукта, полученное с единицы объема или массы катализатора, называют производительностью катализатора. Интенсивность работы реактора достигается:

а) улучшением его конструкции;

б) совершенствованием условий протекания химического процесса (подбором катализатора, оптимизацией параметров, интенсификацией массо- и теплообмена и т.д.).

Интенсивность характеризует совершенство организации химического процесса в реакторе и является оценочным показателем при сравнении эффективности реакторов.

3. Легкая управляемость и возможность устойчивого поддержания заданного технологического режима. Легкая управляемость зависит от параметрической чувствительности реактора.

Параметрическая чувствительность реактора – реакция (отклик) выходных параметров процесса (степень превращения, конечная температура, время реакции и т.д.) на изменение регулирующих параметров (объемная скорость, соотношение реагентов, начальная температура и т.д.). Чем выше параметрическая чувствительность, тем четче реагирует процесс на управляющие воздействия и изменение технологического режима.

Устойчивость работы реактора – способность сохранять постоянство выходных параметров при заданном технологическом режиме – определяется откликом управляющих параметров на кратковременные колебания неуправляемых выходных и возмущающих параметров (состава сырья, температуры, теплоносителя, активности катализатора и т.д.). При стационарном (установившемся) технологическом режиме все параметры, характеризующие работу реактора, не изменяются во времени. Однако, всегда возможны небольшие изменения (возмущения) неуправляемых параметров, которые могут повлиять на стационарность режима. Работа реактора является устойчивой, если после снятия наложенного возмущения режимные параметры реактора возвращаются в прежнее состояние. Неустойчивость стационарных режимов иногда является следствием ошибок при масштабном переходе от лабораторных исследований к промышленному реактору. Вследствие больших тепловых потерь, вызванных малым масштабом лабораторного реактора, температуру приходится поддерживать искусственно, при этом практически любой режим является устойчивым. Однако, в промышленном масштабе режим, подобранный по лабораторным испытаниям, по этой причине может быть нереализуем. Устойчивость работы реактора обеспечивается при проектировании путем выбора устойчивого режима из нескольких возможных при заданных начальных условиях.

4. Потребление минимума энергии для функционирования. Затраты энергии при эксплуатации реактора определяются его гидравлическим сопротивлением, необходимостью перемешивать реакционную смесь, теплоносителями и т.д. Снижение энергопотребления реактора достигается совершенствованием его конструкции. Энергетическую эффективность реактора можно повысить максимальным использованием теплоты реакции для нагрева входящих потоков, выработки водяного пара и т.д.

5. Безопасность и надежность при эксплуатации. Безопасность реактора определяется совершенством его конструкции и рациональным подбором конструкционных материалов (защита от коррозии, жаропрочность и т.д.). В реакционной зоне не должны быть застойные зоны, в которых могут протекать нежелательные реакции (осмоление, коксование, разложение продуктов и т.д.), приводящие к созданию аварийных ситуаций. Особенно опасны такие зоны при работе с ацетиленом – соединением, склонным к разложению и взрыву.

Важным требованием является ремонтопригодность промышленных реакторов, определяющаяся простотой конструкции, доступностью внутренних деталей и возможностью их ремонта и замены. Все эти требования взаимосвязаны и в значительной степени противоречивы, рациональность удовлетворения которых при проектировании определяется стоимостью реактора и, в конечном счете, количеством и себестоимостью продукции.

Внешние формы и конструкционные особенности промышленных реакторов определяются следующими показателями химического процесса:

1. Агрегатным состоянием реагирующей системы и их свойствами. Реакторы наиболее простой конструкции используются в случае гомогенных газо- или жидкофазных систем. Более сложны реакторы для гетерогенных процессов, особенно при наличии твердых компонентов.

2. Требуемой интенсивностью контакта фаз. В гетерогенных процессах химическое превращение, как правило, протекает в одной из фаз и повышение интенсивности контакта фаз усиливает массообмен и ускоряет химическое превращение в результате увеличения концентрации компонентов в соответствующей фазе. В случае межфазного химического превращения (катализ на твердом катализаторе, обжиг и т.д.) при увеличении поверхности контакта фаз непосредственно ускоряется процесс. Необходимая интенсивность контакта фаз определяет конструкцию смесителей в реакторе.

3. Режимными параметрами процесса. При высоких температуре и давлении резко повышаются требования к жаропрочности материала и механической прочности корпуса реактора. Необходимость утолщения корпуса часто ограничивает диаметр реактора.

4. Тепловым эффектом реакции и требуемой интенсивностью теплообмена. Необходимость компенсации теплового эффекта обусловливает включение в состав реактора теплообменных устройств, что серьёзно осложняет его конструкцию.

5. Коррозионной агрессивностью компонентов, осложняющей подбор материала реактора и обусловливающей необходимость футеровки.

6. Взрыво- и пожароопасностью процесса, требующей снабжение реактора защитными устройствами, препятствующими распространению пламени (огнепреградители, водные затворы) и превышению давления (обратные клапаны и предохранительные разрывные мембраны и т.д.)

Промышленные реакционные устройства классифицируют по типу протекающих в них процессов.

По способу организации процессы подразделяют на периодические и непрерывные. В реакторе периодического действия все этапы процесса проводятся последовательно, и загрузка и выгрузка не совпадают по времени. Между отдельными реакционными циклами в периодическом реакторе осуществляются вспомогательные операции, вследствие чего снижается его производительность. В реакторе непрерывного действия все этапы процесса осуществляются параллельно, одновременно, поэтому непроизводительные затраты времени отсутствуют.

По фазовому составу реакционной смеси подразделяют реакторы для гомогенных и для гетерогенных процессов. Особо выделяют реакторы для гетерогенно-каталитических процессов.

По гидродинамической обстановке в реакционной зоне реакторы подразделяют на реакторы смешения и вытеснения. Для реакторов смешения характерна выравненность всех параметров процесса по объему реакционной зоны, что достигается наличием специального перемешивающего устройства. В реакторах вытеснения реакционная смесь перемещается по реакционной зоне от входа к выходу практически без перемешивания. Перемешивание в таких реакторах имеет лишь локальный характер и вызывается возможной неравномерностью распределения скорости потока и завихрениями из-за конструктивных особенностей реактора.

По организации тепловых потоков реакторы подразделяют на изотермические, адиабатические и с частичным теплообменом. В изотермическом реакторе тепловой эффект реакции полностью компенсируется за счет теплообмена с внешней средой. В адиабатическом реакторе реакционное тепло компенсируется изменением температуры выходящего потока. Реакторы с частичным теплообменом занимают промежуточное положение – это реакторы, в которых часть реакционного тепла компенсируется путем теплообмена с внешней средой, остальная часть - изменяет температуру выходящего потока. Среди реакторов с частичным теплообменом особый интерес представляют автотермические реакторы, в которых реакционное тепло используется для нагрева входящего потока до температуры реакции. Несмотря на наличие теплообмена, такой реактор в целом является адиабатическим, так как отсутствует теплообмен с внешней средой. Автотермические реакторы энергетически выгодны и используются, особенно в крупнотоннажных производствах.

Промышленные реакторы классифицируют также по внешней форме и конструктивным характеристикам.

Габариты и конструкционные элементы реактора непосредственно не влияют на протекание химического процесса, их влияние проявляется через создающиеся в реакционной зоне условия (концентрационные и температурные поля). Конструирование реактора направлено на создание такой конструкции, которая обеспечивает протекание в нем химического процесса в условиях, максимально близких к режиму теоретической оптимизации. Возможность создания таких условий в промышленном реакторе достигается путем включения в его конструкцию различных структурных элементов. Независимо от особенностей протекающих реакций и режимов работы для реакционных устройств характерны следующие структурные элементы:

1) входное устройство – для ввода сырья в реактор, иногда в виде нескольких потоков;

2) реакционная зона – объем, в котором протекает химическое превращение. В нем может находиться катализатор;

3) смеситель потоков – устройство, обеспечивающее однородность контакта реагентов во всем объеме реакционной зоны;

4) теплообменное устройство – для компенсации теплового эффекта реакции и регулирования температурного режима в реакционной зоне;

5) выходное устройство – для удаления продуктов реакции, иногда несколькими потоками.

Непосредственно химические превращения осуществляются только в реакционной зоне, во всех остальных элементах реактора протекают чисто физические процессы (диффузионные, теплообменные, гидравлические), создающие необходимые условия для протекания химического превращения.