Общие сведения о химических реакторах.

Химические процессы играют исключительно большую роль, так как позволяют получить огромное количество различных веществ и материалов.

Предполагается также продолжить в широких масштабах техническое перевооружение химической промышленности, внедрение агрегатов большой единичной мощности, непрерывных одностадийных технологических процессов с максимальным использованием энергии химических реакций.

Необходимо выделить основные виды применяемых реакторов по наиболее характерным признакам, которые, в конечном счете, определяют их пожарную опасность.

Такой подход обусловлен тем, что химический реактор является основным и наиболее опасным в пожарном отношении элементом аппаратурного оформления любой технологической схемы химического производства.

Конструкция и оборудование реактора должны создавать:

1. Оптимальные условия для проведения химических реакций (контакт и взаимодействие реагирующих компонентов с катализатором, глубина превращения сырья и выход готового продукта и т.п.);

2. Пожарную безопасность технологического процесса.

В химической технологии применяется большое количество реакторов, отличающихся большим разнообразием. Поэтому, разделяя реакторы на группы аппаратов, можно говорить лишь об упрощенной их классификации, которая позволила бы в известной мере выявить общие моменты их пожарной опасности.

В основу этой классификации могут быть положены следующие признаки:

- периодичность или непрерывность работы;

- режим теплообмена;

- конструкция реактора.

По характеру технологического цикла реактора бывают периодического и непрерывного действия.

В последние годы в химической промышленности, особенно в крупнотоннажном производстве, применяют преимущественно непрерывные процессы, однако для ряда производств непрерывные процессы являются невыгодными или даже невозможными (например, при большой продолжительности времени реакции).

При получении одних и тех же веществ периодические процессы обладают значительно большей пожарной опасностью по сравнению с непрерывными, требуют больших затрат ручного труда, автоматизация их затруднена и, как правило, неэкономична.

При периодической загрузке и выгрузке таких реакторов создаются благоприятные условия для выхода пожаро - и взрывоопасных веществ в производственное помещение, а также образование опасных газо-паровоздушных смесей внутри аппаратов.

Известно, что протекание химических реакций возможно лишь на определенном температурном уровне и в определенном интервале температур. Эти температуры определяются энергией активизации химических реакций. Чем больше энергия активации данной реакции, тем меньше (при прочих равных условиях) ее скорость.

Согласно эмпирическому правилу Ванг-Гоффа с повышением температуры на 10°С константы скорости реакции возрастает в 2…4 раза. Это правило справедливо в области средних температур от 10 до 400°С.

Т.к. повышение температуры оказывает сильное влияние на скорость реакции, то на практике в большинстве случаев стремятся вести технологический процесс при максимально допустимой температуре. Однако повышение температуры в условиях производства часто ограничено рядом технологических и экономических факторов, а также необходимостью обеспечения пожарной безопасности процесса.

В ряде случаев повышение температуры лимитируется недостаточной термической устойчивостью реагирующих веществ и продуктов реакции. При этом образуется значительное количество побочных продуктов реакции, которые вызывают повышение давления или взрывное разложение веществ. Например, нарушение отвода тепла экзотермической реакции может привести к взрывному разложению этилена при его полимеризации под высоким давлением. При нарушении температурного режима может иметь место возгонка веществ, вскипание и другие нежелательные явления, приводящие к повреждению аппаратов, авариям и пожарам.

Поэтому для каждого химического процесса устанавливается оптимальная температура, которая обеспечивает высокий выход продукта при продолжительном сроке службы катализатора, отсутствие побочных процессов и соблюдения требований пожарной безопасности.

Любой химический процесс в реакторе может быть представлен схематически в виде уравнения:

А + Б = В + τ ± q

Однако протекать такое химическое превращение может в различных температурных условиях.

Если тепловой эффект реакции (q) находится в приемлемом интервале температур, то при осуществлении процесса экономически выгоднее не отводить тепло. Поэтому такие реакции проводят в реакторах, не имеющих теплообменных устройств, которые работают без теплообмена (не считая теплообмена с окружающей средой). Такие реакторы условно называют адиабатическими.

Температурный режим процесса (изменение температуры в ходе химической реакции) в таком реакторе целиком определяется тепловым эффектом реакции.

Графически изменение t_раб по длине адиабатического реактора, при протекании в нем реакции с положительным тепловым эффектом, показано на рис. 2. На графике видно, что рабочая температура изменяется от температуры начальной (t_н), которую имеет исходная сырьевая смесь А + Б на входе в реактор, до температуры конечной (t_к), которую приобретают продукты реакции в результате химического взаимодействия при контакте с

Рис.2. Изменение t_раб по длине реактора адиабатического типа

катализатором (катализатор на рисунке показан в виде насадки, расположенной по высоте или длине реактора).

При значительном тепловом эффекте экзотермических процессов практически невозможно обеспечить отвод большого количества тепла без применения теплообменных устройств. Поэтому реакторы адиабатического типа можно применять лишь для реакций с малым тепловым эффектом. Однако эти реакторы очень просты по своей конструкции, что, безусловно, является их достоинством: они в связи с этим относительно надежны в работе.

Для осуществления реакций с большим тепловым эффектом применяют другие реакторы, которые имеют системы теплообмена. Если скорость отвода (или привода) тепла из зоны реакции обеспечить пропорционально его выделению (или поглощению), то рабочая температура в реакторе будет изменяться по изотермической кривой (см. рис. 3). Реакторы, в которых рабочая температура изменяется в изометрическом режиме, называются реакторами изотермического типа. В промышленных условиях изотермический режим трудно достижим, т.к. по всему реакционному объему практически невозможно обеспечить постоянство температуры главным образом из-за неравномерности скорости химических реакций во времени.

Рис. 3. Изменение t_раб по длине реактора изотермического типа

Поэтому изотермический режим и реакторы изотермического типа являются идеальными для промышленных условий.

Подавляющее большинство реакторов на практике работает по политропическому режиму, протекающему с теплообменом, но скорость подвода (или отвода) тепла не пропорциональна количеству выделяемого или поглощаемого тепла. Реакторы, в которых температурный режим поддерживается близко к изотермическому, называется реакторами политропического типа (см. рис. 4).

Рис.4. Изменение t_раб по длине реактора политропического типа

Эти реакторы нашли очень широкое распространение в химической промышленности, т.к. позволяют проводить химические процессы практически с любым тепловым эффектом, т.к. применяемые в них системы теплообмена могут своевременно обеспечить подвод или отвод необходимого количества тепла. И чем ближе режим работы реактора к изотермическому, тем безопаснее с пожарной точки зрения его эксплуатация.

Вместе с тем реакторы политропического типа не лишены некоторых недостатков, которые, безусловно, необходимо учитывать при оценке их пожарной опасности. Эти реакторы по сравнению с реакторами адиабатического типа весьма сложны по своей конструкции и принципу работы. А из теории надежности известно, что надежность сложной системы, которая обеспечивает безотказность ее в работе, всегда уступает простой системе. Кроме того, для отвода или подвода тепла в зону реакции в реакторах этого типа на практике чаще используются хладоагенты и теплоносители, которые сами по себе представляют повышенную пожаровзрывоопасность и увеличивают пожарную опасность реактора в целом.

Например, при проведении некоторых эндотермических химических процессов (пиролиз углеводородов, крекинг, дегидрование и др.) требуется нагрев до весьма высоких температур (от 500 до 1000^оС и более). С этой целью используют обогрев топочными газами, получаемыми при сжигании жидкого или газообразного топлива. Для обогрева часто применяют специальные высокотемпературные органические теплоносители – горючие жидкости (даутерм, минеральные масла, АМТ-300, мобильтерм-600 и др.). В некоторых процессах используют пожаровзрывоопасные расплавы солей, например, селитры (N_а NO₃ и KNO₃). В качестве хладоагентов широко применяют горючие газы в сжиженном состоянии, например, аммиак, пропилен и др.

С целью создания изотермического режима в ряде случаев используют электроподогрев реакционной смеси. Обеспечение изотермического режима при работе реакторов может быть связано с применением открытого огня, пожаровзрывоопасных жидкостей и газов, а также дополнительного оборудования, обеспечивающего подачу, отвод и циркуляцию тепло - или хладоагентов (насосы, компрессоры, трубопроводы, теплообменники, топочные устройства для сжигания жидкого или газообразного топлива, электроподогреватели, емкости и др.).