Реакторы химических процессов и особенности их пожарной опасности

Большое многообразие реакторов, применяемых в химической промышленности, можно свести к пяти основным конструктивным видам:

• камерные;

• трубчатые;

• колонные;

• емкостные;

• змеевиковые.

Рассмотрим характерные особенности этих реакторов.

Камерные реакторы имеют, как правило, большие размеры, с катализаторной насадкой или без нее, чаще адиабатического типа с мощной теплоизоляцией. Применяются сравнительно редко. Такие реакторы просты по своей конструкции и в связи с этим сравнительно надежны для проведения химических процессов с малым тепловым эффектом.

Однако с пожарной точки зрения в этих реакторах имеются условия для образования местных перегревов реакционной массы из-за неравномерного температурного поля по высоте насадки реактора и его сечению. Это обусловлено неравномерностью скорости химической реакции во времени в различных локальных точках реакционного объема реактора, и отсутствием, каких либо систем теплообмена.

Трубчатые реакторы по своей конструкции они подобны кожухотрубчатым теплообменникам. Катализатор может размещаться в трубках или межтрубном пространстве. В таких реакторах теплообмен происходит непрерывно и одновременно с каталитической реакцией. Применяются трубчатые реакторы чаще, чем камерные. Дробление реакционного объема на малые объемы в виде узких каналов, ограниченных стенками трубочек, создает более благоприятные условия для подвода или отвода тепла. В трубчатых реакторах температурный режим можно регулировать, обеспечивая большую равномерность температурных полей.

Однако трубчатые реакторы отличаются большой трудоемкостью при замене отработанного катализатора из узких трубочек. Кроме того, при эксплуатации трубчатых реакторов из-за быстрого осмоления и ококсования катализатора в трубках сравнительно быстро гидравлическое сопротивление прохождения реакционной смеси увеличивается. Это является характерной причиной приращения давления в аппарате. В результате неравномерного прогревания трубок и корпуса реактора в местных сочленениях трубок часто возникают опасные температурные напряжения, особенно в периоды пуска и остановки.

Колонные реакторы подразделяются на несколько типов: с неподвижным слоем катализатора, с движущимся катализатором (пылевидным или гранулированным), с перемешивающим устройством или без него. Теплообмен в колонных реакторах может осуществляться через рубашку или теплообменные поверхности, располагаемые внутри аппаратов. Для обеспечения необходимого температурного режима по высоте реактора применяют посекционный теплообмен. Реакторы колонного типа отличаются высокой производительностью.

Недостатками в пожарном отношении колонных реакторов являются: повышенная сложность их конструкции, использование в качестве тепло - или хладоагентов огнеопасных жидкостей, неустойчивость динамического равновесия системы реактор-регенератор при эксплуатации реакторов с кипящим (псевдоожиженным) слоем пылевидного катализатора.

Емкостные реакторы находят широкое применение для проведения периодического и непрерывного химических процессов без теплообмена и с теплообменом.

Реактор емкостного типа состоит из корпуса, мешалки с приводом и теплообменным устройством. Для выравнивания температуры по реакционному объему наряду с рубашками охлаждения (или нагрева) применяют внутренние теплообменные устройство в виде змеевиков или спиралей.

Для проведения непрерывных процессов устраивают каскад из емкостных аппаратов, которые соединяют между собой последовательно.

Применение реакторов емкостного типа, несмотря на все названные преимущества, ограничено сравнительно небольшой поверхностью теплообмена (примерно до 10 м²).

Змеевиковые реакторы широко применяются для проведения процессов, идущих с большой скоростью и требующих очень быстрого отвода или подвода тепла при высоких значениях давления и температуры. Они состоят из участков труб, соединенных между собой специальными фасонными отливками-двойниками.

Змеевиковые реакторы имеют развитую поверхность теплообмена и применяются для химических процессов с большим тепловым эффектом. Например, для полимеризации этилена методом высокого давления, сопровождающегося выделением большого количества тепла.

Такие реакторы применяются также широко для проведения эндотермических реакций. Например, для пиролиза углеводородов осуществляемого в трубчатых печах.

Недостатком этих реакторов является большое гидравлическое сопротивление, что вызывает значительный расход энергии на перемещение жидкостей или газов. К недостаткам этих реакторов следует отнести также трудность очистки внутренней поверхности змеевиков от возможных отложений, нарушающих нормальный теплообмен и уменьшающих внутренний диаметр труб реактора. Это приводит к образованию повышенных давлений в системе змеевика и к возможности прогара стенок змеевика.