Глава 16. Пожарная профилактика процессов, протекающих в химических реакторах

§ 16.1. Назначение и классификация химических реакторов

Существуют понятия химического реактора, электрического, биологического и ядерного. Мы будем рассматривать только химические реакторы.

Реактор химический — аппарат для проведения химических реакций. Колонны, камеры, автоклавы — это все химические реакторы.

В реакторах помимо химических идут и физические процессы, с помощью которых создаются оптимальные условия для осуществления химических реакций (поддерживаются определенная температура, давление, скорость перемешавания и др.). Поэтому химические реакторы часто имеют специальные устройства (мешалки, подогреватели, холодильники и др.) и соединяются с другими технологическими аппаратами: компрессорами, насосами, теплообменниками, сепараторами и т. п. Машины и аппараты, соединенные между собой в определенной последовательности, образуют технологическую схему. При этом аппараты, расположенные до реактора, предназначены для подготовки и подачи исходных реагентов в реактор; аппараты, расположенные после реактора, предназначены для выделения целевого продукта (или продуктов), получаемого в результате химических превращений, а также для достижения заданного качества этого продукта (степень чистоты, дисперсность и т. д.). Следовательно, в любой технологической схеме производства можно выделить три стадии: 1) стадию подготовки сырья, 2) стадию проведения химического процесса в самом реакторе, 3) стадию выделения и кондиционирования конечного продукта. Основной из этих стадий является вторая, поэтому реакторы имеют такое большое значение в технологических процессах производств.

В промышленности используются самые разные реакторы, отличающиеся по тепловому режиму, конструктивному устройству, фазовому состоянию реагентов и др. Поэтому существует классификация химических реакторов, которая может быть представлена в следующем виде.

1. По способу организации процесса различают реакторы периодического действия и реакторы непрерывного действия.

2. По тепловому режиму различают реакторы изотермические, адиабатические, реакторы с программированным тепловым режимом.

3. По режиму движения реакционной среды бывают реакторы вытеснения и реакторы с перемешиванием (при непрерывном, действии реактора).

4. По фазовому состоянию исходных реагентов различают реакторы гомогенные и реакторы гетерогенные.

§ 5. По конструктивному оформлению теплообменных устройств

различают реакторы с рубашкой, с внутренними змеевиками, с наружным теплообменником, с внутренним теплообменником, с двойными трубками.

I. В реакторах периодического действия исходное сырье (реагенты) загружают через определенные промежутки времени. После осуществления химических превращений продукты реакции выгружают из реактора. По окончании разгрузки реактора и его повторной загрузки процесс повторяется. Таким образом, в реакторах периодического действия все его стадии (загрузка, реакция, разгрузка) протекают в одном месте (в одном аппарате), но в разное время.

В реакторах непрерывного действия поступление исходных реагентов, сама химическая реакция и выгрузка продуктов реакции производятся одновременно и непрерывно, но разобщены в пространстве, то есть осуществляются в различных частях одного аппарата.

В реакторах полунепрерывного (комбинированного) действия один из исходных реагентов загружается непрерывно, другой — "периодически. Иногда реагенты поступают в реактор периодически,. а продукты реакции выгружаются непрерывно.

Реакторы непрерывного действия имеют большие преимущества, по сравнению с периодическими: нет перерывов в выпуске конечных Продуктов реакции; лучшие возможности автоматического регулирования и полной механизации; устойчивость режимов проведениях процессов; большая компактность оборудования; более полное использование тепла при отсутствии перерывов в работе аппарата. благодаря указанным достоинствам периодически действующие реакторы стремятся заменить аппаратами непрерывного действий.. Характер периодичности сохраняется в производствах небольшого масштаба, с разнообразным ассортиментом продукции (при изготовлении красителей, ингредиентов, лекарств и т. п.). Эффективность применения реакторов периодического действия характеризуется степенью или коэффициентом использования времени его работы, который равен отношению продолжительности этапа химических превращений к продолжительности всего цикла:

, (16.11)

где τхим — время протекания химической реакции; τ_ЕСп — время вспомогательных операций (загрузка и выгрузка, разогрев, охлаждение, чистка).

Реакторы непрерывного действия работают при постоянном режиме. Для них вместо времени продолжительности реакции используют такие характеристики, как время контакта или объемная-скорость.

Время контакта определяется отношением объема реактора к объемному расходу исходных реагентов:

, (16.12)

где τ — время контакта веществ в реакторе; V_p — объем реактора; Qv — объемный расход исходных реагентов.

Реакторы, в которых процесс протекает при постоянной температуре во всех точках реакционного объема, называют изотермическими. Достичь постоянства температуры в реальных условиях весьма затруднительно, поэтому для большинства реакторов наиболее характерным является политропический режим, т. е. частичный отвод тепла реакции или подвод тепла извне. Для отвода и подвода тепла используют соответствующие тепло- и хладагенты.

II. Реакторы, работающие без подвода и отвода тепла в окружаю­щую среду, называют адиабатическими. Все тепло, выделяемое {или поглощаемое) в реакторе, аккумулируется реакционной смесью. Эти реакторы просты по конструкции, у них нет теплообменных устройств. Для создания адиабатического режима используют теплоизоляцию.

В реакторах с программированным тепловым режимом теплообмен осуществляется в соответствии с заданной программой из­менения температуры по высоте реактора или в определенных точках реакционного объема (в определенные промежутки времени).

III. Реактор вытеснения характеризуется тем, что в нем все частицы заполняющего продукта движутся в заданном направлении, не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади частицами и полностью вытесняя (подобно поршню) находящиеся впереди частицы потока. Время пребывания всех частиц реакционной среды в аппаратах идеального вытеснения одинаково. Состав реакционной смеси изменяется постепенно, по длине (высоте) реактора вследствие протекания химической реакции.

Реакторы с перемешиванием (полного смешения) характеризуются тем, что поступающие в них реагенты интенсивно перемешиваются, например, при помощи мешалки. Реагенты непрерывно подаются в реактор, а продукты реакции непрерывно выводятся. По­ступающие в такой реактор частицы вещества мгновенно смеши­ваются с уже находящимися в нем частицами. В результате во всех точках реакционного объема выравниваются параметры, характеризующие протекающий процесс.

IV. Гомогенным называют реактор, если в нем находится одна -фаза (например только жидкая или только газообразная). Гетерогенным называют реактор, если в нем реагирующие вещества находятся в различных агрегатных состояниях.

В большинстве случаев химические процессы протекают в присутствии катализаторов (ускорителей химической реакции), которые могут быть представлены в виде газов, жидкостей и твердых тел. Поэтому гетерогенный тип реактора в ряде случаев определяется применяемым катализатором. Как правило, современные катализаторы являются сложной смесью веществ, которая называли контактной массой, или катализаторным комплексом.

V Система теплообмена может быть непрерывной и ступенчатой. На рис. 16.1 показаны наиболее распространенные теплообменные устройства, применяемые в реакторах смешения, на рис. 16.2— в реакторах вытеснения.

Рис 16 1 Схемы теплообменных устройств в реакторах смешения: а- аппарат с рубашкой; б- аппарат с внутренним змеевиком; в- аппарат с наружным теплообменником, г — аппарат с внутренним теплообменником; /-исходное вещество; 2 — теплоноситель; 3 — продукты реакции

Непрерывный отвод (или подвод) тепла осуществляется через теплообменную поверхность по всей высоте реактора. При ступенчатом отводе (подводе) тепла реактор делится на адиабатические секции с промежуточным охлаждением (подогревом).