Химические реакторы

Хими́ческие реа́кторы (реакцио́нные аппара́ты) — устройства для осуществления химических превращений с целью получения химических веществ. Химические реакторы, используемые в промышленности, различаются конструкцией, на которую влияет характер реакции, протекаемой в нём^[1].

Классификация

Химические реакторы классифицируют по разным признакам^[1]^[2].

Химические реактора

По режиму движения реакционной среды

Химические реакторы делят на реакторы идеального смешения (РИС) и реакторы идеального вытеснения (РИВ). Реакторы смешения — ёмкостные аппараты, снабжённые перемешивающим устройством (мешалкой или циркуляционным насосом). Реакторы вытеснения — аппараты, имеющие трубчатый удлиненный канал^[2].

По материалу изготовления

Традиционно химические реакторы изготавливаются из чёрной стали с защитным покрытием, что имеет ряд недостатков^[2]:

устройства тяжёлые и имеют высокую стоимость;
сборка и установка стальных резервуаров в закрытых помещениях требуют дополнительных затрат;
металл, используемый в корпусе, может оказать негативное влияние на производственный процесс и характеристики конечного продукта, так как он может реагировать с кислотами или щелочами.

Современным решением для замены металлических аппаратов являются полимерные реакторы. Они производятся из химически инертных пластиков, которые отличаются высокой прочностью и жесткостью^[2].

По способу протекания химических реакций

Разнообразие типов химических реакций и условий их протекания оказывает влияние на классификацию реакторов. Оборудование может использоваться как в гомогенных, так и в гетерогенных системах. Основное различие между ними связано с типами реакций: в одной фазе происходит одна часть, тогда как другая часть включает несколько фаз.

Для однофазных реакций применяются аппараты с гомогенной системой, что подразумевает участие веществ в одном агрегатном состоянии. Напротив, многофазные реакции, в которых задействованы вещества различных агрегатных состояний, требуют использования реакторов с гетерогенной системой.

В гомогенных процессах ключевым является достижение однородности температуры и концентрации в объёме аппарата. Для этого используют теплообменные реакторы. В случае гетерогенных процессов применяются ёмкости идеального смешения — это могут быть периодические реакторы, в которые реагенты вводятся перед началом реакции, или проточные системы, работающие в непрерывном режиме^[2].

По теплообмену между реактором и окружающей средой

Согласно данной классификации, химические реакторы можно разделить на три категории^[1]:

Адиабатические. В таких реакторах отсутствует теплообмен между системой и её окружающей средой. Вследствие химических реакций вся выделяющаяся или поглощаемая энергия используется для внутреннего теплообмена.
Изотермические. Эти реакторы обеспечивают теплообмен с окружающей средой, что позволяет поддерживать постоянную температуру внутри установки. При этом в каждом участке оборудования полностью компенсируются процессы поглощения и выделения тепла.
Политермические. В этих реакторах температура регулируется в соответствии с заранее установленной программой. Для достижения этого могут использоваться специальные устройства для теплообмена.

По принципу работы

Химические реакторы классифицируются по принципу своей работы на три основные категории^[3]:

реакторы периодического действия;
реакторы полунепрерывного действия;
реакторы непрерывного действия.

Режим периодической работы подразумевает поэтапное выполнение всех процессов:

1 этап — загрузка сырья, настройка реактора на заданные параметры;

2 этап — осуществление химической реакции;

3 этап — вывод аппарата из рабочего состояния, выгрузка полученной смеси.

Аппараты периодического действия широко используются в малосерийных производствах и при регулярной смене ассортимента. Они особенно удобны для процессов с низкими реакционными скоростями и в рамках лабораторных или исследовательских работ.

В реакторах непрерывного действия все процессы происходят одновременно, но в различных зонах аппарата. Эти установки применяются в массовом производстве, когда ассортимент не изменяется. Они обеспечивают стабильно высокую производительность и снижают эксплуатационные затраты, так как переход к рабочему режиму выполняется единожды при запуске всей технологической схемы^[3].

По конструктивным особенностям

Химические реакторы могут иметь форму цилиндра, могут быть прямоугольными. Цилиндрические реакторы являются наиболее распространёнными, поскольку цилиндрическая форма обеспечивает равномерное протекание реакций. Эти устройства могут быть как вертикальными, так и горизонтальными, а также открытыми или закрытыми^[1].

Прямоугольные реакторы также могут быть с закрытой или открытой конструкцией и могут иметь стальной каркас либо обойтись без него. Дно цилиндрических реакторов может быть выполнено в плоском или конусообразном исполнении, что также помогает в их классификации. Крышки в закрытых реакторах могут быть различной формы: плоские или конические.

Для увеличения скорости растворения, повышения выхода продукции и рационального использования ресурсов в реакторах устанавливают мешалки различных типов^[1].

Лопастная мешалка наилучшим образом подходит для невязких и умеренно вязких жидкостей, создавая грубые эмульсии и взвеси.
Пропеллерная мешалка с изогнутыми лопастями обеспечивает высокую эффективность перемешивания, идеальна для растворов с малым содержанием твердых частиц.

Рамная мешалка предназначена для вязких смесей. Турбинная мешалка, работающая на высокой скорости, эффективно предотвращает осадок и используется для эмульсий.
Фрезерная мешалка, способная перемешивать даже твёрдые вещества, подходит для жидкостей любой вязкости. Складная мешалка идеально подходит для узких горлышек, размер её лопастей адаптирован к диаметру.

Применение

Реакторы используют в производственных процессах химической и фармацевтической отраслей, а также в учебных и научно-исследовательских лабораториях. Они также находят применение в компаниях, которые занимаются выпуском косметики, химических веществ и разнообразных медицинских препаратов.

Эти устройства могут быть оборудованы различными компонентами, такими как мешалки, нагревательные элементы, уровнемеры, смотровые окна и контрольно-измерительное оборудование. Существует широкий ассортимент реакторов по объёмам: от нескольких миллилитров до сотен кубометров^[3].

Примечания

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 Химические реакторы (неопр.). Виртуальная среда обучения КНИТУ (КХТИ). Дата обращения: 8 октября 2024.
↑ ^2,0 ^2,1 ^2,2 ^2,3 ^2,4 Петьков В. И., Корытцева А. К. Химические реакторы. — Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012. — 71 с.
↑ ^3,0 ^3,1 ^3,2 Химический реактор: использование и преимущества (неопр.). «Ниотекс» Москва (14 июля 2021). Дата обращения: 8 октября 2024.

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!

[:0-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 Химические реакторы (неопр.). Виртуальная среда обучения КНИТУ (КХТИ). Дата обращения: 8 октября 2024.

[:1-2] 2,0 ^2,1 ^2,2 ^2,3 ^2,4 Петьков В. И., Корытцева А. К. Химические реакторы. — Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012. — 71 с.

[:2-3] 3,0 ^3,1 ^3,2 Химический реактор: использование и преимущества (неопр.). «Ниотекс» Москва (14 июля 2021). Дата обращения: 8 октября 2024.

[1]

[2]

[3]