Реакторы химические (от лат. rе- приставка, означающая обратное действие, и actor - приводящий в действие, действующий), промышленные аппараты для осуществления химических реакций. Конструкция и режим работы химических реакторов определяются типом реакции, фазовым состоянием реагентов, характером протекания процесса во времени (периодический, непрерывный, с изменяющейся активностью катализатора), режимом движения реакционной среды (периодический, полупроточный, с рециклом), тепловым режимом работы (адиабатический, изотермический, с теплообменом), типом теплообмена, видом теплоносителя. По типу конструкции химические реакторы подразделяют на емкостные, колонные, трубчатые (рис. 1). Емкостные химические реакторы - полые аппараты, часто снабженные перемешивающим устройством. Перемешивание газо-жидкостных систем может производиться барботированием газообразного реагента. Теплообмен осуществляется через поверхность химического реактора или путем частичного испарения жидкого компонента реакционной смеси. К реакторам этого типа относят также аппараты с неподвижным или псевдоожиженным слоем (одним или несколькими) катализатора. В многослойных реакторах теплообмен осуществляется смешением потоков реагентов или в теплообменных элементах аппарата. В емкостных химические реакторы проводят непрерывные, периодические и полупериодические процессы.
Рис. 1 Основные типы хим. реакторов: а-проточный емкостный реактор с мешалкой и теплообменной рубашкой; б - многослойный каталитический реактор с промежуточными и теплообменными элементами; в-колонный реактор с насадкой для двухфазного процесса; г-трубчатый реактор; И-исходные вещества; П- продукты реакции; Т - теплоноситель; К - катализатор; Н-насадка; ТЭ теплообмен-ные элементы.
Колонные химические реакторы могут быть пустотелыми либо заполненными катализатором или насадкой. Для улучшения межфазного массообмена применяют диспергирование с помощью разбрызгивателей-барботеров, механического воздействия (вибрация тарельчатой насадки, пульсация потоков фаз) или насадки, обеспечивающей высокоскоростное пленочное движение фаз. Химических реакторы данного типа используют в основном для проведения непрерывных процессов в двух- или трехфазных системах. Трубчатые химические реакторы применяют часто для каталитических реакций с теплообменом в реакционной зоне через стенки трубок и для осуществления высокотемпературных процессов газификации. При одновременном скоростном движении нескольких фаз в таких реакторах достигается наиболее интенсивный межфазный массообмен. Специфическими особенностями отличаются химические реакторы для электрохимических и радиационно-химических процессов.
При расчете химических реакторов определяют необходимые для достижения заданной производительности и селективности процесса объем аппарата, скорость потока, поверность теплообмена, гидравлического сопротивление, режим работы, конструктивные параметры (уточняются на основании аэродинамических испытаний). Расчет выполняют на основе данных по термодинамике и кинетике реакций, скорости тепло- и массообмена с учетом структуры потоков в аппаратах. Наиболее полный расчет, проводимый методом моделирования с использованием ЭВМ, включает определение полей температуры и концентрации, оптимального режима, схемы теплообмена и циркуляции, а также, наряду с выбором способа управления, анализ устойчивости режима.
Лит.: Левеншпиль О., Инженерное оформление химических процессов пер. с англ., М., 1969; Дидушинский Я., Основы проектирования каталитических реакторов, пер. с польск., М., 1972; Расчет химико-технологических процессов, под ред. И. П. Мухленова, Л., 1976; Общая химическая технология, ч. 1. Теоретические основы химической технологии, 4 изд., М., 1984, с. 77-119 Кутепов А. М., Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г., Общая химическая технология, 2 изд., ч. 1, М., 1990, с. 63-169. B.C. Бесков
Динамические режимы химических реакторов характеризуются изменением во времени параметров, определяющих состояние процесса (концентрация, температура, давление и др.). В динамическом режиме всегда функционирует реактор периодического действия, в котором ход процесса изменяется от момента загрузки сырья до выгрузки готового продукта. Реактор непрерывного действия должен работать в стационарном, неизменном во времени режиме. Однако из-за неизбежных внеш. возмущений, например изменения состава сырья, условий отвода или подвода теплоты, возникают отклонения от стационарного режима. Они могут быть незначительными и существенными, приводящими к заметным изменениям качества продукта, производительности реактора и даже к авариям. Динамические режимы реакторов непрерывного действия исследуют с помощью их мат. моделей в виде дифференциальных уравнений в обыкновенных или частных производных.
Динамические режимы непрерывно действующего реактора идеального смешения, в котором протекает экзотермическая реакция первого порядка, описываются безразмерной системой уравнений, составленной на основе материального (1) и теплового (2) балансов:
где х, у -переменные, пропорциональные соотв. концентрации реагирующего вещества и температуре в реакторе; x0, y0-те же переменные для потока на входе реактора; ут - переменная, пропорциональная температуре окружающей среды; l-константа, пропорциональная расходу потока на входе реактора, b-константа, пропорциональная коэффициенту теплопередачи и площади поверхности теплообмена с окружающей средой; т-время.
Стационарные режимы реактора определяются условием dx/dт = dy/dт = 0. Решение уравнений (1), (2) при этом дает значения xsи ysдля стационарного состояния. В зависимости от параметров реактора стационарных состояний может быть одно или три; в общем случае их всегда нечетное число.
Динамические режимы исследуют с помощью фазовой плоскости x, у. Решения системы (1), (2) являются функциями времени х(т), y(т) и начальных условий. Каждому мгновенному состоянию реактора (рис. 2) в момент тк соответствует на плоскости х, у некоторая точка М, наз. изображающей. При изменении т эта точка будет двигаться по фазовой плоскости; траектория точки наз. фазовой. Вся совокупность траекторий, отвечающих различным начальным условиям, представляет собой фазовый портрет системы, который однозначно отражает динамические режимы.
Стационарные состояния реактора изображены на фазовых портретах специальными точками (А, В, С). Направление изменения режима реактора указывается стрелками. Если траектория стремится к стационарному состоянию, то оно устойчиво, а режим реактора работоспособен. Если траектория выходит из стационарного состояния, то оно неустойчиво. Исследования устойчивости стационарных состояний - одна из главных задач изучения динамических режимов.
На рис. 2 представлены фазовые портреты системы, отражающие наиболее интересные динамические режимы функционирования химических реакторов. Портрет а соответствует режиму с единств. устойчивым стационарным состоянием А, при отклонении от которого переменные х и у стремятся в него вернуться. Спиральный характер траекторий на портрете б означает, что режим приближения к единств. стационарному состоянию А является колебательным затухающим.
Траектории на портрете в, отвечающие неустойчивому стационарному состоянию А, уходят от него и стремятся к замкнутой траектории Г, названной предельным циклом. Движение изображающей точки по Г означает незатухающие колебания х и у. Исследования таких режимов (автоколебаний) - еще одна задача изучения динамических режимов. Портрет г соответствует режиму с тремя стационарными состояниями, одно из которых неустойчиво. Принципиально возможен случай, когда все стационарные состояния неустойчивы. При этом они охватываются предельным циклом. Изучение динамических режимов позволяет решать проблемы оптимального конструирования и автоматизации хим. реакторов.
Рис. 2. Фазовые портреты хим. реакторов: а-устойчивый режим с монотонным приближением к единств. стационарному состоянию А; б-устойчивый режим с колебательным приближением к состоянию А; в-автоколебательный режим, от стационарного состояния А режим переходит на предельный цикл Г; г-случай трех стационарных состояний, из которых А и С устойчивы, В-неустойчиво.
Лит.: Вольтер Б. В., Сальников И. Е., Устойчивость режимов работы химических реакторов, 2 изд., М., 1981; Aris R., Mathematical modelling techniques, S. F., 1979. Б. В. Вольтер.
