Химиялық реакторлар. Химиялық реакторлардың жіктелуі және олардың жұмыс режимі

Жоспар:

1. Химиялық реакторларды және олардың жұмыс істеу режимдерін жіктеу
2. Реактор жұмысының тиімділік көрсеткіштері
3. Химиялық реакторларды масштабтау
4. Реакторлардың конструкциясына әсер ететін факторлар
5. Реакторда химиялық реакциялардың жүру процестерінің негізгі типтері

Химилық реакторлар
Технологиялық үлгінің аппараттарының ішінде химиялық айналдыру жүретін аппараттарды, яғни негізгі технологиялық операция жүргізілетін аппараты атап көрсетуге болады. Мұндай аппараттар реакторлар деп аталады. Сонымен, ішінде масса тасымалдау (диффузиялық) процесі мен химия технологиялық процестер жүретін аппарат, химиялық реактор деп атайды.
Химиялық реакторлар — химиялық реакцияларды жүргізуге арналған аппараттар.
Xимия реакторларындағы реакцияны қажетті жылдамдықпен жүргізу үшін реакцияласатын заттардың концентрациясын, температурасын реттеу, гетерогенді фазалардыц жанасу ауданын өзгерту, катализатор активтігін тұрақты күйінде сақтау т. б. әдістер қолданылады. Температуралық режимін жылу алмасу әдістері арқылы реттейді. Заттардың жанасу ауданын ұлғайту үшін қатты заттарды ұсатады. Xимия реакторларының сыртқы және ішкі құрылысы әр түрлі болады, бір өндірістің өзінде бірнеше реактор қолданылады.
Реактордың алдындағы аппараттардың негізгі міндеті шикізатты реакцияға дайындау, ал реактордан кейінгі орналасқан аппараттардың міндеті – реакцияның өнімдерін бөлу, оларды шоғырландыру немесе зиянды қосымшалардан тазарту болып табылады.
Реакторларға қойылатын талаптар: 1) жоғары өнімділік пен қарқындылықты қамтамасыз ету; 2) максималды айналдыру дәрежесімен қамтамасыз етуі; 3) реагенттерді тасымалдау мен араластыруға кететін энергия шығынының төмен болуы; 4) құрылысы жеткілікті түрде қарапайым және бағасы арзан болуы; 5) экзотермиялық реакциялардың жылуы мен эндотермиялық процестерді жүргізу үшін сырттан берілген жылуды түгелдей толық жұмсауы; 6) жұмыс сенімді, мүмкіндігінше толық механикаландырылған және автоматтандырылған болуы қажет.
Кей жағдайда, көмекші операциялар (жылыту, ұнтақтау, еріту, буландыру, сұйық күйге айналдыру және т.б.) мен химиялық айналдыру, бір аппаратта жүруі мүмкін. Реактордың құрылысы, жасауға қолданған материалы, автоматтау құралдарының жетілділігі, қолданудағы ыңғайлылығы мен қауіпсіздігі технологиялық процестің нәтижелік дәрежесіне  әжептеуір әсер етеді.
Бірақта, атап өтілген талаптар бір-біріне қарама-қайшы сипаттамада болуы мүмкін. Мысалы, айналдыру дәрежесінің жоғарылауы аппараттың өнімділігін төмендетеді, ал жоғары дәрежеде механикаландыру мен автоматтау оның кымбаттауына әкеледі. Сондыктан, реактор жұмысының экономикалық нәтижелігі неғұрлым жоғары болуы үшін, орьндалатын шарттардың соған байланысты жиынтығын қамтамасыз ету кажет. Ол үшін әрбір көрсеткіштің аппарат жұмысының жалпы экономикалық нәтижесіне әсері ескеріледі.
Химия реакторларының конструкциясы мен жұмыс режимі реакцияласатын заттардың агрегаттық күйіне және реакцияның жүру бағытын, жылдамдығын қамтамасыз ететін жағдайға (температура, қысым, реагенттер концентрациясы т. б.) сай болуы керек
Химиялық реакторлардың жіктелуі
Атқаратын міндеттеріне сай және өтетін реакторлардың ерекшеліктеріне байланысты реакторлардың конструкциялары да алуан түрлі болады. Жұмыс атқару ерекшеліктеріне байланысты реакторлар әр түрлі жікке бөлінеді.
Конструктивті ерекшеліктеріне байланысты:

• Сыйымдылықты (емкостные) реакторлар:
• Колонналы реакторлар (барботажды және насадкалы колонналар);
• Жылу алмастырғыш типті реакторлар.

Реактордың жұмыс көлемінде катализаторды орналастыру тәсілі бойынша:

• Жылжымайтын (с неподвижным) катализатор қабаты бар реакторлар;
• Жылжымалы (с подвижным) катализатор қабаты бар реакторлар;
• «Қайнаған» (с «кипящим») катализатор қабаты бар реакторлар. 

Мерзімді реакторлар
Мерзімді жұмыс істейтін реакторлар. Мұндай реакторларға реагенттерді операцияның алдында енгізеді. Берілген айналдыру дәрежесін қамтамасыз ететін белгілі уақыт өткеннен кейін аппарат реакциялық өнімнен босатылады. Процестің негізгі параметрлері (реагенттер мен реакция өнімдерінің концентрациясы, температура, кысым және т.б.) уақыт аралығында өзгереді. Мерзімді реакторларда, әдетте, реагенттердің өте қатты араластырылуы нәтижесінде толық араластыру жағдайы орнатылады және сәйкесінше кез-келген уақыт аралығында барлық реакциялық көлемде температурада біркелкі болады.

Үздіксіз реакторлар
Үздіксіз жұмыс істейтін реакторлар. Бұл реакторларда бастапқы заттар үздіксіз тиеліп және сонымен қатар реакцияның өнімдері үздіксіз шығарылады.  Көлемдік жылдамдық үздіксіз істейтін аппараттың өнімділігін сипаттайды. Көлемдік жылдамдықтың өсуімен бір бағыттағы реакциялар үшін реактордың өнімділігі (қарқындылығы) көбейеді, бірақ та айналдыру дәрежесі (өнімнің шығымдылығы) төмендейді және аппараттан өтетін реагенттердің жылжыуына қарсы кедергі өседі. Сондықтан, көлемдік жылдамдықты тек белгілі бір шекке ғана көтеру орынды бұл экономикалық түсініктермен де анықталады.
2-сурет. Өнімнің шығымдылығының х, аппарат кедергісінің ΔР және оның қарқындылығының көлемдік жылдамдыққа тәуелділігі (V).
Үздіксіз жұмыс істейтін реактор

Жартылай үздіксіз реакторлар
Жартылай үздіксіз жұмыс істейтін реакторлар. Бұл типтегі аппараттарда, шикізат аппаратқа үздіксіз немесе бірдей уақыт аралығьнда белгілі үлестермен енгізіледі, ал реакцияның өнімдері одан мерзімді шығарылады. Егер шикізат мерзімді беріп тұратын болса өнім үздіксіз шығарылуы де мумкін. Мұндай реакторлар ауыспалы ережеде болғандықтан жүріп жатқан процестің негізгі параметрлері уақыт бойынша өзгереді.
Идеалды ығыстыру реакторлары
Идеалды ығыстыру аппаратында айналдыру дәрежесі логарифмдік заңмен еседі. Бұл жағдайда бастапқы заттардын реакциялық кеңістіктегі концентрациясы төмендейді, ал бұл кинетикалық заңдарға байланысты реакцияның жылдамдығын төмендетеді, сондықтан реактордың өнімділігі Ө мен оның үдемелі қарқындылығы Қ төмендейді
   Идеалды араластыру реакторлар
Толық араластыру реакторлары. Мұндай реакторларда тап осы уақыт аралығында аппаратқа түскен реагенттің бөлшектері (ион, молекула немесе қатты заттың түйіршігі) қатты араластырудың нәтижесінде басқа бөлшектермен қатар аппараттан бірінші болып шығарылуы мүмкін. Толық араластыру реакторында көлемнің кез-келген элементті реактордың ішіндегімен лезде араласады, себебі, аппараттың биіктігі және қимасы бойынша айналмалы қозғалу жылдамдығы реактордағы сызықтық араластыру жылдамдығына қарағанда өте үлкен.
Реактор жұмысының тиімділік көрсеткіштері
Химиялық реактордың тиімділігі көбінесе оның жылу режиміне байланысты, бұл кинетикаға, тепе теңдік күйіне және реакторда жүретін процестің селективтілігіне әсер етеді.
Реакторлар жұмысының негізгі көрсеткіштері шартты түрде келесідей жіктеледі:
         - технологиялық;
         - пайдалану;
         - энергетикалық;
         - экономикалық.


Реактордың конструкциясына әсер ететін факторлар
Реакторлардың конструкциясы мынадай негізгі факторларға байланысты: 
1)әрекеттесетін және түзілетін заттардың агрегаттық күйі; 
2)реакциялық аймақтағы қысым мен температура; 
3)жылу әсері мен жылу алмасу қарқындылығы;  
4)өңделетін заттардың химиялық қасиеттері; 
5)араластыру қарқындылығы; 
6)процестің үздіксіздігі немесе периодтылығы;  
7)катализатордың болуы және оның жай-күйі.