Влияние условий проведения процесса на выбор конструкционных материалов

Классификация химических реакторов

Классификация реакторов

Химическими реакторами принято считать аппараты, в которых осуществляются химические процессы с целью получения определенного вещества в рамках одного технологического процесса.

При оценке работы реактора очень важно знать основные его характеристики (степень превращения, выход и избирательность-селективность), определяемые с помощью следующих соотношений:

Рассматривая все многообразие реакционных устройств, применяемых в настоящее время в химической промышленности, можно сделать вывод о том, что во всех реакторах имеют место определенные физические процессы (гидродинамические, тепловые и диффузионные), с помощью которых создаются оптимальные условия для проведения собственно химического превращения вещества (химической реакции). Для осуществления этих физических процессов реактор имеет в своем устройстве конструктивные элементы, широко применяемые в аппаратах для проведения собственно физических процессов (мешалки, контактные устройства, теплообменники и т.д.).

Поэтому все химические реакторы можно рассматривать как аппараты комплексные, состоящие из известных конструктивных элементов, большинство из которых отдельно используется для проведения технологических операций, не сопровождающихся химическим превращением перерабатываемых веществ.

Критериями, по которым классифицируют реакционную аппаратуру является периодичность или непрерывность процесса, его гидродинамический и тепловой режимы, физические свойства взаимодействующих веществ.

По принципу организации процесса химическая реакционная аппаратура может быть разделена на три группы:

- непрерывного действия;

- периодического действия;

- полунепрерывного действия.

По гидродинамическому режиму различают следующие типы реакторов:

- полного вытеснения;

- полного смешения;

- промежуточного типа (с промежуточным гидродинамическим режимом).

По тепловому режиму работы реакторы делят на следующие типы:

- изотермический реактор;

- адиабатический реактор;

- реактор с программированным тепловым режимом.

По конструктивным особенностям - классификация реакторов объединяет всю реакционную аппаратуру в следующие группы:

- типа реакционной камеры;

- типа колонны;

- типа теплообменника;

- типа печи.

По фазовому состоянию:

- гомогенные;

- гетерогенные.

Важнейшим из факторов, определяющих устройство реактора, можно отнести следующие: агрегатное состояние исходных веществ и продуктов реакции, а также их химические свойства, температуры и давление, при которых протекает процесс, тепловой эффект процесса и скорость теплообмена; интенсивность перемешивания реагентов, непрерывность или периодичность процесса; удобство монтажа и ремонта аппарата, простоту его изготовления; доступность конструкционных материалов и т.д.

Из всех перечисленных выше факторов агрегатное состояние вещества оказывает самое большое влияние на принцип действия реактора, и его конструктивного оформления. Кроме того, в зависимости от этого фактора определяется выбор некоторых основных и вспомогательных узлов аппарата, таких, как, например, питатель, перемешивающее устройство, поверхность теплообмена и т.д.

Для изготовления типовой реакционной аппаратуры используют различные конструкционные материалы, обладающие разнообразными, часто специфическими свойствами. В частности они должны иметь достаточную механическую прочность, химическую стойкость к коррозионному воздействию исходных веществ и продуктов реакции, обладать хорошей теплопроводностью и малой теплопроводностью, не оказывать каталитического воздействия на процесс химического превращения, иметь достаточно хорошую и термическую обрабатываемость, а также быть доступными и дешевыми.

Все конструктивные материалы, применяемые для изготовления реакционной аппаратуры можно объединить в две группы: металлы и неметаллические материалы.

Металлы. Наиболее широкое распространение в реакторостроении получили стали и чугуны. Для изготовления аппаратов используются стали различных марок: углеродистая сталь (фланцы, болты, трубные решетки, корпуса); высококачественная углеродистая сталь (корпуса, днища, детали эмалированной аппаратуры, а также аппаратура работающая при высоком давлении и при температуре от -40 до +450 ^оС и т.д.); стальное литье (реакторы типа автоплавов, фасонные детали); листовая сталь (аппараты работающие под давлением до 60 атм и температуре 450 ^оС); легированные (специальные) стали - нержавеющие, кислотостойкие жаропрочные, окалиностойкие и т.д. (аппараты, работающие в условиях воздействия азотной или соляной кислоты).

Наиболее часто применяют следующие марки чугунов: серый чугун (корпуса аппаратов); ковкий и высокопрочный чугун (отдельные детали аппаратов, обладающие высокой прочностью); щелочестойкий чугун (аппараты работающие в условиях NaOH, KOH)

Многие цветные и редкие металлы.

Алюминий (аппаратура, работающая при воздействии азотной кислоты, при температуре150 ^оС под нормальным давлением);

Медь и никель- аппараты работающие в условиях воздействия горячих химических агрессивных сред.

Тантал- аппаратура стойкая к воздействию горячей соляной кислоты или смеси азотной или соляной кислот при температуре до 350⁰С и давлении до 70 атм.

Титан- облицовка внутренних поверхностей реакторов работающих в условиях воздействия уксусной кислоты, разбавленной соляной кислоты, растворов хлористого магния и т.д.

Для изготовления реакторов используют также двухслойный конструкционный листовой материал. Основной слой- углеродистая сталь: второй слой (планирующий) из цветного или легированного металла наносятся на основной и непосредственно соприкасается с реакционной средой.

Тем самым снижается расход дефицитного дорогостоящего металла, удешевление стоимости конструкционного материала при повышении его коррозионной стойкости.

Неметаллические материалы - керамика, фарфор, стекло, кислотоупорный бетон, и т.д. (неорганические материалы). Из органических материалов- графит и графитовые материалы, фаолит, текстолит, винипласт, тефлон и т.д.

Кроме того, применяются защитные покрытия от коррозии- свинец, эмаль, стекло. Наиболее часто применяют футеровку из метлахской плитки, кислотоупорного кирпича, графитовые плитки, резину, каучук, пластические массы и т.д. При помощи резины и каучука производят гуммирование оборудования.