Главная стадия химико-технологического процесса, определяющая его назначение и место в химическом производстве, реализуется в основном аппарате химико-технологической схемы, в котором протекает химический процесс – химическом реакторе. Химический реактор – аппарат, в котором осуществляются ХТП, сочетающие химические реакции с массопереносом (диффузией). Например, в печном отделении сернокислотного цеха реактором является печь обжига серы или колчедана; в контактном отделении – контактный аппарат. В технологической схеме химический реактор сопряжен с аппаратами подготовки сырья и аппаратами разделения реакционной смеси и очистки целевого продукта. Вспомогательные аппараты обычно расположены в технологической схеме, как до реактора, так и после него. Основное назначение аппаратов, предшествующих реактору, заключается в подготовке сырья к реакции, а аппаратов, расположенных после него, – разделение продуктов реакции, концентрировании их или очистке от вредных примесей. В каждом реакторе можно выделить реакционную зону (реакционный объем), в котором непосредственно осуществляется химический процесс и через которую проходят потоки реагентов. ХТП в реакторах могут протекать в замкнутом реакционном объеме при отсутствии сквозных потоков или в потоке, проходящем через реакционную зону.

Протекание ХТП в замкнутом реакционном объеме, т.е. когда отсутствует массообмен с окружающей средой или с другими аппаратами, подчиняется закономерностям, рассмотренным нами ранее на предыдущих занятиях. При протекании ХТП в таких реакторах параметры и показатели технологического режима постоянны во всем объеме и изменяются лишь во времени. Подавляющее большинство ХТП проводят в сквозных потоках, проходящих через реакционную зону аппаратов. Эти потоки различаются по интенсивности перемешивания исходных реагентов и продуктов реакции, по характеру изменения температуры по длине реакционной зоны. Закономерности работы таких реакторов определяются характеристиками этих потоков.

Для анализа и управления реакторами, через которые проходят потоки реагентов, технологу необходимо учитывать влияние таких потоков на показатели ХТП. К основным гидродинамическим характеристикам потока, оказывающим влияние на протекание ХТП, относят линейную скорость и перемешивание, к термодинамическим – изменение температуры по длине реакционной зоны, через которую проходит поток и др. В зависимости от гидродинамических характеристик и структуры потока продолжительность пребывания таких частиц в зоне реакции будет различна. Перемешивание в потоке может быть продольным и радиальным. Продольное перемешивание обусловливает смешение частиц, только что вошедших в реакционную зону, с частицами, давно в ней находившимися. Радиальное перемешивание интенсифицирует массообмен между соседними участками в поперечном сечении потока. Продольное перемешивание и неоднородность поля скоростей приводят к одному и тому же отрицательному явлению – к неравномерности времени пребывания частиц в зоне реакции, через которую проходит поток.

Среднее время пребывания частиц рассчитывают по формуле:

t =v_р/V (1.5.1)

здесь v_р – объем реакционной зоны; V – объемный расход жидкости (газа, смеси).

Фактор линейной скорости характеризуется двумя параметрами – средним значением и неоднородностью поля скоростей.

Конструкция и режим работы химического реактора определяет эффективность и экономичность всего химико-технологического процесса. Выбор конструкции и размеров химического реактора определяется скоростями протекающих в них процессов массо-и теплообмена и химических реакций. При этом задаются производительность установки, элементом которой является химический реактор, и степень превращения сырья.

Основным показателем работы реактора, свидетельствующим о его совершенстве и соответствии заданной цели, является его интенсивность. Так как от интенсивности зависит время, затрачиваемое на производство единицы продукции, то главной задачей при расчете реактора является установление зависимости:

t = f(X, C, U) (1.5.2)

где: U –скорость химического процесса; t – время пребывания реагентов в реакторе; Х – степень превращения реагентов в целевой продукт; С – начальная концентрация реагентов.