Сосуд для химических реакций¶

Реактор — закрытая или полуоткрытая ёмкость, предназначенная для проведения химических реакций, физико-химических процессов и получения веществ в лабораторных, промышленных и бытовых условиях. Термин «реактор» происходит от латинского reactio («обратное действие, реакция»). В лабораторной практике реакторами называют автоклавы, колбы, калориметры и специализированные ёмкости, а в промышленности — крупногабаритные установки для ведения непрерывных или периодических процессов. Слово состоит из семи букв, что делает его ответом на известную кроссвордную загадку «сосуд для химических реакций».

¶Общие сведения

Химический реактор — основной аппарат химической технологии. В нём происходят процессы превращения исходных веществ (реагентов) в целевые продукты. От правильного выбора материала, формы, объёма и условий работы реактора зависит безопасность, скорость и полнота реакции.

Основные требования к реакторам:

• химическая стойкость материала к реагентам и продуктам реакции;
• термостойкость или, наоборот, способность поддерживать заданную температуру;
• механическая прочность при избыточном или пониженном давлении;
• удобство загрузки реагентов и выгрузки продукта;
• возможность очистки и повторного использования.

¶Классификация

По назначению и способу работы реакторы делятся на несколько групп.

¶Лабораторные реакторы

К ним относятся стеклянные и металлические ёмкости для небольших объёмов реактивов:

• Колбы (round-bottom flasks) — круглодонные и конические, применяются для нагревания, дистилляции и синтеза.
• Автоклавы — герметичные сосуды для реакций при повышенном давлении и температуре.
• Реактор Бунзена — простейший стеклянный сосуд с патрубками для подачи и отвода газов.
• Фотохимические реакторы — снабжены источниками ультрафиолетового излучения.
• Микроволновые реакторы — используют СВЧ-нагрев для ускорения синтеза.

¶Промышленные реакторы

В промышленном химическом производстве применяют установки объёмом от десятков литров до нескольких тысяч кубических метров:

• Блочные реакторы — ёмкости с перемешиванием и подогревом/охлаждением.
• Непрерывного действия — реагенты подаются непрерывно, продукт отводится непрерывно (трубчатые, башенные, колонковые реакторы).
• Периодического действия — загрузка, реакция и выгрузка выполняются последовательно.
• Каталитические реакторы — с неподвижным или кипящим слоем катализатора (например, в нефтепереработке).
• Ферментерные реакторы — для биотехнологических процессов с участием микроорганизмов и ферментов.

¶По типу агрегатного состояния среды

• газофазные (газ-газ);
• гетерогенные жидкостные (жидкость-жидкость, жидкость-твёрдое тело);
• газожидкостные (с пузырьковой или плёночной газораспределительной системой);
• твёрдофазные (спекание, обжиг).

¶Материалы изготовления

Выбор материала реактора определяется химической природой реагентов:

¶Основные элементы конструкции

Типовой промышленный реактор включает:

• корпус (ёмкость) с рубашкой или змеевиком для теплообмена;
• систему перемешивания (механическая мешалка, магнитная stirrer, циркуляционный насос);
• устройства подачи реагентов (загрузочные патрубки, дозаторы);
• системы контроля: термометры, манометры, уровнемеры, pH-датчики;
• предохранительные клапаны и мембранные разрывные устройства;
• системы отвода продукта и промывки.

¶Термодинамика и кинетика

Эффективность реактора характеризуется степенью превращения реагентов, выходом продукта и селективностью. Основные параметры:

• температура (влияет на константу скорости реакции по Аррениусу);
• давление (смещает равновесие по принципу Ле Шателье для газофазных реакций);
• время контакта (пребывание реагентов в рабочей зоне);
• интенсивность перемешивания (устранение градиентов концентрации и температуры).

Различают идеальный реактор (идеальный смеситель или идеальный сдвиговой поток) и реальный, в котором присутствуют отклонения от идеального режима — мёртвые зоны, каналы, короткие замыкания потока.

¶Области применения

Химические реакторы используются в широком спектре отраслей:

• производство минеральных удобрений, кислот и щелочей;
• нефтепереработка и нефтехимия (крекинг, риформинг);
• фармацевтическая промышленность (синтез лекарственных веществ);
• пищевая индустрия (ферментеры для получения спиртов, кисломолочных продуктов);
• атомная энергетика — ядерный реактор, где под «реактором» понимается установка для управления цепной реакцией деления (отдельный класс аппаратов, не относящийся напрямую к химическим реакторам, но использующий тот же термин);
• биотехнология и генная инженерия (биореакторы).

¶Безопасность

Работа с реакторами связана с рисками: взрыв при избыточном давлении, термические ожоги, коррозия, выделение токсичных газов. Основные меры безопасности:

• автоматическое отключение нагрева при превышении температуры;
• предохранительные клапаны и разрывные мембраны;
• вентиляция и газоанализаторы;
• соблюдение регламентов загрузки реагентов;
• использование средств индивидуальной защиты.

¶См. также

• Автоклав
• Химическая установка
• Теплообменник
• Катализатор
• Дистилляция

¶Источники

• Венкатараман К. «Химическая технология»
• Фаустов В. С. «Химическая технология»
• Кнунянц И. Л. (ред.) «Химическая энциклопедия», т. 4
• Патерсон У. «Химические реакторы: основы проектирования»
• Райс Р., Роджерс Г. «Химическая технология: реакторы»