Пожарная безопасность химических реакторов
Химический реактор - это аппарат для проведения химических реакций. Химические реакторы классифицируются по способу организации процесса; тепловому режиму; режиму движения реакционной среды; фазовому состоянию исходных реагентов; конструктивному оформлению теплообменных устройств.
По способу организации процесса различают реакторы периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. В реакторах периодического действия исходное сырье (реагенты) загружают через определенные промежутки времени. После осуществления химических превращений продукты реакции выгружают из реактора. По окончании разгрузки реактора и его повторной загрузки процесс повторяется. Таким образом, в реакторах периодического действия все его стадии (загрузка, реакция, разгрузка), протекают в одном месте (в одном аппарате), но в разное время.
В реакторах полунепрерывного (комбинированного) действия один из исходных реагентов загружается непрерывно, другой - периодически. Иногда реагенты поступают в реактор периодически, продукты реакции выгружаются непрерывно.
В реакторах непрерывного действия, поступление исходных реагентов, сама химическая реакция и выгрузка продуктов реакции, производятся одновременно и непрерывно, но разобщены в пространстве, то есть осуществляются в различных частях одного аппарата.
По тепловому режиму реакторы бывают изотермические, адиабатические, реакторы с программированным тепловым режимом.
Реакторы, в которых процесс протекает при постоянной температуре во всех точках реакционного объема, называют изотермическими. Достичь постоянства температуры в реальных условиях весьма затруднительно, поэтому для большинства реакторов наиболее характерным является политропический режим, т. е. частичный отвод тепла реакции или подвод тепла извне. Для отвода и подвода тепла используют соответствующие тепло и хладагенты.
Реакторы, работающие без теплообмена с окружающей средой, называются адиабатическими. Все тепло, выделяемое (или поглощаемое) в реакторе, аккумулируется реакционной смесью. Эти реакторы просты по конструкции, у них нет теплообменных устройств. Для создания адиабатического режима используют теплоизоляцию.
В реакторах с программированным тепловым режимом теплообмен осуществляется в соответствии с заданной программой изменения температуры по высоте реактора или в определенных точках реакционного объема (в определенные промежутки времени).
По режиму движения реакционной среды различают реакторы вытеснения и реакторы с перемешиванием (при непрерывном действии реактора).
Реактор вытеснения (рисунок 7.1) характеризуется тем, что в нем все частицы заполняющего продукта движутся в заданном направлении, не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади частицами и полностью вытесняя, подобно поршню, находящиеся впереди частицы потока. Время пребывания всех частиц реакционной среды в аппаратах идеального вытеснения одинаково. Состав реакционной смеси изменяется постепенно, по длине (высоте) реактора, вследствие протекания химической реакции.
Рисунок 7.1 - Реактор вытеснения трубчатого типа:
1 - корпус; 2 - катализатор; 3 - теплоноситель (хладагент); 4 - исходные продукты; 5 - продукты реакции.
Реакторы с перемешиванием (рисунки 7.2, 7.3), характеризуются тем, что поступающие в них реагенты интенсивно перемешиваются с помощью мешалки. Реагенты непрерывно подаются в реактор, а продукты реакции непрерывно выводятся. Поступающие в такой реактор частицы вещества мгновенно смешиваются с уже находящимися в нем частицами. В результате во всех точках реакционного объема выравниваются параметры, характеризующие протекающий процесс.
Рисунок 7.2 - Схема реактора со скребковой мешалкой:
1 - корпус; 2 - мешалка; 3 - рубашка для подогрева и охлаждения.
Рисунок 7.3 - Схема реактора со спиралевидной мешалкой:
1 - спираль большого диаметра; 2 - спираль малого диаметра; 3 - рубашка охлаждения.
По фазовому состоянию исходных реагентов реакторы бывают гомогенные и гетерогенные. Гомогенным называют реактор, если в нем реагирующие вещества находятся в одной фазе, например, только в жидкой или только в газообразной, а гетерогенным - если в реакторе реагирующие вещества находятся в различных агрегатных состояниях.
По конструктивному оформлению теплообменных устройств различают реакторы с рубашкой, с внутренними змеевиками, с наружным (внутренним) теплообменником и с двойными трубками.
Рисунок 7.4 Схемы теплообменных устройств в реакторах смешения:
а - аппарат с рубашкой; б - аппарат с внутренним змеевиком; в - аппарат с наружным теплообменником; г - аппарат с внутренним теплообменником; 1 - исходное вещество; 2 - теплоноситель; 3 - продукты реакции.
Система теплообмена может быть непрерывной и ступенчатой. На рисунке 7.4 показаны наиболее распространенные теплообменные устройства, применяемые в реакторах смешения, а на рисунке 7.5 - в реакторах вытеснения.
Непрерывный отвод (подвод) тепла осуществляется через теплообменную поверхность по всей высоте реактора. При ступенчатом отводе (подводе) тепла реактор делится на адиабатические секции с промежуточным охлаждением (подогревом).
Рисунок 7.5 - Схемы теплообменных устройств в реакторах вытеснения:
а - внутренний теплообменник; б - наружный теплообменник; в - двойные трубки; г, д - кожухотрубчатые теплообменники; е - внутренние змеевики; 1 - теплоноситель (хладагент); 2 - исходное вещество; 3 - катализатор; 4 - продукты реакции.
В реакторах помимо химических, идут и физические процессы, с помощью которых создаются оптимальные условия для осуществления химических реакций (поддерживаются определенная температура, давление, скорость перемешивания и др.). Поэтому химические реакторы соединяются с другими технологическими аппаратами (компрессорами, насосами, теплообменниками, сепараторами).
Машины и аппараты, соединенные между собой в определенной последовательности, образуют технологическую схему. При этом аппараты, расположенные до реактора, предназначены для подготовки и подачи исходных реагентов в реактор, а расположенные после реактора - для выделения целевого продукта, получаемого в результате химических превращений.
Пожарную опасность химических реакторов определяют физико-химические и пожароопасные свойства исходных реагентов и продуктов реакции; свойства реакционной среды и применяемых катализаторов (инициаторов); параметры проходящего в реакторе процесса, (давление, температура, объемная или массовая скорость); тип и конструктивные особенности реактора.
Горючая среда в период нормального ведения технологического процесса в реакторе не образуется, т.к. в исходных реагентах и продуктах реакции отсутствует окислитель. Горючая среда может образоваться в периоды загрузки или выгрузки, при замене отработанного катализатора, если нарушается безопасное соотношение между горючим и окислителем при подаче их в реактор.
Катализаторы могут быть взрывопожароопасными и стать источниками зажигания. Органические соединения обладают большой химической активностью, самовоспламеняются на воздухе, реагируют с взрывом с водой и другими веществами. Для увеличения поверхности контакта катализатора с веществом его наносят на пористую основу (активированный уголь, силикагель, керамику и др.), обладающую развитой поверхностью. Катализаторы, приготовленные на основе активированного угля склонны к самовозгоранию.
Пути распространения пожара: при нормальном ходе технологического процесса выход ГГ, паров и жидкостей из реакторов исключен, т.к. они закрыты герметично. Выход горючих веществ в производственное помещение или на открытую площадку возможен только в случае повреждений либо возникновения аварий. Повреждения (аварии) реакторов могут произойти при нарушении материального баланса в реакторе, увеличении скорости химической реакции (приводит к значительному повышению давления и температуры в реакторе) и снижении механической прочности стенок реактора.
Полезная информация: