Химический реактор — аппарат, в котором ведут химическую реакцию: мешалка перемешивает среду, а рубашка или змеевик подводят и отводят тепло. Типовой промышленный реактор в нашем каталоге — стальной сварной сосуд: вертикальный корпус с двумя эллиптическими днищами, внутренние устройства, теплообменное устройство и опоры.
В наших технических условиях на ёмкостные аппараты реактор выделен в отдельное исполнение «Р» с предельными параметрами: вместимость до 200 м³, расчётное давление до 16 МПа, внутренний диаметр до 3400 мм. Ниже — из чего реактор состоит, какие бывают исполнения и как его оформляют как сосуд под давлением. Выбор мешалки, привода и уплотнения вала разобран отдельно — в статье об аппаратах с мешалкой.
Для чего нужен химический реактор и как он работает
Реактор нужен, чтобы провести химическую реакцию в заданных условиях: при нужной температуре, давлении и перемешивании. Поэтому у него, кроме корпуса, есть всё, что держит процесс под контролем: подвод и отвод тепла, перемешивающее устройство, штуцера для сырья, продукта и газов, гнёзда для датчиков.
Как это работает, хорошо видно по таблице штуцеров нашего поликонденсатора — реактора с рубашкой для химического предприятия. Сырьё — полиэфирные олигомеры — входит через штуцер А, полимер выходит через штуцер Б, пары уходят через штуцера В и В1 к конденсатору, через штуцер Г подают азот.
Тепло даёт рубашка: в ней высокотемпературный органический теплоноситель, а в двенадцать гнёзд Т1…Т12 ставят ТЭНы электрообогрева рубашки. Подогреватель держит температуру среды в аппарате не ниже 240 °C. За процессом следят датчики давления (под них два штуцера), отдельные датчики температуры реактора и рубашки, уровнемерная камера и смотровые стёкла; у реактора и у рубашки — свои штуцера под предохранительные клапаны.
Мешалка поддерживает однородность смеси, помогает растворять и суспендировать компоненты и выравнивает температуру. Наши технические условия на аппараты с перемешивающими устройствами называют их задачу так: перемешивание сред для интенсификации физико-химических процессов и приготовление растворов, суспензий и эмульсий.
Как устроен промышленный реактор
Типовая конструкция реактора в наших технических условиях — вертикальная цельносварная обечайка с эллиптическими днищами сверху и снизу, внутри — внутренние устройства; под процесс её меняют. Из чего состоит реактор:
- корпус — обечайка и днища, цельносварной или разъёмный;
- теплообменное устройство — рубашка, змеевик или трубный пучок, при необходимости несколько сразу;
- внутренние устройства и, по заказу, погружной насос;
- перемешивающее устройство — привод, вал с мешалкой, уплотнение вала;
- опоры — стойки или лапы;
- штуцера, детали для крепления теплоизоляции, полосы для площадок и лестниц, указатель уровня.
Рубашка — отдельная полость вокруг корпуса со своей средой, давлением и температурой. Поэтому в опросном листе у каждого параметра среды и процесса две колонки: «в аппарате» и «в теплообменном устройстве».
ГОСТ 34347-2017 отдельно оговаривает комплект поставки сосудов с механизмами и внутренними устройствами — реакторов, кристаллизаторов, ёмкостей с погружными насосами: в него входят электродвигатели, редукторы, насосы и другое, что предусмотрено технической документацией. Сосуды с приварными рубашками стандарт допускает проектировать без люков независимо от диаметра.
Какие бывают реакторы
В каталоге типы реакторов названы по процессу и условиям работы: реакторы окисления, для нефтехимических процессов, для химических производств, под давлением и без давления, с мешалками и без. Конструкцию ёмкостного аппарата в наших технических условиях записывают условным обозначением из восьми полей; исполнение реактора в последнем поле обозначают буквой «Р».
Пример из наших технических условий: ВЭЭ 1 – 5 – 25 – 1,0 – К – Р. Это вертикальный реактор с эллиптическими днищами, цельносварной, с внутренними устройствами, номинальным объёмом 25 м³ на условное давление 1,0 МПа, из коррозионностойкой стали; буквы «Т» нет — без термообработки.
Различие «под давлением и без» — в режиме работы. ГОСТ 34347-2017 охватывает сосуды под избыточным давлением, под вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 Па и без давления, под налив. От режима зависят группа сосуда и объём контроля, а для оборудования под избыточным давлением — ещё и категория по ТР ТС 032/2013.
Для реакторов нефтехимических процессов особенно важна сталь. Если среда вызывает коррозионное растрескивание или межкристаллитную коррозию, под неё подбирают сталь, а необходимость термообработки и испытания на межкристаллитную коррозию отмечают в опросном листе. Испытание на межкристаллитную коррозию по ГОСТ 34347-2017 проводят для коррозионностойких сталей — аустенитных, ферритных, аустенитно-ферритных — и двухслойной стали с таким слоем.
| Поле | Что задаёт | Варианты |
|---|---|---|
| 1 | Тип аппарата | первая буква — В вертикальный или Г горизонтальный; дальше — днища: Э эллиптическое, К коническое, П плоское, у вертикальных сначала нижнее, потом верхнее; у реактора в примере ТУ — ВЭЭ |
| 2 | Разъём | 1 — цельносварной; 2 — разъёмный |
| 3 | Внутренние устройства и обогрев | 1 — без рубашки; 2 — с трубным пучком; 3 — с рубашкой; 4 — со змеевиком; 5 — с внутренними устройствами; 6 — с погружным насосом; сочетания через «/», например 3/5 |
| 4 | Номинальный объём, м³ | из номинального ряда |
| 5 | Условное давление, МПа | число |
| 6 | Материал | У — углеродистая (низколегированная) сталь, допускается не ставить; К — коррозионностойкая сталь |
| 7 | Термообработка | Т — с термообработкой |
| 8 | Исполнение | Р — реактор; другие буквы — другие исполнения ёмкостных аппаратов |
Из чего делают реакторы
Реакторы делают из углеродистой, низколегированной и коррозионностойкой стали. Материал задают не на весь аппарат, а по частям: корпус, детали в контакте со средой (например, трубный пучок), детали без контакта со средой (например, рубашка) и прокладки — это четыре отдельных поля опросного листа.
Сталь подбирают по среде, расчётной температуре стенки и минимальной температуре под давлением. Для коррозионной среды в опросном листе указывают скорость коррозии в мм/год.
Как это работает на практике, видно по двум нашим реакторам. Для реактора по типу ВЭЭ на масло и водород взята низколегированная сталь 09Г2С. У поликонденсатора среда коррозионная, класса опасности 2 по ГОСТ 12.1.007, — корпус из коррозионностойкой стали 10Х17Н13М2Т (AISI 316Ti), из неё же детали мешалки, соприкасающиеся со средой, а опоры — из низколегированной 09Г2С.
Реактор как сосуд под давлением: группа для каждой полости
По ГОСТ 34347-2017 группу сосуда определяют расчётное давление, температура стенки и характер среды. Группу выбирает разработчик, но не ниже, чем по таблице 1 стандарта. Для реактора важна оговорка того же пункта: группу сосуда с полостями, у которых разные расчётные параметры и среды, допускается определять для каждой полости отдельно — корпус и рубашку можно рассматривать порознь.
В 1-ю группу при расчётном давлении свыше 0,05 МПа или под вакуумом попадают взрывоопасные и пожароопасные среды, а также токсичные среды 1–3-го классов опасности по ГОСТ 12.1.007. Под налив и до 0,05 МПа в 1-ю группу попадают только токсичные среды тех же классов.
Разбор на поликонденсаторе. В реакторе — 1,4-бутандиол и полиэфирные олигомеры 2-го класса опасности, расчётное давление 0,6 МПа изнутри и 0,1 МПа снаружи, рабочий минимум — вакуум. В рубашке — органический теплоноситель 3-го класса при расчётном давлении 0,5 МПа. Обе полости — 1-й группы по ГОСТ 34347-2017 и 1-й категории по ТР ТС 032/2013.
Из группы следует контроль: для 1-й группы стыковые, угловые и тавровые сварные соединения проверяют радиографией или ультразвуком в объёме 100 % длины, доступной для контроля (таблица 19 стандарта). Режимов у реактора может быть несколько, с разными давлениями и температурами; пробное давление гидроиспытания тогда принимают максимальным из найденных для каждого режима. Для работы под вакуумом расчётное давление при определении пробного берут равным 0,1 МПа.
Пример из практики: поликонденсатор на 3 м³
Задача: реактор для получения полимера из полиэфирных олигомеров на предприятии химической промышленности, заказ 1487П, 2022 год. Вместимость реактора — 3 м³, рубашки — 2 м³; рабочее давление в обеих полостях — до 0,4 МПа, а в реакторе бывает и вакуум.
Температуры: в реакторе рабочая 250 °C и расчётная 270 °C, в рубашке — 270 и 280 °C. Рубашку с органическим теплоносителем ТАВ-330 или аналогом греют ТЭНы, под них — двенадцать штуцеров DN 100.
Аппарат рассчитан на работу с мешалкой ленточного типа диаметром 1300 мм, детали в контакте со средой — из AISI 316Ti, а на заводе предусмотрена контрольная сборка с перемешивающим устройством; по ГОСТ 20680-2002 ленточные мешалки относят к средам вязкостью более 50 Па·с. Аппарат вышел негабаритным, масса — 4225 кг. На заводе его испытывают пробным гидравлическим давлением на прочность и герметичность по ГОСТ 34347-2017 и устанавливают скобы для крепления теплоизоляции: саму изоляцию ставят на месте монтажа.
Что здесь важно: две полости 1-й группы, работа и под давлением, и под вакуумом, расчётная температура до 280 °C и коррозионная среда 2-го класса опасности. Корпус — из коррозионностойкой стали, а реактор рассчитан не только на внутреннее давление 0,6 МПа, но и на наружное 0,1 МПа.
Что указать в опросном листе для реактора
- Состав и концентрацию среды, класс опасности, взрыво- и пожароопасность — отдельно для реактора и для рубашки: от них зависит группа сосуда, а её допускается определять для каждой полости отдельно.
- Рабочее и расчётное давление, включая вакуум, — для каждого режима работы.
- Рабочую температуру, расчётную температуру стенки и минимальную температуру стенки под давлением.
- Склонность к кристаллизации, коррозионное растрескивание, межкристаллитную коррозию и скорость коррозии — по ним подбирают сталь и решают, нужны ли термообработка и испытание на межкристаллитную коррозию.
- Тип теплообменного устройства и поверхность теплообмена.
- Нужна ли мешалка и какие свойства среды важны для её выбора.
- Тип опор, теплоизоляцию, указатель уровня, таблицу штуцеров и эскиз аппарата.
- Место установки: сейсмичность, климатическое исполнение, категорию помещения, класс по ПУЭ, а также назначенный срок службы и число циклов нагружения.
Ошибка, которой стоит избегать, — одно давление и одна среда на весь аппарат. У реактора с рубашкой две полости со своими средами, давлениями и температурами: в опросном листе для них две колонки, а в документации поликонденсатора группа и категория указаны для реактора и рубашки порознь.
Вопросы и ответы
В химической технологии реактор — аппарат, в котором ведут химическую реакцию. Промышленный реактор у нас — стальной сварной сосуд: корпус, теплообменное устройство (рубашка, змеевик или трубный пучок), внутренние устройства и при необходимости мешалка.
Это реакторы для химических и нефтехимических производств: реакторы окисления, для нефтехимических процессов, для химических производств, под давлением и без, с мешалками и без — весь ряд собран в разделе реакторное оборудование. Предел исполнения «Р» в наших технических условиях — до 200 м³ и до 16 МПа.
По конструкции — цельносварные и разъёмные; с рубашкой, змеевиком, трубным пучком, внутренними устройствами, погружным насосом, с мешалкой и без. По материалу — из углеродистой (низколегированной) или коррозионностойкой стали, с термообработкой или без. По режиму — под давлением, под вакуумом и без давления.
Реактор, в котором перемешивающее устройство — привод, вал с мешалкой и уплотнение вала — поддерживает однородность смеси и выравнивает температуру. ГОСТ 20680-2002 делит типы мешалок по вязкости среды: до 50 Па·с и более 50 Па·с; конкретную мешалку выбирают по технологическому процессу.
Если подбираете вертикальный химический реактор, скачайте опросный лист, заполните его отдельно для реактора и для рубашки и приложите к заявке — инженеры ПЗЭМ разберут условия.