Химические процессы. 
Основы конструирования и проектирования промышленных аппаратов

При решении задач проектирования химических реакторов необходимо рассматривать последние на микрои макроуровнях. На макроуровне определяются закономерности протекания химических превращений при воздействии на них процессов переноса массы, тепла, импульса, т. е. решается вопрос о выборе наилучшего типа промышленного реактора и определения его конструкционных и рабочих условий.

Исследования на микроуровне проводятся для всех типов реакторов. Они заключаются в определении механизма протекания химических реакций и построении кинетических моделей. Для этого необходимо выполнить следующее.

• 1. С использованием принципов стехиометрического анализа по априорной (логической, качественной и количественной) информации методами общей алгебры осуществить синтез возможных механизмов химической реакции. При расчете возможных механизмов реакции на ЭВМ учитываются как качественный и количественный состав реагирующих молекул, так и их геометрическая конфигурация и оптические свойства. На основе качественной теории дифференциальных уравнений прогнозируются динамические свойства химического процесса и определяются необходимые условия наличия или отсутствия у химических систем колебательных динамических режимов или множественности стационарных состояний.
• 2. Для непротиворечивой априорной информации о механизмах и кинетических моделях — провести построение стандартного плана эксперимента. По его результатам оценить константы конкурирующих кинетических моделей.
• 3. Обычно стартовые оценки констант получаются с неудовлетворительной точностью, поэтому требуется проведение уточняющего эксперимента (последовательно планируемого). В зависимости от дисперсионной матрицы оценок выбирается критерий оптимальности уточняющего плана. Обычно в качестве критерия используют А-, Д-, Е-критерии или их линейные или нелинейные комбинации. Необходимо также осуществить проверку адекватности моделей по определенным статистикам и при необходимости выполнить направленную их коррекцию (после установления причин возможной неадекватности в результате выполнения дисперсионного анализа моделей).
• 4. Для многооткликовых ситуаций — осуществить последовательное планирование дискриминирующих экспериментов и дискриминацию моделей статистическими методами, не предусматривающими предварительной линеаризации моделей. Основными методами дискриминации являются энтропийный и последовательного отношения вероятностей.

Если исследования на микроуровне являются достаточно общим подходом не только при анализе реакторных процессов, то задачи, решаемые на макроуровне, различаются в зависимости от типа реактора.

Химические реакторы принято классифицировать по фазовому признаку реагирующих систем на гомогенные и гетерогенные, а по способу организации — на непрерывные, полунепрерывные, периодические и циклические.

Гомогенные реакции протекают в одной фазе — жидкой или газовой (соответственно реакторы жидкофазные и газофазные), и не сопровождаются фазовыми переходами. При их расчете основное внимание уделяется учету влияния неравномерности распределения тепла и массы (поперечных и продольных градиентов), конвективного переноса (диффузии) и теплопроводности на селективность и производительность реактора.

Гетерогенные реакции сопровождаются транспортными явлениями внутри фаз и между ними. Это реакции в системах газ — жидкость, жидкость — жидкость, газ — твердое тело, жидкость — твердое тело, газ — жидкость — твердое тело (катализатор), причем они могут протекать в сплошной фазе, дисперсной фазе или одновременно в обеих фазах. Совокупность факторов, которые необходимо учитывать при проектировании гетерогенных реакторов, весьма обширна и разнообразна и зависит от фазового состояния реагентов и продуктов реакции, их аппаратурного оформления. Поскольку химическому превращению предшествует стадия транспортирования вещества из фазы в зону реакции и отвод продуктов реакции, скорость протекания собственно химического взаимодействия будет определяться соотношением скоростей химического превращения и массопереноса, и, в зависимости от превалирования одной из составляющих, она будет протекать или в диффузионной, или в кинетической области. Поэтому очень важно обеспечивать необходимые условия массопереноса за счет гидродинамических факторов, т. е. состояния фаз, а также за счет агрегатного состояния реагентов (например, распределения частиц по размерам в случае реакций с твердой фазой).