Основы расчетов химических реакторов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 

ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ  
ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Учебно-методическое пособие 

Казань 
Издательство КНИТУ 
2022 

УДК 66.023.001.24(075) 
ББК 35.11-02я7 

О-75

Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 

Рецензенты: 
канд. хим. наук, доц. В. М. Бабаев 
канд. техн. наук, доц. М. Н. Котляр 

О-75

Авторы: Ф. Р. Гариева, И. Н. Гончарова, А. Г. Сафиулина,  
Т. Н. Качалова, Р. Р. Мусин 
Основы расчетов химических реакторов : учебно-методическое пособие / 
Ф. Р. Гариева, И. Н. Гончарова, А. Г. Сафиулина [и др.]; Минобрнауки 
России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. –
80 с. 

ISBN 978-5-7882-3152-5

Рассмотрены классификации химических реакторов, теоретические основы 
расчетов технологических процессов, основы расчетов теоретических и практических 
материальных балансов, безразмерных характеристик материального баланса 
химического процесса, основы технологических расчетов химических реакторов. 
В конце каждой главы предложены задачи для самостоятельной работы. 
Предназначено для бакалавров очной и заочной форм обучения направления 
подготовки «Химическая технология», а также для магистров и специалистов, работающих 
в области нефтехимии. 
Подготовлено на кафедре технологии основного органического и нефтехимического 
синтеза. 

ISBN 978-5-7882-3152-5 
© Гариева Ф. Р., Гончарова И. Н., Сафиулина А. Г., 

Качалова Т. Н., Мусин Р. Р., 2022

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2022

УДК 66.023.001.24(075) 
ББК 35.11-02я7

2 

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ 
4

1. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКТОРОВ
5

1.1. Классификация химических реакторов по конструктивным 
особенностям 

5

1.2. Классификация химических реакторов по признакам, 
влияющим на их расчет по математической модели 

12

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

16

2.1. Материальные расчеты непрерывных и периодических 
процессов 

16

2.2. Теоретические основы составления материального 
баланса технологических процессов   

17

2.3. Материальный баланс реакторов для циркуляционных 
процессов 

19

2.4. Основные показатели технологических процессов 
32

2.5. Материальный баланс идеальных гомогенных реакторов. 
Характеристические уравнения 

47

2.6. Расчет основных размеров химических реакторов 
67

3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС АЛКИЛАТОРА
74

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
80

ВВЕДЕНИЕ 

Химический реактор – основной аппарат технологической схемы 

химического производства. Химическим реактором называется аппарат, 
в котором осуществляются химико-технологические процессы по 
химическому превращению. В нем проходят как процессы химического 
превращения, так и физические процессы. При расчете реактора и проектировании 
необходимо принимать во внимание механические факторы, 
поэтому для проектирования, конструирования и оптимального 
управления работой реактора требуется учитывать принципы химии, 
физики, механики и экономики. 

Основными требованиями, предъявляемыми к химическим реак-

торам, являются: 

– наибольшая производительность (интенсивность) работы;
– подбор оптимального режима работы (температура, давление,

концентрация исходного сырья) для достижения высокого выхода 
и максимальной селективности целевого продукта; 

– конструкция, обеспечивающая соответствующий массообмен,

максимальный контакт веществ; 
– механическая прочность, стойкость материала реактора к воздействию 
реакционной среды и отсутствие обратного воздействия; 
– простота устройства, обслуживания, монтажа и ремонта;
– невысокая стоимость материалов и изготовления аппарата,
стандартизация и нормализация узлов и деталей; 
– герметичность, надежность и безопасность во время эксплуатации. 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКТОРОВ

Анализируя большое количество реакционных узлов, представленных 
на химических производствах, становится очевидным, что в химических 
реакторах широко используются гидродинамические, тепловые 
и диффузионные процессы, которые позволяют достичь оптимальных 
условий для химического превращения вещества. С целью осуществления 
этих физических процессов реактор снабжен мешалками, 
контактными устройствами, теплообменной аппаратурой. 
Большое многообразие реакторов, используемых в химической 
промышленности, можно классифицировать по конструктивным особенностям 
и по признакам, влияющим на их расчет по математической 
модели. 

1.1. Классификация химических реакторов 
по конструктивным особенностям 

Классификация представлена на рис. 1.1. 

Рис. 1.1. Классификация химических реакторов 
по конструктивным особенностям 

Реакторы по 

конструктивным 

особенностям

Емкостные
Колонные
Теплообменные
Реакционные 

Автоклавы;  

Цилиндрические 

конверторы 

(вертикальные, 
горизонтальные)

Насадочный (тарельчатый) 

тип

Реактора с неподвижным, 

движущимся, 

псевдоожиженным слоем 

катализатора

Емкостные реакторы – автоклавы, вертикальные и горизонтальные 
цилиндрические конверторы, реакторы с механическими мешалками, 
а также с пневматическими перемешивающими устройствами. 
Подобного типа реакторы могут применяться для осуществления гомогенных 
реакций в жидкой фазе и взаимодействия несмешивающихся 
жидкостей (рис. 1.2). 

Рис. 1.2. Емкостные реакторы 

Реакторы типа теплообменников – кожухотрубчатые реакторы (
рис. 1.3) или трубчатые реакторы (типа «труба в трубе»), которые 
используются главным образом для высокотемпературных процессов 
(рис. 1.4). 

Т

Рис. 1.3. Кожухотрубчатый реактор с катализатором: И – исходное 
сырье; П – продукты реакции; Т – теплоноситель; К – катализатор 

Рис. 1.4. Трубчатый реактор типа «труба в трубе» 

К колонным аппаратам относятся аппараты насадочного и тарельчатого 
типа (рис. 1.5 и 1.6), каталитические реакторы с неподвижным, 
движущимся и псевдоожиженным слоем (рис. 1.7–1.9). 

Рис. 1.5. Схема барботажного колонного реактора: 1 – корпус; 
2 – газораспределительные решетки; 3 – рубашка 

а                       б                                       в 

Рис. 1.6. Пленочные аппараты: а – со сплошным слоем насадки;  
б – с секционной загрузкой насадки: 1 – корпусы; 2 – распределители 
жидкости; 3 – насадка; 4 – опорные решетки; 5 – перераспределитель 
жидкости; 6 – гидравлические затворы; в – эмульгационная насадочная 
колонна: 1 – насадка; 2 – сетка, фиксирующая насадку; 3 – гидравлический 
затвор; 4 – опорная решетка; 5 – распределитель газа 

Рис. 1.7. Схемы реакторов для гетерогенно-каталитических процессов 
с неподвижным слоем катализатора: а – с одним неподвижным 
слоем катализатора; б – с катализаторной сеткой; в – с радиальным 
проходом газа (низкие энергетические затраты); г – с большим  
поперечным сечением и небольшим слоем катализатора (низкие  
энергетические затраты); д – с делением слоя катализатора  
по высоте и промежуточным отводом тепла; е – с делением слоя  
катализатора по сечению; ж – с подачей горячих дымовых газов  

для обеспечения теплотой эндотермических процессов;  

з – с охлаждением реагентов холодной исходной газовой смесью;  
и – с двойными теплообменными трубами (И – исходные вещества;  
П – продукты; Х – теплоноситель; Т – топливо; В – воздух;  
ДГ – дымовые газы) 

Рис. 1.8. Схема установки с псевдоожиженным слоем катализатора 
для получения олефинов с расположением реактора и регенератора  
на одном уровне: 1 – реактор; 2 – циклоны; 3 – регенератор;  
4 – отпарные секции 

Рис. 1.9. Реактор с движущимся слоем катализатора:  
1 – конус; 2 – распределительная труба; 3 – газосборные трубы; 
4 – колпачок; 5 – трубная решетка; 6 – переточная труба;  
7 – решетка; 8 – катализаторопровод 

Аппараты для термических процессов, к которым относятся 
трубчатые печи, аппараты окислительного пиролиза и плазмохимические 
реакторы, представлены на рис. 1.10–1.12. 

Рис. 1.10. Трубчатая печь: 1 – топочная камера; 2 – беспламенная 
панельная горелка; 3 – трубы радиантной секции; 4 – корпус;  
5 – конвективная камера 

Рис. 1.11. Реактор окислительного пиролиза: 1 – эжекторный 
смеситель; 2 – диффузоры; 3 – горелочная плита; 4 – форсунка