Охлаждение и нагрев химических реакторов - наиболее весомая часть расходов после, собственно, самих реагентов. Нагревать и охлаждать химический реактор люди научились много тысяч лет назад. До нас дошли только обрывки сведений о множестве экспериментов в этой области. Люди ставили котелок на огонь, выставляли на солнце, клали в берестяной туесок раскалённые камни. Охлаждение в те годы предпочитали воздушное и водяное, то есть опускание котелка в воду.
Шли годы, технологии совершенствовались. Основная идея осталась неизменной: мы можем охлаждать и нагревать химический реактор снаружи, через рубашку, или же пропускать теплоноситель по спирали, помещенной внутри реактора (как вариант, прокачивать химически и теплостойким насосом жидкость из реактора через химически стойкий теплообменник и возвращать нагретую или охлаждённую жидкость обратно в реактор). Появились специально разработанные теплоносители с расширенным температурным диапазоном.
Тем не менее, в промышленности до недавних пор революции не происходило. Реакторы нагревают паром и охлаждают водой или рассолом. В большинстве ситуаций это всех устраивает. Проблемы возникают только в случае больших перепадов температур, то есть при запуске пара в рубашку охлаждённого реактора (как правило, перепад более 150 градусов разрушает эмалированный реактор) или наоборот, подача ледяной воды в разогретый до 200 градусов химический реактор. Второй проблемой является точное поддержание температуры, а третьей является широкий диапазон температур, в том числе отрицательных.
Решение было найдено в 1992 году, когда был изобретён Unistat, то есть гидравлически закрытый циркуляционный термостат с расширенным диапазоном температур. Появилась возможность термостатировать химический реактор в пределах от -120 до +400 градусов с точностью 0,01. По мере развития этой идеи реализовалась возможность строить всё более мощные термостаты и работать с химическими реакторами всё больших размеров. Но при переходе от малотоннажных реакторов к промышленным, порядка 100-1000 литров, появилось непреодолимое препятствие - стоимость, и, как следствие, низкая экономическая эффективность процесса. За возможность работать в таком диапазоне температур с высокой скоростью нагрева и охлаждения пришлось платить цену, которая выглядит пугающе в промышленных масштабах. Тем не менее, технология Unistat пользуется большим спросом ввиду того, что кроме гидравлически закрытых систем ничто не способно обеспечить высокие, контролируемые скорости изменения температуры и гарантировать целостность реактора, т.к. контролер термостата следит за перепадом температур теплоносителя и содержимого реактора и не допускает термического шока.
Дальнейшим развитием идеи гидравлически закрытого контура регулирования температуры в химическом реакторе явилась новая технология, объединяющая мощь пара, дешевизну воды, широкий диапазон оборудования Unistat, его высокую скорость и точность. Существует даже возможность подключения жидкого азота в качестве источника холода.
Пример:
Максимальная охлаждающая мощность Унистата без СНР модуля: 150 кВт при 0°С, 10 кВт при -80С, 4 кВт при -100 °С (компрессорная каскадная система охлаждения) . Макс. нагрев 100кВт.
Unistat подключается к рубашке реактора через CHP модуль (схема). В рубашке реактора и в термостате циркулирует специальный теплоноситель (температурный диапазон теплоносителя -90…+200°С).
Схема 1.
Схема охлаждения и нагрева химического реактора паром и водой: слева - Унистат, в центре CHP модуль, справа - реактор.
Через теплообменник CHP модуля (рис.2) мощность пара (100кВт, 200кВт и т.д.) передается в теплоноситель, при необходимости Унистат поднимет температуру до +300…+400°С.
Отработка побочных отходов при выработке электроэнергии
Часто предприятия используют парогенераторы не для выработки пара для нагрева реактора, а для автономной выработки электрической энергии для обеспечения энергетических нужд завода. В этом случае Унистат и СНР модуль будут эффективно отрабатывать пар, выделяемый, как подобный продукт при выработке электроэнергии. Это значительно сэкономит ресурсы предприятия.
Эту технологию можно масштабировать. Объединение нескольких реакторов при применении одной холодильной машины и специальных устройств, использующих для нагрева (охлаждения) наиболее дешёвые источники тепла или холода из имеющихся в наличии, позволяет существенно снизить как суммарную стоимость самой системы, так и стоимость ее использования ввиду уменьшения расхода электроэнергии. То есть вместо охлаждения чиллером или специальным термостатом происходит охлаждение водой до тех пор, пока это эффективно, а затем система автоматически переключается на использование более дорогого холода от компрессорной системы. Этот же метод работает и при использовании низкопотенциального пара. Для нагрева химического реактора до 200-250 градусов в этом случае подходит даже пар с температурой 120-150 градусов. Такой пар часто является отходом производства и в полном смысле этого слова не стоит ничего.