Конструкции химических реакторов

Конструктивно химические реакторы могут иметь различную форму и устройство, т.к. в них осуществляется разнообразные химические и физические процессы, протекающие в сложных условиях массо-и теплопередачи.

По назначению химические реакторы делят на реакторы для гомогенных процессов, реакторы для гетерогенных процессов и реакторы для гетерогенно-каталитических процессов.

1 Промышленные реакторы для гомогенных процессов занимают промежуточное положение между реакторами идеального вытеснения и полного смешения. Если исходные реагенты перед поступлением в реактор хорошо перемешаны, то ХТП протекает в кинетической области и перемешивание внутри реакционной зоны может быть нежелательным фактором. Часто исходные реагенты подают в реактор отдельными потоками без предварительного смешения. Перемешивание потоков происходит непосредственно в реакторе, и от интенсивности перемешивания зависит не только скорость ХТП, но и взрывобезопасность. Следует учитывать, что перемешивание во всех случаях интенсифицирует теплообмен.

Реакторы для проведения гомогенных процессов с участием жидких реагентов могут быть периодического и непрерывного действия. Как правило, они представляют собой камеру, снабженную каким-либо перемешивающим устройством. Выполняют в виде резервуаров, кубов или автоклавов, а для непрерывных, в виде реакторов вытеснения – колонного или трубчатого типа, реакторов типа РИС-Н и РИП-Н различных конфигураций. Для газофазных процессов применяют камерные и трубчатые реакторы только непрерывного действия. Смешение реагентов осуществляют с помощью инжекторов, центробежных смесителей.

2. Конструкция реакторов для гетерогенных процессов сложнее, чем для гомогенных ХТП. Это связано с необходимостью обеспечения наилучших условий массопередачи, создания возможно большей поверхности контакта фаз и ее обновления в ходе процесса, обеспечения необходимого режима движения компонентов в каждой фазе. Конструкция реакторов этого типа существенно зависит от агрегатного состояния компонентов процесса. От конструкции реактора зависит возможность проведения ХТП в наиболее выгодной области – диффузионной или кинетической.

В качестве реакторов для систем «газ – твердое тело» часто используют типовые аппараты, применяемые также и для осуществления физических, массообменных процессов: абсорбции, десорбции, ректификации, теплообмена и др. К таким аппаратам относят различные типы колонных аппаратов - пленочные, барботажные, разбрызгивающие, пенные. В основном это реакторы непрерывного действия. Все они выполнены в виде колонн, внутреннее устройство которых предназначено для развития поверхности контакта фаз и ее обновление в процессе взаимодействия реагентов. Движение жидкости соответствует режиму смешения, а движение газа – ближе к режиму вытеснения.

Реакторы для систем «жидкость – твердое тело» это аппараты периодического или непрерывного действия с механическим перемешивающим устройством, например реактор с лопастной мешалкой

Реакторы для системы «газ – жидкость» и «жидкость – жидкость» выполняют в виде аппаратов абсорбционного типа. К ним относятся скрубберы различного устройства, барботажные колонны, баки с мешалками и др.

Наиболее типичными ХТП с участием Г-Т являются пиролиз твердого топлива, различные виды обжига твердых материалов. Большинство некаталитических ХТП в системе Г-Т протекают при температурах выше 700⁰С. Высокотемпературные процессы осуществляются в печах различных типов, контактных аппаратах, автоклавах, выпарных аппаратах, котлах, топках и др. Основной аппаратурой для проведения высокотемпературных процессов являются промышленные печи.

Промышленная печь – это аппарат, в котором вырабатывается тепло, используемое для тепловой обработки материалов в самой печи. Тепло в ней выделяется за счет горения топлива или протекания экзотермических реакций, или же за счет превращения электрической энергии в тепловую. Особенностью промышленных печей является совмещение в одном агрегате реакционного аппарата (осуществление производственного процесса) и энергетического устройства (выделение и использование тепла). В соответствии с этим к промышленной печи предъявляются и технологические и энергетические требования:

1) наиболее интенсивная передача тепла от источника энергии к нагреваемому материалу или реакционной смеси;

2) наиболее высокий коэффициент использования тепла, сводя к минимуму тепловые потери и применяя различные способы регенерации тепла;

3) максимальный выход продуктов при высоком их качестве;

4) простота и прочность конструкции;

5) устойчивость в работе;

6) механизация и автоматизация работы печи.

Разнообразие применяемых в промышленности высокотемпературных процессов привело к большому количеству различных типов и конструкций используемых печей. Промышленные печи классифицируются по различным признакам: по отраслям производства, по источнику тепловой энергии, по способу нагрева, по способу загрузки, по технологическому назначению.

По источнику тепловой энергии различают:

1) топливные печи, использующие твердое, жидкое и газообразное топливо;

2) электрические печи, в которых источником тепла является электрическая энергия;

3) печи, в которых необходимая температура достигается за счет тепла происходящей реакции.

По способу нагрева различают:

1) печи прямого нагрева, в которых источник тепловой энергии находится в непосредственном соприкосновении с нагреваемым материалом; 2) печи косвенного нагрева, в которых тепло от источника тепловой энергии передается нагреваемому материалу через стенки.

Для интенсификации процессов массо-и теплопередачи в этих печах применяют следующие приемы:

– увеличение движущей силы теплопередачи повышением температуры теплоносителя и применением противотока теплоносителя и нагреваемого материала;

– увеличение поверхности теплообмена измельчением нагреваемого материала и перемешиванием его в потоке теплоносителя, распылением или взвешиванием материала в потоке газа;

– увеличением коэффициента теплоотдачи использованием тепла излучения стен и свода печей, увеличением коэффициента теплопроводности при расплавлении нагреваемого материала.

По технологическому назначению различают печи для удаления влаги из твердых материалов, которые называют сушилками; нагревательные печи для нагрева материала без изменения его агрегатного состояния; плавильные печи для расплавления обрабатываемого материала; обжиговые печи для обжига минерального сырья и изделий из него; печи пиролиза для термической переработки топлива без доступа воздуха.

В химической технологии рассматривают печи, предназначенные для осуществления химико-технологических процессов. Печи классифицируют по принципу работы и устройства:

– шахтные (доменные – выплавка чугуна, газификация твердого топлива);

– полочные (обжиг колчедана, железных руд);

– с распылением твердого материала (сушка материалов);

– кипящего (взвешенного) слоя (обжиг колчедана, сушка зернистых материалов, газификация и пиролиз, полукоксование угля, торфа);

– барабанные, вращающиеся (восстановление сульфатов, сушка руд, минералов, солей, разложение, спекание, плавление фосфатов с добавками и т. д.);

– туннельные (обжиг огнеупоров, плавка серной руды, пиролиз древесины);

– камерные (обжиг керамики, получение соляной кислоты, разложение магнезиальных солей и т.п.);

– трубчатые (перегонка нефти и нефтепродуктов, крекинг нефти, пиролиз углеводородов);

– ванные (выплавка стали мартеновским способом, плавка едкого натрия);

– электрические (варка кварцевого стекла, переплавка металлов и сплавов, получение искусственного графита и т.д.).

В современных печах максимальная интенсификация процессов массо-и теплообмена должна сочетаться с возможно более высоким тепловым к.п.д. и наилучшим качеством продукции.

Аппаратурное оформление каталитических процессов

Аппараты, в которых осуществляются каталитические процессы, называют контактными аппаратами. Устройство контактных аппаратов весьма разнообразно и зависит от способа контакта между катализатором и реагирующими веществами (гомогенный и гетерогенный катализ), характеристик потока взаимодействующих веществ (реакторы вытеснения и смешения), способа осуществления теплообмена (реакторы с теплообменом непосредственно в реакционной зоне и реакторы с выносными теплообменниками), требуемого температурного режима в реакторе (реакторы с политермическим, адиабатическим или изотермическим температурным режимом).

Аппараты гомогенного катализа не имеют каких-либо характерных особенностей, проведение каталитических реакций в однородной среде технически легко осуществимо и не требует аппаратов специальной конструкции.

Аппараты, в которых проводят гомогенные каталитические процессы в газовой фазе, могут быть камерами, колоннами, трубчатыми теплообменниками. Гомогенное окисление SО₂, окисление окислами азота в сернокислой нитрозной системе идет, например, как в жидкой, так частично и в газовой фазе, в свободном объеме насадки башен. Жидкофазный гомогенный катализ производят обычно в реакторах с перемешивающимися устройствами.

Аппараты гетерогенного катализа, особенно контактные аппараты, в которых реагируют газы на твердых катализаторах, специфичны и разнообразны. Контактные аппараты должны работать непрерывно, обладать высокой интенсивностью, обеспечивать режим процесса, близкий к оптимальному, в особенности оптимальный температурный режим.

Реакторы для проведения гетерогенных каталитических реакций классифицируются по фазовому состоянию реагентов и катализатора, по способу контакта между катализатором и реагентами, а также по конструктивному оформлению теплообменных процессов. Классифицирование каталитических реакторов по фазовому признаку: контактные аппараты поверхностного контакта: трубы или сетки, выполненные из катализатора; контактные аппараты с фильтрующим и с взвешенным слоем катализатора; аппараты с неподвижным и катализатором; аппараты с мешалками; колонны с насадкой; барботажные колонны и т.д.

Контактные аппараты поверхностного контакта с размещением катализаторов в виде труб или сеток, через которые пропускается газ, применяются в меньшей степени, чем аппараты с фильтрующим или взвешенным слоем катализатора. При поверхностном контакте активная поверхность катализатора невелика. Поэтому аппараты такого типа целесообразно применять лишь для быстрых экзотермических реакций на высокоактивном катализаторе, обеспечивающем выход, близкий к теоретическому. При этих условиях в контактном аппарате не требуется размещать большое количество катализатора. Схема контактного аппарата с катализатором в виде сеток применяется в производстве азотной кислоты для окисления аммиака на платиново-родиевых сетках.

Аппараты с фильтрующим слоем катализатора наиболее распространены. Они применимы для любых каталитических процессов. В этих аппаратах слой или несколько слоев катализатора неподвижно лежат на решетчатой опоре (полке) или загружены в трубы, и через неподвижный слой катализатора пропускают поток реагирующего газа. Газовый поток поступает в реактор сверху или снизу и проходит через неподвижный слой катализатора. Катализатор имеет форму зерен, таблеток или гранул различных размеров, но, как правило, не менее 4-5мм в поперечнике, так как при более мелких частицах резко возрастает гидравлическое сопротивление слоя катализатора и легче происходит его спекание. Температура газа на входе в реакционную зону должна обеспечить автотермичное протекание процесса, а объем катализатора должен быть достаточен для достижения заданной степени превращения.

Количество загруженного катализатора, высота, число слоев и расположение их в аппарате зависят от активности катализатора, характера каталитического процесса, условий теплообмена. Чем активнее катализатор и больше равновесный выход, и скорость реакции, тем меньше контактной массы нужно загружать в аппарат и тем меньше высота слоя катализатора.

Если тепловой эффект реакции невелик и равновесная степень превращения близка к заданной или для реакций с низкой концентрацией реагентов применяют контактные аппараты шахтного типа. Простота конструкции кантатных аппаратов шахтного типа не компенсирует невозможность обеспечения оптимального температурного режима при проведении экзотермических реакций с большим тепловым эффектом. Для этих случаев используют каскад шахтных реакторов с промежуточными внешними теплообменниками, в которых осуществляют охлаждение газа после каждого контактного аппарата. Вследствие этого параметры процесса удаляются от равновесных значений, и увеличивается движущая сила процесса на входе в каждый реактор. Хладоагентом, как правило, служит исходный газ, который проходя через теплообменники, нагревается перед входом в 1-ый реактор до необходимой температуры.

Особенности конструкции контактных аппаратов зависят в основном от конструктивного оформления теплообменных устройств. Поддержание оптимального температурного режима – наиболее сложная задача при конструировании контактных аппаратов.

Существует несколько способов теплообмена в контактных аппаратах, причем конструктивные приемы отвода тепла из реакционного объема и подведения тепла однотипны для проведения как экзотермических, так и эндотермических реакций. Примерная классификация контактных аппаратов с фильтрующим слоем катализатора по способам отвода (или подвода) тепла: 1) контактные аппараты с периодическим подводом и отводом тепла; 2) с внешними и внутренними теплообменниками.

Полочные контактные аппараты – один из наиболее распространенных типов контактных аппаратов. Принцип их устройства состоит в том, что подогрев или охлаждение газа между слоями катализатора, лежащими на полках, производится в самом контактном аппарате с использованием различных теплоносителей или способов охлаждения. Промежуточное охлаждение между стадиями контактирования решается иногда размещением водяных холодильников между слоями катализатора. В некоторых процессах промежуточное охлаждение возможно производить дополнительным введением одного из реагентов между стадиями контактирования. Таким реагентом может быть холодный газ, воздух, водяной пар. Примером может служить каталитическая конверсия окиси углерода с водяным паром, применяемым в производстве водорода.

СО + Н₂О ↔СО₂ + Н₂ +Q

Выход водорода по этой реакции увеличивается при избытке водяного пара. Поэтому применяют контактные аппараты – конверторы, в которых газ охлаждается и дополнительно насыщается водяным паром при испарении воды в испарителе.

В полочных контактных аппаратах каталитическую реакцию и теплообменные процессы проводят раздельно, последовательно. Режим движения газа в полочных аппаратах, как ив шахтных, соответствует вытеснению. Температурный режим при протекании ХТП с высоким тепловым эффектом, как правило, адиабатический.

В трубчатых контактных аппаратах теплообмен происходит непосредственно в реакционной зоне, непрерывно и одновременно с каталитической реакцией. Аппараты с катализатором в трубах используются для эндотермических и экзотермических реакций. В первом случае в межтрубное пространство аппарата подаются горячие топочные газы, омывающие трубы катализатором. По такому типу устроены контактные аппараты каталитической конверсии метана.

Контактные аппараты с кипящим слоем катализатора находят все более широкое применение. Они обеспечивают протекание каталитических процессов при изотермическом температурном режиме даже при высоких тепловых эффектах реакции. Независимость гидравлического сопротивления кипящих слоев от размера частиц дает возможность применения мелкозернистых катализаторов. Это позволяет эффективно проводить процессы в кинетической области при полном использовании внутренней поверхности катализатора. Высокая теплопроводность кипящего слоя, обусловленная подвижностью частиц, создает благоприятные условия для отвода или подвода тепла непосредственно в слое катализатора. Свойство текучести кипящего слоя позволяет осуществлять непрерывный отвод катализатора для регенерации. Именно это свойство обусловило промышленное применение контактного аппарата КС при каталитическом крекинге нефтепродуктов. Контактные аппараты с кипящим слоем по режиму движения относятся к реакторам смешения.

Контактные аппараты с движущимся слоем катализатора используют в тех случаях, когда требуется непрерывная циркуляция катализатора между реактором и регенератором, например, в установках каталитического крекинга. Контактная масса в таких аппаратах может двигаться в двух режимах: а) в виде взвеси мелкозернистого катализатора в восходящем потоке газа; б) плотным слоем крупнозернистого катализатора, опускающегося под действием силы тяжести в аппарате шахтного типа при прямоточном или противоточном движении газа. Режим движения газа и катализатора соответствует вытеснению. Температурный режим близок к адиабатическому.

Показатели работы контактного аппарата.

Режим работы и производительность контактного аппарата зависит от таких параметров его как время контакта, объемная скорость газа (жидкости) и удельная производительность катализатора

1 Время контакта– время соприкосновения реагентов с катализатором определяют так:

t_{К =} v _кат / V _г (1.5.6)

где V_г–объем газообразной (жидкой) реакционной смеси, проходящей через катализатор в единицу времени, нм³/с; V_k –объем катализатора (контактной массы), м³; t _к – время контакта в секундах, с.

2 Объемная скорость – объем реакционной смеси, проходящей через единицу объема катализатора в единицу времени (W), нм³/м³*ч или ч^-1. Следует иметь в виду, что второе обозначение весьма условно, так как объемные единицы относятся к различным фазам: нм³ – к газу, м³ – к твердому катализатору.

W = 1/t_к (1.5.7)

3 Удельная производительность (интенсивность) катализатора – масса продукта, получаемая с единицы объема катализатора в единицу времени (g _к), кг/м^з*ч. Для газообразных систем

g _к = V _пр * r, (1.5.8)

где V_пр – объем газообразного продукта, полученного с единицы объема катализатора в единицу времени, нм³ / м³ * ч; r – плотность продукта, кг/м³.

Интенсивность катализатора, от которой зависит эффективность работы контактного аппарата, связана с объемной скоростью реакционной массы и содержанием в ней целевого продукта. При этом для процессов необратимых, проводимых по открытой технологической схеме, учитывается содержание целевого продукта только на выходе из контактного аппарата. Для обратимых процессов, проводимых по циклической схеме, следует учитывать как содержание продукта на выходе из аппарата, так и на входе в него