Реакторы для проведения процессов в гетерогенной системе газ-твердый катализатор

Для этих видов процессов существует большое число разнообразных реакторов, преимущественно относящихся к классу реакторов вытеснения в связи с тем, что как в аппаратах с неподвижным слоем катализатора, так и в аппаратах с псевдоожиженным слоем катализатора практически не удается достигнуть эффекта полного перемешивания веществ.

Реакторы вытеснения. К этой группе аппаратов относятся колонные реакторы со сплошной загрузкой катализатора, трубчатые реакторы, а также адиабатические колонные полочные реакторы.

На рис. 7.7 показан реактор колонного типа для синтеза аммиака под средним давлением (до 30 МПа). В корпусе 7 такого реактора, изготовленного из высо­колегированной хромоникелевой стали с толщиной стенок 175 мм, диаметром 1,0-1,4 м и высотой 13 м, расположена катализаторная коробка 3 и теплообменник 4, обеспечивающий автотермичность процесса.

Трубчатые реакторы исполь­зуются для проведения сильно эк­зотермических процессов (напри­мер, окислительных, гидрогенизационных, синтеза углеводородов из СО и Н₂) или эндотермических процессов (например, дегидриро­вания этилбензола, паровой кон­версии метана). По конструкции такие реакторы напоминают труб­чатые нагревательные печи с вер­тикальным расположением труб или кожухотрубные теплообмен­ники с трубами, заполненными ка­тализатором.

К достоинствам таких реакто­ров относятся: глубокое превращение сырья и высокая селектив­ность процесса, т.к. режим движения потока близок к полному вытеснению; развитая поверхность теплооб­мена и высокие значения коэффициентов теплопередачи; эффективная ра­бота катализатора во всех трубах, достигаемая в результате калибровки гидравлического сопротивления каждой трубы; возможность использова­ния в отдельных случаях стандартных теплообменников.

Недостатки трубчатых реакторов, ограничивающие область их при­менения: невысокая доля общего объема реактора, заполненного катализа­тором; большой расход металла на трубы; сложность загрузки и выгрузки катализатора из реакционных труб; сложность обеспечения оптимального температурного режима по всей длине труб.

В связи с этим в последнее время нашли широкое применение адиаба­тические реакторы со сплошным неподвижным и с подвижным слоем ка­тализатора. Адиабатические реакторы со сплошным слоем катализатора используются в процессах протекающих в кинетической и переходной об­ластях (например, гидрокрекинга, риформинга, изомеризации парафинов, прямой гидратации этилена, дегидрирования этилбензола в стирол и дру­гих), а также в процессах, протекающих в диффузионной области (напри­мер, окисления спиртов в альдегиды и кетоны). Для проведения процессов первого вида используются адиабатические реакторы шахтного типа с дос­таточно высоким слоем катализатора.

На рис. 7.8 показан адиабатический шахтный реак­тор дегидрирования алкилбензолов со сплошной засыпкой катализатора. Катализатор в виде цилиндров диаметром 10-20 мм или колец Рашига ук­ладывается на слой инертной насадки 4, препятствующей просыпанию его через опорную решетку 2. Важное значение имеет смеситель 9, предназна­ченный не только для получения однородной реакционной смеси, но и для равномерного распределения газового потока по сечению реактора.

К достоинствам таких реакторов относятся: полнота использования объема реактора, простота конструкции, небольшая металлоемкость.

Недостатки: ограниченная область применения (они применяются только для процессов, в которых адиабатический перепад температур не слишком высок, т. е. когда нет опасности перехода в области слишком вы­соких или низких температур); невозможность обеспечения оптимального профиля температур по высоте слоя катализатора; трудность равномерного распределения подачи реакционной смеси на слой катализатора.

Процессы с большим адиабатическим изменением температуры реак­ционной смеси проводят в реакторах полочного (секциониро­ванного) типа (рис. 7.9). Число секций в таких реакторах (обычно не бо­лее 10) и распределение катализатора между ними определяют, исходя из величин адиабатического перепада температур и оптимальной степени превращения в каждом слое. Охлаждение (нагревание) реакционной смеси между полками производится, как правило, непосредственным смешением реакционной смеси с холодным (горячим) теплоносителем или впрыскива­нием испаряющейся жидкости. В то же время между секциями реактора могут использоваться встроенные 3 или выносные теплообменники.

Достоинства секционированных реакторов: возможность поддержа­ния оптимального температурного режима; простота конструкции (без встроенных или выносных теплообменников) и удобство эксплуатации; небольшая металлоемкость. Недостатки: необходимость использования больших количеств катализатора; необходимость последующего отделения продуктов реакции от теплоносителя; громоздкость и сложность конструк­ции реакторов со встроенными и выносными теплообменниками.

Для проведения процессов, протекающих в диффузионной области, используются адиабатические реакторы с катализаторами в виде сеток.

На рис. 7.10 представлен контактный аппарат для окис­лительного аммонолиза метана. Аналогичные по конструкции аппараты (с устройством в нижней части закалочной камеры) используются для получения формалина из метилового спирта и в других окисли­тельных процессах (например, для окисления аммиака в нитрозные газы в технологическом процессе производства азотной кислоты). Реактор прост по кон­струкции, но регулирование процесса в нем затрудненно и обеспечивается, в какой-то ме­ре, только изменением состава исходной реакционной смеси.

Рассмотренные выше реак­торы с неподвижным слоем ка­тализатора непригодны для про­ведения процессов, требующих регенерации катализатора. В этом случае более пригодны ап­параты с подвижным катализа­тором: с медленно движущимся плотным слоем, с псевдоожиженным (кипящим) слоем, с катализатором, движущимся в режиме пневмотранспорта (данный тип реакторов применя­ется для проведения быстро протекающих реакций (например, синтеза уг­леводородов) с интенсивным коксообразованием).

В установках с медленно движущимся плотным слоем используется гранулированный катализатор с размером частиц 3-5 мм. Установка обыч­но состоит из двух аппаратов: реактора и регенератора, через которые осуществляется циркуляция катализатора. Схема установки реактор-реге­нератор напоминает непрерывно действующий адсорбер с зернистым ад­сорбентом (см. рис. 6.10).

В реакторах с псевдоожиженным слоем применяют мелкий и пыле­видный катализатор с размерами частиц 0,01-0,1 мм. Если в процессе про­исходит его быстрая дезактивация, то в состав установки должен входить регенератор (отдельно стоящий или совмещенный в одном корпусе с реак­тором).

На рис. 7.11 приведена схема реактора с псевдоожижен­ным катализатором для крекинга соляровых или керосиновых фракций. Конструктивно такие реакторы выполняются в виде колонн или труб, внутри которых размещаются системы улавливания пыли из отходя­щих газов (циклоны, фильтры), устройства, препятствующие продольному перемещению частиц катализатора (сетки, перфорированные тарелки), теплообменники, отпарные секции.

Достоинства реакторов определяются, в первую очередь, свойствами псевдоожиженного слоя (способностью течь подобно жидкости), хорошей теплоотдачей, возможностью использования мелких частиц катализатора, в которых отсутствует внутридиффузионное сопротивление протеканию химических реакций.