Расчет каталитических процессов в реакторах с неподвижным слоем
Типы каталитических реакторов с неподвижным слоем
Реакторы с неподвижным слоем катализатора широко распространены при проведении гетерогенных каталитических процессов в различных областях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. В связи с разнообразием процессов, реализуемых в реакторах с неподвижным зернистым слоем, разнообразны и конструкции таких аппаратов. Одной из основных проблем, с которой сталкиваются специалисты при разработке каталитических реакторов, является формирование оптимального диапазона температур в слое катализатора. Для этого в реакционном узле предусматривается отвод или подвод тепла (для экзо- и эндотермических процессов соответственно). По способу теплообмена можно выделить три основных типа реакторов с неподвижным слоем, схемы которых представлены на рис. 1:
адиабатические реакторы (нет теплообмена);
реакторы с промежуточным отводом (подводом) тепла – многослойные (полочные) аппараты;
реакторы с непрерывным отводом (подводом) тепла – трубчатые аппараты.
Адиабатические Многослойные (полочные) Трубчатые
Рис. 1. Основные типы каталитических реакторов с неподвижным слоем
Кроме того, применяются различные конструкции с более сложными способами отвода (подвода) тепла, например, комбинированные схемы.
В дальнейшем в пособии будут рассматриваться гетерогенные каталитические системы «газ твердая фаза», наиболее распространенные на практике, особенно для многотоннажных процессов. Учитывая, что конструкции каталитических аппаратов для экзотермических и эндотермических процессов во многом схожи, ниже будут более подробно изложены отличительные особенности основных типов реакторов c неподвижным слоем, в которых реализуются гетерогенные экзотермические процессы и осуществляется съем тепла [1, 4, 5]. Такие системы более перспективны с точки зрения энергоемкости.
Адиабатические реакторы
Адиабатический реактор (single-bed reactor) представляет собой металлический цилиндр, в нижней части которого находится решетка, на которую насыпается катализатор в виде различного типа гранул: таблеток, шариков, зёрен неправильной формы и т. д. Газовую реакционную смесь можно направлять в аппарат как сверху вниз, так и снизу вверх. Стенки цилиндра теплоизолированы.
В связи с отсутствием устройств для съема тепла в адиабатических реакторах осуществляются процессы с небольшими тепловыделениями и низкой чувствительностью к изменению температуры, а также процессы с небольшими степенями превращения. При невысоких линейных скоростях газового потока и, соответственно, невысокой мощности такой реактор имеет небольшую высоту, что обеспечивает малые загрузки катализатора, низкое гидравлическое сопротивление слоя катализатора и уменьшает энергетические расходы по подаче газа в систему.
Эта конструкция используется в настоящее время, в основном, при создании экологически чистых технологий для каталитической очистки выходных газов от окислов азота и серы, сероводорода, органических веществ и т. д., а также при разработке малотоннажных процессов. Дешевизна изготовления таких аппаратов обусловлена простотой конструкции.