14.4 Реакторы для проведения реакций в системах «газ-жидкость» и «жидкость-жидкость»

Такие реакторы чаще всего конструируются по принципу абсорбционных аппаратов обычно непрерывного действия, реже применяются реакторы полупериодические с непрерывным питанием газом, еще реже периодические реакторы (преимущественно для систем «ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ») (рисунок 14.4).

а – насадочная колонна (режим вытеснения); б – барботажная колонна с колпачковыми тарелками (режим вытеснения); в – барботажная колонна с сетчатыми тарелками (режим вытеснения); г – распределительная колонна (режим вытеснения); д – реактор идеального смешения (с сепаратором) – одностадийный контакт фаз; е – каскад реакторов смешения

Рисунок 14.4 – Принципиальные схемы аппаратов для проведения

реакций между газом и жидкостью и между двумя

труднорастворимыми жидкостями

К достоинствам насадного оборудования следует отнести:

– простоту конструкции;

– малое гидравлическое сопротивление;

– доступность и простоту обслуживания.

Недостатки башен заключаются в том, что они громоздки и малоинтенсивны.

В этих башнях создают как противоток, так и параллельный ток.

Барботажные колонны широко используются в химической промышленности. Такие реакторы конструктивно сложнее башен и обладают более высоким гидравлическим сопротивлением. Однако за счет большой скорости газового потока сопротивление внешней диффузии мало.

В баке с мешалкой обеспечивается интенсивное смешение реагентов и создается большая поверхность соприкосновения фаз. Однако эти аппараты относительно сложны и малопроизводительны, поэтому их используют для производства малотоннажных и дорогих химических продуктов.

В трубе Вентури создается большая поверхность соприкосновения фаз и происходит интенсивное перемешивание потоков, при этом снижается сопротивление внешней диффузии. К недостаткам следует отнести большое гидравлическое сопротивление и необходимость установки специальных аппаратов для выделения увлекаемых газом мельчайших капель жидкости.

В пенных аппаратах развивается большая поверхность соприкосновения между жидкой и газовой фазами, происходит постоянное обновление этой поверхности, что способствует высокой интенсивности процесса.

14.5 Реакторы для проведения гетерогенно-каталитических реакций

В настоящее время насчитываются десятки тысяч гетерогенно-каталитических процессов, осуществляемых в различных реакторах, которые часто называют контактными аппаратами, или конверторами (рисунки 14.5, 14.6, 14.7, 14.8, 14.9, 14.10).

Контактные аппараты классифицируют:

– по способу контакта между катализатором и реагентами;

– по структуре потоков взаимодействующих веществ;

– по способу отвода тепла.

Наиболее часто контактные аппараты классифицируют в зависимости от состояния катализатора:

– с неподвижным слоем катализатора;

– с движущимся слоем катализатора;

– с псевдоожиженным слоем катализатора.

Режим движения газового потока в реакторах с неподвижным слоем катализатора приближается к режиму идеального вытеснения.

Контактный аппарат с катализатором в виде сетки применяется в тех случаях, когда скорость реакции очень велика.

Многополочные контактные аппараты применяются, когда необходимо проводить процесс по ЛОТ.

Особое положение занимают реакторы с псевдоожиженным и движущимся катализатором. Реакторы с псевдоожиженным слоем могут быть однослойными и многослойными. В однослойном реакторе часть катализатора непрерывно выводится на регенерацию, и такое же количество регенерированного катализатора возвращается в реактор. Эти реакторы используют в тех случаях, когда катализатор быстро снижает свою активность.

а – с одним неподвижным слоем катализатора; б – с катализаторной сеткой; в – полочный аппарат с промежуточным охлаждением реагентов посторонним хладоагентом во внутренних теплообменниках; г – полочный аппарат с промежуточным охлаждением холодной исходной газовой смесью, поступающей на катализ; д – полочный аппарат с промежуточным охлаждением во внешних теплообменниках; е – полочный аппарат с вводом холодных реагентов между ступенями процесса; ж – трубчатый аппарат с охлаждением посторонним хладоагентом; з – трубчатый аппарат с охлаждением реагентов холодной исходной газовой смесью; и – трубчатый аппарат с двойными теплообменными трубами

Рисунок 14.5 – Принципиальные схемы контактных аппаратов

с неподвижным катализатором

В многослойном контактном аппарате с псевдоожиженным слоем создаются условия для проведения процесса по ЛОТ.

а – аппарат с одним псевдоожиженным слоем катализатора; б – полочный многослойный аппарат с псевдоожиженными слоями катализатора; в – аппарат с движущимся катализатором; 1, 4 – контактный аппарат; 2 – регенератор; 3 – катализаторопровод; 5 – подъемник

Рисунок 14.6 – Принципиальные схемы контактных аппаратов

с псевдоожиженным слоем катализатора

и с движущимся катализатором

Реактор с движущимся катализатором позволяет одновременно вести процесс катализа и регенерации катализатора (поддерживается высокая активность катализатора в процессе).

В промышленности в основном используется неподвижный слой катализатора, хотя у каждого из методов есть свои достоинства и недостатки. Рассмотрим наиболее существенные особенности этих реакторов.

В неподвижном слое катализатора поддерживается адиабатический режим, и поэтому такие реакторы используются тогда, когда имеется небольшой тепловой эффект химической реакции либо когда мала скорость химической реакции. Иначе не удается поддерживать оптимальный температурный режим.

В неподвижном слое нельзя использовать мелкозернистый катализатор, т.к. он слеживается и возрастает гидравлическое сопротивление. При замене катализатора приходится останавливать оборудование.

Подвижный слой позволяет использовать мелкозернистые катализаторы и заменять его при работающем оборудовании. При транспортировке катализатора будет происходить его измельчение и потери составят ориентировочно 20 % в год. Необходимо очищать продукты от каталитической пыли.

Подвижный слой катализатора позволяет легче отводить тепло. Реакционную смесь можно подводить с температурой, меньшей температуры зажигания. Смешение недогретой смеси со смесью, находящейся в контактном аппарате, повышает температуру.

Неподвижный слой катализатора – это реактор вытеснения, а его движущийся слой – реактор смешения. Это означает, что если процесс протекает в кинетической области, то среднее время пребывания в реакторе вытеснения будет меньше среднего времени пребывания в реакторе смешения, т.е. < , при одинаковой степени превращения X_А.

а) б)

Рисунок 14.7 – Полочный контактный аппарат с промежуточным

охлаждением реагентов холодной исходной газовой смесью (а) и изменение температуры в нем по слоям катализатора (б)

а) б)

Рисунок 14.8 – Полочный контактный аппарат с вводом холодных реагентов между ступенями катализа (а) и изменение температуры в нем по слоям катализатора (б)

а) б) в)

а – схема движения потоков; б – Т=f(H); в – X_A= Ф(Т);

1-3 – точки измерения температуры

Рисунок 14.9 – Изменение параметров в трубчатом реакторе

а) б)

Рисунок 14.10 – Полочный контактный аппарат

с псевдоожиженными слоями катализатора (а) и изменение

температуры в нем по слоям катализатора (б)