Глава 1 реакторы для проведения гомогенных реакций в газовой фазе

1.1. Некаталитические реакторы в системе газ-газ

Реакторы для проведения реакций в гомогенной газовой фазе наиболее часто классифицируют по тепловому режиму реактора.

По гидродинамическому режиму – это, в основном, реакторы идеального вытеснения или же реакторы промежуточного типа.

С точки зрения механической надежности эти реакторы удобно классифицировать по величине давления:

а) реакторы низкого давления, Р ≤ 1МПа;

б) среднего Р ≤ 10 МПа;

в) высокого давления Р = 10 ÷ 40 МПа; г) сверхвысокого давления Р > 40 МПа.

К этому классу реакторов относится большая группа так называемых «пламенных» реакторов с использованием в качестве одного из реагентов О₂ и метана (СН₄). Метан является ценнейшим химическим реагентом.

С использованием метана как одного из реагентов напрямую получают более 20 очень распространенных продуктов и полупродуктов, а после 2-й и 3-й реакций уже тысячи продуктов.

Реакторы низкого давления системы газ₁+газ₂

Наиболее простым реактором, известным уже более 100 лет, работающим при атмосферном давлении, является реактор, типа горелки Бунзена. (рис. 1.1).

Реакция проводится до полного сгорания СН₄ при избытке О₂ (до 7 %) с целью исключения образования СО: СН₄ + О₂ = СО₂ + Н₂О + q, где q –

Основная задача горелок – получение теплоты.

Рис.1.1. Схема горелки Бунзена: 1 – трубка смешения; 2 – отверстия.

Промышленные горелки бывают пламенные и беспламенные. В промышленных горелках для хорошего перемешивания метана с воздухом (О₂) используется трубка Вентури 1, а для большей устойчивости пламени – насадка 3 (рис. 1.2).

Рис.1.2. Промышленная горелка: 1 – камера смещения с диффузором; 2 – камера сгорания; 3 – насадка; 4 – камера смешения реакционных газов.

Реакторы-горелки используются для производства сажи из метана (рис.1.3). Сажа образуется при высокой температуре в условиях, когда свободная энергия диссоциации метана на углерод и водород имеет отрицательное значение, а необходимое для реакции тепло получается в результате сгорания части метана с воздухом. В реакторе (рис. 1.3.а) метан для образования сажи подается в камеру сгорания, а в реакторах, изображенных на рис. 1.3.б, в и г, метан для образования сажи подается в камеру смешения, при этом количество воздуха, подаваемого в реактор, значительно ниже стехиометрического соотношения. Температура газов в зоне горения 1350 – 1450⁰С.

Рис.1.3. Типы реакторов-горелок для производства сажи: 1 – изоляция; 2 – огнеупорный материал.

1.1.1. Реакторы производства ацетилена

Эндотермическая реакция парциального окисления метана кислородом используется в реакторах производства ацетилена. Процесс получения ацетилена должен быть скоротечным, в противном случае может начаться реакция горения ацетилена, поэтому реакцию проводят в реакторах горелочного типа. Метан, смешанный с кислородом, проходит с большой скоростью через горелки определенных размеров и зажигается в камере сгорания. Часть метана, сгорая со всем введенным кислородом, дает необходимое количество теплоты для очень быстрого повышения температуры до 1400 – 1500⁰С, при которой степень превращения будет оптимальной.

После реакционной зоны с помощью орошения холодной водой температура реакционных продуктов быстро снижается до 80 – 90⁰С.

Для производства ацетилена в России используются реакторы типа Саксе (рис.1.4) и реактор типа Гриненко (рис. 1.5).

Рис.1.4. Реактор типа Саксе для парциального окисления метана кислородом в ацетилен: 1 – камера смешения; 2 – диффузор; 3 – блок горелки (реакционная зона); 4 – штуцер вывода продуктов реакции.

Реактор типа Саксе для проведения описанного выше процесса состоит из камеры смешения, которая может иметь различную форму диффузора, блока металлической или керамической горелки и камеры сгорания (рис. 1.4). В камере смешения 1 реагирующие газы должны в предельно короткое время образовать однородную смесь. Операция смешения и достижение оптимальной температуры (1400 ÷ 1500⁰С) за счет сгорания части метана завершается в диффузоре 2. Реакция протекает в блоке горелки 3, который охлаждается водой. Блок горелки имеет многочисленные каналы, по которым с большой скоростью (более 100 м/с) протекают реагирующие газы. Для того, чтобы сохранить образовавшийся в горелке 3 ацетилен, реакционные газы резко охлаждаются до температуры 80⁰С, после чего они направляются сначала для отделения сажи, которая образуется параллельно с ацетиленом, а затем для концентрирования и очистки ацетилена.

Рис.1.5. Реактор типа Гриненко для парциального окисления метана кислородом в ацетилен: 1 – подогреватель; 2 – метано-кислородная горелка; 3 – сопло; 4 – смотровое окно; 5 – камера сгорания; 6 – зона охлаждения.

В реакторе Гриненко (рис. 1.5) ацетилен получают путем частичного соединения метана с кислородом в потоке большой турбулентности. Смесь метана с кислородом, подогретая до 400⁰С в подогревателе 1, выходит из сопла 3 с большой скоростью, загорается и поступает в камеру сгорания 5, где происходит горение в резко выраженном турбулентном потоке. Пламя устанавливается путем бокового введения дополнительного количества кислорода, нагретого до 750 – 800⁰С сжиганием небольшого количества метана с кислородом в специальной горелке 2. Кислород, необходимый для стабилизации пламени, составляет 5 – 10 % общего его расхода.

Еще бóльший выход ацетилена получают в реакторе парциального окисления метана кислородом под небольшим давлением 0,4МПа. В этом реакторе (рис. 1.6) метан и кислород, нагретые до 400⁰С, после смешения в камере 1 проходят через распределитель 2 и попадают в камеру сгорания 3, в которой температура повышается более чем до 1500⁰С и происходит образование ацетилена и алкенов. Вторичный подогретый углеводород вводится через сопла 4 и 5 в камеру сгорания, в которой путем крекинга снова получают ацетилен и алкены. В конце процесса газы охлаждаются водой до 130-140⁰С путем распыливания ее в объеме реактора и далее выходят из реактора.

Рис. 1.6. Схема реактора парциального окисления метана кислородом под давлением: 1 – камера смешения; 2 – реакционная решетка; 3 – реакционная зона; 4,5 – патрубки подачи холодного метана.