ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Химико-технологическая система из "Общая химическая технология и основы промышленной экологии" Промышленные реакторы нужно рассматривать по следующей схеме общий вид, объяснение его работы, описание процесса в нем (используя полученные модели), распределение концентраций и температуры, особенности и области применения. Процессы, протекающие в реакторах, были рассмотрены ранее. Здесь в основном обратим внимание на принципиальную организацию процессов в реакторах и их особенности. [c.161] Реакторы для гомогенных процессов (рис. 2.78) - емкостные (рис. 2.1 ,а-е,и,к) или трубчатые (рис. 2.78,ж,з). Емкостные аппараты - периодические и проточные - снабжены мешалками, конструкции которых разнообразны пропеллерные (рис. [c.161] В трубчатом реакторе (рис. 2.78,ж) теплоноситель циркулирует в рубашке. Реакторы, схемы которых даны на рис. 2.78,ж и 3, используют в производстве 3-хлоропрена (рис. 2.78,ж), синтеза гликоля (рис. 2.78,3). Трубчатые реакторы используют для термического крекинга в нефтепереработке. Реактор в виде змеевика (рис. 2.78,з) помещают в камеру горения такие реакторы называют трубчатой печью. [c.163] Синтез НС1 из ij и проводят в полом пламенном реакторе (рис. 2.78,ы). К гомогенным твердофазным реакторам можно отнести печь коксования (рис. 2.78,к). Сырье (уголь) зафужают в камеры коксования, обофеваемые снаружи дымовым газом, циркулирующим по вертикальным отопительным каналам. Газообразные продукты непрерывно удаляются. [c.163] Реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой (рис. 2.79). В простейшем реакторе (рис. 2.79,а) твердое вещество зафужают в реактор, а газ циркулирует через неподвижный слой. В таком реакторе проводят многие процессы адсорбционной очистки газов и жидкостей, например очистку природного газа от серосодержащих соединений (от серы ). Вначале их все гидрируют до HjS, который затем поглощают оксидом цинка ZnO + HjS = ZnS + Н2О. Поглощение H2S протекает в сравнительно узкой зоне слоя, послойно. По мере отработки первых слоев сорбента зона реакции продвигается дальше (рис. 2.80). После появления проскока H2S (неполного его поглощения из-за расходования сорбента) поглотитель заменяют. [c.163] Неудобство такого процесса - его периодичность. Можно, конечно, дать возможность медленно проваливаться твердым частицам через реактор наподобие перетекания песка в песочных часах и добавлять свежий твердый реагент (рис. [c.163] Химические процессы газ-твердое протекают много интенсивнее при дроблении твердого реагента. В описанных выше реакторах это сделать практически невозможно. С уменьшением размера частиц резко возрастает гидравлическое сопротивление слоя, возрастает вероятность их слипания, комкования. Обойти это ограничение можно в аппаратах со взвешенным слоем твердых частиц - в псевдоожиженном (рис. 2.79,е) или фонтанирующем (рис. 2.79,лс) слоях, с распылительным инжектированием твердого материала через специальную форсунку (рис. [c.165] В потоке жидкости твердые частицы легче образуют однородную смесь (суспензию) из-за более близких плотностей компонентов, чем в системе газ-твердое . Поэтому нередко применяют реактор с мешалкой, подобный изображенному на рис. 2.78,6 для гомогенного процесса. Такой реактор типичен для кислотного разложения апатита. [c.165] Реакторы для газожидкостных гетерогенных процессов (рис. 2.81). Принципиально взаимодействие газа с жидкостью осуществляют тремя способами прямоточное или противоточное движение сплошных потоков газа и жидкости барботаж газа через жидкость (газ диспергирован в объеме жидкости) разбрызгивание жидкости в газе (жидкость диспергирована в объеме газа). [c.165] В трубчатом реакторе (рис. 2.81,д) жидкость стекает по стенкам трубок (на рисунке показана только одна трубка) и контактирует со встречным или попутным потоком газа. Это наиболее организованный процесс - строго поддерживается поверхность контакта фаз, равная поверхности трубок. Потоки хорошо разделены. Тепловой режим поддерживается регулированием температуры трубок. Такие реакторы используют в производствах, где нужно точно вьщерживать необходимый режим и быстро его регулировать. Обычно это малотоннажные производства тонкого органического и неорганического синтеза. [c.165] Простейшее взаимодействие жидкости и газа - барботаж последнего через жидкость (рис. 2.81,г,д) и разбрызгивание жидкости в газе (рис. 2.81,е). Интенсивность взаимодействия фаз при барботаже зависит от скорости всплытия пузырей и их размера. Скорость всплытия определена фавитационными силами и потому офаничена. Размер пузырей можно варьировать в офаниченных пределах - в свободном барботажном слое мелкие пузыри сливаются, а крупные - неустойчивы и быстро распадаются. Объемный коэффициент массообмена в свободном барботажном слое, как правило, не превышает величины 0,3 с . Мелкие пузыри, размер которых зависит от выходного отверстия в барботере, удается сохранить в тонком слое жидкости. Это удобно сделать в многослойном реакторе как с переливными устройствами (рис. 2.81,ж), так и с ситчатыми провальными распределителями потока - тарелками (рис. 2.81,з). В реакторе с разбрызгивателем (рис. 2.81,е) мелкие капли более устойчивы в размерах, но скорость их падения определена силами фавита-ции и захватом потоком газа (особенно для мелких капель). Массообмен между фазами можно интенсифицировать, если жидкость диспергировать специальными форсунками они значительно развивают поверхность контакта фаз и скорость их движения. Но это же добавляет трудности в последующем сепарировании газа и жидкости. [c.167] Высота слоя при протекании быстрых процессов очень небольшая. Окисление метанола в формальдегид осуществляют в слое серебряного катализатора толщиной в несколько сантиметров, а окисление аммиака в производстве азотной кислоты - в слое из нескольких (10 - 15) платиновых сеток (рис. 2.82,6). В таких реакторах требуется особенно тщательное распределение газа перед слоем. [c.169] В многотоннажных производствах с большим объемом перерабатываемой смеси высота слоя и, следовательно, его гидравлическое сопротивление велики. Для уменьшения энергетических затрат катализатор располагают так, чтобы газ проходил в радиальном направлении через слой в виде цилиндра (рис. [c.169] Последовательность адиабатических слоев используется в многослойных реакторах (рис. 2.82,д). Тепло между слоями отводится в теплообменники или вводом холодного газа, как показано на этом рисунке. Теплоносителем может быть или посторонний компонент, не участвующий в реакции, или сама реакционная смесь либо ее компоненты. Использование теплоты реакции для нагрева исходной смеси и части последней для охлаждения реагирующего газа показана на этом рисунке. В целом процесс в реакторе протекает адиабатически, без отвода тепла постороннему теплоносителю, но организация теплообмена между потоками внутри реактора создает необходимый температурный режим процесса. [c.169] Основное требование к процессу в адиабатическом слое на выходе из него реакция должна почти завершиться (превращение - почти полное или равновесное). В противном случае может произойти следующее. Катализатор в слое загружается в навал , слой неоднороден по укладке зерен. Более плотная упаковка зерен чередуется с менее плотной. Очевидно, что большая часть газа будет проходить по пути с менее плотной упаковкой зерен. Неоднородное распределение потока в слое приведет к различному превращению в различных его частях, разному теп-ловьщелению, неоднородной температуре. Это внутреннее свойство неподвижного зернистого слоя. Если процесс в слое близок к завершению, то неоднородности превращения сглаживаются -превратить больше, чем до равновесия, невозможно. [c.169] В большинстве случаев необходим отвод тепла непосредственно из реакционной зоны. Это осуществляют в трубчатых реакторах (рис. 2Я2,е), по общему виду похожих на кожухотрубные теплообменники, - универсальный тип каталитического реактора. Обычно в трубки загружают катализатор, а в межтрубном пространстве циркулирует теплоноситель. Такие реакторы распространены во многих процессах основного органического синтеза (получение формальдегида, фталевого ангидрида, этиленоксида, анилина и др.). Отвод тепла из внутренней части слоя, у оси трубок затруднен. Поэтому диаметр трубок невелик. Для очень многих процессов он составляет 20 - 40 мм. Число трубок зависит от производительности реактора и достигает нескольких тысяч. Иногда даже превышает десять тысяч. В качестве теплоносителей используют воду, кипящую воду, высокотемпературное масло (трансформаторное), смесь расплавленных солей и др. Для обеспечения теплотой эндотермических процессов используют горячие дымовые газы - дегидрирование цикло-гексанола в производстве капролактама, конверсия метана (рис. [c.171] Отводить теплоту реакции из слоя катализатора можно не только посторонним теплоносителем, но и свежей реакционной смесью (рис. 2.82,з). В целом процесс протекает адиабатически, но организация теплообмена между потоками позволяет устанавливать нужный температурный режим процесса. Реактор, называемый автотермическим, был рассмотрен в разд. 2.8.4. Особенность процесса в таком реакторе - возможность появления неустойчивых режимов. Автотермические реакторы используются в синтезе аммиака и метанола. [c.171] В трубчатых реакторах трубки работают параллельно, и необходимо обеспечить равномерное распределение потока между ними. Это достигают строгим выравниванием сопротивления всех трубок при загрузке в них катализатора путем подсыпки или удаления части катализатора. [c.171] Перемешивание реакционной смеси в псевдоожиженном слое приближает режим к идеальному смешению. Кроме того, если скорость газа превышает скорость начала псевдоожижения, то часть газа проходит слой в виде пузырей. Объемный коэффициент массообмена между пузырями и остальной частью слоя невысокий - не превышает 0,5 с . Фактически газ в пузырях есть байпас реакционной смеси. Оба этих явления не способствуют высокой эффективности процесса в целом. Увеличить массообмен можно, если разбить пузыри. Это делают специальной массообменной насадкой, например в виде проволочных спиралей внешним размером в несколько сантиметров. Они занимают 2-5% объема слоя. Насадка разбивает пузыри, увеличивая коэффициент массообмена до 3 с , тормозит перемешивание реакционной смеси в объеме, приближая режим к вытеснению. Другой способ заставить работать пузыри - добавить в катализатор очень мелкую фракцию. Такая пыль попадет в пузыри, где частично будет протекать реакция. [c.173] Вернуться к основной статье