8.5. Конструкции реакторов

В реакционной аппаратуре химические процессы сопровождаются про­те­канием разнообазных физических процессов (гидродинамических, тепло­вых, диффузионных и др.). С их помощью создаются необходимые условия для протекания собственно химических реакций.

Для реализации физических процессов в реакторах применяют различ-ные конструктивные элементы (мешалки, теплообменники, контактные уст-ройства, распылители и т.д.). Поскольку сочетаний этих устройств может быть велико, то и разнообразие реакционных устройств большое количество.

8.5.1. Требования к реакторным конструкциям. Требования к уст­рой­ству конкретных реакторов вытекают из постулата максимальной эффек­тивности проведения в них химических процессов. В первую очередь среди них следует выделить следующие требования:

– возможность размещения в реакторе необходимого количества катализатора максимальной активности;

– создание требуемой поверхности контакта взаимодействующих реагентов и катализатора, а также отдельных фаз для обеспечения максимально эффективного массобмена между ними;

– обеспечение необходимого гидродинамического режима движения реагентов и фаз;

– создание необходимого теплообмена при подводе или отводе тепла;

– наличие необходимого реакционного объема для обеспечения требу-емой производительности;

– возможность поддержания необходимого режима процесса;

– обеспечение максимальной скорости протекания реакций.

8.5.2. Типизация реакторов. Все реакторы, применяемые в нефтепе­ре-работке, нефтехимии и основном органическом синтезе, относят к тому или иному типу в зависимости от следующих факторов:

– агрегатного состояния участников процесса в реакторной подсистеме;

– состояния катализатора – жидкий или твердый катализатор (в стацио-нарном, псевдоожиженном, диспергированном состоянии);

– расположения поверхности теплообмена (внешнее, внутреннее);

– способа отвода тепла (через поверхность теплообмена, за счет испаре­ния реагентов или продуктов реакций, за счет подачи хладагентов);

– способа диспергирования газа, жидкости и твердых частиц (реагентов, катализаторов и вспомогательных веществ);

– способа развития поверхности контакта фаз.

Анализ этих факторов во многом определяет выбор конструкции вспомогательных устройств (перемешивающих, теплообменных и т.д.).

По конструктивному признаку реакторы делятся:

– на реакторы типа реакционной камеры;

– реакторы колонного типа;

– реакторы шахтного типа;

– реакторы теплообменного типа;

– реакторы типа печи.

Классификация реакторов по конструкции приведена в таблице 8.1.

Таблица 8.1

Гидродинамический режим	Агрегатное со­стояние реагентов	Форма теплообмена и наличие поверхности теплообмена				Примеры процессов
		без поверхности теплообмена		с наружной поверхностью	с внутренней поверхностью
Реактор трубчатый
Полное вытеснение	Г	─	+		─	1. Синтез винилацетата 2. Окисление этилена в этиленоксид
Полное вытеснение	Ж	─	+		─	Алкилирование бензола
Полное вытеснение	Ж–Ж	─	+		─	Получение диметилдиоксанов
Реактор колонный
Полное вытеснение	Г–Ж	─	─		+	Окисление углеводородов
Полное вытеснение	Г–Ж	+	─		─	Нейтрализация HCl
Полное вытеснение (газ), полное смешение (жидкость)	Г–Ж	─	+		─	Окисление твердых парафинов
Полное вытеснение (газ), полное смешение (твердая фаза)	Г–Г–Т	─	─		+	Синтез акрилонитрила
Полное вытеснение (газ), полное смешение (твердая фаза)	Г–Т	+	─		─	Хлорирование углеводородов
Полное вытеснение (газ), полное смешение (твердая фаза)	Г–Т	─	+		─	Получение этиленоксида

Окончание табл. 8.1

Полное вытеснение	Г–Г–Т	─	+	─	Фторирование углеводородов
Реактор шахтный
Полное вытеснение	Г–Т	+	–	─	Дегидрирование этилбензола
Реакционная камера с перемешиванием
Полное смешение	Ж	+	+	+	1. Гомогенный гидролиз жиров, масел и хлорбензола 2. Получение винилхлорида из дихлорэтана
Полное смешение	Г–Ж	+	+	+	Хлорирование этилена
Полное смешение	Ж–Ж	+	+	+	Сульфирование бензола
Реактор типа печи
Полное вытеснение	Г–Г	─	+	+	Парциальное окисление олефинов

8.3.3. Примеры конструкций реакторов. Типичный пример конструк-ции реактора идеального вытеснения с политермическим режимом для эндо-термических процессов приведен на рисунке 8.12. Такой тип реактора применяют в производстве синтез-газа конверсией метана с водяным паром:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂ – 206 кДж/моль. (8.41)

Принцип действия реактора идеального вытеснения шахтного типа показан на рисунке 8.13. Он представляет собой емкость (шахту), в которой на ре­шетке помещен твердый зернистый материал. Высота слоя зернистого мате­риала обычно больше диаметра реактора. Через слой материала проходит газ, который вступает во взаимодействие с твердым материалом. Концентрация ре­а­гирующих веществ в таком реакторе понижается по высоте слоя по логарифмической зависимости. По такому принципу работают многие каталити­ческие реакторы, например, в процессе обжига железного колчедана или в процессе парокислородной конверсии метана по реакциям:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + 3420 кДж/моль; (8.42)

2CH₄ + O₂ = 2CO + 4H₂ + 35 кДж/моль. (8.43)

В экзотермических процессах температурный режим реактора близок к адиабатическому. Похожим образом работают насадочные колонны абсорб­ции газов жидкостями и десорбции газов из жидкостей.

Рис. 8.12. Реактор идеального вытеснения с политермическим режимом для эндотермического процесса с катализатором в трубках

Рис. 8.13. Реактор идеального вытеснения шахтного типа для экзотермического процесса

Конверсия протекает на катализаторе, помещенном в трубках, а в меж­труб­ном пространстве сжигается топливный газ для компенсации эндотер­мического эффекта реакции.

Реактор полного смешения характеризуется тем, что любой элементарный объем газа или жидкости, поступивший в реактор, мгновенно смешива­ется со содержимым реактора, т.к. в турбулентном потоке скорость цир­куляционных движений по высоте и сечению реактора во много раз больше, чем скорость линейного движения по оси реактора. Концентрация всех ве­ществ и степень превращения во всем объеме такого реактора одинакова и рав­на конечной.

На рисунке 8.14 дана конструкция каталитического реактора кипящего слоя с мешалкой. В таком реакторе газ и твердый зернистый катализатор ин-тен­сивно перемешиваются благодаря вихревым движениям в кипящем слое совместно с действием лопастной мешалки.

Газ-продукт

Т

Т

Газ-сырье

Рис. 8.14. Реактор полного смешения с изотермическим режимом – аппарат кипящего слоя с мешалкой

Достаточное приближение к полному смешению достигается в реакто­рах с перемешивающими устройствами в жидкой фазе, а также в суспензиях твердых веществ в жидкостях. Такого типа реакторы широко применяются в нефтехимической, химической, пищевой промышленности, а также в произ­водстве цветных металлов, строительных материалов и т.д.