10.3.3 Конструкции химических реакторов
Конструктивно химические реакторы могут иметь различную форму и устройство, т.к. в них осуществляется разнообразные химические и физические процессы, протекающие в сложных условиях массо-и теплопередачи.
По назначению химические реакторы делят на реакторы для гомогенных процессов, реакторы для гетерогенных процессов и реакторы для гетерогенно-каталитических процессов.
1.Реакторы для гомогенных периодических процессов выполняют в виде резервуаров, кубов или автоклавов, а для непрерывных, в виде трубчатых реакторов вытеснения, реакторов типа РИС – Н и РИП-Н различных конфигураций.
2.Реакторы для гетерогенных процессов конструируют с учетом обеспечения наилучших условий массопередачи, создания возможно большей поверхности контакта фаз и ее обновления в ходе процесса, обеспечения необходимого режима движения компонентов в каждой фазе. Конструкция реакторов этого типа существенно зависит от агрегатного состояния компонентов процесса.
Реакторы для систем «газ – твердое тело» и «жидкость – твердое тело» выполняют в виде аппаратов, близких к режиму вытеснения (например, печь для обжига известняка, барабанная печь для кальцинации гидроксида алюминия и т.п.), или в виде аппаратов, близких к режиму смешения (печь пылевидного обжига, реакторы кипящего слоя и т.п.).
Реакторы для системы «газ – жидкость» и «жидкость – жидкость» выполняют в виде аппаратов абсорбционного типа. К ним относится скрубберы различного устройства, барботажные колонны, баки с мешалками и др.
10.3.4 Устройство контактных аппаратов
Химические реактора для проведения гетерогенно–каталитических процессов называются контактными аппаратами. В зависимости от состояния катализатора и режима его движения в аппарате, они делятся на: контактные аппараты с неподвижным слоем катализатора, контактные аппараты с движущимся слоем и контактные аппараты с псевдоожиженным слоем.
Кроме того, контактные аппараты различаются структурой материальных потоков компонентов, способом подвода или отвода тепла и рядом других конструктивных особенностей.
1.Контактные аппараты с неподвижным слоем катализатора выполняются в виде реактора типа РИП – Н. Контактная масса в них размещается в несколько слоев на полках (полочные аппараты) или в трубах (трубчатые аппараты). Многополочные контактные аппараты, содержащие несколько слоев катализатора, применяются в процессах с высоким положительным или отрицательным тепловым эффектом. Для поддержания оптимального теплового режима процесса реакционная смесь после прохождения каждого слоя катализатора подогревается или охлаждается путем подачи в пространство между слоями холодного газа, или в выносных и встроенных теплообменниках. Комбинация контактного аппарата с устройствами для отвода или подвода тепла называется контактным узлом.
Для процессов, протекающих с очень высокими скоростями, применяют конструкции, в которых контактные массы размещены в сетках, что обеспечивает лучший их контакт с реагентами.
Недостатки данных аппаратов: низкая производительность катализатора вследствие затруднений использования внутренней поверхности его зерен, сложность конструкции, трудность поддержания оптимального теплового режима.
2.Контактные аппараты с движущимся слоем катализатора работают в режиме реакторов РИС –Н и РПТ – Н. В них катализатор распыляется в движущемся потоке газа или жидкости и переносится вместе с ним. При этом для обеспечения противотока газ поступает в аппарат снизу, а катализатор сверху.
3.Контактные аппараты с псевдоожиженным слоем катализатора работают по принципу аппарата «КС» в режиме реакторов РИС – Н и применяются, главным образом, в производствах органического синтеза, в которых катализатор быстро теряет активность и требует непрерывной регенерации. Поэтому, в этих установках, как и в установках с движущемся слоем катализатора , контактный аппарат сопряжен с регенератором катализатора
Преимущество данных аппаратов: легкость регенерации и замена катализатора, возможность подачи реагентов с температурой ниже температуры зажигания катализаторов, оптимальный температурный режим работы аппарата и т.п. Недостатки: быстрое истирания зерен катализатора и загрязнение продуктов реакции катализаторной пылью.
регенератор
газ
газ
контактный
аппарат подъемник
катализатора
вода
.
газ кат. на реген
газ газ
контактный аппарат с неподвижным контактный аппарат с
слоем катализатора движущимся слоем
катализатора
регенератор
реактор пневмотранспорт
регенерирующий
газ
газ
Контактный аппарат с псевдоожиженным слоем катализатора
Показатели работы контактного аппарата.
Режим работы и производительность контактного аппарата зависит от таких параметров его как время контакта, объемная скорость газа (жидкости) и удельная производительность катализатора
1.Время контакта – время соприкосновения реагентов с катализатором определяют так:
К = v кат / V г , (10.16)
где:Vг – объем газообразной (жидкой) реакционной смеси, проходящей через катализатор в единицу времени, нм3/с, Vk –объем катализатора (контактной массы), м3, к – время контакта в секундах, с.
2. Объемная скорость – объем реакционной смеси, проходящей через единицу объема катализатора в единицу времени (W), нм3/м3*ч или ч-1. Следует иметь в виду, что второе обозначение весьма условно, так как объемные единицы относятся к различным фазам: нм3 – к газу, м3 – к твердому катализатору.
Из (10.16) и определения объемной скорости следует, что
W = 1/к (10.17)
3.Удельная производительность (интенсивность) катализатора – масса продукта, получаемая с единицы объема катализатора в единицу времени (g к), кг/мз*ч. Для газообразных систем
g к = V пр * , (10.18)
где Vпр – объем газообразного продукта, полученного с единицы объема катализатора в единицу времени, нм3 / м3 * ч, - плотность продукта, кг/м3.
Интенсивность катализатора, от которой зависит эффективность работы контактного аппарата, связана с объемной скоростью реакционной массы и содержанием в ней целевого продукта. При этом для процессов необратимых, проводимых по открытой технологической схеме, учитывается содержание целевого продукта только на выходе из контактного аппарата. Для обратимых процессов проводимых по циклической схеме, следует учитывать как содержание продукта на выходе из аппарата, так и на входе в него