1.2. Каталитические реакторы в системе газ-газ
Каталитические реакторы в системе газ-газ являются одними из основных в производстве водорода, аммиака, окислов азота в производстве азотной кислоты, SO3 в производстве серной кислоты, метанола и многих других продуктов, чрезвычайно важных для выпуска удобрений, полимеров и искусственных волокон.
Несмотря на большое число разработок конструкций с движущимся и псевдоожиженными слоями катализатора, как в нашей стране, так и за рубежом работают реакторы с неподвижными слоями катализатора в связи с малой его прочностью и длительным временем пребывания в рабочей зоне до регенерации. Движущийся и, особенно, псевдоожиженный слой катализатора приводит к достаточно быстрому разрушению и истиранию сравнительно непрочных частиц катализатора, который в большинстве случаев является достаточно дорогим и смена его вносит существенный вклад в себестоимость продукции.
Все реакторы с катализаторами в системе газ1-газ2 с точки зрения конструктивного оформления удобно классифицировать по величине давления.
По величине внутреннего давления каталитические реакторы можно подразделить на 3 группы:
а) атмосферного или низкого давления Рс < 1МПа;
б) среднего давления Рс от 1 до 10 МПа;
в) высокого давления Рс > 10 МПа.
Типичными представителями каталитических реакторов атмосферного или низкого давления являются реакторы окисления SO2 в SO3 в производстве серной кислоты и реакторы образования оксидов азота в производстве азотной кислоты.
1.2.1. Контактные аппараты для окисления сернистого газа
В производстве серной кислоты контактным способом применяют полочные 4-х и 5-ти слойные реакторы производительностью от 60 до 1515 т кислоты в сутки (0,69 – 17,5 кг/с). Необходимость разделения катализатора на 4 или 5 слоев связана с необходимостью решения тепловой задачи, так как реакция окисления сернистого газа протекает с большим экзотермическим эффектом
2SO2 + O2 = 2SO3 + q ,
где q = 70,8 кдж/кмоль.
На каждом слое катализатора двуокись серы окисляется в адиабатическом режиме. Между слоями газ охлаждают в выносных теплообменниках или за счет подачи холодного газа и воздуха.
В типовом аппарате (Рис. 1.17), который предназначен для окисления сернистого газа, полученного обжигом колчедана, в цилиндрическом корпусе 11 размещено пять полок 9. Сернистый газ с температурой 390 – 440 0С (в зависимости от вида катализатора) вводят через штуцер 1. Конус 2 способствует равномерному распределению газа по сечению аппарата. Равномерность распределения газа обеспечивается также слоем дробленого кварца 3, лежащего на сетке 4 и решетке 5. Сетки укладывают на каждой полке, поверх них настилают слой кварца, выше слоя катализатора 7 также располагают слой кварца, чтобы устранить выдувание катализатора газовым потоком. После первого слоя газ охлаждается до 450 – 460 0С за счет подачи холодного газа или воздуха по штуцеру 16.
Полка 9 состоит из восьми секторов, каждый из которых изготовлен из швеллеров и листовой стали. Сектора опираются на выступы, имеющиеся на центральной колонне 10 и на кольцо из уголка 8, приваренное к обечайке 11. С целью уменьшения потерь тепла контактный аппарат изнутри футерован слоем теплоизоляции и огнеупорным кирпичом 6, связанным кислотоупорным цементом. Снаружи аппарат изолирован стекловатой и покрыт кожухом из алюминия.
После второго слоя катализатора газ обычно выводят для охлаждения в выносной теплообменник. После третьего и четвертого слоев газ охлаждают во встроенных горизонтальных теплообменниках 12, так как количество выделяющейся теплоты по мере увеличения степени превращения SO2 в SO3 начинает падать. Охлаждающий агент – холодный сернистый газ движется по трубках кожухотрубчатого теплообменника, а охлаждаемый газ - по межтрубному пространству. Горизонтальное расположение теплообменников облегчает их ремонт. Ниже теплообменников в аппарате расположено распределительное устройство 13, включающее завихрители и решетку. Газы выходят из аппарата по штуцеру 14. Для осмотра и ремонта предусмотрены люки 15.
Например, контактный аппарат производительностью 540 т кислоты в сутки имеет диаметр 9 м и общую высоту 20,5 м, в него загружают 165 м3 катализатора. Общая поверхность внутренних теплообменников составляет 3550 м2, а внешнего после пятого слоя – 2960 м2.
Рис.1.17. Контактный аппарат с фильтрующим слоем для окисления сернистого газа: 1 – патрубок входа SO2; 2 – распределитель газа; 3 - сетка; 4 – дробленый кварц; 5 – решетка; 6 – футеровка; 7 – катализатор; 8 – опорный уголок; 9 – опорный швеллер; 10 – опорная колонна; 11 – корпус реактора; 12 – встроенные теплообменники; 13 – окна для подачи реагентов на 5-ю ступень; 14 – штуцер вывода SO3.
Контактные аппараты мощностью1030 т кислоты в сутки рассчитаны на переработку 136000 м3/ч газа, содержащего 7,5 % SO2. Внутренний диаметр их равен 12 м, высота аппарата 28,1 м, общее количество катализатора – 324 м3. Поверхность выносного теплообменника после второго слоя составляет 4400 м2, а после 5-го слоя - 8800 м2. Газы после 3-го и 4-го слоев охлаждают в выносных экономайзерах.
Основные детали контактных аппаратов для окисления SO2 изготовляют из углеродистых сталей, поверхность которых алитируют для уменьшения коррозии, которая резко активируется во время остановок оборудования и конденсации влаги.
Центральную колонну, как правило, отливают из чугуна или изготовляют из стали 1Х18Н10Т. Колонна из стали Х18Н10Т весит значительно меньше, чем чугунная колонна и имеет меньший диаметр. Полки первого и второго слоев, где температура достигает 550 – 600 0С, изготавливают из легированных высокохромистых сталей.
Другим примером контактного реактора, работающего под атмосферным или небольшим давлением, являются реакторы в производстве слабой азотной кислоты.