11. Реакторы с неподвижным слоем катализатора.

В реальном производстве наиболее распространены реакторы с неподвижным слоем катализатора (рис. 1.4). Для адиабатического режима катализатор в виде частиц различной формы засыпан в аппарат (рис. 1.4, а). Характерный размер частиц (зерен катализатора) — 3 ÷ 8 мм. Слой располагается на жесткой опорной решетке, выдерживающей вес катализатора и перепад давления в слое. Чтобы мелкие зерна катализатора не проваливались и не закрывали отверстия в опорной решетке, на нее обычно насыпают тонкий слой крупнокускового материала, а сверху — катализатор. 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 платиновых сеток (рис. 1.4, 6).

В таких реакторах требуется особенно тщательное распределение газа перед слоем. 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. 1.4, в).

Рис 1.4. Схемы реакторов для гетерогенно-каталитических процессов с неподвижным слоем катализатора:

И - исходные вещества; П - продукты; Х - теплоноситель; Т - топливо; В воздух; ДГ - дымовые газы

Последовательность адиабатических слоев используется в многослойных реакторах (рис. 1.4, д). Теплота между слоями отводится в теплообменники или вводом холодного газа. Теплоносителем может быть либо посторонний компонент, не участвующий в реакции, либо реакционная смесь или ее компоненты. В целом процессе в реакторе протекает адиабатически, без отвода теплоты постороннему теплоносителю, но организация теплообмена, между потоками, внутри, реактора. создает необходимый температурный режим процесса.

Основное требование к процессу в адиабатическом слое: на выходе из него реакция должна почти завершиться (превращение – почти полное или равновесное). Если процесс в слое близок к завершению, то неоднородности превращения сглаживаются – превратить больше, чем до равновесия, невозможно.

Адиабатический процесс используют, если максимальный разогрев не превышает допустимый для данного процесса. Обычно это процессы с небольшой концентрацией исходного реагента — процессы каталитической очистки: обезвреживание отходящих газов, очистка технологических газов (например, очистка азотоводородной смеси от оксида углерода).

Адиабатический процесс используют также для обратимых процессов, когда разогрев ограничен равновесием. В промышленности это экзотермические процессы окисления SO₂, синтеза NH₃, эндотермические процессы дегидрирования в производстве мономеров синтетического каучука. Для полного превращения в этих процессах используют многослойные реакторы.

В большинстве случаев необходим отвод теплоты непосредственно из реакционной зоны. Это осуществляют в трубчатых реакторах (рис. 1.4, е). 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 теплоты из внутренне, части слоя у оси трубок затруднен, поэтому диаметр трубок невелик (в большинстве случаев 20 — 40 мм). Число трубок зависит от производительности реактора и достигает нескольких тысяч. В качестве теплоносителей используют воду, пар, высокотемпературное масло, смесь расплавленных солей и др.

Для обеспечения теплового режима эндотермических процессов используют горячие дымовые газы, например, при конверсии метана (рис. 1.4, ж). В последнем случае реактор представляет собой трубчатую печь.

Отводить теплоту реакции из слоя катализатора можно также свежей реакционной смесью (рис. 1.4, з). В целом процесс протекает адиабатически, но организация теплообмена между потоками позволяет устанавливать нужный температурный режим процесса. Особенность процесса в таком реакторе — возможность появления неустойчивых режимов. Автотермические реакторы используются в синтезе аммиака и метанола.