8. Реакторы с кипящим слоем катализатора. Р еакторы с псевдоожиженным (кипящим) или восходящим слоем катализатора (рис. 1.5).

Рис 1.5. Схемы реакторов для гетерогенно-каталитических процессов со взвешенным слоем катализатора:

И — исходные вещества; П — продукты; Ц — циклон.

При подаче реакционной смеси снизу слоя с достаточной скоростью твердые частицы будут витать в потоке, не уносясь с ним (рис. 1.5, а). В этом случае применяют частицы не крупнее 1 мм. Это обеспечивает полное использование их внутренней поверхности. Циркулирующие частицы выравнивают температуру в слое - процесс в нем протекает практически изотермически.

Интенсивное движение частиц обеспечивает хороший теплоотвод — коэффициент теплоотдачи от кипящего слоя более чем на порядок превышает таковой от неподвижного слоя. Подвижность частиц дает возможность организовать течение твердого материала через реактор, что существенно для процесса с изменяющейся активностью катализатора. В процессе каталитического крекинга нефтепродуктов катализатор быстро "закоксовывается", теряет активность. Его непрерывно выводят из реакТора в регенератор (рис. 1.5, 6), где происходит "выжиг" кокса и восстанавливается активность катализатора. Его после этого возвращают в реактор, обеспечивая непрерывность процесса. Это система "реактор-регенератор".

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^-1. 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^-1, 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.

Циркуляция частиц в псевдоожиженном слое вызывает истирание катализатора. Для очистки газа от пыли после реактора устанавливают циклоны. В крупных реакторах каталитического крекинга, размеры которых достигают диаметра 12 м и высоты 16 м, циклоны устанавливают непосредственно в корпусе реактора, как показано на рис. 1.5, 6.

Если изменить конфигурацию реактора (сделать его конусообразным), поток газа заставит катализатор циркулировать направленно (рис. 1.5, в). Это фонтанирующий слой, вариант кипящего.

Если скорость газового потока будет такой, что твердые частицы будут захватываться им (скорость потока больше скорости уноса), получим режим пневмотранспорта (рис. 1.5, г) и процесс в восходящем потоке катализатора. Такая организация процесса эффективна для быстрых реакций — время прохождения реакционной смеси в длинном узком реакторе небольшое. Теплота реакции идет не только на нагрев (охлаждение) реакционной смеси, но и на нагрев (охлаждение) летящего с ней твердого катализатора, тепловая емкость которого в 300 — 600 раз больше тепловой емкости газа. Процесс протекает почти изотермически. Отделив катализатор в циклоне, катализатор можно нагреть или охладить в отдельном аппарате и вернуть в реактор. Такая организация процесса оказалась очень эффективной в гидрокрекинге на новых цеолитных катализаторах.