Организация тепловых потоков в реакционной зоне промышленных реакторов

Задачей организации тепловых потоков в реакторе является поддержание в реакционной зоне оптимального температурного режима.

Организацией тепловых потоков достигается подвод недостающего тепла в зону реакции или отвод из нее избыточного тепла.

Наиболее простым способом организации тепловых потоков является адиабатическое проведение процесса, когда необходимое для процесса тепло вносится входящими потоками, а тепловой эффект процесса компенсируется изменением температуры выходящих потоков: в результате экзотермической реакции поток нагревается, эндотермической – охлаждается. Адиабатический процесс может быть организован в реакторах различных типов. В реакторе вытеснения режим в реакционной зоне неизотермический и температура потока меняется по мере его продвижения. В реакторах смешения из-за интенсивного перемешивания процесс в реакционной зоне протекает изотермически, но процесс в целом адиабатический, так как тепловой эффект компенсируется только изменением температуры реакционной смеси. Адиабатическая организация тепловых потоков используется в тех случаях, когда по различным причинам тепловой эффект процесса небольшой, а селективность процесса мало чувствительна к колебаниям температуры.

В неадиабатических реакторах температура в реакционной зоне поддерживается путем отвода (подвода) теплоты специальным циркулирующим теплоносителем через теплообменную поверхность, находящуюся в непосредственном контакте с реакционной смесью. Теплообмен может быть осуществлен через внешнюю поверхность, ограничивающую реакционную зону, как это организовано в емкостных (а) и трубчатых (б) реакторах.

Рисунок 7 – Организация тепловых потоков через теплообменные поверхности

В случаях, когда тепловой эффект процесса большой и требуется интенсивный теплообмен, а перемешивание реакционной смеси невозможно или нежелательно, для увеличения внешней теплообменной поверхности практикуют формирование реакционной зоны, как ряда изолированных параллельных потоков (в).

Для равномерного по всему реакционному объему интенсивного теплообмена используются теплообменники, встроенные непосредственно в реакционную зону (г). В колонных реакторах, когда есть необходимость контролировать температурный режим реакционного потока по зонам, располагают ряд теплообменных поверхностей по высоте аппарата (д, е).

Часто используют поддержание температурного режима в реакционной зоне путем теплообмена в выносном теплообменнике. Это достигается циркуляцией части реакционной смеси через выносной теплообменник (ж, з).

Для проведения гетерогенно-каталитических процессов с неподвижным слоем катализатора наиболее универсальным способом организации тепловых потоков является использование трубчатых реакторов (а). Обычно в трубках находится катализатор, а в межтрубном пространстве циркулирует теплоноситель. Разновидностью рассматриваемого способа можно считать схему, когда в случае экзотермических реакций для отвода теплоты реакции используют свежую реакционную смесь (б).

Рисунок 8 - Организация тепловых потоков в процессах с неподвижным слоем катализатора

Другим универсальным способом организации тепловых потоков для процессов с неподвижным катализатором является многослойное расположение катализатора в реакционной зоне и осуществление теплообмена между слоями (в, г).

В многотоннажных производствах мономеров снижение температуры в катализаторном слое в результате протекающих эндотермических реакций дегидрирования компенсируют путем промежуточного ввода высокотемпературного водяного пара, который в данной реакции является инертным веществом, но положительно влияет на процесс из-за снижения парциального давления реагирующих компонентов (д).