7.3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

ных, опытных и вспомогательных производствах. Для большинства химических технологических процессов проектируются нестандартные реакторы, зачастую изготавливаемые в единственном экземпляре. На производственных установках применяются не только одиночные, самостоятельно работающие реакторы, но и их комбинации. Реакторы могут соединятся параллельно и последовательно. В первом случае достигается только количественный эффект увеличения производительности. Во втором случае достигается качественный эффект, связанный с обеспечением большей степени превращения сырья и высокой селективности, а также с повышением устойчивости и безопасности технологического режима при проведении экзотермических процессов.

При рассмотрении различных типов химических реакторов в первую очередь необходимо учитывать фазовый состав веществ, находящихся в реакционной зоне, включая реагенты, катализаторы и растворители (твердые теплоносители и инертные насадки не учитываются). Рассмотрим некоторые типы реакторов, предназначенных для проведения реакций в гомогенных средах (только газовая или только жидкая фаза) и в гетерогенных средах: газ–твердый катализатор; жидкость–твердый катализатор; жидкость–жидкость (не смешивающаяся с первой); газ–жидкость–твердый катализатор.

7.3.1.Реакторы для проведения процессов

вгомогенной газовой среде

Реакторы смешения. Перемешивание газов в таких реакторах осуществляется за счет конвекции в реакционном объеме или путем принудительной циркуляции с помощью встроенных вентиляторов.

На рис. 7.5 в качестве примера показан адиабатический реактор с конвекционным перемешиванием для проведения реакций в гомогенной газовой фазе, используемый в технологическом процессе термического хлорирования метана. При пуске реактора в работу перед подачей сырья реакционная камера разогревается за счет сжигания метана в горелках 7. Смесь реагентов (метан и хлор) поступает в реактор нагретой до требуемой температуры, обеспечивающей их химическое взаимодействие. Процесс протекает без наружного теплообмена. Внутренняя насадка 5, аккумулирующая теплоту, служит для увеличения динамической устойчивости технологического режима.

Указанный тип реакторов, применяемых для проведения газовых реакций при высоких температурах и в агрессивных средах, имеет следующие достоинства: отсутствие теплообмена через стенку; надежное обеспечение тепловой и коррозионной защиты корпуса; высокую динамическую

256

се 4–5 топочных камер, в которых заложено до 16 параллельно работающих змеевиков. Трубы змеевика в за-

висимости от места расположения в печи делятся на 4 зоны: предварительного нагрева и испарения сырья, перегрева пара, высокотемпературную конвекционную и радиантную зону. Температура реакционной смеси по

мере ее продвижения по трубам постепенно повышается с 200 оС до 800– 850 оС.

К достоинствам трубчатых реакторов для проведения газофазных реакций относятся: интенсивный регулируемый теплообмен через стенку трубы; оптимальный температурный режим; высокая селективность процесса при отсутствии продольного перемешивания потока. Недостатки: ограниченность температуры процесса жаропрочностью материала труб;

257

большое гидравлическое сопротивление реактора; образование отложений кокса на внутренней поверхности труб, что приводит к ухудшению теплообмена, увеличению гидравлического сопротивления, т. е. создаются условия для прогара труб.

7.3.2. Реакторы для проведения процессов в гомогенной жидкой среде

Реакторы смешения. К таким реакторам относятся аппараты с механическими перемешивающими устройствами (мешалками), в которых достигается однородность концентрации компонентов и высокие коэффициенты теплоотдачи (см. рис. 2.3). Для обеспечения подвода или отвода тепла из зоны реакции применяются встроенные теплообменники.

Реакторы вытеснения. Наибольшее распространение в промышленности получили трубчатые реакторы, аналогичные по конструкции с теп-

чего его эффективность приближается к эффективности реактора идеального вытеснения.

Для быстро протекающих процессов при большой линейной скорости реагентов используются реакторы кожухотрубного или колонного типов с внутренними теплообменными устройствами.

К достоинствам указанных типов реакторов относятся возможность обеспечения заданной температуры процесса и противоточного режима движения теплоносителя (хладоносителя). Основные недостатки: низкая эффективность теплообмена с теплоносителем (хладоносителем); необходимость устройства каскада реакторов для обеспечения высоких степеней превращения и селективности и, как следствие, высокая удельная металлоемкость; сложность конструкции реакторов.

258

7.3.3.Реакторы для проведения процессов

вгетерогенной системе газ–твердый катализатор

Для этих видов процессов существует большое число разнообразных реакторов, преимущественно относящихся к классу реакторов вытеснения в связи с тем, что как в аппаратах с неподвижным слоем катализатора, так и в аппаратах с псевдоожиженным слоем катализатора практически не удается достигнуть эффекта полного перемешивания веществ.

Реакторы вытеснения. К этой группе аппаратов относятся колонные реакторы со сплошной загрузкой катализатора, трубчатые реакторы, а также адиабатические колонные полочные реакторы.

259

ния потока близок к полному вытеснению; развитая поверхность теплообмена и высокие значения коэффициентов теплопередачи; эффективная работа катализатора во всех трубах, достигаемая в результате калибровки гидравлического сопротивления каждой трубы; возможность использования в отдельных случаях стандартных теплообменников.

Недостатки трубчатых реакторов, ограничивающие область их применения: невысокая доля общего объема реактора, заполненного катализатором; большой расход металла на трубы; сложность загрузки и выгрузки катализатора из реакционных труб; сложность обеспечения оптимального температурного режима по всей длине труб.

В связи с этим в последнее время нашли широкое применение адиабатические реакторы со сплошным неподвижным и с подвижным слоем катализатора. Адиабатические реакторы со сплошным слоем катализатора используются в процессах протекающих в кинетической и переходной областях (например, гидрокрекинга, риформинга, изомеризации парафинов, прямой гидратации этилена, дегидрирования этилбензола в стирол и других), а также в процессах, протекающих в диффузионной области (например, окисления спиртов в альдегиды и кетоны). Для проведения процессов первого вида используются адиабатические реакторы шахтного типа с достаточно высоким слоем катализатора.

На рис. 7.8 показан а д и а б а т и ч е с к и й ш а х т н ы й р е а к- т о р дегидрирования алкилбензолов со сплошной засыпкой катализатора. Катализатор в виде цилиндров диаметром 10–20 мм или колец Рашига укладывается на слой инертной насадки 4, препятствующей просыпанию его через опорную решетку 2. Важное значение имеет смеситель 9, предназначенный не только для получения однородной реакционной смеси, но и для равномерного распределения газового потока по сечению реактора.

К достоинствам таких реакторов относятся: полнота использования объема реактора, простота конструкции, небольшая металлоемкость.

Недостатки: ограниченная область применения (они применяются только для процессов, в которых адиабатический перепад температур не слишком высок, т. е. когда нет опасности перехода в области слишком высоких или низких температур); невозможность обеспечения оптимального профиля температур по высоте слоя катализатора; трудность равномерного распределения подачи реакционной смеси на слой катализатора.

Процессы с большим адиабатическим изменением температуры реакционной смеси проводят в р е а к т о р а х п о л о ч н о г о (секционированного) т и п а (рис. 7.9). Число секций в таких реакторах (обычно не более 10) и распределение катализатора между ними определяют, исходя из величин адиабатического перепада температур и оптимальной степени превращения в каждом слое. Охлаждение (нагревание) реакционной смеси

260

между полками производится, как правило, непосредственным смешением реакционной смеси с холодным (горячим) теплоносителем или впрыскиванием испаряющейся жидкости. В то же время между секциями реактора могут использоваться встроенные 3 или выносные теплообменники.

Достоинства секционированных реакторов: возможность поддержания оптимального температурного режима; простота конструкции (без встроенных или выносных теплообменников) и удобство эксплуатации; небольшая металлоемкость. Недостатки: необходимость использования больших количеств катализатора; необходимость последующего отделения продуктов реакции от теплоносителя; громоздкость и сложность конструкции реакторов со встроенными и выносными теплообменниками.

Для проведения процессов, протекающих в диффузионной области, используются адиабатические реакторы с катализаторами в виде сеток.

На рис. 7.10 представлен к о н т а к т н ы й а п п а р а т для окислительного аммонолиза метана. Аналогичные по конструкции аппараты (с устройством в нижней части закалочной камеры) используются для полу-

261

262