Реакторы с неподвижным слоем катализатора

Регенерация катализатора

На поверхности многих катализаторов, например, органических реакций в течении рабочего периода происходит отложение кокса, в результате чего активность катализатора снижается. В большинстве случаев продукты коксообразования удаляют выжиганием, а регенерированный катализатор используют вновь.

Выжигание можно производить как в неподвижном слое, а также и в кипящем слое.

Выжигание кокса в неподвижном слое.Через закоксованный слой катализатора продуваемый воздух, нагретый до температуры, достаточной для возгорания кокса (около 500 ⁰С). При соприкосновении воздуха со слоем катализатора начинается выжигание кокса, сопровождающееся образованием участков или целого фронта местного нагрева. Замер температуры производится с помощю термопары. При чрезмерном подъеме температуры, вызванной высокой скоростью подачи воздуха, может произойти дезактивация катализатора и даже пригорание стальных стенок аппарата. Во избежание разрушения катализатора в процессе регенерации следует контролировать подачу кислорода путем использования скользящей термопары или нескольких термопар, расположенных вдоль слоя. Существует ряд способов ослабления локальных перегревов и уменьшения вероятности термической дезактивации катализатора. Обычным методом является уменьшение концентрации кислорода до 2 - 3% и регуляции отходящего газа. Снижение теплового эффекта регенерации можно добиться, разбавляя воздух инертным компонентом. С целью увеличения общей скорости регенерации давление рециркулирующего газа поднимают до 2 - 3 атм.

Выжигание кокса из порошкообразных катализаторов происходит довольно легко, так как из-за малого размера частиц диффузионные эффекты отсутствуют. Регенерацию обычно осуществляют в псевдоожиженном слое, где любой локальный перегрев немедленно рассеивается быстрым перемещением частиц катализатора, в связи с чем для регенерации вместо газа, содержащего 2 - 3% кислорода, можно использовать воздух.

Контактно-каталитические процессы сопровождаются выделением или поглощением значительных количеств тепла. Поэтому конструкция аппарата с неподвижным слоем катализатора определяется главным образом способом подвода или отвода тепла.

По конструкции такие аппараты можно разделить на следующие группы:

1. Аппараты без теплообмена в ходе процесса, которые являются адиабатическими. Конструктивно они выполняются в виде шахтных (или емкостных) аппаратов.

2. Аппараты с делением слоя катализатора по сечению. Они выполняются в виде трубчатых аппаратов с расположением катализатора в трубном или межтрубном пространстве, а также в виде ретортных печей.

3. Аппараты с делением слоя катализатора по высоте на отдельные зоны. Между зонами осуществляют нагрев или охлаждение смеси встроенными теплообменниками или путем смешения с газообразными теплоносителями. Конструктивно выполняются в виде полочных аппаратов.

4. Комбинированные аппараты, представляющие собой сочетание в общем корпусе аппаратов предыдущих групп.

Реакторы шахтного типа

Примерами процессов, проводимых в аппаратах шахтного типа является дегидрирование этилбензола в стирол, прямая гидратация этилена и дегидрирование дивинилбутиленов. Тепловые эффекты при этом велики, но осуществляться такие реакции могут в адиабатических условиях.

Аппарат состоит из корпуса 4 с внутренней футуровкой 5, устройство для смешения этилбензола с водяным паром 2, распределителя 3 реакционной смеси по сечению аппарата. Для замера температуры в слой катализатора 6 вмонтированы гильзы для термопар 7. Для выравнивания потока реагентов служат слои инертной насадки. Вывод продукта производится через конусный перфорированный элемент 8. Дегидрирование этилбензола осуществляется при 600⁰С. Реакция идет с увеличением объема, поэтому проводить ее следовало бы под вакуумом. Однако, это обуславливает значительное усложнение конструкций аппарата и затрудняет ведение процесса. В результате вместо вакуума используется разбавление водяным паром. При этом снижается парциальное давление реагента, т.е. достигается тот же эффект, что и при применении вакуума.

1 - инертная насадка; 2 - смеситель газов; 3 - распределитель газов; 4 - корпус; 5 - футеровка; 6 - слой катализатора; 7 - гильзы для термопар.

Рисунок 200 -Реактор шахтного типа.

Кроме того, разбавление водяным паром связано с тем, что нагрев паром этилбензола до температуры реакции (600 ⁰С) недопустим, и эта температура достигается смешением с перегретым водяным паром. Реакция идет с поглощением тепла в адиабатических условиях, поэтому температура реагентов в ходе реакции уменьшается. Если температура уменьшается на 60 ⁰С, то смесь поступает в аппарат с перегревом на 30⁰С и рабочая температура процесса равна

Такого типа аппараты применяются для гидрирования сернистой нефти, для синтеза формальдегида и т.д.

Трубчатые реакторы

В аппаратах этого типа поверхности охлаждения расположены параллельно движению реагентов и таким образом отвод или подвод тепла осуществляется по мере его выделения или поглощения.

Конструктивно реакторы могут быть выполнены в виде трубчатого аппарата с охлаждающей рубашкой около каждой трубки. Могут быть трубчатые реакторы с общей охлаждающей рубашкой (реактор кожухо-трубного типа с размещением катализатора в трубках или межтрубном пространстве). Могут быть аппараты с двойными трубками, когда слой катализатора имеет кольцевое сечение. Такой аппарат находит применение в полимеризации пропанпропилиновой фракции. Аппарат состоит из отдельных секций. Их может быть до 12. Процесс происходит при 260⁰С, давлении 7 МПа. Внутренний диаметр трубы составляет 150 мм. Высота отдельного элемента 14 м. Достоинством такого аппарата является возможность применения хладоагента, высокого давления (кипящая вода под давлением). Недостатком является его малая производительность, большая занимаемая площадь, неудобство выгрузки катализатора.

1 - корпус; 2 - рубашка.

Рисунок 201 - Схема реактора типа “Труба в трубе”.

Трубчатый контактный аппарат кожухотрубного типа

Дегидрирование циклогексанола является частью технологической схемы получения капрона: фенол - циклогексанол — циклогексанон — капролактам. Из капролактама получают капрон.

Процесс производится при 450 - 460⁰С и давлении 0,1МПа в трубчатом реакторе. Для поддержания требуемой температуры применяются дымовые газы, требуемая температура которых 500⁰С достигается смешением топочных газов (1000-1100⁰С) с отработанными газами. Реактор имеет концентрические перегородки, обеспечивающие равномерный нагрев всех трубок, и сальник, выполняющий роль компенсатора температурных удлиннений. Диаметр реактора 1,8 м, высота 6,5 м, диаметр трубок 57 мм.

Особенностями трубчатых аппаратов являлось отсутствие обечайки и размещение трубчатки в топочной камере, а также наличие дисковых перегородок, служащих, как и в обычных кожухотрубных теплообменниках для турбулизации потока дымовых газов в межтрубном пространстве и смешение циркулирующих дымовых газов со свежими в целях достижения требуемой температуры газов, обогревающих контактные трубы. По сравнению с шахтными они дорогие.

1 - контактные трубки; 2 - корпус; 3 - футеровка; 4 - сальник..

Рисунок 202 - Трубчатый реактор

Ретортные реакторы

Ретортные аппараты применяют, например, для получения дивинила контактным разложением этилового спирта по способу академика Лебедева С.В.


1 - реторта; 2 - сборный коллектор на выходе продуктов; 3 - муфель; 4 - распределительный коллектор на входе реагентов; 5 - форсунка. Рисунок 203 -Реторный реактор.	1 - штуцер для гильзы термопар2 - тяги. Рисунок 204 - Реторта.

Ретортная печь, в которой может быть объединено 24, 16, 30 реторт и более. Температура реакции 360 - 370⁰С. Диаметр и высота аппарата 6,5 м, т.е. это аппараты с большим соотношением между высотой и площадью сечения размером поперечного сечения. Реторта или группа реторт заполняется катализатором и помещены в среду теплоносителя.

Наилучшее распределение температур дает сильно вытянутый прямоугольник. Форма поперечного сечения реторт различна. (рисунок 204)

Основным элементом ретортной печи является реторта прямоугольного сечения 80х1000 мм и высотой 5250 мм.

Прямоугольное сечение реторт позволяет при равной его площади получить меньший перепад температуры по сечению слоя катализатора, чем в круглой трубе, и компактно разместить реторты в печи. Особенностью печи является размещение реторт в муфеле, тепло от стенок которого передается ретортам лучеиспусканием, в результате чего происходит равномерный прогрев реторт, чем при пламенном обогреве.

Для предотвращения деформации реторт через боковые стенки пропущены металлопрутки, которые приварены к наружней поверхности стенок реторты. Ретортные аппараты очень громоздки.

Аппараты полочного типа

Деление катализатора по высоте позволяет осуществлять промежуточный подвод и отвод тепла по высоте слоя катализатора, подводить дополнительные количества реагентов или отводить конденсирующиеся продукты реакции.

Деление слоя катализатора по высоте приводит к усложнению конструкции аппарата, но оно позволяет проводить реакцию в заданном интервале температур. Такой реактор применяется при синтезе метилового спирта. Реакция идет при температуре 400 - 420⁰С. Диаметр аппарата 0,8 м и высота 12 м. Давление 200 - 300 кг/см².

1 - корпус; 2 - стакан; 3 - слой катализатора; 4 - центральная труба; 5 - теплообменник.

Рисунок 205 - Полочный реактор.

Полка с катализатором 3 находится внутри стакана 2. Поступающие газы движутся в кольцевом зазоре между стаканом и корпусом 1, предохраняя таким образом последний от нагрева, а сами нагреваются до температуры реакции вначале в кольцевом пространстве между корпусом и стаканом, затем во встроенном теплообменнике 5 в нижней части аппарата и, наконец, в центральной трубе 4.

Байпасный газ - это тот же самый реагент, но имеющий более низкую температуру, чем реагенты нагревшиеся в слое катализатора от тепла, выделяемого от реакции. Ввод байпасного газа позволяет поддерживать температуру реагентов в необходимом интервале по всей высоте катализатора.

Реакторы с ситчатым слоем катализатора

Реакторы с катализатором с очень тонким слоем в виде металлических сит используют для проведения реакций, протекающих с большой скоростью: определяющим этапом в этом случае является диффузия. В промышленности реакторы такого типа применяют для окисления аммиака, производства азотной кислоты, формальдегида и т.д. Катализатором здесь может быть платиновая сетка или сплав платины с радием. Реакция протекает при температуре 650 - 700⁰С и почти с 100% выходом.

Время контакта очень мало и определяется с помощью соотношения:

, (12.65)

где V- свободный объем слоя катализатора, м³; - объемный расход газа, м³/с.

Свободный объем слоя катализатора находится по зависимости:

, (12.66)

где f- коэффициент, определяющий зависимость между свободным объемом сеток и их общим объемом; F- поверхность сеток, м²; d - диаметр проволоки, см; m - число сеток.