Реакторы для гетерогенно-каталитических процессов.

Н аиболее распространенным типом реакторов являются реакторы с неподвижным слоем катализатора. Для адиабатического режима катализатор в виде частиц различной формы засыпают в аппарат (а). Характерный размер частиц (зерен) катализатора составляет 3-8 мм. Слой располагается на жесткой опорной решетке, выдерживающей массу катализатора и перепад давления в слое. Масса загруженного катализатора может составлять тонны и даже десятки тонн в крупнотоннажных производствах (серной кислоты, аммиака). Чтобы мелкие зерна катализатора не проваливались и не закрывали отверстия в опорной решетке, на нее обычно насыпают тонкий слой крупнокускового материала, а сверху – катализатор.

Катализатор насыпают "в навал", после чего требуется тщательное выравнивание слоя для обеспечения равномерного прохождения через него реакционной смеси.

Использование варианта адиабатического реактора часто приводит к большим перепадам температур по высоте каталитического слоя и существенного отклонения средней температуры от ее оптимального значения. Для того, чтобы приблизить температурный режим к оптимальному используются многотоннажные (многосекционные) реакторы, в которых выравнивание температурного режима осуществляют съемом или подводом тепла с помощью теплообменных устройств между секциями или путем подачи между секциями захоложенного или перегретого реагента (компонента) (б,в).

Ч асто необходим отвод тепла непосредственно из реакционной зоны. С этой целью используют реакторы типа кожухотрубных теплообменников – универсальный тип каталитического реактора (г). Обычно в трубки загружают катализатор, а в межтрубное пространство поступает теплоноситель. Если необходимо снимать тепло, то в межтрубное пространство снизу поступает конденсат, а сверху отводится водяной пар. В другом варианте в межтрубном пространстве циркулирует солевой расплав – нитрит-нитратная смесь – NaNO₃-NaNO₂-KNO₃. Аккумулированное им тепло далее используется для генерирования водяного пара. Диаметр трубок обычно невелик, так как объем тепла лимитируется теплопроводностью в каталитическом слое и при большом диаметре следует ожидать высоких градиентов температур по сечению каталитического слоя.

Д ля обеспечения теплотой эндотермических процессов используют горячие дымовые газы. В последнем случае реактор представляет собой трубчатую печь (д).Отводить тепло реакции можно не только теплоносителем, но и свежей реакционной смесью.

Другая группа реакторов – со взвешенным (кипящим) или восходящим слоем катализатора. При подаче реакционной смеси снизу слоя с достаточной скоростью твердые частицы будут витать в воздухе, не уносясь с ним (е); 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 каталитического слоя дает возможность организовать течение твердых частиц через реактор, что существенно для процесса с меняющейся активностью катализатора. Благодаря этому можно организовать непрерывный транспорт его из зоны реакции в зону регенерации и обратно. В целом такая система "реактор – регенератор" обеспечивает непрерывность процесса в целом. Такой тип реакционного узла можно организовать в процессе каталитического крекинга нефтепродуктов, в котором катализатор быстро закоксовывается, теряя свою активность. Его непрерывно выводят из реактора в регенератор (ж), где происходит "выжигание" кокса и восстанавливается активность катализатора.

При организации псевдоожиженного слоя часть газа проходит слой в виде пузырей. Коэффициент массопередачи между пузырями и остальной частью слоя невысокий - фактически образование пузырей газа – это образование байпасных потоков. Это нежелательное явление, т.к. в пузырях реакция не идет и это в целом снижает производительность. Устраняется это явление путем разбивки пузырей. Это осуществляется специальной массообменной насадкой, например, в виде проволочных спиралей. Другой способ заставить работать пузыри – добавить в катализатор очень мелкую фракцию. Такая катализаторная "пыль" попадает в пузыри, где частично будет протекать реакция.

Циркуляция частиц в псевдоожиженном слое вызывает истирание катализатора. Для очистки газа от пыли после реактора устанавливают циклоны.

Если скорость газового потока будет такой, что твердые частицы будут увлекаться им, то реализуется режим пневмотранспорта (з) и реакция в восходящем потоке катализатора. Такая организация процесса эффективна для быстрых реакций – т.к. время прохождения реакционной смеси в длинном узком реакторе небольшое. Теплота реакции идет не только на нагрев (охлаждение) реакционной массы, но и на нагрев (охлаждение) летящего с ней твердого катализатора, теплоемкость которого в 3000-600 раз больше теплоемкости газа. Процесс протекает почти изотермически. Отделив катализатор в циклоне, его нагревают или охлаждают в отдельном аппарате и возвращают в процесс.

Реакторы для гетерофазных процессов.

Принципиально взаимодействие газа с жидкостью осуществляется тремя способами: прямоточное и противоточное движение сплошных потоков газа и жидкости, барботаж газа через жидкость (газ диспергирован в объеме жидкости), разбрызгивание жидкости в газе (жидкость диспергирована в объеме газа).

В трубчатом реакторе (а) жидкость стекает по стенкам трубок и контактирует со встречным потоком или попутным потоком газа. Это наиболее организованный процесс, т.к. здесь строго поддерживается поверхность контакта фаз, равная поверхности трубок. Тепловой режим поддерживается регулированием температуры трубок. Обычно такие реакторы используют в малотоннажных производствах тонкого органического и неорганического синтеза. Эти реакторы характеризуются устойчивостью гидродинамического и температурного режимов, однако у них низкая производительность из-за низкой поверхности контакта фаз.

Более интенсивное взаимодействие фаз достигается при попутном газожидкостном потоке (б). В зависимости от скорости потоков возможны различные режимы течения: полное расслоение фаз, раздельное течение с сильно возмущенной развитой поверхностью контакта фаз, хорошо перемешанный газожидкостной поток. Указанные режимы наблюдаются последовательно с возрастанием скорости потоков, особенно газового. Скорость развитого газожидкостного потока составляет несколько метров в секунду. Такие реакторы компактны даже при необходимости большого времени контакта – их делают в виде змеевика. В них достигается высокий коэффициент массопередачи. Такого типа реактор используется в производстве полиэтилена и окислении этилена в ацетальдегид.

Более распространены насадочные реакторы (в). В такой аппарат засыпается инертная насадка – сравнительно небольшие элементы, по поверхности которых стекает жидкость, а в пространстве между ними, как правило, противотоком движется газ. Размеры элементов насадки (кольца, шары и др.) в среднем составляют 10-50 мм. Внешняя поверхность элементов и, следовательно, поверхность контакта фаз составляет сотни квадратных метров в кубометре слоя и поэтому взаимодействие фаз происходит достаточно интенсивно. В то же время производительность таких реакторов ограничивается недостаточно интенсивным режимом движения, т.к. жидкость движется не принудительно, а за счет силы тяжести. Попытки интенсифицировать режим движения за счет увеличения скорости газа приводят к режиму "захлебывания", когда скорость прохождения жидкости существенно снижается.

Простейшее взаимодействие жидкости и газа – барботаж последнего через жидкость (г, д). Вариант (г) предназначен для периодического процесса, вариант (д) – для непрерывного.

Интенсивность взаимодействия фаз при барботаже зависит от скорости всплытия пузырей и их размера. Скорость всплытия определяется гравитационными силами и поэтому ограничена. Размеры пузырей можно варьировать в ограниченных пределах – в свободном барботаже мелкие пузыри сливаются, а крупные неустойчивы и быстро распадаются. В полых барботажных аппаратах создать мелкодисперсную газовую фазу в жидкой можно, используя для этого принудительное перемешивание. Размер пузыря зависит от выходного отверстия в барботере, однако в реакции свободного барботажа они удерживаются лишь в тонком слое жидкости. Однако если сделать многосекционный реактор, где каждая секция представляет собой тарелку, заполненную жидкостью, через которую пробулькивает газообразный реагент, то на каждой тарелке газ будет только диспергирован, и это обеспечит высокие скорости массообмена. Варианты таких многосекционных реакторов различны. Это могут быть колонны с колпачковыми тарелками, снабженными переливными устройствами (е) или ситчатыми провальными тарелками (ж). В реакторе (з), наоборот, жидкая фаза диспергируется в потоке газа. Для диспергирования жидкости используются специальные разбрызгиватели (форсунки). Мелкие капли более устойчивы в размерах, но скорость их падения определяется силами гравитации и скоростью встречного газа. Поэтому степень диспергирования должна быть оптимальной.