Контактные аппараты

Химические реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов называют контактными аппаратами.

Главной характеристикой, по которой могут быть классифицированы рассматриваемые реакционные аппараты, является способ осуществления теплообмена в реакционной зоне: с теплообменом через стенку; с теплообменом при непосредственном контакте с катализатором или при смешении с теплоносителем (адиабатические реактора).

Независимо от способа осуществления теплообмена, реакторы различаются по состоянию катализатора, который может располагаться неподвижным слоем или находиться в движении.

1. Контактные аппараты с неподвижным слоем катализатора.

Основным типом контактных аппаратов с неподвижным слоем катализатора являются трубчатые реакторы, представляющие различного вида теплообменники, в трубках или межтрубном пространстве которых расположен катализатор. Реакторы с катализатором в трубках принято называть трубными (трубчатыми), с катализатором в межтрубном пространстве - кожухотрубными.

Все трубчатые реакторы обеспечивают хороший тепловой режим, что обусловлено высоким отношением поверхности теплоотдачи к объему катализатора. Возможность достижения значительных линейных скоростей потоков газа в трубках обуславливает эффективную массо- и теплопередачу. К принципиальным недостаткам трубчатых реакторов относится трудность поддержания оптимального температурного режима по длине трубки.

К контактным аппаратам с неподвижным слоем катализатора относят также адиабатические реакторы. При адиабатическом режиме отсутствует теплообмен с окружающей средой. Однако большинство реакций протекает с тепловыми эффектами. Поэтому применение истинно адиабатических реакторов ограничено процессами, протекающими с небольшими тепловыми эффектами. Чаще для компенсации потерь или отвода избытка тепла применяют теплоносители или хладагенты (смешиваемые с потоком реагирующего вещества) или предварительно нагретые или охлажденные твердые тела (катализатор, насадка из инертных материалов, гранулированный движущийся теплоноситель). Такие аппараты принято называть формально адиабатическими. Их достоинство -простота конструкции.

Для реакторов с неподвижным слоем катализатора характерны следующие общие недостатки:

• периодичность работы (из-за необходимости регенерации катализатора);

• для обеспечения непрерывной работы установки необходимо применение батареи из нескольких реакторов (сильно усложняет и удорожает оборудование);

• неравномерность условий процесса (неудовлетворительное распределение температур и потоков по сечению и высоте реакционной зоны);

• различие условий в каждом реакционном цикле.

Все это приводит к нестандартности получаемых продуктов и снижению эффективности работы оборудования.

Этих недостатков в значительной степени лишены контактные аппараты с подвижным катализатором.

2. Контактные аппараты с движущимся слоем катализатора Основным принципом работы реакторов с движущимся слоем катализатора является непрерывное перемещение последнего в реакционной зоне при постоянном реакционном объеме. Катализатор непрерывно поступает в контактный аппарат и также непрерывно и с такой же скоростью выходит из него.

Установки с движущимся катализатором являются установками непрерывного действия.

Все контактные аппараты с движущимся катализатором относятся к группе реакторов с теплообменом при непосредственном контакте с катализатором (предварительно нагретым или охлажденным).

Реакторы с движущимся слоем катализатора существенно различаются по конструкции и закономерностям процессов в зависимости от размеров частиц применяемого катализатора. Катализатор может использоваться в виде зерен размером 3-5 мм (гранулированный катализатор) или в виде пыли с размером частиц 0.01-0.1 мм (пылевидный катализатор).

Размер частиц катализатора в контактном аппарате определяет способ перемещения катализатора. Гранулированный катализатор перемещают в плотном слое, пылевидный — в виде псевдоожиженной газопылевой системы.

Показатели работы контактного аппарата.

1. Время контакта – время соприкосновения реагентов с катализатором:

τ_к = V_kat / V_г

где V_г - объем смеси, проходящей через катализатор в единицу времени;

V_kat ^_ объем катализатора.

2. Объемная скорость – объем реакционной смеси, проходящей через единицу объема катализатора в единицу времени:

W = 1/ τ_к

3. Удельная производительность катализатора - масса продукта, получаемая с единицы объема катализатора в единицу времени:

g = V_ПP * ρ

где V_ПP - объем продукта, полученного с единицы объема катализатора в единицу времени;

ρ - плотность продукта.