Теплообмен в аппаратах с неподвижным слоем катализатора
Ранее отмечалось существенное влияние температурного режима на ход химической реакции. Химические реакторы можно охлаждать или нагревать различными методами. Выбор способа теплообмена в реакционном аппарате зависит прежде всего от температурных условий ведения химического процесса, а также от физических, теплофизических и химических свойств теплоносителя. Наиболее высокая температура в реакторах с твердой фазой будет в центральной части аппарата. Теплообмен при наличии охлаждающих стенок может осуществляться следующим образом:
1) между внутренней областью частицы (порами) и ее наружной поверхностью;
2) между наружной поверхностью катализатора и потоком газа;
3) по слою катализатора между соприкасающимися зернами через наружные охлаждаемые стенки аппарата.
При хорошей теплопроводности металла зерен катализатора его температура остается постоянной. При слишком малых скоростях потока тепло из реакционных зон отводится в основном движущимся газом. В случае плохой теплопроводности зерен в реакторе появляется градиент температур.
Различают два основных метода охлаждения или нагревания в реакторе: прямой и косвенный обмен теплом. В случае прямого теплообмена передача тепла в реакторе осуществляется при непосредственном соприкосновении реакционной смеси и теплоносителя, как например, теплообмен происходит за счет циркуляции теплоносителя в реакционном объеме.
При косвенном теплообмене в реакторе теплоноситель и реагирующие вещества разделены между собою непроницаемой поверхностью, через которую происходит теплообмен.
В зависимости от температуры скорость каталитических реакций имеет максимум, который может изменяться по следующим причинам:
1. Реакция на поверхности катализатора обратима; скорость обратной реакции при определенной температуре значительно возрастает, а общая скорость начинает понижаться.
2. Адсорбция реагентов обратима; при очень большой температуре скорость десорбции реагентов становится более значительной, чем скорость адсорбции, а общая скорость процесса уменьшается.
Таким образом, для каждой степени превращения можно определить температуру, при которой общая скорость реакции будет максимальной. Такая температура называется оптимальной.
Важной задачей при проведении процессов в каталитических реакторах является обеспечение постоянства оптимальных температур. Обычно это осуществляется следующим образом:(рисунок 206).
1) разделением реакционного пространства на большое число адиабатических секций, в которые поступают реагенты (и продукты реакции) при оптимальной рабочей температуре, поддерживаемой через стенку реактора путем теплообмена;
2) введение в реакционное пространство инертного теплоносителя (пар, азот, твердое тело и т.д.);
3) введением реагентов в различных точках по длине реакционного пространства;
4) размещением катализатора в трубах таким образом, чтобы поток теплоносителя был перпендикулярен к потоку реагентов;
5) использованием катализатора во взвешенном слое;
6) действием адиабатического реактора в регенеративном цикле.
Последний из перечисленных способов применяется при дегидрогенизации бутана в бутадиен. Например, в первой фазе по эндотермической реакции получают углерод, который оседает на катализаторе. Во второй фазе происходит окисление этого углерода путем введения соответствующего агента, и температура в реакционном пространстве повышается. Этот метод тем эффективней, чем короче периоды работы.
а) разделение реактора на адиабатические секции с теплообменниками между секциями; б) добавление холодных реагентов; в) одновременная циркуляция реагента и несколько большего количества инертного теплового агента; г) каталитический слой с косвенным теплообменом; д) каталитический слой с прямым теплообменом с реагентом; е) движущийся (взвешенный) слой катализатора; ж) каталитический реактор регенеративного типа.
Рисунок 206 - Способы обеспечения постоянства оптимальных температур.
Наиболее важным способом обеспечения оптимальных температур в каталитических изотермических реакторах является поперечный (радиальный) перенос тепла.
На рисунок 34. показаны некоторые способы размещения поверхности теплообмена в реакторах с катализаторами. В качестве теплоносителя может быть использован газ, кипящая жидкость, конденсирующиеся пары и т.д.
В реакторе, охлаждаемом или нагреваемом снаружи, поперечный и продольный перенос тепла происходит несколькими путями:
1. Конвекцией в газовой фазе.
2. Теплопроводностью от одной частицы катализатора к другой, соседней.
3. Радиацией между частицами катализатора и между частицами и газом.
Общий механизм переноса тепла характеризуется эффективным коэффициентом поперечной теплопроводности, который позволяет записать действительное распределение температур в слое катализатора (предполагается, что радиальный перенос тепла происходит только в результате поперечной теплопроводности).
Истинная теплопроводность зависит от теплопроводных свойств, формы, размеров и расположения частиц катализатора, от природы теплоносителя и т.д.
Поверхности теплообмена имеют различные геометрические формы (змеевик, рубашка, кольцо и т.д.) и располагаются как снаружи, так и внутри реактора.
а) выносной теплообменник; б) концентрический теплообменник; в) охлаждение трубок снаружи; г) охлаждение через одноходовые трубки; д) охлаждение через двухходовые трубки; е) охлаждение через двойные трубки; ТА - тепловой агент.
Рисунок 207 - Способы размещения поверхности теплообмена в реакторах с катализатором.
Обогрев или охлаждение реактора снаружи в большинстве случаев осуществляется через рубашку, что является широко распространенным способом теплообмена в химической технологии.
Дата добавления: 2015-09-11; просмотров: 1424;