лекции. Реакторы для реакций в системе газжидкость
 Скачать 2.32 Mb.
|
|
Реакторы для реакций в системе газ-жидкость Гетерофазные системы г-ж, а в жидкости может быть растворен катализатор (окисление органических веществ молекулярный кислородом, гидрирование, алкилирование, сульфирование, сульфатирование, синтез уксусной кислоты) + Высокая конверсия реагентов (селективность) обеспечивается широким контактом фаз и теплообменом в реакционной системе. Г-ж осуществляются в реакторах смешения и вытеснения (каскад реакторов или один секционированный аппарат). Все газо-жидкостные реактора делятся на 4 основные группы: 1) Реакторы с мех диспергированием газа (когда газ вводится и диспергируется в жидкости различными диспергирующими устройствами) 2) Барботажные реактора (поверхность фаз образуется путем ведения газа через газораспределительные устройства с последующим дроблением в турбулентным потоке. 3) Пленочные (контакт газа с жидкостью, а жидкость находится в виде пленки на стенках аппарата или поверхности внутренних элементов) 4) Инжекционно-трубчатый реактор (газ подсасывается и диспергируется турбулентными струями жидкости) При выборе типа реакторов важнейшим является 1) Продолжительность реакции 2) Требуемый рабочий объём (большой/малый) 3) Состав газа (чистый кислород/воздух) 4) Давление в аппарате 4) Величина теплового эффекта реакции Для перемешивания газо-жидкостной смеси в зоне реакции используют либо перемешивающими устройствами, либо барботаж. Что же лучше механическое перемешивание или барботаж, что эффективнее? В реакторах с механическим перемешиванием достигается более развитая турбулентность и более тонкое диспергирование газа. Это применяется для реакции протекающих с большой скоростью, когда процесс лимитируется скоростью массопереноса. Самые быстрые реакции — это окисление, особенно чистым кислород - определяющим является диффузионные факторы и тогда используют реакторы с мешалками. Имеется ряд ограничивающих факторов применения реакторов с мешалкой: Их пропускная способность по газу в свободном объёме ограничена режимом захлебывания и при достижении некоторого расхода газа, подаваемого в аппарат избыточное количество не диспергируется в жидкости, а обтекает мешалку и поднимается вверх вдоль вала. С учетом этого ограничения реакторы с мешалками для газо-жидкостных процессов применяют главным образом в периодических процессах и малотоннажных производствах. Какие же нужно применять реактора в непрерывных процессах? Получили широкое применение реакционные аппараты колонного типа с насадками или тарелками, которые похожи на абсорбционные и ректификационные колонны, на колонные барботажные реакторы.  1. 8. Процесс получение акрилонитрила осуществляется в реакторе колонного типа. Такие колонны внутри облицованы кислотно-упорной плиткой. Температура поддерживается за счет наружной паровой рубашки. Ацетилен рециркулирует вместе с непрореагировавшим ацетиленом по ее высоте. Он проходит через слой насадки противотоком с каталитическим раствором (хлорид меди + хлорид аммония в водном растворе соляной кислоты) и затем смешивается с синильной кислотой, а продукты реакции выводятся вместе с побочным продуктом из верхней части колонны. В насадочных реакторах - насадка насыпается на опорные решетки, имеющие отверстие для стока жидкости и прохождения газа. Реакторы с тарелками (клапанные, решетчатый, колпачковые, ситчатые и т. д.) имеют преимущество перед насадочными так как позволяют регулировать уровень жидкости на тарелке и достигать хорошего контакта между газом и жидкостью. 1. 9. Теплообмен осуществляется за счет внутренних и внешних кожухотрубных теплообменников. Окисление алкилароматических углеводородов в гидропероксиды (совместное производство фенола и ацетона, производство спиртов серно-кислотной гидратацией). Реакторы барботажного типа представляют собой полую колонну диаметром не более 3-4 м. Газ в реактор подается снизу через распределительное устройство и барбатирует через слой жидкости при интенсивном перемешивании. Колонна, может быть, с секционными горизонтальными перегородками или пустотелая. Эти перегородки служат промежуточными газораспределителями и уменьшают продольную циркуляцию жидкости. Как же осуществляется теплообмен? В виде змеевиков, которые располагаются внутри колонны или через стенки аппарата заключённые в рубашку. Барботажные реакторы надежные в эксплуатации, но циркуляция жидкости обеспечивается только для однородных систем. Если речь идет о неоднородных системах или суспензиях, то барботажные колонны недостаточно эффективные и пропускная способность колонн по газу лимитируется его приведенной скоростью, это скорость потока газа, отнесённая к площади свободного сечения аппарата, обычно не превышает 0,1 м/сек Если хочется увеличить количество обрабатываемой жидкости, т. е. мощности аппарата, то приходится из-за возрастания газо-содержания неоправданно увеличивать объём реактора, а при высоких скоростях газа возникает крупномасштабные пульсации, которые влекут за собой пульсацию давления и неизбежно, вибрацию аппарата и тогда пропускная способность по жидкости определяется необходимым временем пребывания в колонне. И еще один недостаток барботажных колонн — это недостаточно интенсивный теплообмен. Удельная площадь поверхности теплообмена (удельная - отнесенная к объёму колонны) уменьшается с увеличением диаметра колонны и не обеспечивает теплосъём. Тогда что мы должны вводить во внутрь колонны? Теплообменники. В свою очередь введение в колонну теплообменных элементов усложняют конструкцию реактора, что противоречит основным принципам проектирования химических реакторов. Для экзотермических реакций эффективные реакторы пленочного и газлифтного типа, которые эффективны за счет высокой степени контакта между газом и жидкость и эффективного теплообмена через стенку аппарата.  Газлифтный - За счет противотока реагентов газа и жидкости 1. 12 вмонтирован теплообменник помещен в реакционную смесь Такой тип реактора модно считать аппаратом смешения — это барботажный реактор с кожухотрубным теплообменником для любой гетеро фазной реакции. Трубы теплообменника является барботажными или циркуляционными. При чем в этих аппаратах может быть большое количество малых труб или одна центральная циркуляционная труба. В межтрубное пространство в зависимости от характера реакции можно подавать тепло- или хладогент. Циркуляция в теплообменном аппарате может быть различной, но всегда восходящий поток - газовый, а нисходящий поток - жидкость с небольшим количеством захваченных газовых пузырей. Максимальная приведенная скорость газа в барботажных трубах составляет 2 м/сек, а в пересчете на свободное сечение кожуха аппарата скорость до 1 м/сек. Скорость циркулирующей жидкости достигает 1-2 м/сек. Преимущество газлифтных реакторов заключается в том, что можно обрабатывать не только однородные жидкости, но и тонкодисперсные системы с большой разностью плотности сплошной и дисперсной фаз. И еще одно преимущество. Интенсивная циркуляция в газлифтных реакторах способствует лучшему теплообмену жидкости и теплообменными поверхностями (образованными стенками барботажных труб) поэтому эти реакторы широко применяют для проведения реакции с высоким тепловым эффектов. Эти реакторы просты по конструкции, надежны в эксплуатации, но из-за теплообменных устройств имеют несколько меньший реакций объём. Реакторы для реакции в газовой фазе над твердых катализатором  Такой тип реакторов применяется в процессах гидрирования и дегидрирования, окисления, синтеза на основе СО+Н2 (Фишера-Тропша) и почти все процессы нефтепереработки. Главной характеристикой этих реакторов является способ осуществления теплообмена. 1) Теплообмен через стенку 2) Теплообмен осуществляется при непосредственном контакте реагентов с катализатором или при смещении с потоком теплоносителя в адиабатических реакторах (без теплообмена с окружающей средой) Катализ в реакторе сможет находится: 1) в неподвижной 2) в движущемся или псевдоожиженном слое (кипящем) 3) в режиме пневмотранспорта  Типы реакторов по теплообмену Трубчатые реакторы - основной тип реактора с теплообменом через стенку. Представляют собой теплообменники различного типа. По конструкцииреакторы с неподвижным слоем катализатора работают в адиабатическом режиме (например риформинг) т. е. в отсутствии теплообмена с ос, применяются в основном для процессов с небольшим тепловым эффектом. По конструкции — это ёмкостные аппараты (цилиндрические, конические, шаровые) и если не требуется организация большого теплосъёма, то катализатор располагают на решетках.  Процессы, протекающие с небольшим адиабатического изменением температуры, проводят в реакторах секционированного типа (полочные). Охлаждение или нагревание реакционной смеси между полками проводятся либо смешиванием реакционного газа с теплоносителем (хладогентом), либо отводится в выносной теплообменный аппарат. В качестве теплоносителя можно использовать компоненты реакционной смели (водород). Недостаток - реакторы со стационарным слоем катализатора плохо приспособлены для циклических процессов и имеют стадию контактирования и регенерации катализатора.  Более эффективны реакторы с подвижным катализатором [1) с медленно движущимся плотным слоем 2) с кипящим слоем 3) в режиме пневмотранспорта]. Установки с движущимся плотным слоем катализатора предполагают применения шариков катализаторов с размером зерна от 3-5 мм, при чём катализатор перемешивается в реакционной смеси и движется сверху вниз под действием силы тяжести. В реакторах с псевдоожиженном слоем применяют пылевидный катализатор от 0,01-0,1 мм. При определённом гидродинамическом режиме (скорость подачи сырья высока) частицы катализатора переходят во взвешенно состояние и образуют с газом псевдоожиженную систему, которая способна перемешиваться подобно жидкости т.е. перетекает по трубам, проходит через запорные приспособления, решетки и колено без разрушения. Преимущество - возможность регенерации катализатора в системе реактор-регенератор и не требуется специальных устройств для транспортировки катализатора.  1. 21. В процессе каталитического крекинга с успехом работает мелкодисперсный цеолитный катализатор в псевдоожиженном слое в блоке реактор-регенератор. Сырьё вводится в нижнюю часть реактора захватывает отрегенерированный катализатор и движется по высоте реактора (лифт-реактор) в отпарную зону, разделенную вертикальной перегородкой с отпарной секцией. В отпарной секции под воздействием пара катализатор по наклонному катализаторопроводу самотеком вступает в регенератор, где осуществляется окисление кокс отложений кислородом воздуха и катализатор опять идет на смешение с сырьем крекинга. Продукты крекинга проходят через циклоны, где отделяются от захваченных частичек катализатора и выводятся из ректора. Лифт-реактор, совмещенный с регенератором, позволяет увеличить производительность за счет пневмотранспорта катализатора для осуществления быстропротекающих реакции с интенсивным кокс отложением. Реакторы для систем жидкость-твердый катализатор осуществляются только со стационарным слоем катализатора (для процессов гидрирования ароматических углеводородов, гидрокрекинга и некоторых разновидностей синтеза Фишера- Тропша) когда реакционная смесь — это жидкость, но эта жидкость в реакционном объёме переходит в газообразное состояние и тогда процесс становится трехфазным (например, гидрокрекинг тяжелого углеводородного сырья). Для интенсификации таких процессов возможен вариант с движущимся слоем катализатора. Реакция Фищера-Тропша проводят в трехфазном реакторе в присутствии порошкообразного железного катализатора суспензированного в жидких продуктах (при Т=300-350, Р=2-2,5 МПа), а синтез газ барбатирует через суспензию. В реакторах вытеснения используют неподвижный слой катализатора (сплошной или секционный). Катализатор по высоте реактора омывается газом и жидкостью которые движутся прямотоком (омываются) или противотоком газа и жидкости Как вариант катализатор может быт затоплен в жидкости и омываться газом с низа реактора. |