Зависимость степени превращения от температуры

1, 2, 3 – адиабаты

а, б, в – линии охлаждения

ΔХ₁> ΔX₂ > ΔX₃

Х₁, Х₂, Х₃ – общий выход за время τ₁, τ₂, τ₃.

В крупномасштабных производствах имеются контактные аппараты больших размеров (до 18м в диаметре). Установка внутренних теплообменников, состоящих из тысяч труб, значительно усложняет конструкцию и затрудняет обслуживание, особенно замена прогоревших труб. Поэтому применяют контактные аппараты с выносными теплообменниками. В некоторых процессах промежуточное охлаждение можно осуществить введением одного из реагентов между стадиями контактирования (азото – водородная смесь при синтезе аммиака). Вообще экзотермические реакции нужно проводить в соответствии с линией оптимальных температур (ЛОТ), но осуществить это очень сложно. Некоторым приближением к линии оптимальных температур является проведение процесса в реакторе вытеснения, находящемся внутри теплообменной трубки. Такую конструкцию имеют трубки Фильда (применяются в колоннах синтеза аммиака)

Однако требования по условиям теплообмена в таком реакторе соблюдается слабо. Так, на участке ВС скорость тепловыделения максимальна и нужно отводить много тепла, но здесь идет самый горячий газ и ΔТ мала. На участке FD – тепла выделяется мало, но идет холодный газ и ΔТ большая, теплоты отводится больше, чем необходимо. В какой – то мере этот недостаток можно устранить в реакторах с двойными теплообменными трубками.

Однако все контактные аппараты с фильтрующим слоем катализатора обладает следующими недостатками, присущие фильтрующему слою и затрудняющие дальнейшую интенсификацию. Недостатки фильтрующего слоя

1. Можно применять только крупные зерна или гранулы катализатора, иначе резко возрастает гидравлическое сопротивление. Внутренняя поверхность частиц катализатора мало используется.

2. В процессе работы катализатор слеживается, в результате повышается гидравлическое сопротивление, нарушается равномерность распределения газа, снижается каталитическая активность.

3. Пористые зерна катализатора имеют низкую теплопроводность и скорость теплоотдачи от слоя к поверхности теплообмена очень мала, поэтому невозможен интенсивный отвод теплоты. Если внутри слоя расположить теплообменник, то из-за малой теплопроводности катализатор вблизи затухает.

4. Трудно поддерживать оптимальный температурный режим.

5. Невозможна непрерывная регенерация катализатора.

Аппараты со взвешенным (кипящим, псевдоожиженным) слоем катализатора

Многополочный контактный аппарат со взвешенными слоями катализатора:

1 - пылеуловитель; 2 - взвешенный слой катализатора; 3 - газораспределительная решетка; 4 - корпус аппарата; 5 - водяные холодильники (теплообменники)

Позволяет устранить недостатки фильтрующего слоя. Обычно применяется мелкий 0,1 – 2 мм катализатор. Внешний вид слоя напоминает кипящую жидкость, он также пронизан пузырями газа. По степени перемешивания аппарат приближается к модели идеального перемешивания, температурный режим изотермический. Важнейшее преимущество – это повышение производительности катализатора. Главный недостаток – снижение движущей силы процесса вследствие полного перемешивания газа, а также крупных пузырей.