Устройство и принцип действия реакторов.

Большое применение в промышленности имели адиабатические реакторы для каталитических процессов, выполненные в виде цилиндрических аппаратов, заполненных стационарным слоем гранулированного катализатора. В этих аппаратах катализатор располагается либо в виде одного слоя по всей рабочей высоте реактора, либо в виде отдельных слоев. Послойное расположение катализатора осуществляют в тех случаях, когда катализатор не обладает высокой механической прочностью; при большой вы­соте слоя катализатор может раздавливаться и уплотняться, что приводит к повышенному сопротивлению потока сырья и неравномерности его распределения по сечению аппарата.

Такие реакторы различают также и по способу распределения и направлению движения сырья. Применяют реакторы с акси­альным и радиальным движением сырья. Радиальное движение обеспечивает меньшие потери напора потоку сырья.

В качестве примера на рис. 18.1 показана схема реактора гидроочистки с аксиальным потоком сырья, а на рис. 18.2 - схема реактора каталитического риформинга с радиальным по­током.

Для контроля температурного режима в слое катализатора и температуры корпуса аппарата используются зональные и на­ружные термопары.

Реакторы такого типа обычно применяют в случае использо­вания катализаторов, работающих сравнительно длительный от­резок времени без регенерации или вообще не подлежащих реге­нерации.

Продолжительность работы катализатора в различных про­цессах составляет от нескольких часов до 1 —2 лет. Такие реакторы обычно работают в адиабатических условиях. При этом обеспе­чивается ступенчатое регулирование температурного режима: весь реакционный объем, необходимый для завершения реакции с заданной глубиной превращения, разбивают на несколько последовательно соединенных адиабатических реакторов, а на по­токе при переходе из одного реактора в другой устанавливают теплообменную поверхность, через которую подводят или отводят тепло, обеспечивая необходимый температурный режим в после­дующем реакторе. Допусти­мое изменение температуры в каждом реакторе дости­гается ограничением степени превращения, и в частности, за счет изменения объема катали­затора.

Рис.18.1.Конструктивная схема реактора гидроочистки:

1 — зональная термопара; 2 — наружные термопары (расположены по окружности реактора); 3 — корпус; 4 — торкрет-бетонная футеровка.

Потоки: I — сырье; II — продукты реакции; III — катализатор.

Рис.18.2. Конструктивная схема реактора каталитического риформинга:

1 — зональные термопары; 2 — наружные термопары (расположены по окружности реактора); 3 —корпус; 4 —торкрет-бетонная футеровка.

Потоки: I —сырье;II - продукты реакции; III — катализатор.

Подобные реакционные аппараты со ступенчатым регулирова­нием температуры широко используют на установках каталити­ческого риформинга. Обычно на таких установках сооружают три последовательно соединенных реактора, причем поток после первого и второго реакторов поступает в трубчатую печь, где ему сообщается тепло, компенсирующее тепло эндотермической ре­акции. На установках платформинга, получивших особенно ши­рокое распространение, применяется платиновый катализатор, работающий без потери активности до 1 года при температуре 480—520°С и давлении 2—4 МПа; при снижении активности катализатора температурный режим в реакторах делают более жестким. В реактор вместе с сырьем — бензиновыми фракциями — направляется циркулирующий газ с высоким содержанием водо­рода, который предотвращает образование кокса и его отложение на катализаторе.

Применяют пустотелые цилиндрические или змеевиковые ре­акционные аппараты с поверхностным теплообменом. Такие аппа­раты характеризуются политропическими условиями ведения процесса. В качестве примера цилиндрического реактора с от­водом тепла через боковую его поверхность можно назвать реак­тор для полимеризации этилена под высоким давлением. Тепло реакции отводится испаряющейся водой в пароводяной рубашке, расположенной на боковой поверхности реактора. Для выравни­вания температуры в реакторе и лучшего теплообмена с внутрен­ней поверхностью реактора в аппарате размещают перемешива­ющее устройство. Реакция осуществляется при 190—200 °С с добавлением к исходному этилену кислорода в количестве 0,05— 0,10 % (масс.).

В качестве реакторов процессов термического крекинга и пиролиза широко используются змеевики, размещенные в труб­чатой печи; в этом случае эндотермическое тепло реакции компенси­руется подводом тепла от дымовых газов через поверхность зме­евика печных труб. Для осуществления пиролиза жидкого и га­зообразного нефтяного сырья широко используются многопоточ­ные печи с жаропрочными трубами, позволяющими вести процесс при температуре 750—850°С и продолжительности реакции 0,5— 1,5 с.

К аппаратам политропического типа относятся реакторы, выполненные в виде кожухотрубчатых теплообменных аппаратов, у которых обычно трубное пространство заполнено гранулиро­ванным катализатором и является таким образом реакционным объемом, а через межтрубное пространство пропускается агент, осуществляющий теплообмен через поверхность трубок. Такое конструктивное оформление реактора позволяет иметь сравни­тельно развитую поверхность теплообмена и слой катализатора небольшой толщины в направлении потока тепла, а следовательно, и сравнительно небольшое различие температур в слое катализа­тора. Последнее обстоятельство является особенно важным для реакций, которые эффективно протекают только в узких темпера­турных пределах.

В аппаратах, где реакции экзотермические и температурный режим относительно невысок, отвод тепла удобно осуществлять водой, испаряющейся в межтрубном пространстве. Использование испаряющейся воды в качестве теплоагента позволяет иметь строго определенную температуру в любой части теплообменной поверх­ности, а также легко регулировать температурный режим про­цесса, путем изменения давления испаряющейся воды; при из­менении давления в межтрубном пространстве изменяется тем­пература кипения воды, меняется разность температур между теплообменивающимися средами, а следовательно, меняется теплосъем при неизменной поверхности теплообмена.

К реакторам политропического типа относятся также аппара­ты, конструктивно оформленные аналогично теплообменникам типа «труба в трубе»: во внутренней трубе размещается катализа­тор, а через кольцевое пространство пропускается теплоагент.

Для осуществления химической реакции в изотермических, условиях требуется обеспечить интенсивное перемешивание и высокоэффективный теплообмен; в реакторах для таких процессов обычно применяют смесительные устройства (мешалки) различ­ных конструкций. Приближаются к изотермическим условиям реакционные аппараты с псевдоожиженным слоем мелкозерни­стого катализатора или теплоносителя.

В качестве примера реактора с изотермическими условиями протекания реакции рассмотрим аппараты, применяемые для процесса алкилирования изобутана бутиленами с целью полу­чения высокооктанового компонента бензина-алкилата (изооктана). Реакция осуществляется в жидкой фазе при 5—10 °С с ис­пользованием в качестве катализатора 95—98 %-ной серной кислоты. В зоне реакции концентрация кислоты в реакционной смеси составляет около 50 % (об.) при расходе катализатора, рав­ном 10—15 % массы продуктов алкилирования; кислота сраба­тывается в связи с понижением ее концентрации вследствие поглощения некоторых органических соединений и воды, растворен­ной в исходном сырье.

Для алкилирования расходуется на 10—15 % больше изо­бутана, чем следует из стехиометрического соотношения, что обусловлено побочными реакциями образования высококипящих фракций полиалкилата.

Для подавления реакции полимеризации бутиленов, которая может протекать в этих условиях, в зоне реакции обеспечивается значительный избыток циркулирующего изобутана.

На рис. 18.3 изображен вертикальный реактор (контак­тор) сернокислотного алкилирования, снабженный турбосмесителем. Благодаря высокой производительности турбосмесителя, во много раз превосходящей произво­дительность аппарата, смесь углеводо­родов и кислоты интенсивно переме­шивается, циркулируя по замкнутому циклу, как это показано стрелками на рисунке. Для отвода тепла, выделя­ющегося при экзотермической реакции, в аппарате размещается сильно разви­тая поверхность теплообмена с двой­ными трубками (свечи Фильда); охлаж­дающим агентом является испаря­ющийся аммиак или пропан. Для увеличения поверхности наружная сторона теплообменных трубок среб­рена. Отвод тепла регулируется из­менением давления (температуры) испаряющегося теплоагента. Подобные контакторы выполняются также и с U-образными теплообменными трубками.

Рис.18.3. Конструктивная схема реактора алкилирования с турбосмесителем:

1 — турбина; 2 — редуктор.

Потоки: I — углеводороды на входе; II- кислота на входе; III — хладоагент на входе; IV — хладоагент на выходе; V— кислота и углеводороды на выходе; VI— патрубок для откачки.

Для алкилирования изобутана бутиленами применяют также каскадный реактор (рис. 18.4). Особенностью этого аппарата является отвод тепла за счет частичного испарения углеводород­ной фазы (в основном изобутана), отсасываемой из аппарата комп­рессором и после конденсации и охлаждения возвращаемой обратно в процесс. В этом аппарате реакционная зона разделена на три последовательно соединенных секции, в каждую из которых подается исходное сырье — смесь бутиленов с изобутаном; реак­тор конструктивно совмещен с отстойной зоной для отделения ки­слоты от углеводородов. Свежая серная кислота и циркулирующий изобутан целиком подаются в первую секцию. Целесообразность такой ступенчатой загрузки сырья и изобутана позволяет значи­тельно сократить количество циркулирующего изобутана.

Рис.18.4. Схема трехступенчатого каскадного реактора алкилирования:

1 — пропеллерный смеситель; 2 — насос для кислоты; 3 — компрессор для испаря­ющегося изобутана; 4 — конденсатор па­ров изобутана.

Потоки:I— сырье; II — циркулирующий изобутан; III — свежая кислота; IV— отработанная кислота; V—-продукты алкилирования; VI — пары изо­бутана.

В нефтехимической промышленности широкое применение по­лучили сменно-циклические процессы с твердым катализатором, который одновременно используется в качестве теплоносителя.

Особенностью этих процессов (примером может служить ката­литический крекинг) является сравнительно быстрое отравление катализатора вследствие отложения кокса на его поверхности и обусловленная этим необходимость регенерации путем выжига. Попеременное проведение химической реакции и регенерации ка­тализатора может быть осуществлено либо в одном и том же пе­риодически переключающемся аппарате, либо в двух различных аппаратах — реакторе и регенераторе. В первом случае катализа­тор неподвижен, а для обеспечения непрерывности работы уста­новки в целом сооружается два аппарата или большее их число. В то время, как в одном аппарате протекает химическая реакция, в другом осуществляется регенерация катализатора; затем аппа­раты взаимно переключаются. Во втором случае катализатор непрерывно перемещается из реактора, где осуществляется нефте­химический процесс, в регенератор, где с катализатора выжига­ется кокс, и наоборот. В процессе регенерации температура ката­лизатора повышается и он аккумулирует часть выделившегося тепла, которое в дальнейшем целиком или частично используется на осуществление эндотермической реакции; при этом температура катализатора понижается. Таким образом, твердый катализатор одновременно используется и как теплоноситель. При выделении значительного количества тепла в процессе регенерации и недо­статочно большой массе катализатора для предотвращения недопустимого повышения температуры при регенерации ката­лизатора часть тепла отводится и используется, например, для получения водяного пара.

В процессе каталитического крекинга активность алюмосиликатного катализатора существенно снижается вследствие отло­жения на нем. образующегося кокса, поэтому на первых промыш­ленных установках со стационарным катализатором крекинг вели в течение 10 мин при полном цикле работы 30 мин, из которых 10 мин затрачивали на регенерацию, а остальные 10 мин — на все вспомогательные операции, связанные с эвакуацией продук­тов реакции крекинга и дымовых газов после регенерации катали­затора, что необходимо для подготовки реактора соответственно к циклам крекинга или регенерации. Необходимость отвода зна­чительного количества тепла в процессе регенерации катализа­тора при высоких температурах и кратковременные циклы ра­боты реактора, как это имело место на установках каталитического крекинга со стационарным катализатором, обусловили большую сложность конструкции реактора. Сложность обусловлена зна­чительной поверхностью теплообмена, выполненной в виде реб­ристых труб, необходимостью использования высокотемператур­ного (температура 460—480 °С) теплоносителя — расплавленных солей и применением большого числа сложных задвижек с электроприводом, специальных программных регуляторов (таймеров) и т. д. Поэтому такие сложные реакторы в дальнейшем не полу­чили распространения на установках каталитического крекинга; более простыми .и удобными в эксплуатации оказались системы с движущимся катализатором.

Широкое распространение в промышленности получили две основные системы каталитического крекинга с движущимся ка­тализатором различного размера.

В системах, использующих гранулированный, в основном шариковый катализатор (размеры гранул 3—5 мм), процесс осу­ществляется в аппаратах шахтного типа, через которые сплошным потоком по всему сечению аппарата в направлении сверху вниз движется катализатор; в противотоке или прямотоке с ним дви­жутся контактирующие с ним пары или газы. В системах с мелкозернистым (частицы до 1 мм) или пылевидным (20—150 мк) катализатором контактирование с парогазовым потоком осущест­вляется в псевдоожиженном («кипящем») слое.

Эти системы каталитического крекинга различаются по спо­собу транспорта катализатора, взаимному расположению реактора и регенератора, по методам осуществления секционирования, конструктивному оформлению важнейших внутренних узлов ап­парата — выравнивающих устройств (предназначены для обес­печения равномерного по сечению аппарата движения катализа­тора), газораспределительных и газосборных устройств, распределителей катализатора, отпарных секций и др.

Реакторные блоки каталитического крекинга с движущимся катализатором, включающие реактор, регенератор и систему транспорта катализатора, по взаимному расположению аппара­тов и схемам циркуляции катализатора подразделяются на ус­тановки с двукратным (рис. 5) и однократным (рис.6) подъемом катализатора. При прочих равных условиях схемы с однократным подъемом катализатора отличаются большей вы­сотой установки. Так, для установки каталитического крекинга с гранулированным катализатором высота реакторного блока соот­ветственно составляет при двукратном подъеме 60—70 м, а при однократном 80—100 м. При однократном подъеме катализатора либо реактор располагают над регенератором, либо наоборот, регенератор над реактором.

В реакторах шахтного типа установок каталитического кре­кинга с гранулированным катализатором может быть осуществлено как прямоточное, так и противоточное движение катализатора и паров сырья.

Прямоточные реакторы предпочтительнее по следующим ос­новным причинам.

1. В случае прямотока регенерированный катализатор при повышенной температуре контактирует с исходным сырьем; избыточное тепло катализатора в первую очередь используется на нагрев, а при парожидкофазном питании — и на испарениесырья. При противотоке же регенерированный катализатор кон­тактирует с парами продуктов реакции, что приводит к их пере­греву, нежелательному для процесса.

2. При одинаковых температурах исходного сырья и регенерированного катализатора средняя температура в зоне реакции;прямоточного реактора на 25-30°С выше, чем в других случаях.

3. Водяной пар, расходуемый на отпарку закоксованного катализатора, не проходит как балласт через весь слой катализаторав зоне реакции.

4. Легче осуществляется отпарка углеводородов с поверхностиотработанного катализатора, что является следствием меньшейих молекулярной массы (в противоточном реакторе отпариваютсяв основном адсорбированные молекулы сырья).

Рис.18.5. Схема реакторного блока с двукратным подъемом катализатора:

1 — реактор; 2 — регенератор; 3 — пневмоподъемники.

Потоки: I — сырье;II— npoдукты реакции; III — закоксованный катализатор;

IV— регенерированный катализатор; V— воздух; VI — газы регенерации.

Рис.18.6. Схема реакторного блока с однократным подъемом катализатора:

1 — реактор; 2 — регенератор; 3 — пневмоподъемник.

Потоки: I — сырье;II — про­дукты реакции; III — закоксованный катализатор;

IV — регенерированный катали­затор; V— воздух; VI— газы регенерации.

Прямоточный реактор шахтного типа имеет следующие основные части или зоны (рис. 18.7).

Рис.18.7. Схема прямоточного реактора шахтного типа:

1 — бункер; 2 — стояк; 3 — зона ввода сырья; 4 — верхнее рас­пределительное устройство; 5 — реакционная зона; 6 — зона от­деления паров от катализатора; 7 — зона отпарки; 8 — нижнее распределительное устройство.

Потоки: I — регенерированный катализатор; II — сырье; III— продукты реакции; IV— водя­ной пар; V — отработанный катализатор; VI — инертный газ.

Верхнее распределительное устройство, предназначенное для равномерного распределения поступающего в реактор катализа­тора по всему сечению аппарата. В сборник распределительного устройства подается инертный газ, создающий газовый затвор и предотвращающий утечку продуктов реакции через стояк для катализатора.

Зона ввода сырья и распределения его по се­чению аппарата. При парожидкофазном питании применяют специальные конструкции, обеспечивающие равномерность опыления гранул катализатора сырьем в жидкой фазе.

Реакционная зона — пустотелая часть аппа­рата, где сплошным слоем движется катализатор и прямоточно с ним контактирующие пары сырья. Объем этой зоны выбирается с таким расчетом, чтобы пары сырья были в контакте с катализатором столько времени, сколько требуется для крекинга с заданной глубиной превращения.

Тепло, необходимое для эндотермической реакции крекинга, заимствуется из потоков катализатора и реакционной смеси, температуры которых вследствие этого понижаются в направлении движения потоков.

Зона отделения от катализатора паров и газообразной фазы (продукты реакции и неразложившееся сырье) выполняется в виде секции. Применяются различные конструкции таких секций. На рис. 18.8 показана схема одной из конструкций сепарационного устройства, выполненного в виде нанизанных на трубки гирлянд колпачков. Пары поступают под колпачок, затем по трубкам попадают в пространство под трубной решеткой, а оттуда отводятся в ректификационную колонну. В трубной решетке укреплены переточные трубы, по которым катализатор направляется в зону отпарки.

Рис.18.8. Схема устройства для от­деления продуктов реакции от катализа­тора (а) и трубки с колпачком (б):

1 — газосборная труба; 2 — колпачок; 3 —штуцер для отвода продуктов реакции;4 —балка для крепления газосборных труб;5 —переточные трубы для катализатора.

Зона отпарки — полая часть аппарата, где в противотоке с катализатором движется водяной пар, который вытесняет углеводородные пары из свободного объема между частицами катализатора и осуществляет их десорбцию с поверхности катализатора.

Нижнее распределительное устройство, предназначенное для выравнивания потока катализатора по сечению аппарата; конструкции его разнообразны.

Регенераторы шахтного типа имеют: а) верхнее и нижнее распределительные устройства для катализатора, конструкция которых принципиально такая же, как и у реакторов; б) распределители воздуха; в) газообразные устройства для сбора и вывода дымовых газов, образующихся при сгорании кокса; г) пароводяные змеевики для отвода части тепла сгорания кокса. Регенераторы представляют собой футерованные изнутри аппараты прямоугольного или круглого сечения, которые различаются по числу зон (ввод воздуха, вывод дымовых газов, охлаждающий змеевик).

При относительно высоком содержании кокса на отработанном .катализаторе и пониженной кратности циркуляции катализатора, во избежание значительного повышения температуры катализатора, что угрожает снижением его активности, применяют реге­нераторы с большим числом зон; в каждой такой зоне сжигается только часть кокса, а катализатор охлаждается перед поступлением в следующую зону.