8.5. Конструкции реакторов

В реакционной аппаратуре химические процессы сопровождаются про­те­канием разнообазных физических процессов (гидродинамических, тепло­вых, диффузионных и др.). С их помощью создаются необходимые условия для протекания собственно химических реакций.

Для реализации физических процессов в реакторах применяют различ-ные конструктивные элементы (мешалки, теплообменники, контактные уст-ройства, распылители и т. д.). Поскольку сочетаний этих устройств может быть велико, то и разнообразие реакционных устройств большое количество.

8.5.1. Требования к реакторным конструкциям. Требования к уст­рой­ству конкретных реакторов вытекают из постулата максимальной эффек­тивности проведения в них химических процессов. Среди них следует выде-лить в первую очередь следующие требования:

- возможность размещения в реакторе необходимого количества ката-ли­затора максимальной активности;

- создание требуемой поверхности контакта взаимодействующих реа-гентов и катализатора, а также отдельных фаз для обеспечения максимально эффективного массобмена между ними;

- обеспечение необходимого гидродинамического режима движения ре-а­гентов и фаз;

- создание необходимого теплообмена при подводе или отводе тепла;

- наличие необходимого реакционного объема для обеспечения требу-емой производительности;

- возможность поддержания необходимого режима процесса;

- обеспечение максимальной скорости протекания реакций.

8.5.2. Типизация реакторов. Все реакторы, применяемые в нефтепе­ре-работке, нефтехимии и основном органическом синтезе, относят к тому или иному типу в зависимости от следующих факторов:

- агрегатного состояния участников процесса в реакторной подсистеме;

- состояния катализатора: жидкий или твердый катализатор (в стацио-нарном, псевдоожиженном, диспергированном состоянии);

- расположения поверхности теплообмена (внешнее, внутреннее);

- способа отвода тепла (через поверхность теплообмена, за счет испаре­ния реагентов или продуктов реакций, за счет подачи хладагентов);

- способа диспргировани газа, жидкости и твердых частиц (регентов, катализаторов и вспомогательных веществ);

- способа развития поверхности контакта фаз.

Анализ этих факторов во многом определяет выбор конструкции вспомогательных устройств (перемешивающих, теплообменных и т. д.).

По конструктивному признаку реакторы делят на следующие типы:

- реакторы типа реакционной камеры;

- реакторы колонного типа;

- реакторы шахтного типа;

- реакторы теплообменного типа;

- реакторы типа печи.

Классификация реакторов по конструкции приведена в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Классификация реакторов по конструктивным элементам

Гидродинамичес-кий режим	Агрегат-ное со­стояние реагентов	Форма теплообмена и наличие поверхности теплообмена				Примеры процессов
		без повер-х­ности теплооб-мена		с наруж­ной по­верхно-стью	с внут-ренней поверхно-стью
Реактор трубчатый
Полное вытеснение	Г	─	+		─	1. Синтез винилацетата 2. Окисление этилена в этиленоксид
Полное вытеснение	Ж	─	+		─	Алкилирование бензола
Полное вытеснение	Ж–Ж	─	+		─	Получение диметилдиоксанов
Реактор колонный
Полное вытеснение	Г–Ж	─	─		+	Окисление углеводородов
Полное вытеснение	Г–Ж	+	─		─	Нейтрализация HCl
Полное вытеснение (газ), полное смешение (жидкость)	Г–Ж	─	+		─	Окисление твердых парафинов
Полное вытеснение (газ), полное смешение (твердая фаза)	Г–Г–Т	─	─		+	Синтез акрилонитрила
Полное вытеснение (газ), полное смешение (твердая фаза)	Г–Т	+	─		─	Хлорирование углеводородов
Полное вытеснение (газ), полное смешение (твердая фаза)	Г–Т	─	+		─	Получение этиленоксида
Полное вытеснение	Г–Г–Т	─	+		─	Фторирование углеводородов
Реактор шахтный
Полное вытеснение	Г–Т	+	–		─	Дегидрирование этилбензола
Реакционная камера с перемешиванием
Полное смешение	Ж	+	+		+	1. Гомогенный гидролиз жиров, масел и хлорбензола 2. Получение винлхлорида из дихлорэтана
Полное смешение	Г–Ж	+	+		+	Хлорирование этилена
Полное смешение	Ж–Ж	+	+		+	Сульфирование бензола
Реактор типа печи
Полное вытеснение	Г–Г	─	+		+	Парциальное окисление олефинов

8.3.3. Примеры конструкций реакторов. Типичный пример конструк-ции реактора идеального вытеснения с политермическим режимом для эндо-термических процессов приведен на рис. 8.12. Примером применения такого типа реактора является производство синтез-газа конверсией метана с водя-ным паром:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂ – 206 . (8.41)

Принцип действия реактора идеального вытеснения шахтного типа по-к­азан на рис. 8.13. Он представляет собой емкость (шахту), в которой на ре­шетке помещен твердый зернистый материал. Высота слоя зернистого мате­риала обычно больше диаметра реактора. Через слой материала проходит газ, который вступает во взаимодействие с твердым материалом. Концентрация ре­а­гирующих веществ в таком реакторе понижается по высоте слоя по лога-риф­мической зависимости. По такому принципу работают многие каталити­ческие реакторы, например, в процессе обжига железного колчедана или в процессе парокислородной конверсии метана по реакциям:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + 3420 ; (8.42)

2CH₄ + O₂ = 2CO + 4H₂ + 35 . (8.43)

В экзотермических процессах температурный режим реактора близок к адиабатическому. Похожим образом работают насадочные колонны абсорб­ции газов жидкостями и десорбции газов из жидкостей.

Исходный газ Исходный газ

Топочные газы

Отходящие газы

Газ (продукт)

Газ (продукт)

Рис.8.12. Реактор идеального вытеснения Рис.8.13. Реактор идеального вытеснения с политермическим режимом для эндотер- шахтного типа для экзотермического мического процесса с катализатором процесса в трубках

Конверсия протекает на катализаторе, помещенном в трубках, а в меж­труб­ном пространстве сжигается топливный газ для компенсации эндотер­мического эффекта реакции.

Реактор полного смешения характеризуется тем, что любой элементар-ный объем газа или жидкости, поступивший в реактор, мгновенно смешива­ется со всем содержимым реактора, т.к. в турбулентном потоке скорость цир­куляционных движений по высоте и сечению реактора во много раз больше, чем скорость линейного движения по оси реактора. Концентрация всех ве­ществ и степень превращения во всем объеме такого реактора одинакова и рав­на конечной.

На рисунке 8.14 дана конструкция каталитического реактора кипящего слоя с мешалкой. В таком реакторе газ и твердый зернистый катализатор ин-тен­сивно перемешиваются благодаря вихревым движениям в кипящем слое совместно с действием лопастной мешалки.

Газ-продукт

Т

.

· …

Т

Газ-сырье

Рис. 8.14. Реактор полного смешения с

изотермическим режимом – аппарат

кипящего слоя с мешалкой

Достаточное приближение к полному смешению достигается в реакто­рах с перемешивающими устройствами в жидкой фазе, а также в суспензиях твердых веществ в жидкостях. Такого типа реакторы широко применяются в нефтехимической, химической, пищевой промышленности, а также в произ­водстве цветных металлов, строительных материалов и т. д.