Типы контактных аппаратов

Большую часть вырабатываемых катализаторов применяют в настоящее время для ускорения реакций в газовой (паровой) среде.

Каталитические процессы в газах проводят при самых различных параметрах технологического режима и соответственно разнообразных требованиях к физическим свойствам применяемых катализаторов: прочности, пористости, термостойкости и т.д.

Каталитические процессы в газах с использованием твёрдых катализаторов проводят:

в контактных аппаратах поверхностного контакта (трубы или сетки, выполненные из катализатора);

• - в контактных аппаратах с фильтрующим (неподвижным) слоем катализатора;
• - контактных аппаратах с взвешенным слоем катализатора;
• - контактных аппаратах с движущимся катализатором.

Контактные аппараты поверхностного контакта с размещением катализаторов в виде труб или сеток, через которые пропускается газ представлены на рис.2.3.

Рис. 2.3. Контактный аппарат поверхностного контакта:

1 - фильтры картонные; 2 - сетки из катализатора

При поверхностном контакте активная поверхность катализатора невелика. Поэтому аппараты такого типа применяют для быстрых экзотермических реакций на высокоактивных катализаторах, обеспечивающих высокий выход продукта. Подогрев газа до температуры зажигания катализатора производится в самом аппарате за счёт тепла раскалённых сеток. Время контакта газа с катализатором - тысячные доли секунды (например, окисление метанола на медных или серебряных сетках).

Эти же процессы, но на менее активных (но более дешёвых) катализаторах проводят в аппаратах с фильтрующим слоем катализатора.

Аппараты с фильтрующим слоем катализатора. В этих аппаратах слой или несколько слоёв катализатора неподвижно лежат на решётчатой опоре или загружены в трубы и через неподвижный слой пропускается смесь реагирующих газов в режиме близком идеальному вытеснению.

Рис. 2.4. Аппараты с фильтрующим слоем катализатора

Количество загруженного катализатора, высота и число слоёв зависят от активности катализатора, характера реакции, условий теплообмена. Чем активнее катализатор и больше скорость реакции, тем меньше катализатора нужно загружать и тем меньше высота слоя катализатора.

Поддержание оптимального температурного режима - наиболее сложная задача при разработке контактных аппаратов. Особенности конструкции контактных аппаратов зависят в основном от приёмов подвода и отвода тепла.

Контактные аппараты с фильтрующим слоем катализатора классифицируют по способам подвода или отвода тепла:

- аппараты с периодическим отводом и подводом тепла применяют для эндотермических каталитических процессов, они имеют один слой катализатора. Принцип их работы: в аппарат попеременно подают, то реагирующие вещества, то теплоноситель (топочные газы, пар и

т.д.);

- аппараты с внешними теплообменниками. В таких аппаратах теплообмен производится между стадиями контактирования для поддержания оптимального температурного режима. Это каскад контактных аппаратов, в которых происходит несколько ступеней контактирования реагирующей смеси с катализатором. При выходе из каждого аппарата реакционная масса проходит теплообменник и с определённой температурой подаётся на следующую стадию контактирования;

Рис. 2.5. Каскад реакторов:

• 1,2,3 - контактные аппараты; 4,5,6 - внешние теплообменники
• - аппараты с внутренними теплообменниками, которые можно подразделить на полочные (рис.2.6) и трубчатые.

Рис. 2.6. Полочный аппарат с внутренними теплообменниками

Полочные (ступенчатого отвода тепла) аппараты. Подогрев или охлаждение газа между слоями катализатора, лежащими на полках, производится в самом аппарате с использованием различных способов охлаждения. В аппаратах такого типа высота катализаторного слоя увеличивается по ходу газа, а высота теплообменников уменьшается, так как по мере возрастания общей степени превращения скорость реакции снижается и соответственно уменьшается количество выделившегося тепла.

Трубчатые (с непрерывным отводом или подводом тепла) аппараты. Используются и для экзо- и для эндотермических реакций. Газ и хладагент поступают в аппарат противотоком, происходит непрерывный теплообмен в процессе реакции.

аппараты с комбинированием нескольких приёмов теплообмена.

Все контактные аппараты с фильтрующим слоем катализатора обладают недостатками, присущими неподвижному слою катал изатора:

• - в фильтрующем слое можно использовать только крупные зёрна катализатора (не менее 4+6 мм), так как при более мелких зёрнах резко возрастает гидравлическое сопротивление слоя. Внутренняя поверхность крупнозернистого катализатора мало используется, что существенно снижает производительность катализатора;
• - зёрна неподвижного катализатора спекаются, что снижает каталитическую активность катализатора;

невозможен интенсивный отвод тепла из неподвижного катализатора и равномерное распределение температур по сечению неподвижного слоя. Даже в трубчатых аппаратах средняя часть труб может перегреваться, что тоже снижает активность катализатора;

в аппаратах с неподвижным слоем катализатора невозможна его непрерывная регенерация, необходимая для многих процессов органической технологии;

- аппараты с взвешенным слоем катализатора (рис. 2.7). Принцип взвешенного слоя устраняет перечисленные недостатки фильтрующего слоя. В аппаратах с взвешенным слоем применяются мелкозернистые катализаторы (d частиц 0,5 +2,0 мм). По степени перемешивания твёрдой и газовой фазы взвешенный слой близок к модели полного перемешивания. Вследствие непрерывного движения твёрдых частиц тепло переносится конвекцией и внутри кипящего слоя температура выравнивается.

Рис. 2.7. Аппарат с взвешенным слоем катализатора

Рис. 2.8. Аппарат с движущимся катализатором:

1- контактный аппарат «кипящего слоя»;2 - регенератор

Коэффициент теплоотдачи от взвешенного слоя к поверхности теплообменника очень велик. Поэтому возможен интенсивный отвод или подвод тепла без перегревов и затухания катализатора. Аппараты с взвешенным слоем катализатора работают в изотермическом режиме, так как теплообменники находятся внутри кипящего слоя.

Важнейшее преимущество взвешенного слоя - повышение производительности катализатора за счёт уменьшения размеров частиц и интенсивного использования внутренней поверхности катализатора. Недостаток - истирание зерен катализатора.

- аппараты с движущимся катализатором (рис. 2.8). Такие аппараты применяются в процессах, где требуется непрерывная циркуляция катализатора между реактором и регенератором. Например, процесс парофазного крекинга нефтепродуктов.