Промышленные химические реакторы

Одним из основных элементов любой химико-технологической системы является химический реактор, в котором осуществляются химические процессы, сочетающие реакции с массо- и теплопереносом. Типичные реакторы – промышленные печи; контактные аппараты; реакторы с механическим, пневматическим и струйным перемешиванием, варочные котлы, гидраторы и т.д.

Все аппараты, расположенные до реактора, предназначены для подготовки сырья к химической переработке; все то, что находится после реактора, необходимо для разделения получающихся в реакторе продуктов. От правильности выбора реактора и его совершенства зависит эффективность всего технологического процесса.

Основные требования к промышленным реакторам.

1. Максимальная производительность и интенсивность работы.

2. Высокий выход продукта и наибольшая селективность.

3. Минимальные энергетические затраты на перемешивание и транспортировку материалов через реактор, а также наилучшее использование теплоты экзотермических реакций или теплоты, подводимой в реактор для нагрева реагирующих веществ до оптимальной температуры.

4. Легкая управляемость и безопасность работы.

5. Низкая стоимость изготовления реактора и ремонта его.

6. Устойчивость работы реактора при значительных изменениях основных параметрах режима (С, Т, Р, w).

Гомогенные процессы в газовой фазе широко используются в технологии органических органических веществ и горении газообразного (парообразного) топлива. Для осуществления этих процессов органическое вещество испаряется и затем его пары обрабатываются тем или иным газообразным компонентом: хлором, диоксидом серы, кислородом (воздухом), оксидами азота и т.п. Хлорирован6ие углеводородов или их производных осуществляется для получения органических растворителей, ядохимикатов и разнообразных продуктов органического синтеза.

Хлорирование протекает по цепному механизму. Зарождение цепи, т.е. появление радикалов происходит вследствие инициирующего действия некоторых высокоактивных веществ или света, радиационных излучений, высокой температуры и т л. В зависимости от применяемых средств инициирования различают следующие методы хлорирования: термическое, фотохимическое и каталитическое. Первые два метода – гомогенные.

Хлорирование осуществляют в специальном реакторе камерного типа (рис.), стальной корпус которого футерован шамотным кирпичом. В верхней части имеется насадка в виде фарфоровых колец. После предварительного разогрева аппарата сжиганием горючего газа (смеси метана с воздухом), в результате чего футеровка и насадка аккумулируют теплоту, по керамической трубе подается исходная газовая смесь, которая также заранее подогревается до 120-250⁰С. Продукты реакции отводятся из верхней части аппарата и направляются на разделение.

Рис. 7.4.1. Реактор для гомогенных процессов

Рис. 7.4.2-Реактор с фильтрующим слоем твердого реагента

Реакторы для процессов в системе жидкость-твердое (Ж-Т) представляют собой типовую аппаратуру, в которой проводят физические процессы (растворение, экстрагирование, кристаллизацию) и химические процессы. Большинство химических процессов Ж-Т идет в диффузионной области, поэтому в реакторах используют разнообразные приемы развития межфазной поверхности и повышают относительную скорость перемешивания обеих фаз.

В реакторах (рис. 7.4.2) целесообразно проводить адсорбцию, ионообмен, выщелачивание спеков. Характеристика реакторов: малая интенсивность и энергозатраты, простота устройства, хорошая управляемость и устойчивость в работе. Одиночный реактор работает периодически, в режиме идеального вытеснения по жидкой фазе; батарея - непрерывно; возможность достижения высокой селективности.

Рис. 7.4.3. Каскад реакторов с механическими мешалками

В каскаде реакторов (рис. 7.4.3) проводят растворение, экстрагирование, выщелачивание, полимеризацию. Характеристика каскада реакторов: высокая интенсивность, большие энергозатраты, хорошая управляемость, но недостаточная надежность в работе; трудность замены частей. Реакторы каскада работают в режиме полного смешения.

Реактор (рис. 7.4.4) используют при разложении твердого реагента жидкостью, например, получение ацетилена из карбида кальция. Реактор работает в режиме идеального вытеснения. Характеристика реактора: малая интенсивность, сложность устройства и трудность замены частей, дороговизна эксплуатации.

Для газовых гомогенных процессов применяются в основном камерные (рис.7.4.5) и трубчатые реакторы. Для смешения газов используют сравнительно простые устройства: сопло; эжектор; центробежный, лабиринтный, каскадный смеситель и др. Камерный реактор по режиму работы близок к полному смешению и изотермическому типу.

Реакторы гетерогенного катализа, в котором реагируют газы на твердых катализаторах, весьма разнообразны. Реакторы должны работать непрерывно, обладать высокой интенсивностью, обеспечивать режим процесса, близкий к оптимальному (оптимальную температуру, соотношение исходных реагентов), должны иметь минимальное гидравлическое сопротивление, простую конструкцию и легко обслуживаться.

Классификация каталитических реакторов по фазовому признаку определяет конструкцию реактора. Гетерогенно-каталитические процессы могут происходить в газовой и жидкой фазах с твердым и жидким катализатором. По температурному режиму реакторы подразделяют на адиабатические, изотермические и политермические

Рис. 7.4.4-Реактор с перемешиванием на полках

Рис. 7.4.5-Камерный реактор с центробежным перемешиванием газовой смеси

По степени перемешивания исходных веществ с продуктами реакции различают режимы идеального вытеснения и полного смешения. По гидродинамическому режиму взаимодействия зернистого твердого катализатора с потоком газа каталитические реакторы делят на следующие группы:

1) с неподвижным (фильтрующим) слоем катализатора;

2) со взвешенным (кипящим) слоем катализатора;

3) с непрерывно движущимся катализатором по всей высоте реакционного объема;

4) реакторы поверхностного контакта (рис. 7.4.6).

Рис. 7.4.6 – Каталитический реактор окисления аммиака

Такие реакторы используются для проведения быстрых экзотермических реакций на высокоактивных катализаторах (сетки из сплава платины, палладия и родия для окисления аммиака; серебряные сетки для синтеза ацетона из изопропилового спирта), обеспечивающих выход, близкий к теоретическому. Характеристика реакторов: просты по устройству и высокопроизводительны; подогрев газа осуществляется в самом аппарате за счет теплоты излучения раскаленных сеток; время соприкосновения газа с поверхностью сеток составляет тысячные доли секунды.

Большинство некаталитических процессов в системе газ-твердое (Г-Т) основано на химических реакциях, осложненных возгонкой, пиролизом, диссоциацией, кальцинацией, и протекает при высоких температурах. Химические реакторы для осуществления таких процессов называют печами, которые подразделяются на топливные, электрические, прямого и косвенного нагрева; плавильные и обжиговые, сушила; шахтные и полочные; с распылением твердого материала (рис. 7.4.7) и кипящим слоем (рис. 7.4.8). Печи пылевидного обжига (рис. 7.4.7) используются для обжига колчедана, концентратов, руд цветных металлов, сушки материалов. Характеристика реакторов: простота устройства, высокая интенсивность, гидродинамический режим близок к полному смешению по обеим фазам.

Рис. 7.4.7-Печь обжига с распылением твердого материала

Рис. 7.4.8-Печь кипящего слоя

Печь кипящего слоя (рис. 7.4.8) работает в режиме, близком к полному смешению в интервале линейных скоростей, определяемых полидисперсностью обжигаемого материала, начиная со скорости, при которой взвешиваются наиболее крупные частицы, и кончая скоростью, при которой из печи уносятся наиболее мелкие.

Рис. 7.4.9 – Колонные реакторы с пленочным режимом абсорбции: а) с насадкой; б) трубчатые или с листовой насадкой

Рис. 7.4.10 – Колонные реакторы с разбрызгиванием жидкости: а) полая колонна; б) циклонный скруббер

Процессы, основанные на взаимодействии газообразных и жидких реагентов, широко используются в химической и смешных с ней отраслях промышленности. К таким процессам относятся абсорбция и десорбция газов, испарение жидкостей, пергонка жидких смесей (дистилляция и ректификация), пиролиз жидкостей с испарением продуктов пиролиза, ассоциация газовых молекул с образованием жидкостей, полимеризация в газовой фазе с образованием жидких полимеров и т.п.

Рис. 7.4.11 – Реакторы с распылением жидкости

В колонных реакторах (рис. 7.4.9-7.4.10) проводят абсорбцию и десорбцию, очистку газов от аэрозолей. Характеристика реакторов с пленочным режимом: малая интенсивность, небольшие энергозатраты по газу, значительные – по жидкости, простота устройства, надежность в работе, хорошая управляемость и устойчивость режима идеального вытеснения. Характеристика реакторов с разбрызгиванием жидкости: малая интенсивность, значительные энергозатраты на разбрызгивание жидкости, малое гидравлическое сопротивление, недостаточная устойчивость режима идеального вытеснения. Характеристика реакторов с распылением жидкости (рис. 7.4.11): высокие интенсивность, энергозатраты и гидравлическое сопротивление; трудность регулирования режима полного смешения.