Сравнительная характеристика адиабатического, полочного и трубчатого реакторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Институт природных ресурсов

Реферат

Сравнительная характеристика адиабатического, полочного и трубчатого реакторов

Исполнитель: Зенкова Е.В.

Руководитель: Ляпков А.А,

ТОМСК 2012

Реакторы с неподвижным слоем катализатора широко распространены при проведении гетерогенных каталитических процессов в различных областях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. В связи с разнообразием процессов, реализуемых в реакторах с неподвижным зернистым слоем, разнообразны и конструкции таких аппаратов. Одной из основных проблем, с которой сталкиваются специалисты при разработке каталитических реакторов, является формирование оптимального диапазона температур в слое катализатора. Для этого в реакционном узле предусматривается отвод или подвод тепла (для экзо- и эндотермических процессов соответственно). По способу теплообмена можно выделить три основных типа реакторов с неподвижным слоем, схемы которых представлены на рисунке 1:

адиабатические реакторы (нет теплообмена);

реакторы с промежуточным отводом (подводом) тепла - многослойные (полочные) аппараты;

реакторы с непрерывным отводом (подводом) тепла - трубчатые аппараты.

Адиабатические Многослойные (полочные) Трубчатые

Рисунок 1- Основные типы каталитических реакторов с неподвижным слоем

Кроме того, применяются различные конструкции с более сложными способами отвода (подвода) тепла, например, комбинированные схемы.

Многослойные (полочные) реакторы

Многослойный реактор представляет собой реактор с несколькими адиабатическими слоями катализатора и промежуточным отводом тепла между ними. Отвод тепла осуществляется либо с помощью встроенных или выносных теплообменников, либо добавлением холодной исходной газовой смеси между слоями.

Деление катализатора по высоте позволяет осуществлять промежуточный подвод и отвод тепла по высоте слоя катализатора, подводить дополнительные количества реагентов или отводить конденсирующиеся продукты реакции.

Деление слоя катализатора по высоте приводит к усложнению конструкции аппарата, но оно позволяет проводить реакцию в заданном интервале температур. Такой реактор применяется при синтезе метилового спирта. Реакция идет при температуре 400 ? 420⁰С. Диаметр аппарата 0,8 м и высота 12 м. Давление 200 ? 300 кг/см².

Рисунок 2 - Полочный реактор: 1 - корпус; 2 - стакан; 3 - слой катализатора; 4 - центральная труба; 5 - теплообменник.

Полка с катализатором 3 находится внутри стакана 2. Поступающие газы движутся в кольцевом зазоре между стаканом и корпусом 1, предохраняя таким образом последний от нагрева, а сами нагреваются до температуры реакции вначале в кольцевом пространстве между корпусом и стаканом, затем во встроенном теплообменнике 5 в нижней части аппарата и, наконец, в центральной трубе 4.

Байпасный газ - это тот же самый реагент, но имеющий более низкую температуру, чем реагенты нагревшиеся в слое катализатора от тепла, выделяемого от реакции. Ввод байпасного газа позволяет поддерживать температуру реагентов в необходимом интервале по всей высоте катализатора.

Адиабатические аппараты с горизонтально расположенными слоями катализатора обеспечивают его загрузку до 100 м³ и используются при создании контактных аппаратов большой производительности для слабоэкзотермических обратимых процессов, например, для производства серной кислоты и синтеза аммиака. Многослойная конструкция позволяет формировать оптимальный рабочий профиль температур.

Трубчатые реакторы

В трубчатом реакторе отвод тепла осуществляется путем теплообмена реагирующей смеси с теплоносителем через стенку реактора. Катализатор загружается в трубки небольшого диаметра (28 см), в межтрубном пространстве циркулирует теплоноситель - водяной пар под давлением или расплав солей. Сложность конструкции повышает стоимость таких аппаратов. Однако большим преимуществом трубчатых реакторов являются хорошие условия отвода тепла от катализатора, так как отношение поверхности теплоотдачи к объёму катализатора значительно выше по сравнению с многослойными аппаратами.

В аппаратах этого типа поверхности охлаждения расположены параллельно движению реагентов и таким образом отвод или подвод тепла осуществляется по мере его выделения или поглощения.

Конструктивно реакторы могут быть выполнены в виде трубчатого аппарата с охлаждающей рубашкой около каждой трубки. Могут быть трубчатые реакторы с общей охлаждающей рубашкой (реактор кожухотрубного типа с размещением катализатора в трубках или межтрубном пространстве). Могут быть аппараты с двойными трубками, когда слой катализатора имеет кольцевое сечение. Такой аппарат находит применение в полимеризации пропан-пропиленовой фракции. Аппарат состоит из отдельных секций. Их может быть до 12. Процесс происходит при 260⁰С, давлении 7 МПа. Внутренний диаметр трубы составляет 150 мм. Высота отдельного элемента 14 м. Достоинством такого аппарата является возможность применения хладагента, высокого давления (кипящая вода под давлением). Недостатком является его малая производительность, большая занимаемая площадь, неудобство выгрузки катализатора.

Рисунок 3 - Схема реактора типа "Труба в трубе": 1 - корпус; 2 - рубашка.

Несмотря на сложность конструкции, трубчатые аппараты эффективно используются для реализации ряда среднеэкзотермических процессов, например, процессов каталитического селективного окисления углеводородов. Количество трубок в одном аппарате достигает 1020 тыс. штук, при этом общая загрузка катализатора не превышает 3040 м³.

Адиабатические реакторы

Адиабатический реактор представляет собой металлический цилиндр, в нижней части которого находится решетка, на которую насыпается катализатор в виде различного типа гранул: таблеток, шариков, зёрен неправильной формы и т. д. Газовую реакционную смесь можно направлять в аппарат как сверху вниз, так и снизу вверх. Стенки цилиндра теплоизолированы.

Важное значение для работы адиабатических реакторов имеет входное распределительное устройство, задачей которого является равномерное распределение газового потока по сечению аппарата. Несовершенство распределит устройств приводит к неравномерной работе слоя катализатора и к ухудшению показателей процесса.

В связи с отсутствием устройств для съема тепла в адиабатических реакторах осуществляются процессы с небольшими тепловыделениями и низкой чувствительностью к изменению температуры, а также процессы с небольшими степенями превращения. При невысоких линейных скоростях газового потока и, соответственно, невысокой мощности такой реактор имеет небольшую высоту, что обеспечивает малые загрузки катализатора, низкое гидравлическое сопротивление слоя катализатора и уменьшает энергетические расходы по подаче газа в систему.

Адиабатические реакторы широко используются для контактно-каталитических процессов, в которых химическое превращение осуществляется в результате контакта рабочих веществ с кат-ром, а к этой группа реакторов обычно относят только аппараты с твердым катализатором. Реагенты находятся в адиабатических реакторах в паровой фазе, реже - в паро-жидкой. Для осуществления медленнотекущих реакций требуются большие слои катализатора (до нескольких метров), а для быстро протекающих достаточно тонкого слоя катализатора, в отдельных случаях просто сетки из каталитически активного материала.

К достоинствам адиабатического реактора можно отнести:

1. Простоту конструкции и высокую производительность;

2. Полнота использования объема реактора;

3. Относительно не большой удельной расход металла.

Основные недостатки адиабатических реакторов следующие:

1. Ограниченность области использования, связанную с адиабатическим режимом процесса, при котором разность температyp входа - выхода должна быть сравнительно не велика (40 - 50°С). Если это узел нарушается, то процесс следует вести в нескольких последовательных реакторах с промежуточным подводом - отводом тепла;

2. Большой расход пара, который в адиабатических реакторах служит не только разбавителем (для понижения парциального давления углеводородов), но и теплоносителем. Вследствие этого весовое отношение водяного пара к этилбензолу в адиабатических реакторах составляет 2,6:1 (против 1,2:1 в трубчатых реакторах);

3. Из-за значительного перепада температур по высоте слоя катализатора показатели процесса (конверсия, выход) в адиабатическом реакторе ниже, чем в трубчатых реакторах, где условия процесса приближаются к изотермическим;

4. Трудности организации равномерного распределения газа по сечению аппарата. С увеличением высоты слоя катализатора растет его гидравлическое сопротивление. Поэтому для крупнотоннажных производств используют реакторы с радиальным потоком сырья.

Для устранения недостатков адиабатических реакторов проводятся исследования по усовершенствованию их конструкции. Так, например, предложено секционировать реакторы по высоте путем разделения общего объема катализатора на несколько слоев (2-3 слоя) и подавать во все слои перегретый водяной пар, чтобы разбавление углеводородов перед последним слоем катализатора было таким же, как и в одностадийном аппарате. Благодаря прогреву катализатора в каждой зоне разность температур между верхними и нижними слоями значительно уменьшается.

Эта конструкция используется в настоящее время, в основном, при создании экологически чистых технологий для каталитической очистки выходных газов от окислов азота и серы, сероводорода, органических веществ и т. д., а также при разработке малотоннажных процессов. Дешевизна изготовления таких аппаратов обусловлена простотой конструкции.

реактор катализатор адиабатический трубчатый

Литература

1. Н. В. Верниковская, Ю. В. Малоземов, С. А. Покровская Каталитические процессы в реакторах с неподвижным слоем: Учебно-методическое пособие для компьютерного курса по инженерной химии каталитических процессов / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2008. 68с.

2. Основы проектирования и оборудования производств полимеров: учебное пособие / В.М. Сутягин, А.А. Ляпков, В.Г.Бондалетов; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. - 232 с.

3. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. М.: Химия, 1969.

4. http://macp.web.tstu.ru

Размещено на Allbest.ru