Конструкции контактных аппаратов

Лекция 16

Современные контактные аппараты, используемые для проведения каталитических процессов в промышленности, должны обладать высокой производительностью, обеспечивать непрерывность процесса при оптимальных технологических режимах, быть легкими в управлении, поддаваться автоматизации и управлению с помощью ЭВМ.

По способу взаимодействия газов с катализатором контактные аппараты подразделяются на аппараты: с фильтрующим слоем катализатора; с взвешенным (кипящим) слоем катализатора; с пылевидным катализатором. В промышленности широкое применение нашли аппараты с фильтрующим слоем катализатора. К этой группе относятся емкостные, трубчатые и полочные контактные аппараты, принцип действия которых основан на фильтрации газа через слой неподвижного катализатора. На этом принципе основана работа большинства контактных аппаратов. Причем катализатор может находиться в виде металлических сеток, натянутых по ходу движения газа (рис.16.1а), трубчатых контактных аппаратов (рис.16.1б), или в виде твердых тел различной формы, располагаемых на перфорированных решетках (рис.16.1в).

Газы поступают в аппарат сверху или снизу. При подаче газа снизу (под решетку) его скорость не должна превышать скорость псевдоожижения катализатора, иначе он может переходить во взвешенное состояние. Достоинством этих аппаратов является простота конструкции, к недостаткам следует отнести отсутствие теплообмена, что позволяет проводить в них только те реакции, которые сопровождаются небольшими тепловыми эффектами. Для полноты протекания процесса в одном аппарате может быть установлено несколько слоев контактной массы.

Многослойные полочные контактные аппараты чаще всего устанавливают, когда имеется необходимость очищаемый газ между слоями подвергать дополнительной обработке (нагреванию, охлаждению, увлажнению и т.д.). Нагревание или охлаждение газа проводят с помощью теплообменников, монтируемых внутри аппарата между слоями катализатора. Это позволяет вести процесс при оптимальном температурном режиме на каждой полке. Для этой же цели используют трубчатые контактные аппараты, где в трубках расположен катализатор, а в межтрубном пространстве - теплоноситель или хладагент.

Рис.16.1. Схема контактных аппаратов с фильтрующим слоем катализатора.

Часто теплообмен при катализе производят в трубках Фильда, устанавливаемых непосредственно в слое катализатора. Охлаждение или нагрев газа в процессе катализа может осуществляться также путем ввода между слоями катализатора нагретого (холодного) газа или воздуха. К этому же типу следует отнести контактные аппараты, у которых катализатор выполнен в виде составных керамических, проницаемых для газа блоков. Блоки укладываются на решетки и перекрывают свободное сечение аппарата, располагаясь в один или несколько параллельных рядов.

Аппараты с взвешенным (кипящим) слоем катализатора

Если использовать принцип фильтрующего слоя катализатора, то в нём в местах соприкосновения гранул катализатора наблюдаются зоны, плохо омываемые газом. Для устранения этого недостатка с целью интенсификации каталитических процессов используют кипящий слой. В кипящем слое каждая гранула катализатора интенсивно со всех сторон омывается газом, что интенсифицирует процесс катализа.

Достоинством такого аппарата является то, что интенсивное перемешивание частиц обусловливает хорошую теплопроводность слоя и высокие коэффициенты теплоотдачи от слоя к поверхности теплообменников, которые зачастую монтируются непосредственно в кипящем слое. Подвижность кипящего слоя катализатора позволяет механизировать и автоматизировать процессы непрерывной загрузки и выгрузки катализатора, поддержание высоты слоя на постоянном уровне и т. д. Интенсивное перемешивание твердой фазы устраняет опасность локального перегрева или переохлаждения катализатора, что способствует более эффективному его использованию. Появляется возможность использовать катализатор с гранулами малых размеров, что увеличивает удельную поверхность и снижает диффузионные торможения при катализе. Использовать мелкозернистый катализатор в фильтрующем слое невозможно из-за повышенного сопротивления и неравномерности температурного поля в поперечных и продольных сечениях слоя. Благодаря указанным преимуществам кипящий слой в ряде случаев оказывается более эффективным по сравнению с фильтрующим слоем.

К недостаткам кипящего слоя следует отнести истирание и унос пылевидного катализатора из аппарата, что требует установки пылеулавливающих устройств и предъявляет дополнительные требования к прочности катализаторов, а также невозможность осуществления принципа противотока, что снижает движущую силу процесса. Различное время пребывания частиц в аппарате при непрерывном процессе снижает эффективность работы катализатора. К недостаткам следует отнести также повышенную эрозию аппаратуры, расположенной в зоне кипящего слоя.

Перечисленные недостатки, как правило, не являются определяющими, а многие из них могут быть частично или полностью устранены.

Аппараты с кипящим слоем катализатора изготовляют в виде цилиндра, в нижней части которого устанавливают газораспределительную решетку. На решетку загружают мелкозернистый катализатор с диаметром частиц 0,5...1,5мм. Снизу, под решетку подается газ, скорость которого должна обеспечить переход слоя из неподвижного в псевдосжиженное состояние. Очищенный газ выводится из аппарата через верхний штуцер и, пройдя циклон, выбрасывается в атмосферу. Загрузка катализатора осуществляется с помощью шнекового устройства. Для снижения уноса мелких частиц катализатора верхняя часть аппарата выполняется расширенной.

По режиму работы аппарат с кипящим слоем катализатора приближается к реакторам полного смещения. При таком режиме любой элементарный объем реагирующей смеси мгновенно перемешивается в слое пребывания отдельных частиц изменяется от нуля до бесконечности, что является недостатком всех непрерывных процессов полного смешения.

Для упорядоченного перемешивания твердой фазы в кипящем слое иногда вводят механические мешалки, что способствует усреднению времени пребывания частиц в аппарате. Для увеличения степени очистки газов используют многополочные аппараты с кипящим слоем. С целью интенсификации процессов катализатор применяют в виде мелких частиц, которые с помощью специальных сопел распыляют во всем объеме аппарата. Этим достигается более полное использование реакционного объема аппарата. Такого типа аппарат состоит из цилиндрического корпуса, в нижней части которого расположены сопла и бункера. Подлежащий очистке газ делится на два потока. Один поток поступает в эжекторное устройство, смешивается с катализатором и под напором подается в реактор. Сюда же через другое сопло подается второй поток газа, способствующий более полному и равномерному перемешиванию газа с катализатором. Частицы катализатора, находясь во взвешенном состоянии, со всех сторон интенсивно омываются газовым потоком, благодаря чему каталитический процесс интенсифицируется. Реакция протекает в тот момент, когда частицы катализатора находятся в полете. Осевшие частицы катализатора собираются в нижней части аппарата и вновь поступают в эжектор для повторного использования или на регенерацию. Большая доля частиц катализатора выносится с газовым потоком. Улавливание частиц катализатора осуществляется в циклоне, после чего они вновь смешиваются с газом и возвращаются в реактор.

Рис. 16.2. Многополочный каталитический реактор с кипящим слоем: 1 - кипящий слой; 2 - решётка; 3 - теплообменник; 4 - конус.

Дата добавления: 2014-01-20