Реактор является основным агрегатом технологической схемы производства любого химического (или нефтехимического) продукта.
Химический реактор — это аппарат, в котором осуществляются взаимосвязанные процессы химического превращения, массопередачи и теплообмена. Существует большое количество различных типов и конструкций химических реакторов, которые можно классифицировать по ряду признаков.1) Рассмотрим основные классификации реакционных устройств.
Монтаж реактора гидрокрекинга
1. По принципу организации процесса химическая реакционная аппаратура может быть разделена на три группы:
§ Реактор непрерывного действия
В таком реакторе (рисунок ниже) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются параллельно и одновременно. Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме различен в разных точках объема аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема.
Установка для непрерывного процесса: 1 – теплообменные аппараты; 2 – реактор 2)
В данном случае вспомогательные операции отсутствуют, поэтому такие реакторы характеризуются высокой производительностью. Современные крупнотоннажные производства реализуются в непрерывно‐действующих реакторах. 3)
§ Реактор периодического действия
В реакторе периодического действия все отдельные стадии процесса протекают последовательно в разное время. Характер изменения концентраций реагирующих веществ одинаков во всех точках реакционного объема, но различен во времени для одной и той же точки объема. 4)
В реактор периодического действия все реагенты загружают до начала реакции, а смесь продуктов отводят по окончании процесса. Параметры технологического процесса в периодически действующем реакторе изменяются во времени. Между отдельными реакционными циклами выполняют вспомогательные операции:
•загрузку реагентов
•выгрузку продуктов,
•чистку реактора.
Реактор периодического действия
§ Реактор полунепрерывного (полупериодического) действия.
Реактор полунепрерывного действия работает в неустановившихся условиях. Такой реактор можно рассматривать как непрерывно действующий аппарат, в котором потоки входящего и выходящего из реактора вещества не равны (вследствие чего изменяется общая масса реагирующих веществ в объеме), и, кроме того, как периодически действующий аппарат, в котором ввод одного из реагирующих веществ или вывод продукта реакции осуществляется периодически.6)
Аппарат промежуточного типа
2. По гидродинамическому режиму (режиму движения реакционной среды) различают следующие типы: 7)
§ Реактор смешения
Реакторы смешения – это емкостные аппараты с мешалкой или циркуляционным насосом.
§ Реактор вытеснения
Реакторы вытеснения – трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала.
3. По тепловому режиму работы реакторы делят на следующие типы:
§ Изотермический реактор
Изотермический реактор — в реакторе поддерживают постоянную температуру в ходе всего процесса путем отвода или подвода тепла.
Для осуществления химической реакции в изотермических условиях необходимо в аппарате обеспечить интенсивное перемешивание и высокоэффективный теплообмен. В реакторах для таких процессов обычно используют псевдоожиженные слои катализатора или теплоносителя, применяют различные смесительные устройства (мешалки) и т.п. В качестве примера реактора с изотермическими условиями можно привести аппараты, применяемые для алкилирования изобутана бутиленами с целью получения высокооктанового компонента бензина-алкилата (изооктана). 8)
§ Адиабатический реактор
Адиабатический реактор — в реакторе отсутствует теплообмен с окружающей средой, и тепло химической реакции полностью расходуется на изменение температуры реакционной смеси.
В некоторых случаях небольшое изменение температуры в адиабатическом реакторе достигается подачей вместе с сырьем инертного (не участвовавшего в реакции) вещества (теплоагента), которое поглощает (при экзотермической реакции) или компенсирует (при эндотермической реакции) часть теплового эффекта реакции. Примером адиабатического реактора может служить выносная реакционная камера термического крекинга, куда непрерывно поступает сырье, нагретое в трубчатой печи до 470-500°C.
§ Политропический реактор
Политропический реактор — температура в реакторе непостоянна, при этом часть тепла может отводиться от реакционной смеси или подводиться к ней.
К аппаратам политропического типа относятся реакторы, выполненные в виде кожухотрубчатых теплообменных аппаратов, у которых обычно трубное пространство заполнено гранулированным катализатором и является, таким образом, реакционным объемом, а через межтрубное пространство пропускается агент, осуществляющий теплообмен через поверхность трубок. К реакторам политропического типа относятся также аппараты, конструктивно оформленные по аналогии с теплообменниками типа «труба в трубе»: во внутренней трубе размещается катализатор, а через кольцевое пространство пропускается теплоагент.
4. По типу контакта сырья с частицами теплоносителя выделяют следующие типы реакционных устройств (см. рисунок ниже):
Реакционные устройства контактного типа:
а - с неподвижным слоем теплоносителя; б - с движущимся слоем крупногранулированного теплоносителя; в - с псевдоожиженным слоем теплоносителя; г - лифтного типа. 1 - реактор; 2 - регенератор; 3 - сепаратор. I - сырье; II - воздух; III - продукты сгорания; IV - продукты реакции; V - водяной пар.
§ С неподвижным слоем теплоносителя
Примерами реакционных устройств со стационарным слоем твердого каталитически активного материала являются реакторы каталитического риформинга, изомеризации, гидроочистки и гидрокрекинга. Применения стационарного инертного материала в качестве теплоносителя весьма мало распространено. 11)
§ С движущимся слоем теплоносителя
В таком реакторном блоке применяют движущийся сверху вниз под действием силы тяжести сплошной поток твердого теплоносителя. Неразрывность потока создается гидравлическим сопротивлением в нижней части аппарата, переходящей в стояк-трубопровод, который выводит теплоноситель в систему пневмотранспорта. Гранулы теплоносителя должны быть крупными и иметь округлую форму (это облегчает их перемещения и сокращает потери от истирания). Сырье подается прямотоком или противотоком к теплоносителю.
Принцип движущегося слоя крупногранулированного теплоносителя используют в процессах каталитического крекинга, пиролиза и некоторых других.
§ С псевдоожиженным слоем теплоносителя
В реакторных устройствах, работающих по принципу «кипящего», или псевдоожиженного, слоя, твердый теплоноситель находится в виде более или менее тонкого порошка. Под действием потока газа или паров, упорядоченного распределительным устройством (например, решеткой), мелкие частицы теплоносителя приходят в движение, образуя интенсивно перемешиваемый слой, в котором и протекает процесс. Псевдоожиженный слой твердых частиц напоминает жидкость не только по внешнему виду, но и по способности легко перемещаться из одного аппарата в другой по трубопроводам: вниз (под действием силы тяжести) и вверх (с потоком газа или паров).
Вследствие интенсивной массо- и теплопередачи в псевдоожиженном слое можно обеспечить в реакторе практически изотермический режим, что весьма существенно для большинства процессов и упрощает регулирование режима.
§ Лифтного типа
В реакторе лифтного типа контакт сырья с теплоносителем осуществляется в вертикальной или наклонной трубе. Подобное устройство целесообразно для тех случаев, когда необходимо обеспечить короткое время контакта — до нескольких секунд. Размер частиц теплоносителя при этом обычно невелик. Пары сырья движутся прямотоком с частицами теплоносителя, однако вследствие «скольжения» твердых частиц происходит их некоторое отстаивание. Реакторы лифтного типа широко используются в системах каталитического крекинга с мелкодисперсным катализатором и в некоторых модификациях процесса пиролиза.
5. По типу конструкции химические реакторы подразделяют на:
§ Емкостные
Емкостные реакторы − полые аппараты, часто снабженные перемешивающим устройством (рис. а).
Теплообмен осуществляется через поверхность химических реакторов или путем частичного испарения жидкого компонента реакционной смеси.
К реакторам этого типа относят также аппараты с неподвижным или псевдоожиженным слоем (одним или несколькими) катализатора (рис. б).
| Основные типы емкостных реакторов: а − проточный емкостный реактор с мешалкой и теплообменной рубашкой, б − многослойный каталитический реактор с промежуточными и теплообменными элементами. И − исходные вещества, П − продукты реакции, Т − теплоноситель, К − катализатор, Н – насадка, ТЭ − теплообменные элементы. |
§ Колонные
Реакторы колонного типа используют в основном для проведения непрерывных процессов в двух‐ или трехфазных системах.
§ Трубчатые
Трубчатые химические реакторы применяют часто для каталитических реакций с теплообменом в реакционной зоне через стенки трубок и для осуществления высокотемпературных процессов газификации.
| Колонный реактор с насадкой для двухфазного процесса (а) и трубчатый реактор (б). И − исходные вещества, П − продукты реакции, Т − теплоноситель, К − катализатор, Н – насадка, ТЭ − теплообменные элементы. |
Корпус реактора
§ крышка реактора
§ обечайка
Обечайка ‐ деталь цилиндрической формы, в сечении представляет собой кольцо, с торцов не заглушена.
§ днище
1. эллиптическое
2. сферическое
3. коническое
Вывод
Выбор типа реактора для осуществления данного химического процесса зависит от многих факторов, из которых важнейшими являются: необходимость использования катализатора, его свойства и расход; термодинамические особенности процесса – адиабатические, изотермические или политропические условия проведения химической реакции; методы теплообмена, используемые для обеспечения заданного температурного режима в зоне реакции; свойства используемых теплоагентов; периодическое или непрерывное осуществление процесса.