Выбор реактора

Выбор реактора для проведения каталитического процесса до сих пор не является полностью формализованной процедурой и основан на ряде качественных соображений и данных о кинетике и механизме процесса, роли массо- и теплообменных процессов, коррозионной активности и фазовом составе реакционной среды и т.д.

В соответствии с характером организации процессов во времени (периодические и непрерывные) реакторы подразделяют на закрытые и открытые, соответственно. Закрытые реакторы дешевле с точки зрения капитальных затрат, позволяют более гибко управлять процессом, но сложнее в обслуживании и процессы, проводимые в них труднее автоматизировать. Реакторы этого типа удобны для малотоннажных производств с часто изменяющейся номенклатурой продукции.

Открытые реакторы используют для проведения непрерывных процессов. Они обладают, как правило, большой производительностью, легко автоматизируются, поскольку чаще всего работают в стационарном режиме, проще, чем закрытые, в обслуживании, но их создание связано с большими капитальными затратами. Открытые реакторы целесообразно использовать только в высокопроизводительных многотоннажных процессах.

С точки зрения температурного режима различают изотермические и адиабатические реакторы. В изотермических реакторах необходимо поддерживать постоянную (оптимальную) температуру за счёт теплообмена. Подводить тепло для проведения эндотермических процессов и отводить тепло, выделяющееся в ходе экзотермических превращений. Теплообмен может быть осуществлен за счёт внешних или внутренних теплообменных устройств (рубашка на реакторе, через которую циркулирует тепловой агент, встроенные теплообменники или змеевики, выносные теплообменники). Очень часто тепловой эффект экзотермического процесса может быть снят за счёт испарения, конденсации, охлаждения и возвращения в реактор части растворителя. В этом случае реактор снабжают дефлегматором.

В адиабатических реакторах чаще всего проводят экзотермические процессы. Оптимальная температура в этом случае устанавливается и поддерживается за счёт тепла, выделяющегося в ходе процесса (автотермический режим). Температуру в таких реакторах регулируют за счёт изменения соотношения исходных реагентов и нагрузки на реактор (изменение объёмной скорости). Реакторы такого типа, как правило, теплоизолированы, и теплообмен с окружающей средой осуществляется только за счёт входных и выходных потоков.

Интенсивность массообмена в реакторе имеет принципиальное значение для процессов в гетерофазных системах (то есть, имеющих хотя бы одну границу раздела фаз). Влияние внешней диффузии могут испытывать гетерогенно-каталитические процессы, протекающие в системах «газ - твердое тело», «жидкость – твёрдое тело», «газ – жидкость - твёрдое тело» и гомогенно-каталитические процессы в системах «газ – жидкость», «жидкость – жидкость», «газ – жидкость – жидкость». Скорость внешней диффузии зависит от толщины ламинарной плёнки, образующейся на поверхности твёрдого тела, для систем, включающих твёрдый реагент или катализатор, и от величины межфазной поверхности. И толщина ламинарной плёнки, и величина поверхности раздела фаз (в случае систем «газ – жидкость», «жидкость – жидкость», «газ – жидкость – жидкость») определяются интенсивностью перемешивания, которая, в свою очередь, зависит от типа реактора, линейных скоростей потоков типа перемешивающих устройств и энергии, затрачиваемой на перемешивание.

Широко используемый для систем «газ – жидкость» тип перемешивания – барботаж применяется в аппаратах колонного типа, снабженных газораспределительным устройством. Пузырьки газа свободно поднимаются в жидкой фазе и создают межфазную поверхность, через которую происходит растворение газа. Эффективность перемешивания зависит, в первую очередь, от скорости газового потока. Для увеличения интенсивности движения газа часто организуют циркуляцию газа, заполняют колонны насадкой с развитой поверхностью. Когда этого оказывается недостаточно, используют сосуды, снабженные приспособлениями для перемешивания. Этот очень распространенный тип реакторов, особенно в малотоннажной химической технологии, можно использовать в широких диапазонах давления и температуры при малой и средней производительности установок периодического и непрерывного действия. Перемешивание осуществляют мешалками различного типа, главным образом турбинными или пропеллерными. Кроме того, перемешивание может быть организовано за счёт циркуляции (внутренней или внешней) жидкой фазы.

Внутреннюю циркуляцию используют в реакторах типа «эр-лифт», снабженных внутренней, соосной с корпусом реактора кольцевой перегородкой, имеющей высоту примерно 2/3 от высоты реактора (рис. 9). Газораспределительное устройство направляет газ по внутренней трубе. Жидкая фаза переливается через перегородку из-за разности плотности жидкости во внутренней части реактора, содержащей газовые пузыри, и во внешней части кольцевого сечения, почти не содержащей пузырьков газа. Во внутреннюю часть реактора жидкая фаза попадает через специальные отверстия в нижней части перегородки. Внешнюю циркуляцию жидкой фазы обеспечивают с помощью специального циркуляционного контура и наружного или погружного насоса. При необходимости во внешний циркуляционный контур помещают теплообменник, позволяющий поддерживать оптимальную температуру в реакторе.

В небольших реакторах перемешивание можно обеспечить путём качания, встряхивания или переворачивания всего сосуда.

Для грубой ориентировки эффективность перемешивания определяют по потребляемой мощности на единицу объёма реактора в соответствии с таблицей (табл. 10).

Рис. 9. Реактор для систем «газ-жидкость» с внутренней циркуляцией жидкости – эр-лифт.

Таблица 10

Связь качества перемешивания с удельным расходом энергии

Особенности кинетической модели и механизма процесса, свойства исходных, конечных и промежуточных веществ также важно учитывать при выборе типа реактора. Существует три идеальных модели реакционного аппарата (узла) (смотри курс «Моделирование химико-технологических процессов»).

А. Реактор полного (идеального) смешения (открытый или закрытый) (РИС).

Б. Реактор идеального вытеснения (РИВ).

В. Каскад реакторов идеального смешения.

Реальные реакторы в большинстве своём представляют промежуточные между этими крайними случаями варианты.

Реактор полного смешения является безградиентным, то есть концентрации всех веществ во всём объёме проточного (открытого) реактора равны концентрациям соответствующих веществ на выходе из него. В связи с этим для процессов, описываемых кинетическими моделями с относительно высокими порядками по реагентам, возникает отрицательная обратная связь между степенью превращения реагентов и скоростью (производительностью) процесса по целевым продуктам. Чем больше степень превращения, тем меньше концентрации реагентов в реакторе и меньше производительность. Для достижения необходимой производительности приходится увеличивать объём реактора количество катализатора. Соответственно возрастают капитальные затраты. Другой путь – использование каскада аппаратов типа полного смешения также связан с дополнительными затратами, но может оказаться более эффективен, чем предыдущий, так как потребует применения меньшего суммарного объёма аппаратов и катализатора по сравнению с вариантом одного реактора для достижения той же производительности.

Еще более производителен в принципе реактор идеального вытеснения, так как в нём концентрации реагентов уменьшаются по длине аппарата (с увеличением времени пребывания), а не «скачком» на входе в реактор, как в случае РИС.

Сосуды с различными перемешивающими устройствами, о которых написано выше, весьма близки по характеру распределения температур и концентраций веществ к РИС. Трубчатые реакторы ближе по характеристикам к РИВ. Эти аппараты как правило более экономичны, чем РИС и позволяют для достижения той же величины степени превращения использовать существенно меньшие объёмы. Относительно легко в трубчатых реакторах решаются проблемы тепло- и массообмена. Их применяют в непрерывных процессах большой производительности.

В последние годы появилось достаточно много исследований по микрореакторам, обладающим определенными преимуществами перед традиционными аппаратами. Для проведения каталитических реакций катализатор в виде тонкой плёнки наносят на стенки микроканалов диаметром 0, 2 – 0, 5 мм. Микроструктурированные реакторы позволяют достичь более высокой каталитической активности и (или) селективности. Правда, технология приготовления таких катализаторов достаточно сложна, а методики регенерации отсутствуют. К числу преимуществ таких реакторов относятся компактность, отсутствие проблем тепло- и массопереноса из-за малых размеров и высокой удельной поверхности микроканалов (10000 – 30000 м²/м³). В настоящее время реакторы такого типа находят применение в тонком органическом синтезе.