Промислові хімічні реактори

Реактори для здійснення гомогенних процесів

Реактори для гомогенних процесів переважно належать до типової хімічної апаратури, що серійно випускається на машинобудівних підприємствах. Легкість перемішування компонентів гомогенних систем спрощує конструкцію реакторів для здійснення цих процесів.

Усі промислові апарати за характером роботи не відповідають повністю ні реакторам ідеального витіснення, ні реакторам ідеального (повного) змішування. Рушійна сила процесу в реальних реакторах є меншою, ніж у модельних реакторах ідеального витіснення, а перемішування в них необхідне для змішування реаґентів та усунення місцевого перегрівання реакційної суміші. Конструкції реакторів залежать від характеру середовища (газ, рідина), параметрів здійснення процесу і властивостей сполук, що беруть участь в реакціях.

Для газофазових гомогенних процесів переважно використовують камерні і трубчасті реактори. Змішування газів здійснюють у порівняно простих пристроях: соплах, ежекторах, відцентрових лабіринтних і каскадних змішувачах, змішувачах з відбійними перегородками тощо.

Камерні реактори – це циліндричні порожнисті апарати, всередині футеровані термостійкою або кислотостійкою керамікою (рис. 3.35а). Змішувальні пристрої та пальники у цих реакторах виготовляють із легованих сталей або спеціальних металів (наприклад, для змішування водню та хлору в синтезі HCl ежектор виготовляється з танталу). Для інтенсифікації процесів і вирівнювання температурного поля в реакторі часто використовують перегородки, кільцеву насадку, тангенційне подавання газової суміші тощо. Так, для ефективного спалювання сірки її спочатку випаровують, пари сірки змішують з повітрям, а реакцію здійснюють в об’ємі (рис. 3.35б) з перегородками, які необхідні для подовження шляху реаґентів, тобто для збільшення часу перебування реаґентів в апараті. Для хлорування метану використовують реактор, верхня частина якого заповнена насадкою з фарфорових кілець, що забезпечує рівномірний перебіг реакції (рис. 3.36). Усе ширше використовують тангенційне подавання сіміші газів у порожнисті колонні апарати (рис. 3.37). Наприклад, у виробництві сульфатної кислоти для спалювання рідкої сірки використовують більш інтенсивні циклонні печі, реакційний простір яких розділений однією або двома перегородками.

Рис. 3.35а. Схема камерного реактора з ежекторним змішуванням реаґентів:
1 – футерований корпус; 2 – кришка реактора;3 – ежектор

Рис. 3.35б. Схема камерної печі з перегородками: 1 – змішувач; 2 – корпус; 3 – форсунка; 4 – перегородки

За гідродинамічним режимом камерні порожнисті реактори, реактори з пере­городками та з насадкою наближаються до реакторів ідеального витіснення (РІВ), за тепловим режимом – це політермічні реактори, за рухом потоків – прямотечійні. Циклонні камерні реактори за гідродинамічним режимом наближаються до РІВ, за тепловим режимом – ізотермічні, за рухом потоків – прямотечійні.

Рис. 3.36. Схема реактора для хлорування метану: 1 – насадка;
2 – колосникові ґрати; 3 – корпус; 4 – пристрій для циркуляції газу

Рис. 3.37. Колонний порожнистий реактор з тангенційним введенням реаґентів:
1 – штуцер для подавання реаґентів; 2 – корпус; 3 – штуцер для виведення продуктів

Трубчасті реактори за конструкційними особливостями поділяють на два типи: “кожухотрубний теплообмінник” і “труба в трубі”.

У трубчатому реакторі типу “кожухотрубний теплообмінник” (рис. 3.38) газофазові реаґенти подаються трубним, а теплоносій – міжтрубним простором.

Рис. 3.38. Трубчастий реактор типу “кожухотрубний теплообмінник”:
1 – корпус; 2 – труби;3 – трубні ґрати

Рис. 3.39. Схема реактора типу “труба в трубі”: 1 – внутрішня реакційна труба; 2 – зовнішня труба – оболонка

Реактори типу “труба в трубі” (рис. 3.39) зазвичай використовують для реакцій, що відбуваються з великим тепловим ефектом. Кількість труб, розміщених послідовно і з’єднаних колінами, може сягати 15 і більше – разом вони утворюють секцію. У реакторах великої потужності встановлюють десятки секцій, які об’єднують колекторами.

Трубчасті реактори за гідродинамічним режимом наближаються до РІВ, за тепловим режимом – переважно політермічні, за рухом потоків – зазвичай прямотечійні.

Для рідкофазових гомогенних процесів використовують реактори з перемішувальними пристроями, камерні, трубчасті, багатосекційні реактори, автоклави (апарати, що працюють під тиском).

Більшість реакторів із перемішувальними пристроями – це циліндричні порожнисті апарати, перемішування в яких здійснюється механічними мішалками (рис. 3.40) чи пневматично або за допомогою струменево-ежекторного пристрою.

Рис. 3.40. Схема реактора з механічним перемішуванням: 1 – корпус;
2 – кришка;3 – теплообмінна оболонка; 4–мішалка

Вид мішалки, яку застосовують для перемішування певного реакційного середовища, залежить від його густини і в’язкості, а також розмірів апарата. До найпоширеніших видів механічних мішалок належать пропелерні, лопатеві, рамні, якірні, турбінні тощо. Значно рідше застосовують мішалки шнекового типу.

У реакторах з пневматичним перемішуванням воно здійснюється внаслідок барботування через шар рідини повітря або іншого газу (рис. 3.41), що подається через перфорований барботер.

Струменево-ежекторне перемішування здійснюється так: у внутрішню трубку ежектора меншого діаметра (дифузор) подають суміш реаґентів, яка, виходячи з нього, створює потужний циркулюючий струмінь (рис. 3.42). Інтенсифікація процесу в цьому випадку досягається як внаслідок інтенсивного перемішування реаґентів, так і їх циркуляції в реакційному об’ємі.

Рис. 3.41. Схема реактора з пневматичним перемішуванням:
1 – корпус; 2 – перфорований барботер

Рис. 3.42. Схема реактора із струменево-ежекторним перемішуванням:
1 – корпус; 2 – центральна труба для введення реаґентів; 3 – ежектор

Більшість апаратів із перемішувальними пристроями мають теплообмінні оболонки. За гідродинамічним режимом усі ці апарати наближаються до РІЗ (безперервної або періодичної дії), за тепловим режимом – переважно ізотермічні (рідше – адіабатичні), за рухом потоків – прямотечійні.

З метою збільшення ступеня перетворення і відповідно виходу продукту, використовують багатоступеневі каскади реакторів з перемішувальними пристроями, кожний з яких працює як РІЗ-Б; вони зазвичай є ізотермічними або політермічними, а рух фаз у них – прямотечійний (рис. 3.10).

Камерні реактори для рідкофазових процесів – це переважно колонні апарати із вмонтованими теплообмінними елементами, робота яких за гідродинамічним режимом наближається до РІВ, тепловий режим – адіабатичний, а рух потоків – прямотечійний. Для перемішування реакційної суміші і вирівнювання температури реакційний простір у таких апаратах деколи розділяють на секції ґратами або перфорованими перегородками (рис. 3.43).

Рис. 3.43. Схема реактора з перфорованими перегородками:
1 – корпус; 2 – перфоровані перегородки

Трубчасті реактори для рідкофазових процесів за конструкцією, тепловим режимим та рухом реакційних мас аналогічні реакторам для газофазових процесів.

Реактори для здійснення гетерогенних процесів у системі газ–рідина

Для здійснення гетерогенних процесів у системі Г–Р використовують типове обладнання, в якому відбуваються не тільки хімічні, але й фізичні масообмінні (абсорбція й десорбція, випаровування, дистиляція та ректифікація, промивання газів тощо) та теплообмінні процеси.

Залежно від конструкції, режиму руху та методів організації контакту гозової та рідкої фаз, тобто способів збільшення площі поверхні рідкої фази, розрізняють колонні, пінні та трубчасті реактори.

Колонні реактори поділяються на: плівкові (насадкові, трубчасті та пластинчаті); барботажні (з ситоподібними або ковпачковими тарілками); з розпилюванням рідини (порожниста колона, циклонний скрубер, реактор з розпиленням рідини типу “труба Вентурі” тощо). За режимом руху фаз ці реактори можуть бути прямотечійними, протитечійними та із перехресним рухом фаз.

У колонних плівкових реакторах контакт фаз відбувається на поверхні насадки (рис. 3.44,а), якою рідина стікає тонкою плівкою.

Плівковий реактор – це циліндрична колона, в нижній частиній якої розміщена опорна тарілка (колосник). На ній насипом (навалом) або впорядкованими рядами вкладають насадку, що зрошується рідиною, яка подається зверху через спеціальні зрошувальні пристрої. За гідродинамічним режимом ці реактори наближаються до РІВ; працюють переважно у протитечійному режимі; за тепловим режимом роботи – адіабатичні.

Насадки повинні відповідати таким вимогам: мала насипна маса, велика питома площа поверхні, великий вільний об’єм, низький гідравлічний опір, добре змочування та рівномірність розподілу рідини, висока механічна міцність і корозійна стійкість у різних хімічних середовищах. Універсальних насадок, які відповідали б усім зазначеним вимогам не існує, тому при їх виборі керуються конкретними умовами роботи реактора. У промисловості переважно використовують насадки різної форми, а саме: кільцеву (переважно кільця Рашига), сідла, хордову тощо.

Насадкові колони дуже широко використовують для абсорбційно-десорбційних процесів, зокрема у виробництві сульфатної, нітратної кислот, переробленні коксового газу, в процесах органічного синтезу тощо.

До плівкових колонних реакторів належать також реактори з листовою насадкою і трубками (рис. 3.44,б).

Рис. 3.44. Плівкові колонні реактори: а – з насадкою; б – з трубками:
1 – корпус; 2 – насадка; 3 – ґрати; 4 – трубки

У цих реакторах розвиток поверхні контакту газової та рідкої фаз здійснюється розподілом рідини поверхнею пластин або труб (внутрішньою), яка тонкою плівкою стікає донизу протитечійно (рідше – прямотечійно) до руху газу. За гідродинамічним режимом ці апарати наближуються до РІВ, за температурним режимом – адіабатичні або (рідше) ізотермічні.

Колонні плівкові листові та трубчасті реактори в промисловості використовуються значно рідше ніж насадкові.

Переваги колонних плівкових реакторів: конструктивно прості, надійні в роботі, легко керовані, мають стійкі режими роботи, невеликі енерговитрати за газом.

Недоліки колонних плівкових реакторів: порівняно невисока інтенсивність роботи, значні витрати енергії за рідиною, велика витрата металу на їх виготовлення, громіздкість, труднощі з відведенням теплоти.

Принцип роботи барботажних реакторів полягає в барботажі газу через шар рідини та диспергуванні бульбашок у цьому шарі. Поверхня масообміну в барботажних апаратах, де рідина є однорідним середовищем, а газ – дисперс­ною фазою, еквівалентна сумарній поверхні бульбашок газу. Залежно від спосо­бу створення міжфазної поверхні (поверхні масообміну) барботажні реактори поділяються на апарати із суцільним барботажним шаром, тарілчастого типу, з плаваючою рухомою насадкою та з механічним перемішуванням рідини.

Реактори із суцільним барботажним шаром (рис. 3.45,а) – це порожнисті циліндричні апарати, у нижній частині яких знаходиться перфорована тарілка (ґрати), що служить для розподілу потоку газу на окремі струмені чи бульбашки. На тарілці знаходиться шар рідини, через який барботує газ – при цьому утворюється суцільний барботажний шар.

Рис. 3.45. Барботажні реактори:а – із суцільним барботажним шаром;
б – тарілковий із ситоподібними тарілками; в – тарілковий із ковпачковими тарілками; г – з плаваючою насадкою: 1 – корпус; 2 – ґрати (перфорована тарілка);
3 – ситоподібні тарілки; 4 – тарілка; 5 – ковпачки;
6 – переливний пристрій; 7 – плаваюча насадка

Недоліком таких реакторів є порівняно невисока швидкість руху газу (0,3...0,4 м/с) і наявність поздовжнього перемішування рідини, що зменшує інтенсивність масопередачі.

Значно вищі інтенсивність роботи та селективність процесу мають тарілчасті апарати(рис. 3.45,б,в). За допомогою тарілок досягається збільшення площі контакту газової та рідкої фаз. Залежно від конструкції тарілок і швидкості проходження газу через шар рідини розрізняють три гідродинамічні режими роботи барботажних апаратів: бульбашковий, пінний і струменевий (цівковий). Кожен із цих режимів відрізняється структурою барботажного шару, від якої залежить поверхня масопередачі, гідравлічний опір шару та масообмінні характеристики апарата.

За способом організації відносного руху газу і рідини розрізняють тарілки з перехресним (ковпачкові, ситоподібні, клапанні, з S-подібними елементами і ковпачково-ситоподібні тарілки), прямотечійним (тарілки струминні, лускуваті, пластинчаті та з відбійними елементами) і протитечійним (провальні тарілки) рухом фаз.

У нижній частині реактора з плаваючою (рухомою) насадкою (рис. 3.45,г) встановлено перфоровану тарілку з розміщеною на ній насадкою, яка внаслідок висхідного руху потоку розчину набуває плавучості. Як насадку використо­вують порожнисті або суцільні кулі, а також укорочені кільця Рашіга, напівкільця, ребристу насадку, кубики, піраміди, диски, воланчики, напівсфери тощо. Насадку виготовляють із полімерних матеріалів, ґуми, легких металів і сплавів. Найефективнішою є кульова насадка з полімерних матеріалів, що легко переходить у завислий стан. Зазвичай у таких апаратах над шаром насадки встановлюють ґрати для запобігання винесення насадки.

Перевагою апаратів цього типу є висока інтенсивність за помірного гідравлічного опору.

Барботажні реактори з механічним перемішуванням рідиниконструк­тивно є аналогічними до реакторів для здійснення гомогенних рідкофазових процесів (див. ч.1, 3.41).

Серед недоліків цих реакторів слід зазначити підвищене бризковинесення і стирання насадки.

Принцип роботи реакторів з розпилюванням рідкої фази полягає у диспергуванні рідини в потоці газу. У цьому випадку суцільною фазою є газовий потік, а дисперсною – рідина. Поверхня масообміну дорівнює сумарній поверхні крапель, що утворюються внаслідок розбризкування рідини.

За способом створення міжфазної поверхні реактори з розпиленням поділяють на форсункові, швидкісні прямотечійні та механічні.

У реакторах з форсунковими розпилювачами міжфазна поверхня формується внаслідок розпилення рідини в реакційному об’ємі форсунками (рис. 3.46).

Установлення форсунок у реакторі і напрям факелу розпилювання може бути найрізноманітнішим: рух фаз може бути перехресним, прямо- або протитечійним з радіальним, тангенціальним або осьовим введенням газу в апарат. Гідродинамічний режим роботи таких апаратів наближається до РІВ за газом і РІЗ за рідиною, тепловий режим – переважно адіабатичний.

Рис. 3.46. Реактори з розпиленням рідини з різним розташуванням форсунок:
а – на внутрішній поверхні корпусу; б – на центральному колекторі: 1 – корпус; 2 – колектор; 3 – форсунки

У прямотечійних розпилювальних реакторах диспергування рідини здійснюють за допомогою газового потоку. За способом створення міжфазної поверхні швидкісні прямотечійні розпилювальні реактори поділяються на два типи: 1) рідина розпилюється газовим потоком за плівкового, струменевого чи форсункового введення рідини; 2) рідина розпилюється внаслідок ударяння газового потоку об поверхню рідини.

До першої групи апаратів належать швидкісні реактори типу “труба Вентурі” (рис. 3.47). Велика швидкість газу на виході з дифузора спричиняє тонке диспергування рідини з утворенням розвиненої поверхні масообміну в конфузорі. Інтенсивний масообмін забезпечується як розвиненою поверхнею контакту фаз, так і зростанням швидкості конвективної (турбулентної) дифузії. Захоплені газовою фазою краплі рідини відділяються в сепараторі внаслідок зміни напрямку руху газу.

Апарати другої групи, наприклад, скрубер Дойля (рис. 3.48,а) – це ємність з перегородками, в яку введені труби з конічними соплами. Різновидом апаратів, що працюють за аналогічним принципом, є ротоклон (типу N) (рис. 3.48,б): газ захоплює рідину і затягує її поміж лопатки. Рідина при цьому диспергується до крапель, плівок, цівок, утворюючи суцільний шар піни.

Рис. 3.47. “Труба Вентурі”: 1 – конфузор; 2 – дифузор; 3 – сепаратор

Рис. 3.48. Скрубери ударної дії: а – Дойля; б – ротоклон N: 1 – корпус;
2 – штуцер для введення газу; 3 – конічне сопло; 4 – штуцер для виведення газу;
5 – перегородка; 6 – напрямні; 7 – краплевідбійник

Характерною особливістю реакторів з механічним розпиленням рідини є наявність розпилювального пристрою, наприклад, ротора, диска, ковшів тощо. У цих апаратах досягається дуже інтенсивний масообмін. За способом розміщення ротора розрізняють вертикальні і горизонтальні реактори. У горизонтальних апаратах розпилення рідини здійснюється також валками, дисками, ковшами тощо.

Високоефективними є апарати з диспергуванням рідини за допомогою ковшоподібних розбризкувальних пристроїв, конструкцію яких було розроб­лено на кафедрі ХТНР Національного університету “Львівська політехніка”. Абсорбери з такими розбризкувачами (рис. 3.49) використовуються у низці промислових процесів, зокрема, для очищення газів від сірководню, сірки (IV) оксиду тощо.

Рис. 3.49. Скруберна камера з механічними ковшоподібними розбризкувачами:
1 – корпус; 2 – вал; 3 – ковшоподібні розбризкувачі

Реактори з механічним розпиленням рідини працюють як каскад РІЗ за рідиною і РІВ за газом; вони можуть працювати у проти- або прямотечійному режимі руху фаз; за тепловим режимом – адіабатичні.

Переваги реакторів з розпиленням рідини: простота конструкції, висока продуктивність, низький гідравлічний опір, легка керованість, відсутність забивання під час очищення газів, які містять тверду фазу, низька витрата матеріалів на їх виготовлення, здатність працювати в широкому діапазоні навантажень за газом і рідиною.

Недоліки реакторів із розпиленням рідкої фази: підвищене бризко­винесення, що вимагає встановлення додаткових краплеуловлювачів. Крім того, в таких апаратах важче досягнути рівномірного руху газового і рідинного потоків. До недоліків у роботі більшості реакторів з механічним диспергуванням рідини належить наявність рухомих частин.

У пінних реакторах (рис. 3.50) швидкість газу повинна бути такою, щоб сили тертя газу рідиною зрівноважували силу ваги рідини на тарілці. При цьому на тарілці відбувається інтенсивне подрібнення потоку газу на дрібні бульбашки і струминки з утворенням на тарілці шару піни. Крім того, під дією газового потоку відбувається відривання крапель і плівок рідини з її поверхні, що також сприяє різкому збільшенню площі контакту фаз.

За конструкцією пінні апарати поділяють на одно- і багатополичкові. У багатополичкових апаратах рідина з полиці на полицю переміщається або через переливні пристрої, або через отвори на тарілках провального типу.

Пінні реактори працюють як адіабатичні РІЗ-Б, в яких реалізується перехресний рух фаз. Перевагами пінних апаратів є дуже висока інтенсивність роботи та низька матеріалоємність. Але вони характеризуються недостатньою стабільністю технолоґічного режиму та значними енерговитратами за газом.

Рис. 3.50. Пінні реактори: а – однополичковий; б – багатополичковий:
1 – корпус; 2 – полиця

Для здійснення окремих процесів у системі газ–рідина використовують трубчасті реактори типу “труба в трубі”, які за конструкцією практично не відрізняються від реакторів для здійснення газофазових гомогенних процесів (рис. 3.39). За характером перемішування вони наближуються до РІВ, за рухом фаз: прямо- або протитечійні, за тепловим режимом: ізотермічні або політермічні (за наявності теплообмінної оболонки).

До переваг таких реакторів належать простота конструкції, легкість керування та регулювання режиму роботи, а головним недоліком є низька інтенсивність.