Реактори для здійснення гетерогенного каталізу

Гетерогенні каталітичні процеси (як газо-, так і рідкофазові) зазвичай здійснюють з використанням твердих каталізаторів у реакторах, які ще називають контактними апаратами (КА). До контактних апарати ставлять такі вимоги: безперервний режим роботи, висока інтенсивність роботи, забезпечення оптимального (особливо температурного) режиму процесу, мінімальний гідравлічний опір, простота конструкції й легкість обслуговування.

Каталітичні реактори класифікують за фазовим станом реаґентів і каталізатора, способом контакту між реаґентом і каталізатором, конструктив­ним виконанням теплообмінних пристроїв.

За фазовим станом реаґентів і каталізатора каталітичні реактори поділяють на чотири групи.

І. Реакційне середовище – газ; каталізатор – твердий:

1) КА поверхневого контакту;

2) КА з фільтрувальним (нерухомим) шаром каталізатора;

3) КА із псевдозрідженим (киплячим) шаром каталізатора;

4) КА з рухомим каталізатором.

ІІ. Реакційне середовище – рідина; каталізатор – твердий:

1) реактори з нерухомим каталізатором;

2) реактори із псевдозрідженим (киплячим) шаром каталізатора;

3) реактори з потоком завислих частинок каталізатора в рідині;

4) реактори з мішалками.

ІІІ. Реакційна система: газ–рідина; каталізатор – рідина або суспензія (завислі частинки каталізатора у рідині):

1) плівкові насадкові колони;

2) барботажні колони;

3) реактори з мішалками.

ІV. Реагуючі речовини – рідини, що не змішуються; каталізатор – рідина: реактори з мішалками.

Більшість промислових каталітичних реакторів належить до групи І.

У КА поверхневого контакту(рис. 3.61) застосовують каталізатор, виготовлений у вигляді сіток або труб, через які проходить газ.

Каталіз відбувається лише на поверхні каталізатора. У таких КА поверхня контакту є невеликою, тому їх застосовують тільки для швидких екзотермічних реакцій на високоактивному каталізаторі, що забезпечує вихід, близький до теоретичного. Каталізаторні сітки закріплюють горизонтально одна над одною у вигляді пакета. Пакет може містити від декількох до декількох десятків сіток. Необхідна для перебігу каталітичного процесу температура забезпечується переважно теплотою екзотермічних реакцій, що відбуваються на каталізаторних сітках. Час контактування газу з поверхнею сіток становить від десятитисячних до тисячних часток секунди.

Інколи для ефективного використання теплоти екзотермічних реакцій процес здійснюють в контактних апаратах, в яких каталізатор нанесений на поверхню теплообмінних трубок.

На сьогодні найпоширенішими є контактні апарати з фільтрувальним шаром каталізатора. У цих апаратах один або декілька шарів каталізатора (контактної маси) нерухомо розміщені на полицях або завантажені в трубах. Через нерухомий шар каталізатора проходять (профільтровуються) газоподібні або рідкі реаґенти у гідродинамічному режимі, наближеному до ідеального витіснення. Каталізатор для таких реакторів виготовляють у вигляді зерен, таблеток, циліндриків, зірочок або гранул різних розмірів, але, як правило, не менше 4…5 мм у перерізі. За менших розмірів частинок різко зростає гідравлічний опір апарата, погіршується теплообмін із реакційним середо­вищем, унаслідок чого можливе спікання каталізатора. За більших розмірів мало використовується внутрішня поверхня частинок каталізатора.

Рис. 3.61. Контактний апарат поверхневого контакту: 1 – вхідний штуцер;
2 – верхня конусна частина корпусу; 3 – пакет каталізаторних сіток;
4 – нижня конусна частина корпусу; 5 – вихідний штуцер

Маса завантаженого каталізатора, кількість шарів каталізатора, їх висота та розміщення в контактному апараті залежать від активності каталізатора, термодинамічних характеристик каталітичного процесу, умов теплообміну тощо. Чим активніший каталізатор, вищий рівноважний вихід продукту та більша швидкість реакції, тим меншою є маса каталізатора, яку необхідно завантажувати в реактор.

Конструктивні особливості контактних апаратів з фільтрувальним шаром каталізатора переважно визначаються конструкцією і розташуванням теплообмінних пристроїв, оскільки підтримування оптимального температур­ного режиму є найскладнішим завданням під час конструювання цих реакторів. У випадку перебігу ендотермічних процесів теплоту необхідно підводити у зону каталітичної реакції, а екзотермічних – відводити. Для багатьох технолоґічних каталітичних процесів з метою запобігання побічних реакцій необхідне тонке (точне) регулювання температурного режиму.

Контактні апарати з фільтрувальним шаром каталізатора без теплообмінних пристроїв (рис. 3.62) є найпростішими за конструкцією; вони працюють як адіабатичні реактори. Температурний режим таких апаратів регу­люється тільки зміною складу та температури початкового газу. Ці апарати застосовують у таких випадках: 1) якщо реакція належить до практично необо­ротних екзотермічних; 2) за низьких початкових концентрацій реаґентів; 3) якщо екзотермічні процеси, що відбуваються, мають незначний тепловий ефект.

Маса завантаженого каталізатора, якщо його активність є порівняно невисокою, може бути доволі значною, а його висота сягатиме декількох метрів.

Рис. 3.62. Схема контактного апарата з фільтрувальним шаром каталізатора
без теплообмінних пристроїв: 1 – вхідний штуцер; 2 – корпус; 3 – шар каталізатора;
4 – колошникові ґрати; 5 – вихідний штуцер

Оскільки зазначені реактори працюють в адіабатичному режимі, то внаслідок перебігу екзотермічного процесу температура в шарі каталізатора зростатиме пропорційно збільшенню ступеня перетворення. Для оборотної екзотермічної реакції, що здійснюється в контактному апараті з фільтрувальним шаром каталізатора без теплообмінних пристроїв, залежність ступеня перетворення від температури має вигляд, наведений на рис. 3.63.

Рис. 3.63. Залежність ступеня перетворення х_А від температури Т та величини адіабатичного коефіцієнта l для оборотних екзотермічних реакцій у контактних апаратах з фільтрувальним шаром каталізатора без теплообмінних пристроїв: l₁ < l₂

Із зростанням адіабатичного коефіцієнта, тобто із збільшенням теплового ефекту реакції, ступінь перетворення реаґентів і відповідно вихід продуктів зменшується внаслідок зростання температури в шарі каталізатора.

Такі апарати є конструктивно простими, але їх використання обмежене у зв’язку із неможливістю забезпечення оптимального температурного режиму.

У більшості сучасних контактних апаратів оптимальний температурний режим забезпечують теплообміном, причому способи відведення і підведення теплоти є однотипними як для екзо-, так і для ендотермічних процесів. За способом підведення (або відведення) теплоти розрізняють такі контактні апарати:

І. КА з періодичним підведенням або відведенням теплоти.

ІІ. КА із зовнішніми теплообмінниками.

ІІІ. КА з внутрішніми теплообмінниками:

1) поличкові (із ступінчастим відведенням теплоти):

а) з проміжним теплообмінниками між полицями;

б) з проміжним охолодженням додатковим введенням холодних реаґентів.

2) трубчасті (з безперервним підведенням або відведенням теплоти):

а) з розміщенням каталізатора в трубках;

б) з розміщенням каталізатора в міжтрубному просторі.

ІV. Контактні апарати з комбінуванням декількох способів теплообміну.

Апарати з періодичним відведенням і підведенням теплоти використовуються переважно для ендотермічних каталітичних реакцій. Вони, як правило, одношарові (рис. 3.62), зверху теплоізольовані. Принцип їх роботи полягає в почерговому подаванні в шар каталізатора або реаґентів, або теплоносія (паливні гази, перегріта пара, повітря). Теплоносій розігріває шар каталізатора, ґрати і футерування до температури реакції, після чого в реактор подають реакційну суміш. Каталізатор, ґрати і футерування акумулюють теплоту. Деколи на ґрати під каталізатор насипають шар інертного матеріалу – акумулятора теплоти, що збільшує загальну кількість акумульованої апаратом теплоти і період його роботи. Такі апарати характеризуються періодичністю роботи, низькою продуктивністю, а тому є малоефективними.

У контактних апаратах із зовнішніми теплообмінниками каталізатор розділяють на декілька шарів, які розміщують на окремих полицях. Кожна полиця розглядається як окремий ступінь контактування. Підтримування температурного режиму, близького до оптимального, здійснюють теплообміном між стадіями контактування (полицями). Принципову схему контактування з проміжним теплообміном у зовнішніх теплообмінниках зображено на рис. 3.64.

Рис. 3.64. Схема контактного апарата із зовнішними теплообмінниками:
1, 2, 3 – окремі шари каталізатора (контактні апарати); 4, 5, 6 – теплообмінники

Такі схеми переважно використовують для оборотних екзотермічних процесів. Свіжі газоподібні реаґенти послідовно подаються в міжтрубний простір теплообмінників (6, 5, 4), де нагріваються за рахунок теплоти прореагованих газових сумішей окремих стадій процесу, до температури початку каталітичної реакції (температури запалювання каталізатора Т_з). При цьому гази, які рухаються трубним простором, охолоджуються, що дає змогу змістити рівновагу в бік цільового продукту на наступній стадії контактування. Потім реаґенти послідовно проходять через шари каталізатора в контактних апаратах і трубний простір відповідних теплообмінників.

Відповідно до загальних кінетичних закономірностей, вихід продукту в каталітичному процесі в часі зростає за логарифмічною залежністю. Тому приріст ступеня перетворення реаґентів (або приріст виходу продукту) в кожному наступному контактному апараті (ступені контактування) зменшується (рис. 3.65). Відповідно поступово зменшується кількість теплоти, яку потрібно відвести з кожного шару. За наявності теплової ізоляції апаратів у кожному шарі каталізатора відбувається адіабатичний процес зростання температури пропорційно підвищенню ступеня перетворення (рис. 3.65).

Рис. 3.65. Залежність ступеня перетворення від температури для триступеневого контактування (за рис. 3.64): І – рівноважна крива; ІІ – лінія оптимальних температур; 1, 2, 3 – адіабати в шарі каталізатора; 4, 5, 6 – лінії охолодження
в теплообмінниках; Dх₁, Dх₂ , Dх₃ – приріст ступеня перетворення в шарах каталізатора (Dх₁>Dх₂>Dх₃); х₁, х₂ , х₃ – загальний ступінь перетворення
в контактному апараті

Маса каталізатора в апаратах, як правило, послідовно зростає. Але ступінь перетворення в кожному наступному реакторі послідовно знижується. Охолодження газу в теплообмінниках відповідає горизонталям. Ступінь перетворення в кожному шарі каталізатора обмежений кривою рівноваги і тільки в першому шарі він є максимальним і близьким до рівноважного х_A1 @ х_р. Отже, чим більше ступенів контактування з проміжним охолодженням має контактний апарат, тим вищим є вихід продукту, а режим – ближчим до оптимального. У сучасних контактних апаратах проміжний теплообмін найчастіше здійснюють у внутрішніх теплообмінниках, розміщених безпо­середньо в поличковому реакторі між шарами каталізатора.

Принципову схему поличкового контактного апарата наведено на рис. 3.66.

Рис. 3.66. Поличковий контактний апарат з проміжними теплообмінниками:
1 – перфорована поличка; 2 – теплообмінник; 3 – перегородка; І, ІІ, ІІІ, IV – шари каталізатора за ходом газу

Теплообмінники у таких апаратах розташовані між перфорованими полицями з контактною масою. Подавання газу зверху донизу здійснюється для меншого стирання частинок каталізатора. Висота шару каталізатора в таких апаратах зростає за рухом газу, бо швидкість реакції зменшується, а тому для збільшення ступеня перетворення необхідно збільшувати час контактування. Висота теплообмінників, навпаки, зменшується за ходом газу, бо із збільшенням загального ступеня перетворення зменшується кількість теплоти, що виділяється. Охолодження продуктів реакції, які рухаються трубним простором вмонтованих теплообмінників, здійснюють реаґентами, які проходять міжтрубним простором. Унаслідок цього реаґенти нагріваються до температури початку реакції – температури запалювання каталізатора. Графічна залежність ступеня перетворення від температури для цих контактних апаратів аналогічна такій залежності для контактних апаратів з виносними теплообмінниками (рис. 3.65). Проте в контактних апаратах з проміжним теплообміном використання теплоти реакції є гіршим, ніж в реакторах з виносними теплообмінниками.

У деяких випадках для проміжного охолодження реакційної суміші між шарами каталізатора вмонтовують водяні холодильники (рис. 3.67). Таке охолодження застосовують, якщо вихідні реаґенти підігрівати не потрібно.

Рис. 3.67. Поличковий контактний апарат з проміжними водяними
теплообмінниками: 1 – перфорована поличка; 2 – теплообмінник;
І, ІІ, ІІІ – шари каталізатора за ходом газу

Контактні апарати з проміжним охолодженням унаслідок введення холодних реаґентів застосовують для здійснення екзотермічних оборотних процесів, коли один із реаґентів є дешевим і можна застосувати його надлишок. Такими реаґентами можуть бути повітря, вода або водяна пара тощо. Наприклад, під час контактного окиснення сірки (ІV) оксиду до сірки (VІ) оксиду у виробництві сульфатної кислоти у газовий потік перед останнім шаром каталізатора вводять холодне повітря.

У каталітичній конверсії вуглецю (ІІ) оксиду за реакцією

СО + Н₂О Û СО₂ + Н₂ + Q

охолодження реакційної суміші здійснюють водою (рис. 3.68).

Гарячі реаґенти, нагріті до температури запалювання каталізатора, надходять на І-й шар каталізатора.

Рис. 3.68. Поличковий контактний апарат із проміжними введенням холодних реаґентів: 1 – перфорована полиця; 2 – пристрій для розбризкування;І, ІІ, ІІІ – шари каталізатора за ходом газу

Тут унаслідок екзотермічної реакції температура реакційної суміші зростає. Її охолоджують між першим та другим шарами каталізатора, розпилюючи холодну воду. Вода внаслідок контакту з гарячими газами випаровується, що спричиняє, по-перше, зменшення температури газової суміші, а, по-друге, збільшення концентрації реаґенту – водяної пари. При цьому рівновага реакції зміщується в бік цільових продуктів не тільки внаслідок відведення частини теплоти із системи, але й завдяки введенню надлишку одного з реаґентів.

Графічну характеристику роботи такого контактного апарата наведено на рис. 3.69.

Рис. 3.69. Залежність ступеня перетворення х_А від температури Т для тришарового контактного апарата з проміжним введенням холодного реаґенту (за рис. 3. 68):
І – рівноважна крива; ІІ – лінія оптимальних температур; 1, 2, 3 – адіабати
в шарі каталізатора; 4, 5– лінії охолодження внаслідок введення
холодного реаґенту; Dх₁, Dх₂ , Dх₃ – приріст ступеня перетворення
в шарах каталізатора (Dх₁>Dх₂>Dх₃); х_А1 , х_А2 , х_А3 – загальний ступінь
перетворення у контактному апараті

Трубчасті контактні апарати. У поличкових контактних апаратах теплота відводиться ступінчасто, стрибкоподібно, каталітична реакція і теплообмін здійснюються відокремлено і послідовно. У трубчастих контактних апаратах каталітична реакція і теплообмін відбуваються безперервно й одночасно. Контактні апарати з каталізатором у трубах використовуються як для екзо-, так і для ендотермічних реакцій (рис. 3.70,а,б). Для здійснення ендотермічних реакцій у міжтрубний простір апарата подають гарячі топкові гази, які омивають труби з каталізатором. Конструкції таких апаратів є різними, наприклад, як трубчатого теплообмінника з каталізатором в трубках або як печі, вздовж округи якої розміщені трубки з каталізатором, а в центрі циркулюють топкові гази.

У контактних апаратах, де здійснюється ендотермічний процес (рис. 3.70,а), газоподібні реаґенти проходять через каталізаторні трубки прямотечією до теплоносія (гарячих топкових газів), нагріваючись при цьому до температури реакції. За таким принципом сконструйовані і працюють контактні апарати для дегідрування бутану

С₄Н₁₀ Û С₄Н₈ + Н₂ - Q ,

каталітичної конверсії метану (1-а стадія)

СН₄ + H₂O_(пара) Û СО + 3Н₂ - Q

та інших процесів.

Рис. 3.70. Трубчасті контактні апарати для здійснення: а – ендотермічних процесів; б – екзотермічних процесів: 1 – корпус; 2 – каталізаторні труби; 3 – трубні ґрати

Для здійснення екзотермічних процесів у трубчастих апаратах (рис. 3.70,б) теплообмін здійснюється між каталізатором, розміщеним у трубах, і холодними реаґентами, які рухаються знизу вгору міжтрубним простором.

При цьому реаґенти нагріваються до температури запалювання каталізатора і вводяться в нього через відкриті зверху каталізаторні труби.

Відведення теплоти в цьому випадку здійснюється безперервно протягом реакції. Незважаючи на це, температурний режим у таких апаратах далекий від оптимального, а в деяких випадках є менш сприятливим, ніж в поличкових реакторах. Унаслідок нерівномірного відведення теплоти верхня і, особливо, середня частина каталізаторних трубок перегрівається, що може призвести до спікання частинок каталізатора і втрати його активності. Нижня частина трубок, яка охолоджується холодними початковими реаґентами, працює за температур, нижчих, ніж температура запалювання каталізатора, внаслідок чого активності він не проявляє.

Рис. 3.71. Зміна температури Т за висотою каталізаторної трубки Н:
1 – міжтрубний простір; 2 – трубний простір

Крива розподілу температур за довжиною трубки з каталізатором наведена на рис. 3.71, а графік х – Т для трубчастого реактора (з каталізатором в трубках) на рис. 3.72. Невідповідність температурного режиму оптимальному дуже зменшує продуктивність каталізатора та інтенсивність роботи контактного апарата загалом.

Рис. 3.72. Зміна ступеня перетворення х_А з температурою Т для екзотермічної реакції в трубчастому контактному апараті: х_А^* – зміна рівноважного ступеня перетворення; ЛОТ – лінія оптимальних температур

Більш вдалою є конструкція контактних апаратів з подвійними теплообмінними трубками і розміщенням каталізатора в міжтрубному просторі. Подвійні теплообмінні трубки (рис. 3.73) знаходяться в шарі каталізатора, який розташований на перфорованій тарілці.

Рис. 3.73. Подвійна теплообмінна трубка: 1 – трубні ґрати; 2 – каталізатор;
3 – внутрішня теплообмінна трубка; 4 – зовнішня теплообмінна трубка;
5 – перфорована тарілка

В апаратах з подвійними теплообмінними трубками розподіл інтенсивності відведення теплоти і температур за висотою шару каталізатора є ближчим до оптимальних умов, ніж в простих трубчастих. Але ці апарати також мають недоліки: нерівномірний розподіл температур за перерізом апарата, недостатня інтенсивність відведення теплоти від каталізатора, громіздкість теплообмінних елементів і зменшення, внаслідок цього, корисного об’єму, зайнятого каталізатором.

Створюючи контактні апарати, часто комбінують декілька способів тепло­обміну. Зустрічаються, наприклад, трубчасто-поличкові апарати із завантаженням каталізатора і на полицях, і в трубах, які розміщені між полицями; поличкові з поєднанням в одному апараті різних способів охолодження між стадіями контактування тощо. У комбінованих багатоступеневих апаратах досягається найбільше наближення до оптимального температурного режиму порівняно з іншими типами апаратів фільтрувального шару. Але всім контактним апаратам із фільтруючим шаром каталізатора притаманні такі недоліки:

1. У фільтрувальному шарі можна використовувати тільки порівняно великі зерна або гранули каталізатора з розмірами не менше як 4…6 мм у поперечнику, бо за менших розмірів частинок різко зростає гідравлічний опір шару. Внутрішня поверхня великих частинок каталізатора для каталізу використовується мало, а це зменшує загальний ступінь використання (продуктивність) каталізатора.

2. Частинки нерухомого каталізатора можуть спікатися і злежуватися, тому зростає гідравлічний опір апарата, порушується рівномірність розподілу газу і знижується каталітична активність каталізатора.

3. Нерухомий шар каталізатора має низьку теплопровідність, а тому швидкість тепловіддачі від шару до поверхні теплообміну мала. Тому інтенстивне відведення теплоти з нерухомого каталізатора і рівномірний розподіл температури у перерізі нерухомого шару є неможливим. Найінтенсив­ніше відведення теплоти могло б досягатися розміщенням водяних або повітряних холодильників у самому шарі каталізатора, але через низьку теплопровідність нерухомого шару цей спосіб неприйнятний, бо температура каталізатора різко зменшується поблизу холодильників (каталізатор “згасає”) і реакція припиняється.

4. Погані умови теплообміну в фільтрувальному шарі каталізатора не дають змоги чітко регулювати температуру і підтримувати оптимальний температурний режим. Тому, наприклад, в екзотермічних процесах спостерігається підвищення температури в міру досягнення вищих ступенів контактування замість поступового зниження температури згідно з кривою оптимальних температур (див. рис. 3.65 і рис. 3.69). Відхилення від оптимального температурного режиму знижує продуктивність каталізатора.

5. В апаратах з нерухомим шаром каталізатора його безперервна регене­рація, яка необхідна в багатьох процесах технолоґії органічних речовин, є неможливою.

Апарати з псевдозрідженим (киплячим) шаром каталізатора як більш ефективні та інтенсивні дедалі частіше використовують замість апаратів із фільтрувальним шаром. Використання псевдозрідженого шару усуває недоліки, характерні для контактних апаратів з фільтрувальним шаром каталізатора, і дає змогу значно спростити конструкції реакторів. У контактних апаратах з псевдо­зрідженим шаром каталізатора зазвичай використовують дрібнодисперсний каталізатор із діаметром зерен 0,5…2 мм; деколи використовують каталізатор і з більшими розмірами, але не більше як 3 мм. Псевдозріджений шар дрібних частинок каталізатора утворюється в газовому (або рідинному) потоці реагую­чих речовин. Для цього газ пропускають знизу вгору через перфоровану перегородку (ґрати), на якій знаходиться каталізатор, з такою швидкістю, щоб шар каталізатора перейшов із нерухомого у пульсуючий стан. У псевдорозрід­женому шарі зерна каталізатора хаотично рухаються в усіх напрямках, здійснюючи лінійні і вихрові рухи. Унаслідок цього прискорюється дифузія реаґентів із ядра потоку до частинок каталізатора. Такий шар нагадує рідину, що кипить, а тому називається киплячим шаром. За гідродинамічним режимом роботи реактори з киплячим шаром наближені до ідеального змішування.

Принципову схему контактного апарата з псевдозрідженим шаром каталізатора для екзотермічних реакцій наведено на рис. 3.74. У такому контактному апараті є одна або декілька газорозподільних ґрат. Реагуюча газова суміш проходить знизу вгору, створюючи над кожною полицею псевдо­зріджений шар каталізатора. Продукти реакції виводяться із верхньої розширеної частини апарата (сепаратора), яка призначена для видалення з газу основної маси захоплених потоком частинок каталізатора. Відведення теплоти екзотермічої реакції здійснюється за допомогою водяних холодильників, що розташовані безпосередньо в шарі каталізатора.

Рис. 3.74. Контактний апарат з киплячим шаром: 1 – сепаратор;
2 – відбійна пластина; 3 – корпус; 4 – теплообмінник; 5 – перфоровані ґрати

Унаслідок безперервного руху твердих частинок теплота переноситься конвекцією і температура всередині шару вирівнюється. Коефіцієнт тепловіддачі від поверхні частинок завислого шару до поверхні теплообміну в сотні й тисячі разів вищий, ніж для фільтрувального шару, тому відведення теплоти із шару каталізатора відбувається без загрози загасання контактної маси. Крім того, у таких апаратах можливе здійснення процесу за високої початкової концентрації реаґентів без загрози перегрівання каталізатора. З цієї ж причини відпадає необхідність у попередньому нагріванні вихідних реаґентів до температури запалювання каталізатора – вона легко досягається при надходженні реаґентів у шар завдяки високій швидкості теплопередачі. Підбираючи потрібну поверхню теплообміну в кожному шарі, можна досягнути ізотермічного режиму в ньому та максимального наближення до кривої оптимальних температур у реакторі загалом.

Конструкція теплообмінних пристроїв і всього контактного апарата з псевдозрідженим шаром є простою, не потребує складних і громіздких проміжних внутрішніх і зовнішніх теплообмінників, загальна поверхня теплообміну в цих апаратах є меншою, ніж в апаратах з фільтрувальним шаром. Оскільки контактні апарати киплячого шару за температурним режимом роботи наближуються до ізотермічних (в кожному шарі), то їх легко автоматизувати. Ізотермічні умови в псевдозрідженому шарі забезпечують вищий вихід продукту для екзотермічної реакції порівняно з фільтрувальним шаром. Зміну ступеня перетворення в контактному апараті киплячого шару (з відведенням теплоти із нього) наведено на рис. 3.75.

Рис. 3.75. Зміна ступеня перетворення з температурою
в тришаровому контактному апараті киплячого шару (до рис. 3.74):

І – рівноважна крива; ІІ – лінія оптимальних температур;

1, 2, 3, 4 – ізотерми в шарі каталізатора; Dх₁, Dх₂ , Dх₃, Dх₄ – приріст ступеня перетворення в шарах каталізатора (Dх₁ > Dх₂ > Dх₃> Dх₄);

, , , – ступінь перетворення в контактному апараті

Найважливіша перевага псевдозрідженого шару – це підвищення продуктивності каталізатора внаслідок зменшення розмірів частинок, а звідси, повнішого використання внутрішньої поверхні каталізатора, а також більшого наближення до оптимальних температур.

Головним недоліком псевдозрідженого шару порівняно з нерухомим (фільтрувальним) є зменшення рушійної сили процесу внаслідок інтенсивнішого перемішування газу, а також проходження частини газу через шар завислого каталізатора у вигляді великих “бульбашок”.

Зменшення рушійної сили пропорційне ступеню перетворення в цьому шарі. Рушійна сила різко зменшується за високих ступенів перетворення в одному шарі. Використання багатошарових апаратів з киплячим шаром дає змогу зблизити рушійні сили процесів в апаратах з псевдозрідженим і нерухомим каталізатором і одночасно наблизити температурний режим до оптимального. Іншим недоліком каталітичних реакторів киплячого шару є стирання зерен каталізатора, особливо гострих кутів і ребер. Тому для таких апаратів слід використовувати високоміцні, зносостійкі, дрібнозернисті контактні маси; ті каталізатори, які використовуються у апаратах фільтрувального шару, як правило, є непридатними. Реактори киплячого шару дедалі частіше використовуються в процесах, де зазвичай працювали реактори із фільтрувальним шаром каталізатора, зокрема, в таких процесах: окиснення сірки (ІV) оксиду до SO₃; синтезу аміаку; одержання фталевого ангідриду із нафталіну або ксилолу; окиснення етилену до його оксиду; виробництві акрилонітрилу.

У таких процесах, де каталізатор втрачає активність внаслідок різкого охолодження (в ендотермічних процесах) або блокування поверхні частинками твердої фази, наприклад, вуглецю під час перероблення органічної сировини, каталізатор необхідно постійно регенерувати, тобто відновлювати його каталітичну активність. Це здійснюється в каталітичних апаратах з рухомим каталізатором.

Контактні апарати з рухомим каталізатором поділяються на два типи: 1) із псевдозрідженням дрібнозернистого каталізатора в потоці газу; 2) із щільним шаром грубозернистого каталізатора, що опускається в апараті зверху донизу прямотечією або протитечією до реагуючих газів (парів). Схему контактного апарата (установки) з рухомим каталізатором для парофазового крекінгу нафтопродуктів наведено на рис. 3.76. Швидкість парогазової суміші настільки велика, що сили тертя газу до зерен каталізатора перевищують силу їх ваги. Унаслідок цього подрібнений або пилеподібний каталізатор рухається разом із газовим потоком і виноситься ним із верхньої частини контактного апарата (рис. 3.76). Основна маса каталізатора сепарується від продуктів реакції в циклонних сепараторах, підігрівається парою, а надалі ежектором передається в регенератор, де в псевдозрідженому шарі відбувається випалювання вуглецевих речовин із поверхні каталізатора в потоці повітря. Регенерований розжарений каталізатор відводиться на змішування з парами сировини і за допомогою ежектора повертається в реактор.

Рис. 3.76. Контактний апарат з рухомим шаром каталізатора:
1 – ежектор; 2 – каталітичний реактор; 3 – сепаратор;
4 – відпарювальна ємність; 5 – регенератор

Недоліком установок з рухомим каталізатором є труднощі, що виникають під час відділення пилеподібного каталізатора від газового потоку (недостатня повнота відділення), громіздкість обладнання (циклони, електрофільтри) для уловлювання каталітичного пилу.