12.10.6 Теплообмен в аппаратах с неподвижным слоем катализатора

Ранее отмечалось существенное влияние температурного режима на ход химической реакции. Химические реакторы можно охлаждать или нагревать различными методами. Выбор способа теплообмена в реакционном аппарате зависит прежде всего от температурных условий ведения химического процесса, а также от физических, теплофизических и химических свойств теплоносителя. Наиболее высокая температура в реакторах с твердой фазой будет в центральной части аппарата. Теплообмен при наличии охлаждающих стенок может осуществляться следующим образом:

1) между внутренней областью частицы (порами) и ее наружной поверхностью;

2) между наружной поверхностью катализатора и потоком газа;

3) по слою катализатора между соприкасающимися зернами через наружные охлаждаемые стенки аппарата.

При хорошей теплопроводности металла зерен катализатора его температура остается постоянной. При слишком малых скоростях потока тепло из реакционных зон отводится в основном движущимся газом. В случае плохой теплопроводности зерен в реакторе появляется градиент температур.

Различают два основных метода охлаждения или нагревания в реакторе: прямой и косвенный обмен теплом. В случае прямого теплообмена передача тепла в реакторе осуществляется при непосредственном соприкосновении реакционной смеси и теплоносителя, как например, теплообмен происходит за счет циркуляции теплоносителя в реакционном объеме.

При косвенном теплообмене в реакторе теплоноситель и реагирующие вещества разделены между собою непроницаемой поверхностью, через которую происходит теплообмен.

В зависимости от температуры скорость каталитических реакций имеет максимум, который может изменяться по следующим причинам:

1. Реакция на поверхности катализатора обратима; скорость обратной реакции при определенной температуре значительно возрастает, а общая скорость начинает понижаться.

2. Адсорбция реагентов обратима; при очень большой температуре скорость десорбции реагентов становится более значительной, чем скорость адсорбции, а общая скорость процесса уменьшается.

Таким образом, для каждой степени превращения можно определить температуру, при которой общая скорость реакции будет максимальной. Такая температура называется оптимальной.

Важной задачей при проведении процессов в каталитических реакторах является обеспечение постоянства оптимальных температур. Обычно это осуществляется следующим образом:(рисунок 206).

1) разделением реакционного пространства на большое число адиабатических секций, в которые поступают реагенты (и продукты реакции) при оптимальной рабочей температуре, поддерживаемой через стенку реактора путем теплообмена;

2) введение в реакционное пространство инертного теплоносителя (пар, азот, твердое тело и т.д.);

3) введением реагентов в различных точках по длине реакционного пространства;

4) размещением катализатора в трубах таким образом, чтобы поток теплоносителя был перпендикулярен к потоку реагентов;

5) использованием катализатора во взвешенном слое;

6) действием адиабатического реактора в регенеративном цикле.

Последний из перечисленных способов применяется при дегидрогенизации бутана в бутадиен. Например, в первой фазе по эндотермической реакции получают углерод, который оседает на катализаторе. Во второй фазе происходит окисление этого углерода путем введения соответствующего агента, и температура в реакционном пространстве повышается. Этот метод тем эффективней, чем короче периоды работы.

а) разделение реактора на адиабатические секции с теплообменниками между секциями; б) добавление холодных реагентов; в) одновременная циркуляция реагента и несколько большего количества инертного теплового агента; г) каталитический слой с косвенным теплообменом; д) каталитический слой с прямым теплообменом с реагентом; е) движущийся (взвешенный) слой катализатора; ж) каталитический реактор регенеративного типа.

Рисунок 206 - Способы обеспечения постоянства оптимальных температур.

Наиболее важным способом обеспечения оптимальных температур в каталитических изотермических реакторах является поперечный (радиальный) перенос тепла.

На рисунок 34. показаны некоторые способы размещения поверхности теплообмена в реакторах с катализаторами. В качестве теплоносителя может быть использован газ, кипящая жидкость, конденсирующиеся пары и т.д.

В реакторе, охлаждаемом или нагреваемом снаружи, поперечный и продольный перенос тепла происходит несколькими путями:

1. Конвекцией в газовой фазе.

2. Теплопроводностью от одной частицы катализатора к другой, соседней.

3. Радиацией между частицами катализатора и между частицами и газом.

Общий механизм переноса тепла характеризуется эффективным коэффициентом поперечной теплопроводности, который позволяет записать действительное распределение температур в слое катализатора (предполагается, что радиальный перенос тепла происходит только в результате поперечной теплопроводности).

Истинная теплопроводность зависит от теплопроводных свойств, формы, размеров и расположения частиц катализатора, от природы теплоносителя и т.д.

Поверхности теплообмена имеют различные геометрические формы (змеевик, рубашка, кольцо и т.д.) и располагаются как снаружи, так и внутри реактора.

а) выносной теплообменник; б) концентрический теплообменник; в) охлаждение трубок снаружи; г) охлаждение через одноходовые трубки; д) охлаждение через двухходовые трубки; е) охлаждение через двойные трубки; ТА - тепловой агент.

Рисунок 207 - Способы размещения поверхности теплообмена в реакторах с катализатором.

Обогрев или охлаждение реактора снаружи в большинстве случаев осуществляется через рубашку, что является широко распространенным способом теплообмена в химической технологии.