Главная > Разное > Газожидкостные реакторы
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Глава III. РЕАКТОРЫ КОЛОННЫЕ БАРБОТАЖНЫЕ

В п. 1 были рассмотрены только общие представления о барботажных колонных реакторах и условиях их работы, поясняющие местоположение этих аппаратов в предложенной классификации. Содержание этой главы более подробно отражает конструктивные особенности барботажных колонн и методику их расчета.

7. Конструкции барботажных колонн

Все встречающиеся в химической промышленности барботажные колонны по конструктивным признакам можно подразделить на три вида: пустотелые, насадочные и секционированные.

Пустотелые колонны (см. рис. 1) получили в промышленности наибольшее распространение, что объясняется рядом их достоинств, отмеченных в п. 1. Здесь же следует еще раз указать, что такие аппараты наиболее целесообразно использовать для реакций, продолжительных во времени, т. е. протекающих в кинетической области, и сопровождаемых малым тепловым эффектом. Если роль теплообменной поверхности колонны выполняют ее стенки, заключенные в рубашку, эта поверхность растет пропорциональна ее диаметру а количество выделяющейся реакционной теплоты пропорционально

При увеличении объема аппарата или его диаметра наступает такой момент, когда поверхности боковых стенок не обеспечивают отвода теплоты реакции. Выход из создавшегося

положения находят в установке внутри колонны горизонтальных змеевиков, как, например, это делается в колоннах для окисления парафинов. Однако горизонтальное расположение змеевиков часто приводит к тому, что их стенки, особенно на верхних участках, зарастают побочными продуктами реакции. Такое явление, объясняемое специфическими условиями поперечного обтекания трубы жидкостью, существенно снижает в процессе эксплуатации аппарата общий коэффициент теплопередачи. С этой точки зрения в более благоприятных условиях работают вертикальные трубы тепло-обменных элементов.

Рис. 20. (см. скан) Барботажная колонна с вертикальными теплообменными элементами

Примером барботажной колонны с такими теплообменными устройствами могут служить колонны для окисления -ксилола в производстве диметилтерефталата, поставляемые фирмой «Simon Garvos». Этот аппарат (рис. 20) имеет вваренные в корпус 1 коллекторы 4 с трубными решетками 3, в которых закреплены концы теплообменных труб 2. Газ вводится в колонну через трубчатый барботер 5.

Особенность работы реактора заключается в том, что теплота отводится водой (конденсатом), кипящей в трубах. Такой способ по сравнению с отводом теплоты жидким теплоносителем имеет ряд преимуществ. Если пренебречь влиянием гидростатического эффекта в трубах, то температура теплоносителя, а следовательно, и температурный напор по высоте колонны будут одинаковыми. Это снижает возможность переохлаждения реакционной массы

в пристенных слоях. Легко регулируется здесь и температура кипящего теплоносителя за счет изменения давления в сепараторе пара. Все теплообменное устройство можно использовать как котел-утилизатор для получения технологического пара. Однако с точки зрения кинетики реакции аппарат фирмы «Simon Garvos» имеет один существенный недостаток. Газ, равномерно распределенный барботером в нижнем сечении колонны, по мере подъема вверх устремляется в пространство, свободное от теплообменных труб, что существенно уменьшает общую поверхность контакта фаз. Это же явление способствует и более интенсивной циркуляции жидкости в реакторе, и возможно, что за счет захвата газовых пузырей нисходящим потоком жидкости межфазная поверхность будет увеличена, но эти пузыри будут обеднены кислородом, что снижает общую движущую силу массопереноса.

Пустотелые барботажные колонны получили широкое распространение и в тех случаях, когда в процессе реакции образуется твердая фаза, отложение которой на стенках ухудшает условия теплоотвода. Здесь в качестве примера можно привести аппараты для жидкофазной полимеризации этилена, разработанные в Лен-НИИхиммаше. В таких полимеризаторах отвод теплоты реакции осуществляется за счет частичного испарения жидкости избыточным количеством этилена, циркулирующего через барботажный полимеризатор и скруббер-холодильник. Переход на этот способ теплосъема позволил значительно увеличить время между очередными чистками стенок аппарата от слоя полиэтилена.

Помимо полых колонн в химической промышленности в качестве газожидкостных реакторов используются аппараты, заполненные твердыми телами. В одном случае они являются насадкой, необходимой для увеличения поверхности контакта фаз в системе газ — жидкость, а в другом — катализатором.

Насадочные реакторы-колонны, работающие в режиме противотока, обычно применяются для реакций, протекающих в диффузионной области. Поскольку их конструкции практически не отличаются от абсорбционных и ректификационных колонн, а условия работы достаточно подробно освещены в соответствующей литературе, нет необходимости подробно их рассматривать.

Для осуществления химических превращений как в диффузионном, так и в кинетическом режимах применяются колонны с затопленной насадкой. Причем эта насадка может быть неподвижной, выполненной из керамических колец, или подвижной, представляющей собой полые шары со средней плотностью, почти не отличающейся от плотности жидкости. В колоннах с неподвижной насадкой труднее осуществить равномерность отвода реакционной теплоты из всего объема аппарата, так как перенос жидкости в радиальном направлении затруднен насадочными телами, вследствие чего, несмотря на наличие продольной циркуляции жидкости, в зонах расположения теплообменных элементов возможны локальные переохлаждение или перегрев жидкости. В этом

отношении более совершенны колонны с подвижной насадкой, которые, кроме того, обеспечивают и более высокую эффективность массопереноса реагирующего компонента из газа в жидкость [17]. Однако общим недостатком колонн с насадкой является то, что значительная часть реакционного объема занята инертными телами, что снижает среднее время пребывания жидкости в аппарате. Учитывая это, следует признать, что насадочные колонны не могут конкурировать с пустотелыми реакторами, секционированными перегородками для промежуточного газораспределения. В качестве перегородок часто используют дырчатые листы, но они обеспечивают равномерное распределение газа по сечению аппарата только при строго горизонтальном положении. В этом отношении более совершенной является газораспределительная перегородка, изображенная на рис. 21.

Рис. 21. Газораспределительная перегородка

Перегородка представляет собой стальной лист 1, в который вварены или ввальцованы патрубки 2 высотой . В боковых стенках всех патрубков строго на одном уровне просверлены отверстия диаметром Внизу патрубки заглушены, и в заглушках 3 просверлены отверстия диаметром . Работает газораспределитель следующим образом. Газ, поднимаясь вверх, образует под листом 1 газовый слой, отжимающий жидкость вниз так, что открываются отверстия в боковых стенках патрубков и газ через них проходит в вышерасположенную секцию. Условный уровень жидкости опускается ниже отверстий на некоторую высоту расчет которой дан в п. 12. Расчетная высота должна быть достаточно большой (30-40 мм), чтобы исключить влияние возможной негоризонтальности установки перегородки. Отверстия в заглушках 3 предназначены для прохода жидкости и рассчитываются по ее скорости, лежащей в пределах . В отличие от газораспределителя аналогичной конструкции, описанного в п. 12, в этом устройстве нет четкой границы верхнего уровня жидкости, так как через нее барботирует газ, но независимо от этого оно обеспечивает достаточно равномерное распределение газа по сечению колонны.

Реакторы с насадкой в виде гранулированного катализатора в последние годы нашли широкое применение в ряде каталитических жидкофазных процессов. Выполняются они в виде колонн 1 (рис. 22), весь объем катализатора в которых разделен на слои. Каждый слой 2 уложен на газораспределительную решетку с сеткой и сверху пружинами поджат другой сеткой. Пространства 3

между слоями служат для перераспределения газовой фазы и дополнительного ввода газа или сырья, если это необходимо для повышения эффективности аппарата или стабилизации температуры реакции. Отвод реакционной теплоты в таких аппаратах может осуществляться тремя способами: хладагентом, подаваемым в змеевики (рис. 22, а), и предварительно охлажденными газом (рис. 22, б) или жидкостью (рис. 22, в), вводимыми в пространства между слоями катализатора.

Последние два способа осложняют расчет реактора тем, что расход газожидкостной смеси увеличивается от ступени к ступени.

Рис. 22. Реакторы с зернистым катализатором

Рис. 23. Реактор С отводом тепла за счет испарения жидкости

Это изменяет гидродинамические режимы работы ступеней, что соответственно отражается на условиях массопередачи и на продолжительности работы катализатора.

Опасение локального переохлаждения жидкости в зоне размещения змеевиков, а также ряд конструктивных трудностей их установки в аппарате, обусловленных специфическими особенностями газожидкостной реакции (высокое давление, коррозионность среды), вынуждают использовать испарительный способ охлаждения и в реакторах с зернистым катализатором. В качестве примера здесь можно привести конструкцию реактора (рис. 23) для восстановления ароматических нитросоединений. Этот процесс протекает при давлении 32-106 Па и температуре 150° С. Поэтому корпус 1, рассчитанный на высокое давление, выполнен из углеродистой стали, а пакет царг 2 с катализатором 3, подвешенный к верхней крышке аппарата, — из титана. Катализатор в каждой царге зажат пружинами 4. Водородно-жидкостная смесь с избыточным количеством циркулирующего водорода

вводится через штуцер 5 и выходит через штуцер 6. Для разгрузки от давления тонкостенного пакета царг в полость между ним и корпусом колонны через штуцер 7 вводится водород с рабочим давлением. Реакторы со стационарным катализатором работают обычно при восходящем потоке газожидкостной смеси, но поскольку скорость жидкости очень мала, по гидродинамическим особенностям течения процесса их можно отнести к барботажным колоннам.

Основные неудобства эксплуатации таких реакторов связаны со сроком службы катализатора. Если время его эффективной работы невелико, то реактор становится аппаратом периодического действия со всеми вытекающими отсюда последствиями. Существенным недостатком является также большое сопротивление аппарата, достигающее Па на метр высоты слоя. Это сопротивление может сильно возрастать за счет осмоления катализатора и закупорки межзерновых каналов.

В более благоприятных условиях с этой точки зрения работают аппараты с суспендированным катализатором, который можно к тому же регенерировать не прекращая ведения процесса. Однако для выделения катализатора требуются надежные сепаратирующие устройства, осложняющие конструкцию реакторного узла и его эксплуатацию.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление