книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза.-1

ветственно движущей силы процесса Ас в реакторах смешения, по сравнению с реакторами вытеснения, тем больше, чем выше конверсия реагентов и порядок реакции. Следовательно, при прочих равных условиях для проведения процесса и достижения заданной конверсии в реакторах смешения требуется большая продолжительность процесса.

Кроме того, важное значение имеют энергетические затраты при осуществ­ лении соответствующего процесса, которые для реакторов полного смешения могут быть в несколько раз выше, чем для реакторов полного вытеснения. Вме­ сте с тем реактор полного смешения, в котором во всех точках наблюдаются по­ стоянные концентрации и температуры, легче автоматизировать, чем реактор полного вытеснения. Более того, при наличии в реакторах режимов, близких к полному вытеснению, трудно подводить и отводить тепло, а при наличии интен­ сивного перемешивания условия передачи тепла улучшаются. Поэтому не слу­ чайно в аппаратах со взвешенным слоем катализатора, которые приближаются к реакторам полного смешения, отвод тепла при экзотермических реакциях осу­ ществляется проще, чем в трубчатых аппаратах. Однако в аппаратах с псевдо­ ожиженным слоем катализатора наблюдается его сильное истирание и унос в виде пыли.

Как было указано ранее, создание технологий для безотходных производств в значительной степени зависит от правильной организации подсистемы реак­ ционного процесса. При этом основная задача заключается в достижении не только максимальной конверсии сырья, но и селективности процесса. Достиже­ ние необходимых конверсии и селективности процесса зависит не только от ор­ ганизации процесса (теплообмена, переноса массы, гидродинамики и т.д.), но и главным образом от выбора каталитической системы. Типы каталитических систем были рассмотрены ранее. Теперь рассмотрим характеристики катализа­ торов, которые необходимо учитывать при их выборе.

К основным характеристикам катализаторов можно отнести следующие:

S специфичность, выражающуюся втом, что определенный тип катализато­ ров применяют для осуществления конкретных процессов (гидрирование, де­ гидрирование, окисление и др.);

■S избирательность, или селективность, т.е. способность ускорять реакцию (реакции), по которой получается целевой продукт;

S активность, которая определяется количеством целевого продукта, полу­ чаемого с единицы массы или объема катализатора в единицу времени.

Наиболее важной характеристикой катализаторов является их активность, которая зависит от:

S температуры (или интервала температур). Для каждого катализатора су­ ществует оптимальный температурный режим, при котором достигается его максимальная активность. При более низких температурах активность катали­ затора будет мала, а при более высоких — усиливается протекание побочных ре­ акций и происходит дезактивация катализатора. Чем активнее катализатор, тем ниже его оптимальный температурный режим;

S давления, определяющего концентрацию реагирующих веществ в реакци­ онном объеме (при жидкофазном катализе) или на поверхности катализатора (при гетерогенном катанизе);

S размера частиц катализатора, определяющих поверхность контакта между реагентами и катализатором. Уменьшение размера частиц катализатора снижает

его диффузионное и тепловое сопротивление и, следовательно, увеличивает ак­ тивность;

S содержания примесей в сырье, которые могут вызывать частичную или полную дезактивацию (отравление) катализатора;

S способа приготовления катализатора, его активации, носителей и др. Наиболее эффективно катализаторы применяются для химических процес­

сов, протекающих в кинетической области.

Так как значительное число промышленных процессов основного органиче­ ского и нефтехимического синтеза протекает в гетерофазных системах, особен­ но часто в системах газ—жидкость или жидкость—жидкость, то для протекания химических реакций необходимо обеспечить межфазный перенос вещества. При этом в зависимости от относительных скоростей массопередачи и химиче­ ской реакции процесс может протекать в различных областях: кинетической, когда химическая реакция идет много медленнее процесса массопереноса; диф­ фузионной, в которой самым медленным является процесс переноса вещества; переходной области, характеризующейся сравнимыми скоростями химической реакции и массопереноса.

Следует также учитывать, что реакция может протекать как в одной, так и в нескольких фазах. Поэтому возникает задача выявления определяющей или ли­ митирующей стадии процесса. В зависимости от скорости реакции и массопере­ носа можно выделить четыре основных случая протекания процессов.

Первый случай характеризуется медленной реакцией. Скорость процесса ли­ митируется скоростью химических превращений, так как концентрации в фазах быстро выравниваются за счет диффузии. Следовательно, процесс протекает во внутренней кинетической области. Для увеличения скорости процесса необходи­ мо увеличивать как объем фазы, так и температуру. В этом случае особенно ве­ лика роль катализатора.

Второй случай характеризуется быстрой реакцией. Скорость процесса лими­ тируется скоростью диффузии реагентов из одной фазы в другую (например, газа в жидкость) и вовнутрь катализатора. Следовательно, процесс протекает во внутренней диффузионной области. Для ускорения процесса необходимо увели­ чить диспергирование за счет более интенсивной турбулизации (перемешива­ ния) системы.

Третий случай определяется очень быстрой реакцией, протекающей на по­ верхности раздела фаз при осуществлении, например, процесса газ—жидкость. Следовательно, процесс лимитируется самой химической реакцией, протекаю­ щей на внешней поверхности зерна катализатора, что возможно, если ее ско­ рость значительно превосходит скорость внутренней диффузии, но значительно меньше скорости внешней диффузии. В этом случае процесс протекает во внеш­ ней кинетической области.

Четвертый случай характеризуется плохим перемешиванием в дисперсной фазе. Следовательно, скорость процесса определяется скоростью диффузии реагентов из потока к внешней поверхности зерна катализатора или, наоборот, скоростью диффузии продуктов от катализатора в поток. Подобный гетероген­ но-каталитический процесс протекает главным образом во внешней диффузион­ ной области. Для увеличения общей скорости процесса необходимо увеличивать поверхность раздела фаз.

Для гетерогенных процессов наиболее характерно протекание вдиффузион­ ной области. Однако применение современных интенсивных приемов турбули-

82

зации потоков и развития поверхности соприкосновения фаз позволяет пере­ вести процесс из диффузионной области в кинетическую. Кроме того, при по­ вышении температуры гетерогенный процесс может перейти из кинетической области во внешнедиффузионную.

Таким образом, для достижения необходимых результатов любого химиче­ ского процесса требуется располагать технологическими способами ведения этого процесса. Для этого нужно: правильно выбирать вариант осуществления процесса (последовательный или параллельный, периодический, непрерывный или полунепрерывный); управлять рабочими концентрациями; управлять тем­ пературными режимами; создавать развитую поверхность контакта гетероген­ ных фаз; поддерживать активность катализатора.

Организация периодических, полупериодических, сменно-циклических и непрерывных процессов была рассмотрена ранее.

Что касается управления рабочими концентрациями, то на практике для этой цели используют следующие способы: рециркуляция непревращенных реагентов; рециркуляция одного из реагентов (или самого продукта реакции); многоточечный подвод исходных веществ в один реактор или вразные реакторы каскада; секционирование реакционного объема аппарата.

Рециркуляция непрореагировавших исходных веществ позволяет не только изменять концентрации реагентов в реакторе, но и более полно использовать сырье. Рециркуляция одного из реагентов (обычно менее реакционноспособно­ го) дает возможность достигнуть большей конверсии и селективности химичес­ кого процесса. В ряде случаев за счет такой рециркуляции удается регулировать (иногда тормозить) некоторые высокоэкзотермические процессы.

Подвод же реагентов вразные точки реактора или вразные аппараты каскада способствует не только регулированию скорости химического процесса, а сле­ довательно, и скорости выделения тепла при протекании реакций, но и повы­ шению селективности процесса. Как правило, в разные точки подается наибо­ лее реакционноспособный компонент. Секционирование приводит к увеличе­ нию средней движущей силы процесса за счет снижения продольного переме­ шивания и поэтому находит наибольшее применение в аппаратах смешения. Секционирование сможетбыть выполнено в одном аппарате путем расчленения его на отдельные составные части, последовательно или параллельно соединен­ ные между собой, либо путем разделения одного реакторного устройства на ряд самостоятельных реакторов, соединенных последовательно, т.е. на каскад реак­ торов меньшего объема.

Движение реагентов в секционированном аппарате может быть построено как по принципу прямотока, так и по принципу полного или ступенчатого про­ тивотока, который чаше всего применяют в гетерогенных системах, например газ — твердое тело.

Как уже отмечалось, в зависимости от способа подвода или отвода тепла в ре­ акционном устройстве тепловой режим может быть изотермическим, адиабати­ ческим или политермическим.

Управление температурным режимом осуществляют двумя способами: не­ прерывным и ступенчатым. Для непрерывного отвода или подвода тепла реак­ тор должен иметь поверхность теплообмена, расположенную в зоне реакции. С целью ступенчатого теплообмена поверхность теплообмена размещается вне зоны реакции, т.е. выносится в отдельную часть реактора или вообще выносится из него. При этом тепло может отводиться как при подаче теплоносителя в теп­

лообменное устройство, так и за счет испарения части сырья, продуктов реак­ ции (в случае жидкофазного процесса), а также за счет подачи захоложенного сырья. Подвод тепла может осуществляться при подаче теплоносителя в тепло­ обменное устройство или в реакционное устройство. Следовательно, в качестве теплоносителей могут быть использованы сырье и продукты реакции, традици­ онные теплоносители, катализаторный раствор и др. В некоторых случаях тре­ буется сочетать непрерывный теплообмен со ступенчатым отводом или подво­ дом тепла.

Методы управления температурными режимами процессов необходимо рас­ сматривать во взаимосвязи с управлением рабочими концентрациями. Действи­ тельно, количество выделяемого или поглощаемого тепла в значительной степе­ ни зависит от скорости реакции, которая в свою очередь определяется концен­ трацией реагентов. Следовательно, регулировать рабочие температуры можно, изменяя концентрации реагентов. Вместе с тем температурный режим в значи­ тельной степени определяет концентрации реагентов в реакторе.

Для гетерогенных процессов большое значение имеет создание развитой по­ верхности контакта фаз. Причем в таких процессах скорость подвода и отвода как реагентов и продуктов реакций, так и тепла определяется размером поверх­ ности взаимодействующих фаз. Увеличить эту поверхность можно следующими методами: эмульгированием (в случае несмешивающихся жидкостей), распыле­ нием систем газ—жидкость, барботажем, созданием пленки, созданием движу­ щегося, кипящего или суспендированного слоя, а также измельчением твердых частиц для процессов с твердой фазой.

Для каталитических процессов самое большое значение имеет поддержание активности катализатора. Она может поддерживаться на должном уровне час­ тичной сменой отработанного катализатора, регенерацией катализатора в са­ мом реакторе или вне его, циркуляцией катализатора с его регенерацией и дру­ гими способами.

3.3.КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКТОРНЫХ УСТРОЙСТВ

Вреакторных устройствах при проведении собственно химического превра­ щения протекают различные физические процессы (гидродинамические, теп­ ловые, диффузионные и др.), с помощью которых создаются необходимые усло­ вия.

Для осуществления физических процессов в реакторных устройствах ис­ пользуются различные конструктивные элементы (мешалки, контактные уст­ ройства, теплообменники и др.). Так как сочетаний этих элементов и реакцион­ ных процессов может быть много, то и количество реакторных устройств также значительно.

Для реакторов существуют общие принципы, на основе которых можно най­ ти связь между конструкцией реакторного устройства и основными закономер­ ностями химического процесса, в них протекающего.

Как процессы, протекающие в реакторных устройствах, так и сами реактор­ ные устройства можно классифицировать по следующим признакам: режиму работы (периодические или непрерывные), гидродинамическим и тепловым ре­ жимам, а также физическим свойствам реагентов и продуктов реакций.

Выбор того или иного типа реакторного устройства обусловливается требуе­ мой селективностью химических превращений исходных веществ, а также про­

84

Т а б л и ц а 3.2. Классификация реакторов по конструктивным элементам

х л о р э т а н а

Окончание табл. 3.2

Т а б л и ц а 3.3. Классификация реакторов по фазовым состояниям реагентов и катализатора

90