Конструкция каталитических реакторов

 

Требования к конструкции:

– высокая производительность;

– обеспечение непрерывности процесса при оптимальных технологических режимах;

– легкость в управлении;

– возможность автоматизации;

– малое гидравлическое сопротивление;

– доступность загрузки и выгрузки катализатора;

– наличие устройства для подогрева газовых смесей и рекуперации тепла;

– небольшая металлоемкость, доступность монтажа, ремонта и транспортировки.

По способу взаимодействия газов с катализатором аппараты подразделяются на 3 группы:

1. Каталитические реакторы с фильтрующим слоем катализатора. К аппаратам с фильтрующим слоем относятся емкостные, трубчатые и полочные аппараты, принцип действия которых основан на фильтрации газа через слой неподвижного катализатора (рис.1). На этом принципе основана работа большинства контактных аппаратов.

Причем катализатор может находиться в виде металлических сеток, натянутых по ходу движения газа, трубчатых контактных аппаратов или в виде твердых тел различной формы, располагаемых на перфорированных решетках. Достоинства таких аппаратов: простота конструкции. К недостаткам следует отнести отсутствие теплообмена, что позволяет проводить в них только те реакции, которые сопровождаются небольшими тепловыми эффектами.

Для полноты протекания процесса в одном аппарате может быть установлено несколько слоев контактной массы.

Многослойные контактные аппараты чаще всего устанавливают, когда имеется необходимость очищаемый газ подвергать дополнительной обработке (нагреванию, охлаждению и т.д.). Это позволяет вести процесс при оптимальном температурном режиме на каждой полке.

 

Рис.1. Схемы контактных аппаратов с фильтрующим слоем катализатора:

а - контактный аппарат с катализатором в виде сеток; б - трубчатый контактный аппарат; в - контактный аппарат с перфорированными решетками; г - многослойный контактный аппарат; д - контактный аппарат с трубками Фильда; е - контактный аппарат с теплообменником

 

В зависимости от функционального назначения контактные аппараты с фильтрующим слоем катализатора имеют несколько вариантов конструктивного оформления: реакторы каталитические с твердым катализатором, размещенном в отдельном корпусе (тип К); реакторы каталитические, в которых в общем корпусе размещены контактный узел и подогреватель (тип ТК); реакторы термокаталитические, в которых в общем корпусе размещены контактный узел и рекуператор тепла (тип KB); реакторы каталитические, в которых в общем корпусе размещены подогреватель, контактный узел и рекуператор тепла (тип ТКВ). Наиболее перспективными являются аппараты ТКВ, которые в максимальной степени отвечают экологическим требованиям.

Например, термокаталитический дожигатель конструкции Гипрогазочистка (рис.2).

 

Рис.2. Каталитический дожигатель конструкции Гипрогазочистка:

1-горелка; 2 -слой катализатора; 3 -теплообменник-рекуператор.

 

Газ, содержащий вредные примеси, подогревается очищенными газами в теплообменнике-рекуператоре. Затем смешивается с топочными газами, образующимися при сжигании топлива в горелках 1, после чего происходит обезвреживание на поверхности катализатора 2.

Недостатком аппаратов с фильтрующим слоем является возможность засорения катализатора твердыми частицами. В этом случае могут быть использованы трубчатые реакторы с нанесенными на внутреннюю поверхность трубок катализаторами.

Для отвода (подвода) тепла из реакторов с неподвижным слоем используют теплообменники, расположенные вне слоев катализатора.

2. Каталитические реакторы со взвешенным слоем катализатора. Недостатком фильтрующего слоя является наличие зон, плохо омываемых газом в местах соприкосновения гранул катализатора. Для устранения этих недостатков используют кипящий слой, в котором каждая гранула катализатора интенсивно (рис.3), со всех сторон соприкасается с газом, что интенсифицирует процесс очистки.

 

Рис.3. Каталитический реактор с кипящим слоем катализатора:

1 - цилиндрическая часть корпуса; 2 - зернистый катализатор; 3 - верхняя часть корпуса; 4 - циклон; 5 - шнековое устройство; 6 - газораспределительная решетка.

 

Достоинством таких аппаратов является также хорошая теплопроводность слоя, возможность механизировать и интенсифицировать процесс загрузки и выгрузки катализатора, исключение возможности локального перегрева или переохлаждения, возможность использовать мелкий катализатор (в фильтрующем слое мелкозернистый катализатор не используется из-за повышенного сопротивления и неравномерности температурного слоя).

К недостаткам взвешенного слоя следует отнести истирание и унос пылевидного катализатора из аппарата, что требует установки пылеулавливающего аппарата и предъявляет повышенные требования к прочности катализаторов, а также невозможность осуществления противотока, что снижает движущую силу процесса. Перечисленные недостатки не являются определяющими и многие из них могут быть полностью или частично устранены.

Для упорядоченного перемешивания твердой фазы в кипящем слое иногда вводят механические мешалки, что способствует усреднению времени пребывания частиц в аппарате.

Для увеличения степени очистки газов используют многополочные аппараты с кипящем слоем.

Для отвода (подвода) тепла из реакторов со взвешенным слоем используют теплообменники, расположенные внутри слоев катализатора.

3. Каталитические реакторы с пылевидным катализатором. В аппаратах с пылевидным катализатором измельченный катализатор распыляют в рабочую зону с помощью специальных сопел (рис.4). Этим достигается более полное использование реакционного объема. Реакция протекает в тот момент, когда частицы катализатора находятся в полете.

Обычно процессы каталитического восстановления и окисления рассматривают отдельно.

 

Рис.4. Каталитический реактор с пылевидным реактором:

1 - цилиндрический корпус; 2 - циклон; 3 - сопло; 4 - бункер; 5 - эжекторное устройство

 

Каталитическое окисление используют для удаления диоксида серы из дымовых газов, очистки выбросов от окиси углерода, органических веществ, а каталитическое восстановление для обезвреживания газов от оксидов азота.

После каталитического окисления газы направляют на дальнейшую переработку, например, абсорбцию, с получением готового продукта. Для некоторых газов эта стадия не предусмотрена, так как загрязнитель превращается в безвредное соединение.