Аппараты гомогенного катализа не имеют каких-либо характерных особенностей, проведение каталитических реакций в однородной среде технически легко осуществимо и не требует аппаратов специальной конструкции.
Аппараты, в которых проводят гомогенные каталитические процессы в газовой фазе, могут быть камерами, колоннами трубчатыми теплообменниками. Гомогенное окисление SО2 окисление окислами азота в сернокислой нитрозной системе идет, например, как в жидкой, так частично и в газовой фазе, в свободном объеме насадки башен. Жидкофазный гомогенный катализ производят обычно в реакторах с перемешивающимися устройствами.
Аппараты гетерогенного катализа, особенно контактные аппараты, в которых реагируют газы на твердых катализаторах, специфичны и разнообразны. Контактные аппараты должны работать непрерывно, обладать высокой интенсивностью, обеспечивать режим процесса, близкий к оптимальному, в особенности оптимальный температурный режим.
Реакторы для проведения гетерогенных каталитических реакций можно классифицировать по фазовому состоянию реагентов и катализатора, по способу контакта между катализатором и реагентами, а также по конструктивному оформлению теплообменных процессов. Каталитические реакторы целесообразно классифицировать по фазовому признаку.
1.Реагирующая среда – газ, катализатор – твердый:
– контактные аппараты поверхностного контакта: трубы или сетки, выполненные из катализатора,
– контактные аппараты с фильтрующим слоем катализатора;
– контактные аппараты с взвешенным слоем катализатора;
– контактные аппараты с пылевидным движущимся катализатором
2.Реагирующая среда – жидкость; катализатор – твердый:
– аппараты с неподвижным катализатором;
– аппараты с взвешенным слоем катализатора;
– аппараты с потоком взвеси катализатора в жидкости;
– аппараты с мешалками.
3.Реагирующие вещества – газы и жидкости; катализатор – жидкость или взвесь твердого в жидкости:
– колонны с насадкой (пленочный контакт газа и жидкости);
– барботажные колонны (барботаж газа через жидкость или взвесь твердого в жидкости);
– реакторы с мешалками.
4.Реагирующие вещества - несмешивающиеся жидкости; катализатор – жидкость:
– аппараты с мешалками.
Подавляющее большинство промышленных аппаратов относятся к первой группе.
Контактные аппараты поверхностного контакта с размещением катализаторов в виде труб или сеток, через которые пропускается газ, применяются в меньшей степени, чем аппараты с фильтрующим или взвешенным слоем катализатора. При поверхностном контакте активная поверхность катализатора невелика. Поэтому аппараты такого типа целесообразно применять лишь для быстрых экзотермических реакций на высокоактивном катализаторе, обеспечивающим выход, близкий к теоретическому. При этих условиях в контактном аппарате не требуется размещать большое количество катализатора. Схема контактного аппарата с катализатором в виде сеток применяется в производстве азотной кислоты для окисления аммиака на платиново-родиевых сетках. В некоторых случаях, чтобы совместить катализ и нагрев газовой смеси, катализатор наносят на стенки теплообменных труб.
Аппараты с фильтрующим слоем катализатора наиболее распространены. Они применимы для любых каталитических процессов. В этих аппаратах слой или несколько слоев катализатора неподвижно лежат на решетчатой опоре (полке) или загружены в трубы, и через неподвижный слой катализатора пропускают поток реагирующего газа. Катализатор имеет форму зерен, таблеток или гранул различных размеров, но, как правило, не менее 4-5 мм в поперечнике, так как при более мелких частицах резко возрастает гидравлическое сопротивление слоя катализатора и легче происходит его спекание.
Количество загруженного катализатора, высота, число слоев и расположение их в аппарате зависят от активности катализатора, характера каталитического процесса, условий теплообмена. Чем активнее катализатор и больше равновесный выход, и скорость реакции, тем меньше контактной массы нужно загружать в аппарат и тем меньше высота слоя катализатора. Особенности конструкции контактных аппаратов зависят в основном от конструктивного оформления теплообменных устройств. Поддержание оптимального температурного режима – наиболее сложная задача при конструировании контактных аппаратов.
Аппараты с фильтрующим слоем без теплообменных устройств наиболее просты по конструкции. Они работают на адиабатическом тепловом режиме, причем температурный режим регулируется только изменением состава и температуры исходного газа.
Такие аппараты можно применять: а) для практически необратимых экзотермических реакций, проводимых в тонком слое весьма активного катализатора, например, для окисления метанола в формальдегид; б) для реакций с низкой концентрацией реагентов, например при каталитической очистке газов путем окисления или гидрирования примесей; в) для экзотермических или эндотермических реакций с небольшим тепловым эффектом.
В этом случае количество загруженного катализатора в случае его малой активности может быть весьма велико, и высота слоя составляет иногда несколько метров.
Существует несколько способов теплообмена в контактных аппаратах, причем конструктивные приемы отвода тепла из реакционного объема и подведения тепла однотипны для проведения как экзотермических, так и эндотермических реакций. Примерная классификация контактных аппаратов с фильтрующим слоем катализатора по способам отвода (или подвода) тепла:
1) Контактные аппараты с периодическим подводом и отводом тепла.
2) Контактные аппараты с внешними теплообменниками.
3) Контактные аппараты с внутренними теплообменниками:
– полочные (ступенчатого отвода тепла);
– трубчатые (непрерывного отвода и подвода тепла).
4) Контактные аппараты с комбинированием нескольких приемов теплообмена.
Аппараты с периодическим подводом и отводом тепла применяются, главным образом, для эндотермических каталитических реакций. Они, как правило, однослойны. Принцип их работы состоит в том, что в аппарат, в котором на решетке расположен слой катализатора, попеременно подают то реагирующие вещества, то теплоноситель. Такие аппараты применяют для дегидрирования углеводородов, каталитического крекинга. Аппараты этого типа малопроизводительны.
В контактных аппаратах с внешними теплообменниками теплообмен производится между стадиями контактирования для поддержания температурного режима, близкого к оптимальному. Установки с выносными теплообменниками используются редко вследствие их громоздкости.
Полочные контактные аппараты – один из наиболее распространенных типов контактных аппаратов. Принцип их устройства состоит в том, что подогрев или охлаждение газа между слоями катализатора, лежащими на полках, производится в самом контактном аппарате с использованием различных теплоносителей или способов охлаждения. Промежуточное охлаждение между стадиями контактирования решается иногда размещением водяных холодильников между слоями катализатора. В некоторых процессах промежуточное охлаждение возможно производить дополнительным введением одного из реагентов между стадиями контактирования. Таким реагентом может быть холодный газ, воздух, водяной пар. Примером может служить каталитическая конверсия окиси углерода с водяным паром, применяемым в производстве водорода.
СО + Н2О ↔СО2 + Н2 +Q
Выход водорода по этой реакции увеличивается при избытке водяного пара. Поэтому применяют контактные аппараты – конверторы, в которых газ охлаждается и дополнительно насыщается водяным паром при испарении воды в испарителе.
В трубчатых контактных аппаратах теплообмен происходит непрерывно и одновременно с каталитической реакцией. Аппараты с катализатором в трубах используются для эндотермических и экзотермических реакций. В первом случае в межтрубное пространство аппарата подаются горячие топочные газы, омывающие труба с катализатором. По такому типу устроены контактные аппараты каталитической конверсии метана.
Более удачны по конструкции и чаще применяются контактные аппараты с двойными теплообменными трубами и расположением катализатора в межтрубном пространстве. Примером такого контактного аппарата с двойными теплообменными трубками служит колонна синтеза аммиака при среднем давлении.
Однако все контактные аппараты с фильтрующим слоем катализатора обладают следующими недостатками, присущими неподвижному катализатору и затрудняющими дальнейшую интенсификацию процессов:
1.В фильтрующем слое можно использовать лишь сравнительно крупные зерна или гранулы катализатора не менее 4-6мм в поперечнике, так как при более мелких частицах резко возрастает гидравлическое сопротивление слоя.
2.В процессе работы частицы неподвижного катализатора спекаются и слеживаются, вследствие чего повышается гидравлическое сопротивление аппарата, нарушается равномерность распределения газа и снижается каталитическая активность катализатора.
3.Пористые зерна катализаторов имеют низкую теплопроводность, и скорость теплоотдачи от слоя к поверхности теплообмена очень мала. Поэтому невозможен интенсивный отвод тепла из неподвижного слоя и равномерное распределение температур по сечению.
4.Плохие условия теплообмена в фильтрующем слое катализатора не позволяют четко регулировать температуру и поддерживать оптимальный температурный режим.
Аппараты с взвешенным слоем катализатора в последние годы применяют взамен аппаратов с фильтрующим слоем. Принцип взвешенного слоя устраняет перечисленные недостатки и позволяет значительно упростить конструкцию контактных аппаратов. В аппаратах с взвешенным слоем применяют мелкозернистый катализатор с диаметром частиц 0.5-2мм. Взвешенный слой мелких частиц катализатора образуется в газовом или жидком потоке реагирующих веществ. Для этого газ пропускают снизу вверх через решетку, на которой находится катализатор с такой скоростью, чтобы частицы катализатора пришли в движение и весь слой перешел из неподвижного во взвешенное состояние. Важнейшее преимущество взвешенного слоя – это повышение производительности катализатора в результате уменьшения размеров частиц, и, следовательно, полного использования внутренней поверхности катализатора. Главным недостатком взвешенного слоя по сравнению с неподвижным является снижение движущей силы процесса вследствие более полного перемешивания газа, а также из-за прохождения части газа через слой в виде крупных пузырей. Другой недостаток- истирание зерен катализатора. Для взвешенного слоя необходимы высокопрочные, износоустойчивые мелкозернистые контактные массы. Аппараты взвешенного слоя применяются при проведении эндотермических процессов: дегидрирования углеводородов, каталитического крекинга.
В аппаратах с движущимся катализатором образуется поток взвеси катализатора, так как скорость парогазовой смеси велика и сила трения газа о зерна катализатора превышает массу катализатора. Недостатком установки с движущимся катализатором является трудность полного отделения пылевидного катализатора от газового потока.
Процессы с жидкими реагентами и твердым катализатором имеют ограниченное применение. Реакторы для этих процессов могут содержать катализатор в виде неподвижных стержней, кусков или зернистого фильтрующего слоя, взвешенного слоя.
Каталитические процессы с участием двух жидких фаз характерны для полимеризации жидких мономеров в эмульсии. Полимеризуемая жидкость эмульгируется обычно в водном растворе, содержащем эмульгатор и катализатор или инициатор. Эмульгирование и полимеризация ведется непрерывно в батарее реакторов с мешалками – полимеризаторов.