МАШИНОСТРОЕНИЕ

РЕАКТОРЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РЕАКЦИЙ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ

Реакторы для проведения реакций в го­могенной газовой фазе наиболее часто класси­фицируют по тепловому эффекту реакции и тепловому режиму реактора.

Пламенные реакторы с предварительным смешением газов состоят из камеры смешения, диффузора, в котором заканчивается процесс смешения, и камеры сгорания, в которую рав­номерно поступают газы из диффузора. Самым простым реактором с камерой смешения мож­но считать горелку Бунзена (рис. 6.2.1). Про­мышленные горелки бывают пламенными и беспламенными. В промышленной горелке для перемешивания горючего с воздухом исполь­зуется трубка Вентури 7, а для большей устой­чивости пламени - насадка 2 (рис. 6.2.2).

В реакторах-горелках для парциального окисления углеводородов теплота, необходи­мая для проведения эндотермической реакции, может быть получена путем сочетания этой реакции процесса горения с эндотермической реакцией таким образом, чтобы общий тепло­вой эффект был положительным.

Реакторы-горелки используются для про­изводства сажи из метана рис. 6.2.3. Сажа об­разуется при высокой температуре в условиях, когда свободная энергия диссоциации метана на углерод и водород имеет отрицательное значение, а необходимое для проведения реак­ции тепло получается в результате сгорания части метана с воздухом В реакторе, пока­занном на рис. 6.2.3. а, метан для образования сажи подается в камеру сгорания, а в реакто­рах, показанных на рис. 6.2.3 б, в иг, метан для образования сажи подается в камеру смешения, при этом количество воздуха, подаваемого в реактор, значительно ниже стехиометрическо - го соотношения. Температура газов в зоне го­рения 1300... 1400 °С.

Образующаяся сажа вместе с реакцион­ными газами направляется на фильтры отделе­ния твердых частиц от газообразных продуктов сгорания.

Реакторы для производства ацетилена путем парциального окисления метана ки­слородом. Ацетилен образуется из метана в результате эндотермической реакции с одно­временным разложением метана. Процесс по­лучения ацетилена должен быть скоротечен, в противном случае может начаться реакция горения ацетилена, поэтому его проводят в реакторах горелочного типа. Углеводороды, смешанные с кислородом, проходят с большой скоростью через горелки определенных разме­ров и зажигаются в камере сгорания. Часть метана, сгорая со всем введенным кислородом, дает значительное количество теплоты, необ­ходимой для быстрого повышения температу­ры оставшихся углеводородов до 1300... 1500 °С. при которой степень превращения будет оптимальной. Затем с помощью ороше­ния холодной водой создается, так называемое, «замороженное» равновесие, благодаря чему достигается требуемая производительность.

Воздух

Рис. 6.2.3. Типы реакторов-горелок для производства сажи:

1 - изоляция; 2 - огнеупорный материал

Реактор типа Саксе для проведения опи­санного выше процесса состоит из камеры смешения, которая может иметь различную форму диффузора, блока металлической или керамической горелки и камеры сгорания (рис. 6.2.4). В камере смешения 1 газы должны в предельно короткое время образовать од­нородную смесь. Завершается эта операция в

Диффузоре 2. Блок горелки 3 охлаждается во­дой. Блок перфорирован каналами, через кото­рые с большой скоростью протекают газы. Под камерой сгорания пламя резко охлаждается до 80 °С, после чего газы из реактора направля­ются в установку для отделения сажи, концен­трирования и очистки ацетилена.

В реакторе Гриненко (рис. 6.2.5) получа­ют ацетилен путем частичного соединения метана с кислородом в потоке большой турбу­лентности. Смесь метана с кислородом, подог­ретая до 400 °С в подогревателе /, выходит из сопла 3 с большой скоростью, загорается и поступает в камеру сгорания 5, где происхо­дит горение в турбулентном потоке. Пламя устанавливается путем бокового введения до­полнительного количества кислорода, нагретого до 750...800 °С сжиганием небольшого коли­чества метана с кислородом в специальной горелке 2. Кислород, необходимый для стаби­лизации пламени, составляет 5... 10 % общего расхода.

В другом варианте реактора для парци­ального окисления метана кислородом под давлением, метан и кислород, нагретые до 400 °С при давлении 0,4 МПа после смешения в камере 1 проходят через распределитель 2 и попадают в камеру сгорания 5, в которой тем­пература повышается более чем до 1500 °С и происходит образование ацетилена и алкенов (рис. 6.2.6). Вторичный подогретый углеводо­род вводится через сопла 4 и 5 в камеру сгора­ния, в которой путем крекинга снова получают ацетилен и алкены. В конце процесса газы ох­лаждаются водой до 130... 140 °С и выходят из реактора.

Реактор для получения синтез-газа пу­тем парциального окисления метана. Полу­чение синтез-газа состоит из двух стадий: экзо­термической реакции сгорания метана в кисло­роде и взаимодействия этих продуктов с ос­тавшимся метаном по эндотермической реак­ции. Реакционная камера 2 для проведения процесса в гомогенной фазе устанавливается сбоку от разделенной на части печи 1 (рис. 6.2.7). Кислород вдувают по оси через сопло,

Сообщая ему вращательное движение. Вводи­мый метан нагрет до 650 °С.

Реактор для получения этилена из эта­на и кислорода. При проведении большинства реакций в пламени трудно поддерживать его устойчивым. В свободном пространстве устой­чивое пламя можно получить в том случае, если проводить реакцию в реакционном объе­ме с огнеупорной насадкой. В реакторе для парциального окисления этана в этилен реаген­ты гомогенизируются в камере смешения 3
небольшого объема, затем проходят через ре­шетку 2, которая имеет симметричные отвер­стия по всей поверхности, и попадают в реак­ционное пространство 7, заполненное насадкой из фарфоровых шаров (рис. 6.2.8). Кислород и этан подогреваются отдельно до температуры 600 °С, а затем смешиваются. В реакционном пространстве часть этана сгорает до оксида углерода и водорода, а выделенное количество теплоты используется для эндотермической реакции распада этана на этилен и водород.

Реакторы для синтеза соляной кисло­ты. Хлор бурно реагирует с водородом по ре­акции Н2 + С12 = 2НС1, которая может начаться при температуре 500 °С, если реагенты хорошо высушены. Реактор для синтеза соляной ки­слоты состоит из горелки 5, реакционной камеры 2, камеры охлаждения образовавшихся газов и регулятора давления 7 (рис. 6.2.9, а). Горелка (рис. 6.2.9, б) представляет собой кварцевую трубу 7 с закрытым концом, кото­рый имеет наклонные отверстия для подачи хлора С12. Снаружи этой трубы циркулирует водород. Газы горят, образуя пламя в отвер­стии наружной трубы. Охлаждение газов про­изводится путем естественной конвекции на поверхности реактора.

Реактор для автотермического разло­жения ацетилена на сажу и водород (рис. 6.2.10). Реактор полностью изготовлен из ме­талла. Реактор 7 - стальная трубка с охлаждае­мыми стенками - снабжен в верхней части калиброванным соплом, через которое входит ацетилен. Реакция сильно экзотермична. Вос­пламенение смеси происходит в электрическом поле, затем реакция протекает автотермически с выделением большого количества теплоты. Температура при этом достигает 2550 °С. Сра­зу после начала реакции вокруг слоя газа обра­зуется проходной кольцевой канал, на «стен­ках» которого оседает сажа, образуя кольцо - изолятор с внутренней раскаленной поверхно­стью. За время прохождения ацетиленом реак­ционного пространства он почти полностью разлагается.

Для охлаждения продуктов реакции у вы­хода из реактора вводят 1500 м3/ч водорода при 50 °С, которые путем диффузии в потоке газа и прямого обмена потоков в предвари­тельном сепараторе создают неустойчивое пламя. Водород из зоны реакции и водород, вводимый для охлаждения, вместе с сажей проходит через поверхностный ороситель, в результате чего происходит выделение сажи.

Реакторы для термического хлориро­вания метана. Для получения хлористых про­изводных метана (от хлористого метила до четыреххлористого углерода) используется реакция хлорирования метана при температуре 390...450 °С. В промышленных условиях хло­рирование в гомогенной газовой фазе проводят при избытке метана. После отделения хлори­стых производных осуществляют рециркуля­цию метана.

Реактор для хлорирования метана (рис. 6.2.11) представляет собой цилиндрический сосуд, дно которого сделано из нихрома, так как нагревание происходит снаружи непосред­ственно горячим газом при погружении в дру­гой аппарат. Метан перемешивается с хлором в смесителе У, по трубопроводу 2 газы направ­ляются в реактор и поступают в центральную керамическую трубу 4, которая выполняет роль нагревателя, получающего теплоту из реакци­онной камеры 6. Далее газы проходят через на­садку 3 из колец Рашига, которые служат фильтром для сажи, образованной при вторич­ных реакциях.

Другая конструкция реактора для хлори­рования метана показана на рис. 6.2.12. Основ­ной его частью является секция хлорирова­ния У, имеющая форму цилиндра и изготов­ленная из чугуна, облицованного слоем анти­кислотного цемента. Внутри этой секции рас­положена труба 2 для подачи смеси газов в реакционную зону. Одна часть реакционных газов идет по трубопроводу 7 на переработку, вторая часть рециркулирует по направлению к эжектору 6. Хлор и смесь газов, которая про­ходит через трубопровод 5, гомогенизируется эжектором 4 перед тем как пройти через трубу 2. Третья частичная гомогенизация газов, на­правляющихся к трубе 2, с реакционными га­зами осуществляется эжектором 10. Для пуска реактор имеет рубашку, обогреваемую горячим газом.

Реактор для полимеризации этилена при высоком давлении. Получение полиэти­лена с большой молекулярной массой (более 20 000) происходит при температуре 180... 200 °С и давлении 100 МПа В этих условиях часть этилена полимеризуется путем введения инициатора - пироксида или кислорода. Неза - полимеризовавшийся этилен промывают, очи­щают и снова вводят в цикл.

Для проведения такого процесса в про­мышленности используют два типа реакторов. Трубчатый реактор с полным вытеснением состоит из большого числа труб, соединенных коленчатыми переходами (рис. 6.2.13). Каждая труба снабжена рубашкой, через которую цир­кулирует тепловой агент. Таким образом, реак­тор является теплообменником типа «труба в трубе». Первые секции реактора нагреваются паром до 160... 170 °С, чтобы реагенты достиг­ли температуры реакции. Остальные секции

Охлаждаются, чтобы поглотить теплоту реак­ции. Режим течения в реакторе турбулентный. Образующийся полиэтилен удаляется с раство­ренным в нем большим количеством этилена. Затем давление постепенно снижается до атмо­сферного и происходит грануляция продукта.

Реактор с перемешиванием имеет внутри винтовую мешалку (рис. 6.2.14). Перемешива­ние позволяет достигать большой степени пре­вращения. Реакция полимеризации - экзотер­мическая, с отводом теплоты частично через рубашку, а частично - непосредственно с про­дуктами реакции (реактор действует автотер - мически).

Реакторы для проведения эндотерми­ческих процессов. При производстве этилена и пропилена из пропана или бензина использу­ется трубчатый реактор с полным вытеснением и программированным тепловым режимом (рис. 6.2.15). Реактор представляет собой змее­вик 2 большой длины, помещенный внутри печи 1 с двумя зонами: конвекционной и ра­диационной. Используемые печи, получивЩие название «градиентных печей», имеют горелки с коротким пламенем, работающие с неболь­шим избытком воздуха

В адиабатических реакторах с циркуля­цией теплового агента в смеси с реагентом в качестве теплового агента может быть исполь­зован газ или твердое тело. Поэтому такие ре­акционные аппараты имеют различную конст­рукцию.

Известны две конструкции реакторов, ис­пользующих в качестве теплового агента газ. В трубчатом реакторе для крекинга углеводоро­дов паром реагент (углеводород) подогревают до температуры 600...690 °С, а пар - до темпе­ратуры 930...950 °С отдельно один от другого в трубчатой печи, после чего вводят в реактор снизу под давлением 24 МПа Реактором явля­ется хорошо изолированная труба большой длины с объемом, обеспечивающим время кон­такта 1 с. Газы с большим содержанием водо­рода поступают в верхнюю часть камеры сго­рания и образуют с кислородом первичный пар. Для регулирования температурного режи­ма в камеру сгорания вводится дополнительное количество пара.

К этой группе реакционных аппаратов относится также реактор, изображенный на рис. 6.2.16. Горючие газы с большой скоростью проходят через зону смешения 3, в которую вводится углеводород (пропан или бензин) с небольшим количеством пара, и попадают в реакционную зону 4, в которой образуется ацетилен и этилен.

Существует множество различных реак­торов, в которых количество теплоты, необхо­димое для проведения эндотермической реак­ции крекинга углеводородов, доставляется твердым тепловым агентом, циркулирующим в смеси с реагентом. В реакторе со взвешенным слоем специально гранулированного кварцево­го песка реагент нагревается в подогревателе 5, смешивается с паром и поступает в нижнюю

Часть реактора 3 (рис. 6.2.17). В верхнюю часть реактора вводится кварцевый песок, нагретый до 760...900 °С. Песок, который поступает на циркуляцию, нагревают сжиганием жидкого топлива в трубопроводе пневмотранспорта 4.

Другие реакторы используют падающий слой твердого теплового агента (порошкооб­разного или шаровидного) в перекрестном или параллельном потоке с реагентом.

Регенеративный реактор для термиче­ского крекинга метана. Реактор заполнен керамической массой^ которая попеременно нагревается и охлаждается метаном, который эндотермически крекируется в ацетилен. Меж­ду этими основными фазами находятся фазы удаления и очистки. Реактор (рис. 6.2.18) со­стоит из цилиндрического вертикального кор­пуса с наружной рубашкой 4 из нихрома, ох­лаждаемой воздухом для горения, который в ней подогревается. Внутри реактор имеет ру­башку 3 из огнеупорного материала и смешан­ную насадку 5 из тонких пластинок.

При выборе огнеупорного материала нужно учитывать, что в процессе превращения происходит периодическое изменение давле­ния внутри реактора в результате чередования двух фаз. По этой причине материалы не должны обладать пористостью.

В период нагревания метан подают в го­релки 2, расположенные по радиусу в верхней части аппарата. Воздух нагревается от стенок и затем попадает в пространство для горения. Горючие газы удаляются с помощью газодув­ки. Наиболее высокая температура достигается в верхней части реактора и постепенно умень­шается к его основанию. В обеих фазах реак­ции метан проходит противотоком. Подача метана происходит через кольцевой распреде­лительный трубопровод. При выходе из реак­тора продукт охлаждается водой.

Реактор с электрической дугой (рис. 6.2.19). Газы проходят по трубопроводу в рас­пределитель с круговым движением и по каса­тельной входят внутрь распределительной ка­меры 1. Таким образом, газы поступают в ре­акционное пространство 3, стенки которого служат одновременно нижним электродом. Здесь образуется электрическая дуга, протя­женностью от верхнего электрода 2 почти до нижней части камеры реакционной трубы 3. Верхний электрод сделан из меди и изолирован фарфоровыми изоляторами. Под распредели­тельной камерой находится вспомогательный электрод, снабженный пневматическим капсу­лем. Как верхний, так и вспомогательный элек­троды охлаждаются водой для предупреждения перегрева. Непосредственно при выходе из зоны реакции в реакторе возникает устойчивое равновесие вследствие введения воды, охлаж­дающей газы до 150 °С и очищающей их.