Реакторы с движущимся слоем катализатора

Основным принципом работы реакторов с движущимся катализатором является непрерывное перемещение последнего в зоне реакции при постоянном объеме. Аналогично осуществляется регенерация, подогрев и охлаждение катализатора. Установки с движущимся катализатором являются аппаратами непрерывного действия. Для эндотермических некаталитических процессов (термокрекинг, пиролиз) вместо катализатора можно применять инертный материал – теплоноситель, который перегревается в специальном аппарате, а затем поступает в реактор, где отдает свое тепло реагирующей смеси.

Все реакторы с движущимся катализатором относятся к классу реакторов с теплообменом при непосредственном контакте с катализатором (предварительно нагретым или охлажденным). По состоянию катализатора рассматриваемые реакторы подразделяются на две группы:

1. реакторы с движущимся гранулированным катализатором;

2. реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора.

Реакторы с движущимся гранулированным слоем катализатора.В реакторах данного типа, катализатор применяется в виде зерен, шариков или других конфигураций с условным диаметром 3-5 мм, непрерывно перемещающихся внутри аппарата сверху вниз под действием силы тяжести. Впервые предложенный в 1933 году принцип Грум - Гржимайло для контактного разложения этилового спирта на дивинил (рис.3.35.) нашел в дальнейшем практическое применение в нефтеперерабатывающей промышленности для каталитического крекинга и в промышленности СК - для проведения различных реакций.

Рис. 3.35. Схема аппарата Грум-Гржимайло с движущимся катализатором: 1 – реакционная камера; 2 – регенерационная камера

В современных установках с движущимся гранулированным катализатором применяются два отдельных аппарата – реактор и регенератор, в каждом из которых осуществляется непрерывное движение катализатора сверху вниз (рис. 3.36.).

Аппарат представляет собой полую колонну, заполненную катализатором, который непрерывно поступает сверху и выводится снизу. Противотоком или прямотоком к катализатору поступает парообразное сырье, а реакционные газы выводятся соответственно сверху или снизу аппарата.

Для эффективной работы реактора необходимо обеспечить равномерное перемещение катализатора сверху вниз, максимально возможное распределение паров сырья по сечению реактора и равномерный отвод продуктов реакции.

Существует несколько систем регуляторов, обеспечивающих такое перемещение катализатора в реакторе: регуляторы с вибрационными, перфорированными тарелками и с наклонными трубами. Наиболее распространены регуляторы с перфорированными тарелками (рис.3.36.). Эти тарелки (3 – 4 штуки) располагают одну под другой таким образом, чтобы отверстия верхней не совпадали с отверстиями нижерасположенной, причем, чем ниже помещена тарелка, тем меньше в ней должно быть отверстий.

Рис. 3.36. Прямоточный (а) и противоточный (б) реакторы с движущимся катализатором (система «Термофор»)

Равномерное распределение паров сырья, поступающего снизу реактора, и равномерный отвод реакционных газов из любой точки реактора обеспечиваются с помощью специальных распределительных тарелок с ввальцованными в них короткими патрубками (рис. 3.36.).

Эти аппараты могут располагаться как на одном, так и на разных уровнях (рис.3.37., 3.38.).

Горизонтальное расположение аппаратов (рис. 3.37.) используется в процессе крекинга нефтепродуктов. В этом случае для перемещения катализатора необходимо иметь два транспортера 4 и 5, однако даже при таком расположении аппаратов общая высота установки достигает 80 – 100 м.

Рис. 3.37. Схема установки с движущимся гранулированным катализатором (горизонтальное взаимное расположение реактора и регенератора): 1 – засыпная воронка; 2 – реактор;

3 – регенератор; 4, 5 – транспортер

При вертикальном расположении аппаратов (рис.3.38.) регенератор 2 всегда помещается над реактором 1, чтобы нагретый в процессе регенерации катализатор поступал непосредственно в реактор. При таком расположении аппаратов установка получается компактной и требуется только один транспортер. В производствах СК эти установки применяются для каталитического дегидрирования и пиролиза на движущемся теплоносителе. Их недостатком является большая высота.

Рис. 3.38. Схема установки с движущимся гранулированным катализатором (вертикальное взаимное расположение реактора и регенератора): 1 – реактор; 2 – регенератор; 3 – транспортер;

4 – трубы, заполненные катализатором; 5 – азотный затвор

Предотвращение прорыва газов из одного аппарата в другой, а также в систему транспорта катализатора обеспечивается созданием затворов из самого катализатора. На трубопроводе, связывающем эти аппараты, устанавливается азотный затвор 5 (рис. 3.38.). Он представляет собой камеру, в которой создается давление азота, превышающее на 20 – 30 мм рт.ст. давление в аппаратах.

Перемещение катализатора снизу вверх может осуществляться тремя способами: механическим, пневматическим и гиперфлоу (в плотном слое).

Механические подъемники (ковшевой элеватор или скиповый подъемник) работают в условиях высоких температур, что приводит к быстрому износу деталей и частым поломкам. Для обеспечения непрерывного процесса в реакторном блоке необходимы бункеры в нижней и верхних частях установки с запасами катализатора.

При пневмотранспорте скорость газа должна несколько превышать скорость витания частицы. Поднятый вверх катализатор отделяется от газа в специальных сепараторах (рис.3.39., 3.40.), газ же циркулирует в системе пневмотранспорта с помощью специальной газодувки.

Рис. 3.39. Схема пневмотранспорта: 1 – сепаратор;

2 – пневмотранспортная труба; 3 – дозатор

Рис. 3.40. Дозатор

Перепад давления невелик: 10 – 20 кПа (рис.3.41. а). Подобный способ подъема может применяться и в установках с псевдоожиженным катализатором.

Рис. 3.41. Принцип транспорта катализатора: а – обычный пневмотранспорт; б – транспорт в плотном слое

При транспортировке твердой фазы в плотном слое (гиперфлоу) каждая частица катализатора, передавая давление на окружающие ее частицы, способствует их перемещению (рис. 3.41. б). При этом необходимо небольшое количество газа, но при значительном перепаде давлений.

На рис. 3.42. приведена схема подъема в плотном слое на установке гиперформинг.

Рис. 3.42. Установка с транспортом катализатора в плотном слое: 1 – реактор; 2 – питатель; 3 – сепаратор; 4 – транспортный стояк

Для транспортировки в сплошной фазе требуется большое давление (0,7 – 0,8 МПа). Скорость же частиц при этом 2-3 м/с, что снижает истирание стенок транспортных линий и катализатора.