Реакторы с теплообменом через стенку (изотермические)

Наиболее простым аппаратом этого типа является реторная печь Грум-Гржимайло, использованная акад. С.В.Лебедевым в 30 – ых годах 20 века для получения дивинила из спирта (рис. 3.18.).

Рис. 3.18. Ретортная печь для синтеза дивинила: 1 – реторта;

2 – сборный коллектор на выходе продуктов; 3 – муфель;

4 – распределительный коллектор на входе реагентов;

5 – форсунка

Ретортная печь представляет собой муфель с двойными стенками, объединенными общим обогревателем. Узкий кольцевой промежуток между стенками является топкой печи. Обогрев происходит за счет топочных газов от сжигания мазута или газа в тангенциально расположенных форсунках. Контактные газы собираются в общий коллектор. Недостатком таких реакторов громоздкость и техническое несовершенство.

На рис.3.19. изображена реторта, представляющая собой сосуд с большим соотношением между высотой и площадью поперечного сечения, заполненный катализатором. Форма поперечного сечения реторты может быть различной: круглая, прямоугольная, овальная. Наименее выгодной является круглая форма, из-за неравномерного распределения температуры по сечению реторты.

Рис. 3.19. Реторта: 1 – штуцер для гильзы термопары; 2 – тяги

К реакторам рассматриваемого типа относятся также трубчатые аппараты. Конструктивно они могут быть с охлаждающей рубашкой около каждой трубки, с общей охлаждающей рубашкой (аппарат кожухотрубного типа с размещением катализатора в трубках или межтрубном пространстве), с двойными трубками, когда слой катализатора имеет кольцевое сечение. Примером трубчатого аппарата может служить полимеризатор пропан-пропиленовой фракции (рис. 3.20.).

Рис. 3.20. Секция многотрубного аппарата типа “труба в трубе”:

1 – корпус; 2 – рубашка

Он представляет собой реактор типа “труба в трубе” и состоит из 12 секций, работающих параллельно. При установке рубашек на каждую трубу можно использовать рубашки с меньшей толщиной стенки. Достоинством таких аппаратов является возможность применения хладоагента высокого давления; недостатки выражаются в малой производительности, большой занимаемой площади, неудобстве выгрузки катализатора.

Так же к трубчатому аппарату можно отнести аппарат для дегидрирования циклогексанола (рис.3.21.). Аппарат имеет концентрические перегородки, обеспечивающий равномерный нагрев всех трубок, и сальник, выполняющий роль компенсатора температурных удлинений.

Рис. 3.21. Трубчатый контактный аппарат для дегидрирования циклогексанола: 1 – контактные трубки; 2 – корпус;

3 – футеровка; 4 – перегородка; 5 – сальник

Основными же типами реакторов с теплообменом через стенку являются трубчатые реакторы, которые, в свою очередь, подразделяются на многотрубные и кожухотрубные.

В многотрубных реакторах (рис. 3.22.), представляющих собой обычные трубчатые теплообменники, катализатор помещен в трубках, а теплоноситель движется в межтрубном пространстве. Многотрубные реакторы применимы как для эндотермических процессов (дегидрирование бутана, бутилена, этилбензола; дегидратация и дегидрирование спиртов), так и для экзотермических (окисление, гидрогалогенирование).

Рис. 3.22. Многотрубный реактор с металлическим кожухом для дегидратации спиртов: 1 – кожух; 2 – трубные решетки;

3 – верхняя крышка; 4 – нижняя крышка; 5 – трубка

Высокоэффективным, с экономической точки зрения, является применение внутреннего теплообмена. Под этим теплообменом подразумевается использование в качестве хладоагента сырья, поступающего на реакцию. Схемы многотрубных реакторов с внутренним теплообменом приведены на рис. 3.23. а, б.

Рис. 3.23. Многотрубные реакторы с внутренним теплообменом при противотоке (а) и прямотоке или противотоке (б):

1 – нижняя крышка; 2 – верхняя крышка; 3 – верхняя трубная решетка; 4 – трубки; 5 – кожух; 6 – нижняя трубная решетка

В кожухотрубных реакторах катализатор расположен в межтрубном пространстве, а теплоноситель пропускается по трубкам. В обоих случаях гидравлический радиус сечения реакционной зоны очень невелик, что обуславливает хорошую теплопередачу. Однако не удается достичь равномерного распределения температур в реакционной зоне, так как отдельные трубки оказываются в различных условиях.

Схема кожухотрубного реактора для проведения экзотермических и эндотермических процессов приведена на рис. 3.24. а, б соответственно.

Рис. 3.24. Кожухотрубные реакторы для проведения экзотермических (а) и эндотермических (б) процессов:

1 – нижняя крышка; 2 – верхняя крышка; 3 – нижняя трубная решетка; 4 – трубки; 5 – кожух; 6 – верхняя трубная решетка;

7 – глухие трубки

Интересным вариантом кожухотрубного реактора является аппарат для проведения так называемых «адиабатических» процессов, в которых циклы реакции и регенерации быстро чередуются (рис. 3.25.).

Кожухотрубные реакторы имеют существенные преимущества перед многотрубными в отношении обеспечения более строгого теплового режима, так как в них достигаются более благоприятные условия теплообмена и большие теплопередающие поверхности. Однако они имеют и недостаток, заключающийся в деформации трубок при перегрузке катализатора. Кроме того, трубные реакторы сложны в изготовлении.

Рис. 3.25. Кожухотрубный реактор для проведения чередующихся экзотермических и эндотермических процессов:

1 – нижняя трубная решетка; 2 – штуцер для выгрузки катализатора; 3 – собирательные трубки; 4 – кожух; 5 – верхняя трубная решетка; 6 – крышка; 7 – труба для загрузки катализатора; 8 – трубки для теплоносителя;

9 – распределительные трубки; 10 – катализаторная трубная решетка; 11 – главная трубная решетка; 12 – днище