Реакторы с псевдоожиженным слоем зернистого катализатора
В последние годы широкое распространение получили аппараты, в которых зернистый катализатор переводится контактирующим газом в состояние псевдоожижения (“кипения”).
Псевдоожиженный (“кипящий”) слой катализатора имеет некоторые свойства, аналогичные свойствам кипящей жидкости: текучесть, “вязкость”, способность принимать форму вмещающего его сосуда, всплески на поверхности, проскоки пузырей.
Для псевдоожиженного слоя используются зернистый (размер частиц от 4 до 0,1 мм) и пылевидный (размер частиц менее 0,1 до 0, 01 мм) катализаторы.
Благодаря интенсивному хаотическому движению частиц катализатора в слое реакторы с псевдоожиженным слоем имеют ряд преимуществ: возможность непрерывного отвода катализатора практически из любой точки его слоя, высокая теплопроводность вследствие переноса тепла самими частицами и малое гидравлическое сопротивление.
Недостатки псевдоожиженного слоя: быстрое истирание частиц в слое; более низкая интенсивность процесса в сравнении с неподвижным слоем вследствие того, что продукты реакции смешиваются с поступающим сырьем; неравномерность газового потока по поперечному сечению слоя; большой унос катализатора газом.
Реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора представляют собой цилиндрические сосуды с газораспределительной решеткой внизу
Рис.11.1 Реактор с псевдоожиженным слоем пылевидного катализатора
1-цилиндрический корпус; 2 - псевдоожиженный слой; 3 – газораспределительная решетка; 4 – штуцер подачи сырья и катализатора; 5 – штуцер для вывода катализатора на регенерацию; 6 – циклоны.
Реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора представляют собой цилиндрические сосуды с газораспределительной решеткой внизу. На рис. 11.1 дана схема одного из реакторов этого типа. В нижней части цилиндрического корпуса 1 закреплена газораспределительная решетка 3, поверх которой находится псевдоожиженный слой катализатора. Необходимый для псевдоожижения катализатора газ (в данном случае сырье) подается под газораспределительную решетку через штуцер 4. Вместе с этим сырьем в реактор непрерывно вводится свежий катализатор. Точно такое же количество катализатора выводится из реактора через штуцер 5 на регенерацию. В отпарной секции 2 реактора отходящий на регенерацию катализатор отпаривается от исходных и конечных продуктов. С этой целью сюда подают острый пар. В основании днища подается азот, создающий газовый затвор, препятствующий проникновению в регенератор реакционных газов и сырья. Реакционные газы, выйдя из псевдоожиженного слоя катализатора, проходят циклонный сепаратор 6, где освобождаются от унесенной из слоя пыли катализатора. Эта пыль по спускной трубе возвращается обратно в псевдоожиженный слой.
Из рассмотренной схемы ясно, что реактор с псевдоожиженным слоем имеет следующие зоны: зону ввода и распределения сырья, реакционную зону, отстойную зону, зону циклонных устройств и отпарную зону.
Распределительное устройство чаще всего представляет собой решетку с равномерно распределенными отверстиями диаметром 35 - 50 мм. Общая площадь отверстий составляет 2 - 5 % всей площади решетки. Толщина решетки 20 - 40 мм. Решетку изготовляют, из легированной стали, так как она лучше противостоит эрозии (т. е. истиранию частицами катализатора).
В реакционной зоне реактора обычно нет каких-либо специальных устройств. Чаще всего здесь устанавливают трубчатые или змеевиковые теплообменники для отвода тепла реакции.
Отстойная зона (от поверхности псевдоожиженного слоя до входных штуцеров циклонов) служит для осаждения мелочи, вынесенной из псевдоожиженного слоя. Обычно высота ее равна 4 - 5 м.
Циклонная зона служит для очистки реакционных газов от катализаторной пыли. В зависимости от размера частиц устанавливают одно или двухступенчатые циклоны. Отсепарированная мелочь отводится из циклонов по отдельным стоякам. На нижней части стояков имеются клапаны-захлопки, которые открываются под давлением определенной силы тяжести (веса) катализатора в стояке и препятствуют прорыву сырья по стояку в циклон.
В тех случаях, когда необходимо полностью уловить катализатор, вместо циклонов применяют фильтры из стеклоткани, пористой керамики и металлокерамики, разбитые на несколько секций, периодически продуваемых обратным током газа.
Отпарная зона служит для удаления из катализатора продуктов реакции и сырья. Ее выполняют внутри аппарата путем установки кольцевой или другой формы перегородки, через которую перетекает катализатор. Иногда отпарную секцию располагают внизу аппарата, где устанавливают для этой цели каскадные тарелки. При перетоке катализатора с тарелки на тарелку он отпаривается острым паром. Реакторы с псевдоожиженным катализатора, работающие до температуры 400 оС, выполняются обычно из углеродистой стали с наружной теплоизоляцией. При более высоких температурах корпус защищают изнутри слоем теплоизоляционной футеровки так же, как и реакторы с компактным движущимся слоем. В зависимости от мощности производства реакторы бывают диаметром 2,5 - 12 м и высотой 10 - 16 м. Ввод сырья, вывод продуктов реакции из аппарата производится по трубам большого диаметра (около 1 м). Чтобы при нагревании эти трубы не передавали больших нагрузок на корпус реактора, они соединены с ним через линзовый компенсатор.
Регенерацию катализатора ведут в аппаратах-регенераторах, которые по принципу действия и по конструкции мало отличаются от реакторов.
На рис.11.2 показан регенератор, используемый в нефтеперерабатывающей промышленности. Корпус 1 регенератора - цилиндрический сосуд с днищем и крышкой конической формы. Изнутри аппарат снабжен футеровкой 2 и защитной облицовкой 3 из стальных листов толщиной 6 мм. Внизу смонтирована газораспределительная решетка 4, под которой находится короб 5 для распределения воздуха, подаваемого через ввод I диаметром 800 мм совместно с катализатором.
В регенерационной части аппарата, т. е. в зоне псевдоожиженного слоя, установлен змеевик 6 пароводяного охлаждения. С помощью этого змеевика можно отводить избыток тепла, возникающий при выжиге углерода с поверхности частиц катализатора. Змеевик выполнен из труб диаметром 57 мм.
В верхней части регенератора подвешены двенадцать циклонов 7, соединенных попарно в шесть групп. Под циклонами подвешены конусообразные бункера для сбора уловленного катализатора. Из них катализатор по стоякам 8 опускается обратно в псевдоожиженный слой. Стояки прикрыты внизу клапанами-захлопками. Из циклонов второй ступени дымовые газы собираются в сборнике, откуда через два штуцера III диаметром 800 мм удаляются из регенератора.
Для разогрева регенератора в пусковой период смонтированы форсунки 9, в которых сжигается топливо. Чтобы катализатор не перегревался в верхней части регенератора из-за догорания СО, внутрь регенератора впрыскивают водяной конденсат через форсунки 10. Отработанный катализатор удаляется через штуцер II.
В данной конструкции регенератора отпарная зона вынесена в отдельный аппарат. Дополнительное количество воздуха вводится под решетку через штуцер IU.
Реактор и регенератор соединены с помощью трубопроводов в единую систему. Для транспортирования катализатора из одного аппарата в другой используются пары сырья, дымовые газы или воздух.
Рис.11.2. Регенератор с псевдоожиженным слоем пылевидного катализатора