Использование гетерогенных катализаторов. Реактор с суспензией катализатора

1.12. Использование гетерогенных катализаторов

1.12.1 Обзор критериев, соответствующих оптимальному использованию катализатора

Очевидно, что некоторые свойства катализатора должны поддерживаться неизменными, а именно:

(а) активность (способность обеспечивать максимальную степень превращения за минимальное время при использовании минимального объема катализатора);

(б) селективность (способность обеспечивать максимальное количество продукта при данном расходе исходного вещества);

(в) стабильность (способность переработать максимум исходного вещества вещества);

(г) возможность регенерации.

Выше показано как влияние диффузионного механизма может быть вредным или дестабилизирующим. Поэтому важно устранить эти ограничения как можно более полно. Что касается внутренней диффузии, то, очевидно, что размер частиц должен быть как можно меньше, а пористость – как можно больше. Что касается внешней диффузии, то необходимо обеспечить хороший перенос, т.е. турбулизацию потока вблизи гранулы и большую поверхность обмена, как с точки зрения тепло-, так и массопереноса (с этой точки зрения малые размеры гранулы также предпочтительны).

Более того, обычно, для химического превращения суммарный порядок реакции >0 (часто близок к 1). В этих условиях с точки зрения активности  и селективности целесообразно приближение к градиентному реактору или реактору идеального вытеснения. Тем не менее, с другой стороны, при наличии термической реакции может потребоваться реактор идеального перемешивания, в котором температурный контроль осуществлять легче. В общем случае выбор типа реактора – непростая вещь. Это объясняет, почему так широко могут варьироваться условия применения катализатора.

Рассмотрим некоторые условия применения катализатора на качественном уровне.

1.12.2. Неподвижный слой.

Как уже говорилось, неподвижный слой представляет собой слой неподвижных частиц обычно в вертикальном объеме. Обычно эквивалентный диаметр гранул . Рис. 1.8. представляет случай одной фильтрующейся фазы, на рис. 1.9. показан реактор с двухфазным потоком.

Если во время реакции необходим теплообмен, то внутрь слоя необходимо встраивать теплообменные поверхности. Реакторы, применяемые в этом случае, обычно называются трубчатыми (рис.1.10). Здесь катализатор размещается в трубах, а теплоноситель движется в межтрубном пространстве. Если необходима высокая температура, трубы помещаются в печь и обогреваются продуктами горения.

Здесь также фильтрующийся внутри труб поток может быть однофазным или двухфазным (рис.1.10).

Неподвижный слой обычно применяется в непрерывных трубчатых реакторах.

Благодаря простоте реакторы с неподвижным слоем в промышленности используются для осуществления адиабатических процессов (рис. 1.8 и 1.9) когда тепловыделение невелико. В этом случае слой разбивается на ряд секций с промежуточным охлаждением (нагревом) потока (рис. 1.11) (как в случае рифформинга) или с промежуточным введением холодных реактантов (как в случае очистки).

1.12.3. Движущийся слой

В этом случае слой движется как целое внутри трубы под действием силы тяжести (рис.1.12). Хотя возможны и другие варианты, эта система в основном используется как непрерывный реактор, через который циркулирует однофазный поток.

Возможны 3 варианта подачи потока:

(а) Сверху вниз (спутный ток) (рис.1.12)

(b) Снизу вверх (противоток, используется редко)

(с)  Горизонтально (перекрестный ток) (рис.1.13)

Сложности, которые добавляются за счет циркуляции катализатора, компенсируются возможностью непрерывной регенерации катализатора. Практические приложения этой технологии ограничены.

1.12.4. Реактор с суспензией катализатора

В этом случае катализатор состоит из частиц малого раствора (50 мм ¸1 мм), которые находятся в потоке в виде суспензии. Эта суспензия создается тремя способами:

(а) Механическое перемешивание

(b) Псевдоожижение

(с) Пневмотранспорт.

1.12.4.1. Механическое перемешивание

Это простейший из возможных способов (см. рис.1.14). В реактор подаются катализатор и жидкость (если необходимо, и, газ). Суспензия  образуется под воздействием вращающейся мешалки. Реактор такого типа может быть периодическим и непрерывным реактором идеального перемешивания. Для реактора непрерывного действия могут возникать проблемы отделения и рециркуляции катализатора.