Преимущества и недостатки фиксированного, подвижного и кипящего слоев, а также сферы их применения

Thread Content

Все приведенное ниже взято из Интернета, и я не несу за это юридической ответственности. Реактор с твердым слоем: реактор с твердым слоем, также называемый реактором с наполнителем, — это реактор, в котором используется твердый катализатор или твердое вещество-реагент для осуществления процесса многофазной реакции. Твердые вещества обычно имеют гранулированную форму; размер частиц составляет примерно 2–15 мм. Они скапливаются в слой определенной высоты (или толщины). Слоя материала не двигаются, а жидкость проходит через него в процессе реакции. Отличие его от реакторов с плавающим слоем и реакторов с подвижным слоем заключается в том, что твердые частицы находятся в неподвижном состоянии. Реакторы с фиксированным слоем в основном используются для проведения каталитических реакций между газовой и твердой фазами, таких как аммиачные установки, контактные окислители диоксида серы, устройства для преобразования паров углеводородов и т. д. При использовании в некаталитических реакциях газо-твердой или жидко-твердой фазы слой заполняется твердым реагентом. Реактор с течением в виде струйки также можно отнести к реакторам с фиксированным слоем; газовая и жидкая фазы проходят сквозь слой параллельно друг другу, что обеспечивает контакт между газовой, жидкой и твердой фазами. 1. Классификация. У реакторов с твердым слоем существует три основных вида: ① Аксиальный изолированный реактор с твердым слоем. Поток жидкости течет вдоль оси сверху вниз через слой материала; между слоем материала и окружающей средой не происходит теплообмена. ②Радиальный адиабатический реактор с неподвижным слоем. Поток жидкости проходит через слой тела в радиальном направлении; может использоваться как центробежный, так и центростремительный поток. Между слоем тела и окружающей средой не происходит теплообмена. По сравнению с осевыми реакторами, в радиальных реакторах расстояние, которое проходит жидкость, меньше, площадь поперечного сечения канала больше, а падение давления жидкости меньше. Однако конструкция радиального реактора более сложна, чем у осевого реактора. Оба этих вида реакторов относятся к адиабатическим реакторам; они подходят для случаев, когда тепловой эффект реакции невелик, или когда реакционная система способна выдерживать изменения температуры, возникающие в условиях адиабаты из-за теплового эффекта реакции. ③Реактор с трубчатым картером и фиксированным слоем. Состоит из нескольких реакционных труб, соединенных параллельно. Внутри или между трубками размещается катализатор; носитель тепла проходит между трубками или внутри них для нагрева или охлаждения. Диаметр трубок обычно составляет от 25 до 50 мм, а количество трубок может достигать десятков тысяч. Реактор с трубчатым корпусом и фиксированным слоем подходит для реакций с значительным тепловым эффектом. Кроме того, существуют реакторы, состоящие из последовательного соединения вышеупомянутых базовых форм, которые называются многоступенчатыми реакторами с фиксированным слоем. Например, когда энтальпия реакции велика или требуется поэтапный контроль температуры, несколько изолированных реакторов можно соединить в многоступенчатый изолированный реактор с твердым слоем. Между реакторами устанавливаются теплообменники или используется дополнительный материал для регулирования температуры, чтобы обеспечить работу при условиях, близких к оптимальным. 2. Особенности. Преимущества реактора с фиксированным слоем катализатора заключаются в следующем: ① низкий уровень замешивания, что позволяет эффективно обеспечить контакт жидкости с катализатором; при наличии сопутствующих реакций можно добиться высокой селективности. ②Механическое износление катализатора незначительно. ③Простая конструкция. Недостатками реакторов с фиксированным слоем являются: ① плохая теплопередача; при большом количестве тепла, выделяющегося в процессе реакции, даже в реакторах с трубчатыми элементами может возникнуть ситуация, когда температура реакции выходит из-под контроля и резко повышается, превышая допустимые значения. ②В процессе эксплуатации катализатор заменять нельзя; реакции, в которых катализатор требует частой регенерации, обычно не подходят для использования, и вместо них применяются реакторы с плавающим слоем или реакторы с подвижным слоем. 　　Катализаторы в реакторах с фиксированным слоем не ограничиваются гранулированными формами; сетчатые катализаторы уже давно применяются в промышленности. В настоящее время также широко используются катализаторы с сетчатой и волокнистой структурой. 　　Математические модели. Реактор с неподвижным слоем является одним из наиболее хорошо изученных многофазных реакторов. Существует множество математических моделей, описывающих такие реакторы; они в общем делятся на две категории: квазигомогенные модели (в которых не учитываются различия в концентрации и температуре между жидкостью и твердым веществом) и многофазные модели (в которых эти различия учитываются). Каждая из этих категорий, в свою очередь, делится на модели без обратного смешивания и модели с обратным смешиванием. Кроме того, в зависимости от того, учитываются ли радиальные градиенты концентрации и температуры в реакторе, выделяют одномерные и двумерные модели. Реактор с фиксированным слоем представляет собой широко используемый тип многофазного каталитического реактора. Внутри реактора находятся неподвижные твердые частицы, которые могут быть как катализатором, так и реагентом в твердом состоянии. Например, в трубчатом реакторе с фиксированным слоем катализатор располагается внутри труб; реагент проходит через этот слой сверху вниз. Между трубами находится носитель тепла, который обеспечивает теплообмен с реагентом внутри труб, тем самым поддерживая необходимые температурные условия. Кроме того, реакторы с фиксированным слоем могут использоваться для некаталитических реакций между газом и твердым веществом, а также между жидкостью и твердым веществом. Когда газ течет через фиксированный слой с небольшой скоростью, сопротивление подъему потока газа не приводит к изменению состояния движения частиц, а высота слоя остается неизменной ； Перепад давления в слое увеличивается по мере логарифмического роста скорости потока. Подвижный слой: Подвижный слой – это ситуация, когда жидкость течет вверх через слой мелких частиц (внутри колонны). При низкой скорости потока жидкость просто проходит через промежутки между неподвижными частицами. В таком случае слой называется неподвижным слоем ； По мере увеличения скорости потока частицы раздваиваются, и можно наблюдать, как небольшое количество частиц колеблется и движется в определенной области; это явление называется растянутым слоем ； Скорость снова увеличивается до такого уровня, при котором все частицы оказываются в состоянии плавания в поднимающемся газе или жидкости; в этот момент слой частиц представляет собой начальную точку для работы флюидизированного слоя. Твердые частицы, как и жидкости, такие как вода, могут иметь четко выраженную границу раздела внутри устройства; даже при наклоне устройства эта граница остается горизонтальной ； Падение давления в слое кровати не изменяется с изменением скорости потока (практически не меняется). Проще говоря, явление, при котором твердые частицы под действием жидкости проявляют свойства, схожие с свойствами самой жидкости, называется флюидизацией. Псевдоожижающий слой — это устройство, в котором происходит псевдоожижение. В реакторах с плавающим слоем катализатор находится в состоянии кипящего флюидизированного слоя; он быстро перемещается по реактору под действием реагентов и среды, обеспечивающей его подъем, как, например, в реакторах с трубками для подъема в процессе FCC. Транспортирующая кроватка: у твердых частиц внутри устройства нет четкой границы ； Давление в слое кровати снижается по мере увеличения скорости потока. Кипящий слой представляет собой разновидность флюидизированного слоя: твердые частицы движутся внутри реактора с флюидизированным слоем, причем слой, состоящий из жидкости и твердых частиц, напоминает кипящую жидкость. В нижней части реактора расположена плита для распределения частиц; на эту плиту помещаются твердые частицы. Жидкость поступает снизу, к плите. Когда скорость жидкости достигает определенного значения, твердые частицы начинают двигаться, а при увеличении скорости они переходят в состояние флюидизации. Внутри реактора обычно имеются перегородки, теплообменники, а также устройства для разделения жидкости и твердых частиц. У кипящего слоя большая площадь контакта, что обеспечивает высокую эффективность передачи тепла и вещества, а также высокую производительность. Однако при этом возникает серьезное замешивание компонентов. В котлах с кипящим слоем из-за движения твердых частиц происходит эффективная реакция или передача тепла, однако требуется большое количество энергии, к тому же при увлажнении угля образуется большое количество пыли. Подвижный слой: Подвижный слой похож на неподвижный слой, но отличие заключается в том, что твердые частицы постоянно добавляются сверху и удаляются снизу. Подвижный слой — это устройство для ионного обмена, в котором ионно-обменная смола периодически циркулирует между эксчейнжерами, регенераторами и установками для очистки. Разница между подвижным и неподвижным каталитическим слоем заключается в том, что в процессе реакции катализатор медленно перемещается от входа к выходу реактора. Свежий катализатор (или катализатор, пройдший процедуру восстановления), поступает в реактор с входа, а деактивированный катализатор выводится из реактора с выхода для дальнейшего восстановления. Скорость движения катализатора низкая, он не достиг состояния флюидизации. Как, например, реакторы с подвижным слоем в процессах непрерывной ректификации UOP и IFP. Различия: в фиксированном слое можно обрабатывать уголь с высоким содержанием золы и высокой температурой плавления золы; инвестиции минимальны, но экологические характеристики плохие... В потоковом слое получается наибольший объем продукции, но существуют определенные требования к виду угля ； В настоящее время невозможно повысить давление в реакторе с сернистым слоем, что ограничивает его распространение. Самым важным в этих трех типах кроватей является дизайн самого корпуса кровати. В настоящее время в Китае дизайн корпуса кровати в основном осуществляется на основе экспертных оценок и моделирования, что при переходе к промышленному производству часто приводит к множеству недостатков. Основное различие заключается в назначении, свойствах материалов, а также в том, является ли процесс физическим или химическим. Фиксированные и подвижные слои более подходят для реакций газ-газ, газ-жидкость и жидкость-жидкость; сами слои выступают в качестве катализатора. Преимущества заключаются в незначительном замешивании компонентов, малом количестве твердой фазы, выносимой из реактора, и простоте разделения продуктов реакции. Тип песчаной камеры имеет большое значение в проектировании, поскольку он должен хорошо соответствовать требованиям реакционной системы. Кроме того, скорость потока газа в процессе работы, объем откачиваемой субстанции, а также параметры конструкции сопутствующего оборудования для разделения газов, такого как циклонные устройства, должны соответствовать строгим требованиям. Теплообмен в пылевом тигле, а также меры по разрушению пузырьков и устранению каналов потока также являются предметом активных исследований. При работе с плавающим слоем важно не допускать засорения дисперсора газа, иначе это приведет к серьезным проблемам. Различие между фиксированным слоем, подвижным слоем и кипящим слоем определяется объемом воздуха, поступающего в слой. По мере увеличения объема воздуха сначала появляется фиксированный слой, затем слой с пузырьками (кипящий слой), слой с турбулентным потоком и слой с перемещением материала. Подвижный слой в строгом смысле относится к категории пульсирующих слоев: частицы перемещаются вниз, при этом высота слоя остается неизменной. Типичным примером технологии с подвижным слоем является процесс каталитического ректификации в нефтепереработке. Что касается сфер применения, преимуществ и недостатков, то технология плавающего слоя обладает хорошей способностью к передаче вещества и тепла, а также обеспечивает высокую однородность процесса. Она используется в больших масштабах и наиболее широко применяется, например, в различных процессах газификации и сгорания, основанных на использовании циркуляционного плавающего слоя. У установок с фиксированным и подвижным слоем существуют ограничения, связанные с процессами передачи массы и тепла; их масштабы невелики. Однако затраты на их создание невысоки. Например, технология газификации газообразного угля компании Rucho является типичным примером установки с фиксированным слоем. Обычно для обеспечения непрерывности процесса требуется использование нескольких печей, которые работают поочередно.