Гетерогенный каталитический реактор

В гетерогенных каталитических реакторах особое внимание уделяется факторам эффективности катализатора и последствиям тепло- и массообмена . Гетерогенные каталитические реакторы являются одними из наиболее часто используемых химических реакторов в химической промышленности.

Типы реакторов

Гетерогенные каталитические реакторы обычно классифицируют по относительному движению частиц катализатора.

Реакторы с незначительным движением частиц катализатора

Реакторы с неподвижным слоем

Реактор с неподвижным слоем представляет собой цилиндрическую трубку, заполненную гранулами катализатора, при этом реагенты проходят через слой и превращаются в продукты. Катализатор может иметь несколько конфигураций, включая: один большой слой, несколько горизонтальных слоев, несколько параллельных насадочных трубок, несколько слоев в собственных оболочках. Различные конфигурации могут быть адаптированы в зависимости от необходимости поддерживать контроль температуры внутри системы. Последовательное соединение двух реакторов с возможностью дозирования окислителя между ступенями позволяет в оптимальных условиях увеличить выход продукта в катализе окисления. ^{[ 1 ]} Дозируя промежуточные продукты или продукты между стадиями, можно получить ценную информацию о путях реакции.

Гранулы катализатора могут представлять собой гранулы сферической, цилиндрической или произвольной формы. Их диаметр варьируется от 0,25 см до 1,0 см. Поток реактора с неподвижным слоем обычно направлен вниз. Реактор с насадочным слоем .

Реакторы с капельным слоем

Реактор с капельным слоем представляет собой неподвижный слой, в котором жидкость течет, не заполняя пространства между частицами. Как и в реакторах с неподвижным слоем, жидкость обычно течет вниз. При этом газ течет вверх. Реакторы с капельным слоем используются в основном в реакциях гидроочистки ( гидрообессеривание и гидродеметаллизация тяжелой сырой нефти, ^{[ 2 ]} гидродеасфальтенизация каменноугольной смолы ^{[ 3 ]}). Этот реактор часто используется для обработки сырья с чрезвычайно высокими температурами кипения.

Реакторы с подвижным слоем

Реактор с подвижным слоем имеет жидкую фазу, которая проходит через насадочный слой. Твердое вещество подается в верхнюю часть реактора и движется вниз. Он удаляется в нижней части. Реакторы с подвижным слоем требуют специальных регулирующих клапанов для обеспечения строгого контроля над твердыми частицами. По этой причине реакторы с подвижным слоем используются реже, чем два вышеупомянутых реактора. Реакторы с подвижным слоем наиболее подходят для содержания твердых веществ ниже 10% и обычно используются там, где твердые вещества (в первую очередь катализатор) имеют большую площадь поверхности из-за их размера в микронах.

Реакторы с вращающимся слоем

Реактор с вращающимся слоем (RBR) удерживает слой насадки, закрепленный внутри корзины с центральным отверстием. Когда корзина вращается, погруженная в жидкую фазу, силы инерции, создаваемые вращательным движением, выталкивают жидкость наружу, тем самым создавая циркулирующий поток через вращающийся насадочный слой. Реактор с вращающимся слоем — довольно новое изобретение, которое демонстрирует высокие скорости массообмена и хорошее перемешивание жидкостей. Реакторы типа RBR часто применяются в реакциях биокатализа высокой ценности, предлагая удобное повторное использование иммобилизованных ферментов. ^{[ 4 ]} предотвращая при этом механическое повреждение твердофазных катализаторов. ^{[ 5 ]} Конструкции RBR также появляются в атомной энергетике для очистки жидких отходов объемом в сотни кубических метров. ^{[ 6 ]}

Реакторы со значительным движением частиц катализатора

Реакторы с псевдоожиженным слоем

Реактор с псевдоожиженным слоем суспендирует мелкие частицы катализатора за счет движения вверх жидкости, вступающей в реакцию. Жидкость обычно представляет собой газ с достаточно высокой скоростью потока, чтобы смешивать частицы, не вынося их из реактора. Частицы намного меньше, чем в вышеупомянутых реакторах. Обычно в масштабе 10-300 микрон. Одним из ключевых преимуществ использования реактора с псевдоожиженным слоем является возможность достижения очень однородной температуры в реакторе. Реакторы с псевдоожиженным слоем лучше всего подходят для биокатализаторов или ферментов, легированных твердыми веществами, поскольку твердое вещество псевдоожижается рабочей жидкостью и на твердые тела не оказывается механического воздействия.

Шламовые реакторы

Суспензионный реактор содержит катализатор в порошкообразной или гранулированной форме. ^{[ 7 ]} Этот реактор обычно используется, когда один реагент представляет собой газ, а другой — жидкость, а катализатор — твердое вещество. Газ-реагент пропускают через жидкость и растворяют. Затем он диффундирует на поверхность катализатора. В шламовых реакторах могут использоваться очень мелкие частицы, и это может привести к проблемам отделения катализатора от жидкости. Реакторы с освежающим слоем не имеют этой проблемы, и это большое преимущество реактора с освежающим слоем. К сожалению, эти крупные частицы в тонком слое означают гораздо более низкую скорость реакции. В целом, капельный слой проще, шламовые реакторы обычно имеют высокую скорость реакции, а псевдоожиженный слой находится где-то посередине.

Ссылки

^ Кинетические исследования окисления пропана на смешанных оксидных катализаторах на основе молибдена и ванадия . 2011. стр. 106–118.
^ Элизальде, Игнасио; Медерос, Фабиан С.; Кармен Монтеррубио, Массачусетс; Касильяс, Нимфа; Диас, Хьюго; Трехо, Фернандо (01 февраля 2019 г.). «Математическое моделирование и моделирование промышленного адиабатического реактора с капельным слоем для облагораживания тяжелой нефти методом гидроочистки» . Кинетика, механизмы и катализ реакций . 126 (1): 31–48. дои : 10.1007/s11144-018-1489-7 . ISSN 1878-5204 . S2CID 105735334 .
^ Донг, Хуан; Фан, Ан; Ли, Донг; Тянь, Юйчэн; Дэн, Йонг; Фэн, Сиань; Фань, Сяоюн; Ли, Вэньхун (01 апреля 2020 г.). «Оценка кинетических параметров и моделирование реактора полнодиапазонной низкотемпературной каменноугольной смолы при гидродеасфальтенизации на Ni–Mo/γ-Al2O3». Кинетика, механизмы и катализ реакций . 129 (2): 899–923. дои : 10.1007/s11144-020-01745-4 . ISSN 1878-5204 .
^ Питани, Субхаш; Карлссон, Стаффан; Эмтенас, Ганс; Оберг, Кристофер Т. (24 июля 2019 г.). «Использование технологии реактора с вращающимся слоем Spinchem для иммобилизованных ферментативных реакций: практический пример» . Исследования и разработки органических процессов . 23 : 1926–1931. дои : 10.1021/acs.oprd.9b00240 . ISSN 1083-6160 . S2CID 199646621 .
^ Петермайер, Филипп; Биттнер, Ян Филипп; Мюллер, Саймон; Быстрём, Эмиль; Кара, Селин (08 августа 2022 г.). «Разработка зеленого химиоферментативного каскада для масштабируемого синтеза альтернатив стирола биологического происхождения» . Зеленая химия . 24 : 6889–6899. дои : 10.1039/D2GC01629J . hdl : 11420/13727 . ISSN 1463-9262 . S2CID 251455191 .
^ «Модернизация переработки жидких отходов» . Ядерная новостная лента . Американское ядерное общество . Проверено 06 апреля 2023 г.
^ Сантос, Джексон HS; Гомес, Джадиете Т.С.; Бенашур, Моханд; Медейрос, Элиан Б.М.; Абреу, Сезар AM; Лима-Фильо, Нельсон М. (05 сентября 2020 г.). «Селективное гидрирование щавелевой кислоты в гликолевую кислоту и этиленгликоль с помощью рутениевого катализатора» . Кинетика, механизмы и катализ реакций . 131 : 139–151. дои : 10.1007/s11144-020-01843-3 . ISSN 1878-5204 . S2CID 221494771 .

Хилл, Чарльз Г. Введение в кинетику химической технологии и проектирование реакторов. Нью-Йорк: Уайли, 1977.
Х. Маллин, Дж. Мусчиол, Э. Бистрём, UT Bornscheuer, ChemCatChem, 5 (2013) 3529-3532
SpinChem Технология реактора с вращающимся слоем

[1] Кинетические исследования окисления пропана на смешанных оксидных катализаторах на основе молибдена и ванадия . 2011. стр. 106–118.

[2] Элизальде, Игнасио; Медерос, Фабиан С.; Кармен Монтеррубио, Массачусетс; Касильяс, Нимфа; Диас, Хьюго; Трехо, Фернандо (01 февраля 2019 г.). «Математическое моделирование и моделирование промышленного адиабатического реактора с капельным слоем для облагораживания тяжелой нефти методом гидроочистки» . Кинетика, механизмы и катализ реакций . 126 (1): 31–48. дои : 10.1007/s11144-018-1489-7 . ISSN 1878-5204 . S2CID 105735334 .

[3] Донг, Хуан; Фан, Ан; Ли, Донг; Тянь, Юйчэн; Дэн, Йонг; Фэн, Сиань; Фань, Сяоюн; Ли, Вэньхун (01 апреля 2020 г.). «Оценка кинетических параметров и моделирование реактора полнодиапазонной низкотемпературной каменноугольной смолы при гидродеасфальтенизации на Ni–Mo/γ-Al2O3». Кинетика, механизмы и катализ реакций . 129 (2): 899–923. дои : 10.1007/s11144-020-01745-4 . ISSN 1878-5204 .

[4] Питани, Субхаш; Карлссон, Стаффан; Эмтенас, Ганс; Оберг, Кристофер Т. (24 июля 2019 г.). «Использование технологии реактора с вращающимся слоем Spinchem для иммобилизованных ферментативных реакций: практический пример» . Исследования и разработки органических процессов . 23 : 1926–1931. дои : 10.1021/acs.oprd.9b00240 . ISSN 1083-6160 . S2CID 199646621 .

[5] Петермайер, Филипп; Биттнер, Ян Филипп; Мюллер, Саймон; Быстрём, Эмиль; Кара, Селин (08 августа 2022 г.). «Разработка зеленого химиоферментативного каскада для масштабируемого синтеза альтернатив стирола биологического происхождения» . Зеленая химия . 24 : 6889–6899. дои : 10.1039/D2GC01629J . hdl : 11420/13727 . ISSN 1463-9262 . S2CID 251455191 .

[6] «Модернизация переработки жидких отходов» . Ядерная новостная лента . Американское ядерное общество . Проверено 06 апреля 2023 г.

[7] Сантос, Джексон HS; Гомес, Джадиете Т.С.; Бенашур, Моханд; Медейрос, Элиан Б.М.; Абреу, Сезар AM; Лима-Фильо, Нельсон М. (05 сентября 2020 г.). «Селективное гидрирование щавелевой кислоты в гликолевую кислоту и этиленгликоль с помощью рутениевого катализатора» . Кинетика, механизмы и катализ реакций . 131 : 139–151. дои : 10.1007/s11144-020-01843-3 . ISSN 1878-5204 . S2CID 221494771 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]