Гетерогенные каталитические реакторы делают акцент на факторах эффективности катализатора и последствиях тепло- и массопереноса . Гетерогенные каталитические реакторы являются одними из наиболее часто используемых химических реакторов в химической машиностроительной промышленности.
Гетерогенные каталитические реакторы обычно классифицируют по относительному движению частиц катализатора.
Реактор с неподвижным слоем представляет собой цилиндрическую трубку, заполненную гранулами катализатора, через слой которых протекают реагенты и преобразуются 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 поддержания контроля температуры в системе. Последовательное соединение двух реакторов с возможностью дозирования окислителя между стадиями позволяет в оптимальных условиях увеличить выход продукта в окислительном катализе. [1] Дозируя промежуточные продукты или продукты между стадиями, можно получить ценную информацию о путях реакции.
Гранулы катализатора могут быть сферическими, цилиндрическими или иметь случайную форму. Их диаметр составляет от 0,25 см до 1,0 см. Поток в реакторе с неподвижным слоем обычно направлен вниз. Реактор с насадочным слоем .
Реактор с орошаемым 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. В то же время газ течет вверх. Основное применение реакторов с орошаемым слоем — реакции гидроочистки ( гидродесульфуризация и гидродеметаллизация тяжелой сырой нефти [2] , гидродеасфальтенизация каменноугольной смолы [3] ). Этот реактор часто используется для обработки сырья с чрезвычайно высокими температурами кипения.
Реактор с подвижным слоем имеет жидкую фазу, которая проходит вверх через насадочный слой. Твердое вещество подается в верхнюю часть реактора и движется вниз. Оно удаляется снизу. Реакторы с подвижным слоем требуют специальных регулирующих клапанов для поддержания строгого контроля за твердыми веществами. 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 своего размера в микронах.
Реактор с вращающимся слоем (RBR) удерживает насадочный слой, закрепленный в корзине 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 — это довольно новое изобретение, которое показывает высокие скорости массопереноса и хорошее смешивание жидкостей. Реакторы типа RBR часто применялись в высокоценных реакциях биокатализа, предлагая удобное повторное использование иммобилизованных ферментов [4] при предотвращении механического повреждения твердофазных катализаторов. [5] Конструкции RBR также появляются в ядерной энергетике для очистки жидких отходов в масштабах сотен кубических метров. [6]
Реактор с псевдоожиженным слоем взвешивает мелкие частицы катализатора посредством восходящего движения жидкости, которая должна реагировать. Жидкость обычно представляет собой газ с достаточно высокой скоростью потока, чтобы смешивать частицы, не вынося их из реактора. Частицы намного меньше, чем в вышеуказанных реакторах. Обычно в масштабе 10-300 микрон. Одним из ключевых преимуществ использования реактора с псевдоожиженным слоем является возможность достижения высокооднородной температуры в реакторе. Реакторы с псевдоожиженным слоем лучше всего подходят для биокатализаторов или ферментов, легированных на твердых веществах, поскольку твердые вещества псевдоожижаются рабочей жидкостью, и нет никакого механического воздействия на твердые вещества.
Реактор суспензии содержит катализатор в порошкообразной или гранулированной форме. [7] Этот реактор обычно используется, когда один реагент является газом, а другой — жидкостью, в то время как катализатор является твердым веществом. Газообразный реагент пропускается через жидкость и растворяется. Затем он диффундирует на поверхность катализатора. Реакторы суспензии могут использовать очень мелкие частицы, и это может привести к проблемам отделения катализатора от жидкости. Реакторы со слоем струйного слоя не имеют этой проблемы, и это большое преимущество реактора со слоем струйного слоя. К сожалению, эти крупные частицы в слое струйного слоя означают гораздо более низкую скорость реакции. В целом, слой струйного слоя проще, реакторы суспензии обычно имеют высокую скорость реакции, а псевдоожиженный слой находится в некотором роде посередине.