Реакторы для синтеза метанола могут быть полочными или трубчатыми. Аппараты высокого давления должны быть снабжены приспособлениями для размещения катализатора [83], для надежного замера и регулирования температуры и эффективного теплосъема. Оба типа реакторов применяют в синтезах и высокого и низкого давления.

Реакторы для синтеза при высоком давлении. Реакторы полочного   (шахтного)   типа   для   синтеза   при   высоком   давлении представляют собой цилиндрические полые сосуды длиной 12—18 м и внутренним диаметром до 2 м. Уплотнение, обеспечивающее герметичность аппарата, в общем случае осуществляется с помощью конических поверхностей, например как самоуплотняющийся конусный затвор с углом откоса ≈ 30° и линзовым соединением [84]. В ходе развития реакторостроения применение водородоустойчивых сталей позволило значительно упростить конструкцию реакторов и сократить их массу. Существенную экономию материалов можно получить при использовании аппаратов с витыми или многослойными стенками.

В полочных реакторах катализатор занимает все поперечное сечение аппа­рата. Он расположен несколькими слоями на горизонтальных колосниковых ре­шетках (полки), ниже которых находятся так называемые смесители с отвер­стиями для холодного газа («холодные байпасы»). Подвод этого газа (пода­ваемого для регулирования температуры на отдельных полках) осуществляют через крышку реактора. Очень важно, чтобы холодный газ был равномерно распределен по сечению реактора. Это достигается с помощью специальной системы распределения [52]. Распределители располагают в реакторе таким образом, чтобы не осложнять выгрузку катализатора из аппарата.

Чем выше объемная скорость подачи синтез-газа, тем меньше требуется подавать холодного газа для обеспечения стабильного рабочего состояния. О правильном распределении общего коли­чества холодного газа по полкам уже говорилось (см. так­же [85]).

На рис. 153 изображен полочный реактор со съемом тепла хо­лодным газом [46]. Реактор имеет 7 слоев катализатора, между которыми для поддержания заданной температуры поддувают холодный газ. Температуры замеряют термопарами, располагаемы­ми в защитных трубах (карманы). Существуют, кроме того, полоч­ные реакторы, в которых расположены теплообменник и охлаж­дающие змеевики (рис. 154). Для съема тепла известно много приемов [46]; имеется также большое число конструкций тепло­обменников [87].

В полочных реакторах другого типа газ проходит слой катали­затора не сверху вниз, а радиально, выходя из центральной трубы [88], или закрученным потоком [89]. Еще одна возможность (рис. 155) состоит в том, что вводимый газ распределяется в сег­ментном канале, проходящем вдоль всего реактора, откуда опуска­ется через весь слой загруженного катализатора и выходит через сегментный канал, расположенный с другой стороны [90]. При этом существенно уменьшается сопротивление проходу газа, бла­годаря чему можно применять мелкозернистый катализатор.

В трубчатых реакторах катализатор располагается в трубках, омываемых хладоагентом (трубчатый реактор с катализатором внутри труб). В грубчатых реакторах другого типа слой катализатора пронизан большим числом теплоотводящих трубок (трубчатый реактор с катализатором снаружи труб); при этом наиболее целесообразен противоточный теплообмен [91]. Для трубчатых реакторов можно снабдить охлаждающую систему паровым котлом-угилизатором,  используя   воду  под  давлением   [92]    Возможно  охлаждение  и  другими хладоагентами, например смесью дифенила и дифенилоксида. На рис  156 и 157 даны схемы трубчатых реакторов обоих типов [92].

В трубчатых реакторах обоих типов температура синтеза можем быть   выше,   чем   температура   охлаждающего   агента,   на   50°С

Рис. 153. Полочный реактор с поддувом холодного газа:

1 — крышка; 2—колосниковая решетка (полка) для катализатора; 3 —смеситель; 4—карман для термопары: 5—корпус; в — катализаторная коробка; 7—слой катализатора; 8—труба для подвода холодного газа (холодный байпас); 9 — теплоизоляция.

 Рис. 154. Полочный реактор с охлаждающими змеевиками и теплообменником [86]:

1 — крышка; 2 —пусковой подогреватель; 3— каталнзаторные слои; 4 — охлаждающий змеевик; 5 —корпус; 6 — изотермическая зона катализаторного пространства; 7—теплообменник; 8—обходная газовая линия.

 рис.    155.    Горизонтальный    полочный реактор с поперечным потоком газа:

1, 6— продольные сегментные каналы для газа; 2—колосниковая решетка для катализатора; 3—катализаторные слои; 4—ввод холодного газа; 5 —катализаторная коробка.

Поэтому здесь можно применять только катализаторы, обладающие высокой термостойкостью. В трубчатых реакторах отводи­мое тепло можно утилизировать более рационально, чем при ис­пользовании холодного газа. Само собой разумеется, что трубча­тые реакторы также имеют ряд возможных вариантов [93].

При расчете и проектировании реакторов для синтеза метанола необходимо учитывать степень превращения газа на отдельных слоях катализатора [28], а также концентрацию метанола на выходе из реактора [94]. Особенно большое внимание следует уделить оптимальному распределению температур и температуре газа на выходе из реактора [95]. При расчете теплопереноса надо учи­тывать отдельные стадии теплопередачи, теплопроводность ката­лизатора и материала аппаратуры. Повышенный коэффициент теплопроводности крупных таблеток катализатора компенсируется большей активностью мелких частиц [92]. Определенное влияние может оказать тепловой поток между зернами катализатора и между зернами и газовой фазой [69]. Необходимо, кроме того, учитывать скорость реакции синтеза, концентрацию реагентов и продуктов, характеристики катализаторов.