Патент на изобретение №2346734

(54) ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР

(57) Реферат:

Устройство предназначено для проведения химических реакций, в частности синтеза аммиака, метанола или формальдегида. Цилиндрический корпус реактора закрыт с противоположных концов крышками. Слой катализатора и множество теплообменников размещены, по меньшей мере, в одной зоне реакции. Теплообменники объединены в конструктивно независимые блоки. Через соединительные устройства в блоки осуществляется подача потоков соответствующих разных теплоносителей. Способ позволяет контролировать температуру псевдоизотермической реакции за счет подачи разных теплоносителей. Применение способа и конструкция устройства обеспечивает высокую производительность и конверсионный выход реакции при низком потреблении энергии. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к химическому реактору, предназначенному для проведения каталитических реакций. Изобретение относится, в частности, к химическому реактору с закрытым с противоположных сторон соответствующими крышками по существу цилиндрическим корпусом, образующим зону реакции по меньшей мере с одним слоем катализатора. Более конкретно настоящее изобретение относится к химическому реактору описанного выше типа, имеющему по меньшей мере один так называемый псевдоизотермический слой катализатора, в котором температуру протекающей в нем реакции путем соответствующего регулирования поддерживают на постоянном уровне в узком диапазоне отклонений от заданной температуры.

Уровень техники

Известно, что в последнее время при проведении каталитических реакций все более и более острой становится проблема повышения производительности и конверсионного выхода реакторов и одновременного снижения потребляемой ими энергии и затрат на их создание и эксплуатацию.

Для решения этой проблемы в последние годы было предложено много разных конструкций псевдоизотермических химических реакторов.

Под “псевдоизотермическими” реакторами в данном контексте подразумеваются реакторы, предназначенные для проведения химических реакций, в которых температуру реакции в зоне реакции постоянно поддерживают в узком диапазоне отклонений от заданного оптимального значения с помощью расположенных в зоне реакции теплообменников, например, трубчатого или пластинчатого типа.

Однако при всех преимуществах известных реакторов подобного типа ни один из них в полной мере не отвечает указанным выше требованиям, связанным с повышением производительности и конверсионного выхода реактора и одновременным снижением потребляемой энергии и затрат на его создание и эксплуатацию.

Практически все известные в настоящее время “псевдоизотермические” реакторы либо имеют высокую производительность и высокий выход, но сложную конструкцию и потребляют много энергии и требуют высоких затрат на создание и эксплуатацию, либо, наоборот, при относительно простой конструкции и низких затратах на создание и эксплуатацию не обладают высокой производительностью и высоким конверсионным выходом.

Краткое изложение сущности изобретения

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать химический реактор указанного в начале описания типа, который обладал бы определенными конструктивными и функциональными особенностями и, как следствие этого, высокой производительностью и высоким конверсионным выходом при низком потреблении энергии и низких затратах на его создание и эксплуатацию.

Указанная выше задача решается с помощью предлагаемого в изобретении химического реактора, который предназначен для проведения каталитических реакций и основные отличительные особенности которого в полном объеме раскрыты и заявлены в формуле изобретения.

Другие особенности и преимущества предлагаемого в изобретении реактора более подробно рассмотрены ниже на примере не ограничивающего объем изобретения предпочтительного варианта его возможного осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию и иллюстрирующие его чертежи.

Краткое описание чертежей

На прилагаемых к описанию чертежах показано:

на фиг.1 – схематичное изображение в продольном разрезе химического реактора, предлагаемого в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, и

на фиг.2 и 3 – схематичные изображения показанного на фиг.1 реактора в поперечном сечении плоскостями В-В и С-С соответственно.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

На фиг.1 схематично показан псевдоизотермический химический реактор 1 с вертикальной осью А-А, предназначенный для проведения химических реакций в слое катализатора, а в данном конкретном (но не ограничивающем объем изобретения) случае – для синтеза аммиака, метанола или формальдегида.

Реактор 1 имеет цилиндрический корпус 2, закрытый с противоположных сторон днищем 3 и крышкой 4. На крышке 4 расположены патрубки 5, 5′ и 5” для подачи в реактор исходных реагентов, а на днище 3 – патрубок 6 для отбора из реактора продуктов реакции.

В соответствии с первой особенностью настоящего изобретения в корпусе 2 реактора расположены две зоны 7 и 8 реакции с соответствующими слоями 9 и 10 катализатора.

Подаваемые в реактор исходные реагенты проходят через открытый сверху в плоскости 11 и ограниченный снизу перфорированным днищем 12 слой 9 катализатора в направлении продольной оси реактора.

Нижний слой 10 катализатора ограничен в направлении, параллельном оси А-А, внутренней 13 и наружной 14 перфорированными стенками по существу цилиндрической корзины 15, отверстия которых предназначены для прохода реагентов через слой 10 катализатора в радиальном направлении.

Нижний слой катализатора 10 сверху открыт и занимает в реакторе пространство между верхней и нижней плоскостями 16 и 17. Расположенное ниже плоскости 16 в днище 3 реактора пространство 18 заполняют соответствующим (не показанным на чертеже) гранулированным инертным материалом, образующим основание нижнего слоя 10 катализатора.

Зазор 19 между корзиной 15 нижнего слоя катализатора и корпусом 2 реактора предназначен для прохода и распределения реагентов в слое 10 катализатора. Зазор 19 и верхняя граница (плоскость 16) нижнего слоя 10 катализатора сообщаются с верхним слоем 9 катализатора через перфорированное днище 12 и коллектор 20, в котором собираются выходящие из верхнего слоя 9 катализатора реагенты и продукты реакции.

Расположенная между корзиной 15 и осью А-А корпуса 2 реактора камера 21, в которой собираются продукты, выходящие из нижнего слоя 10 катализатора, соединена отводящей трубой 22 с расположенным на днище 3 выходным патрубком 6.

Устройства для крепления в корпусе реактора верхнего и нижнего слоев 9 и 10 катализатора хорошо известны и поэтому подробно не рассматриваются.

Для замены катализатора верхнего и нижнего слоев 9 и 10 предназначены расположенные в средней и нижней частях корпуса 2 реактора патрубки 23 и 24.

Другой особенностью предлагаемого в изобретении реактора является наличие в нем множества погруженных в верхний и нижний слои 9 и 10 катализатора теплообменников 25. В качестве таких теплообменников 25 предпочтительно использовать пластинчатые теплообменники прямоугольной коробчатой формы. Такие теплообменники обычно изготавливают из двух уложенных друг на друга металлических листов (пластин), которые сваркой соединяют друг с другом таким образом, что между ними остается свободное пространство определенной ширины, через которое прокачивают рабочий текучий теплоноситель.

Теплообменники 25 предпочтительно располагать радиально с вытянутыми параллельно оси А-А корпуса 2 реактора длинными сторонами 26. Площадь поперечного сечения теплообменников 25 предпочтительно должна быть меньше площади имеющихся в корпусе реактора отверстий, в частности площади не показанного на чертежах обычного люка, расположенного в днище и/или в верхней крышке реактора. Такие люки, размеры которых значительно меньше диаметра корпуса, можно использовать при сборке реактора для размещения теплообменников 25 в слоях катализатора, а также их замены и текущего ремонта и обслуживания.

В предлагаемом в изобретении реакторе в каждом слое катализатора расположенные концентрично вокруг центральной оси корпуса 2 реактора теплообменники 25 объединены в несколько (в данном не ограничивающем объем изобретения варианте – в два) независимых кольцевых блоков, в которых они соединены между собой последовательно и/или параллельно, о чем более подробно сказано ниже.

Каждый теплообменник 25 должен иметь входной 27 и выходной 28 патрубки, предназначенные для подачи и отбора из теплообменника рабочего текучего теплоносителя. В показанном на чертежах варианте входной и выходной патрубки расположены на противоположных коротких сторонах теплообменников 25.

Верхние стороны теплообменников 25, расположенных в верхнем слое 9 катализатора, соединены через патрубки 27 трубами 29 с входными патрубками 5 и 5′ реактора. Одновременно нижние стороны теплообменников 25 через патрубки 28, боковые отводы 30, центральную трубу 31 и коллектор 32 соединены с открытым сверху (плоскость 11) верхним слоем 9 катализатора.

Расположенная на оси корпуса 2 реактора центральная цилиндрическая труба 31 проходит через весь верхний слой 9 катализатора. Труба имеет закрытый не перфорированным листом 33 нижний конец и закрытый перфорированным листом 34 верхний конец, через который она сообщается с коллектором 32.

Центральную трубу 31 предпочтительно также соединить трубой 35, проходящей через верхний перфорированный лист 34, с входным патрубком 5”, предназначенным для подачи в реактор дополнительных газообразных реагентов.

Рабочий текучий теплоноситель подают в теплообменники 25 нижнего слоя 10 катализатора и отбирают из них через входной и выходной патрубки соответственно, расположенные на днище 3 корпуса реактора. Для этого, в частности, предназначены показанные на днище 3 корпуса реактора входные патрубки 36 и 37 и выходные патрубки 38.

Нижние стороны теплообменников 25, расположенных в нижнем слое 10 катализатора, через патрубки 27 соединены с входными патрубками 36 и 37 трубами 39. Теплообменники нижнего слоя катализатора имеют также патрубки 28, соединенные также с выходными патрубками 38 трубами 40. Одной из особенностей предлагаемого в настоящем изобретении реактора является наличие в нем труб 41, соединяющих между собой патрубки 27 и 28 соседних теплообменников 25 нижнего слоя катализатора 10.

В показанном на фиг.1-3 реакторе в каждом слое 9 и 10 катализатора расположено два отдельных блока U1 и U2 теплообменников 25. В верхнем слое 9 катализатора объединенные в блоки теплообменники соединены параллельно, а в нижнем слое 10 катализатора – последовательно.

В соответствии с другой отличительной особенностью изобретения высота (длинная сторона) теплообменников 25 меньше осевой протяженности слоев 9 и 10 катализатора, и поэтому в предлагаемом в изобретении реакторе верхняя часть 42 каждого слоя 9 и 10 катализатора, в которой нет теплообменников, работает в адиабатическом режиме.

Во время работы исходные реагенты в описанный выше реактор 1 непрерывно подаются через патрубки 5, 5′, 5”.

Подаваемые в реактор исходные реагенты через трубы 29 и патрубки 27 попадают в расположенные в первой зоне 7 реакции и объединенные в блоки U1 и U2 теплообменники 25 верхнего слоя 9 катализатора.

Внутри теплообменников 25 исходные реагенты выполняют функцию (первого) рабочего текучего теплоносителя.

Прошедшие через теплообменники 25 реагенты через патрубки 28 и трубы 30 попадают в центральную трубу 31.

Одновременно в центральную трубу 31 через патрубок 5” и трубу 35 подаются “свежие” реагенты, которые смешиваются в ней с прошедшими через теплообменники 25 реагентами и в общем потоке попадают в коллектор 32, а затем в осевом направлении проходят через слой 9 катализатора, в котором частично вступают в реакцию.

Образующаяся в зоне 7 реакции смесь реагентов и продуктов реакции проходит через перфорированное днище 12 верхнего слоя катализатора и собирается в коллекторе 20, из которого она в осевом направлении (через плоскость 16) и в радиальном направлении (через зазор 19) попадает во вторую зону 8 реакции.

Во второй зоне 8 реакции, через которую смесь реагентов и продуктов реакции проходит в радиально-осевом направлении, реакция заканчивается.

Выходящие из второй зоны 8 реакции продукты собираются в камере 21 и попадают в трубу 22, соединенную с предназначенным для отбора из реактора продуктов реакции патрубком 6.

Для регулирования температуры во второй зоне 8 реакции используют второй рабочий текучий теплоноситель, в частности, обычную или котловую воду или расплавленные соли, который прокачивают через погруженные в нижний слой 10 катализатора теплообменники 25. Во второй зоне 8 реакции происходит теплообмен между реагентами и продуктами реакции и вторым рабочим текучим теплоносителем, который сначала через патрубки 36 и 27 по трубам 39 подают в теплообменники 25 наружного блока U2. Из теплообменников наружного блока второй рабочий текучий теплоноситель через патрубки 28 и 27 по трубам 41 подают в теплообменники 25 внутреннего блока U1. Прошедший через теплообменники 25 внутреннего блока U1 второй рабочий текучий теплоноситель выводят из реактора через патрубки 38, соединенные трубами 40 с патрубками 28 теплообменников 25 блока U2.

В этой связи необходимо отметить, что в одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения часть второго рабочего текучего теплоносителя через патрубки 37 по трубам 39 напрямую подают в теплообменники 25 внутреннего блока U1, в которых он смешивается с текучим теплоносителем, попадающим в них из теплообменников наружного блока U2.

Из приведенного выше описания следует, что блоки U1 и U2 теплообменников 25 в первой зоне 7 реакции работают параллельно, а во второй зоне 8 реакции – последовательно. При этом по существу и в первом, и во втором слоях 9 и 10 катализатора реакция протекает в “псевдоизотермических” условиях, за исключением небольшой верхней части 42 слоя катализатора, в которой из-за отсутствия теплообменников и регулирования температуры она протекает в адиабатических условиях.

В некоторых отдельных случаях в корпусе 2 реактора можно расположить еще один (не показанный на чертеже) дополнительный слой катализатора, работающий только в адиабатическом режиме.

Предлагаемые в изобретении решения можно использовать и для создания новых реакторов, и для доработки и модернизации существующих реакторов псевдоизотермического типа путем замены их внутренних элементов (в частности, для модернизации и использования реакторов, признанных непригодными для дальнейшей эксплуатации). Эти решения можно также использовать и для создания на базе существующих реакторов адиабатического типа (реакторов без всякого внутреннего оборудования) реакторов псевдоизотермического типа.

Описанные выше решения позволяют создать химический реактор, обладающий высокой производительностью и высоким выходом, простой в изготовлении, потребляющий мало энергии и не требующий высоких капиталовложений и больших текущих расходов.

Все эти преимущества предлагаемого в изобретении реактора связаны с наличием двух слоев катализатора с осевым и соответственно радиально-осевым направлением потока протекающих через них газообразных реагентов и возможностью повышения эффективности происходящего в катализаторе процесса теплообмена и оптимального регулирования падения давления газа.

Использование одного общего корпуса с двумя зонами реакции существенно снижает затраты на создание реактора и заметно упрощает его конструкцию.

Кроме того, использование в предлагаемом в изобретении реакторе с одним корпусом двух разных рабочих текучих теплоносителей позволяет дополнительно увеличить конверсионный выход реакции (благодаря лучшему контролю температуры реакции) и, повысив эффективность теплообмена, снизить потребление энергии.

Показанный на фиг.1-3 вариант выполнения реактора следует рассматривать только в качестве предпочтительного примера возможного осуществления изобретения, которое не исключает и других вариантов его осуществления и внесения в рассмотренный вариант различных направленных на решение указанных выше технических проблем изменений и усовершенствований, не выходящих за его объем, определяемый его формулой.

Так, в частности, в изобретении в соответствии с другим вариантом его осуществления предлагается реактор 1 (не показанный на чертежах), в котором в расположенные параллельно блоки U1 и U2 теплообменников 25 нижнего псевдоизотермического слоя 10 катализатора подают два разных, не связанных друг с другом потока рабочего текучего теплоносителя. Предлагаемый в этом варианте осуществления изобретения реактор не имеет внутренних труб 41, соединяющих друг с другом теплообменники 25 разных блоков, которые в этом варианте соединены с внешними источниками рабочего текучего теплоносителя через соответствующие патрубки и трубы 27, 29, 39 и 40. Функции одного из рабочих текучих теплоносителей в этом варианте выполняют непосредственно сами газообразные регенты.

На базе предлагаемого в изобретении реактора в изобретении предлагается также новый способ проведения каталитических химических реакций, например, реакции синтеза аммиака, метанола или формальдегида, заключающийся в том, что реагенты подают по меньшей мере в одну зону реакции, в которой находится слой катализатора со множеством погруженных в него и объединенных в конструктивно независимые блоки теплообменников, в которые одновременно подают соответствующие разные рабочие текучие теплоносители, которыми контролируют температуру реакции, протекающей в слое катализатора в псевдоизотермических условиях.

Формула изобретения

1. Химический реактор для проведения каталитических реакций с по существу цилиндрическим корпусом (2), закрытым с противоположных концов соответствующими крышками (3, 4), по меньшей мере, одной зоной реакции (7, 8), в которой находятся слои (9, 10) катализатора и множество теплообменников (25), отличающийся тем, что теплообменники (25) объединены в конструктивно независимые блоки (U1, U2), в которые через соединительные устройства (27, 29, 39) подаются соответствующие потоки разных рабочих текучих теплоносителей.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что он имеет, по меньшей мере, две зоны (7, 8) реакции, каждая с соответствующим слоем (9, 10) катализатора, и, по меньшей мере, один блок (U1, U2) теплообменников и соединительных устройств (27, 29, 30), предназначенных для подачи в блоки (U1, U2) теплообменников соответствующих потоков рабочих текучих теплоносителей.

3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из множества теплообменников (25) выполнен в виде пластинчатого прямоугольного теплообменника коробчатой формы.

4. Реактор по п.3, отличающийся тем, что теплообменники (25) расположены радиально с ориентированными параллельно оси (А-А) корпуса (2) длинными сторонами (26).

5. Реактор по п.3, отличающийся тем, что размеры поперечного сечения теплообменников (25) меньше размеров отверстий, в частности люков, выполненных в нижней и/или верхней крышках (3, 4) корпуса реактора, диаметр которых существенно меньше диаметра корпуса (2).

6. Реактор по п.3, отличающийся тем, что соединительные устройства (27, 29, 39), предназначенные для подачи в блоки (U1, U2) теплообменников соответствующих потоков рабочих текучих теплоносителей, содержат входные и выходные патрубки (27, 28), расположенные на коротких сторонах теплообменников (25).

7. Реактор по п.1, отличающийся тем, что теплообменники (25) частично погружены в соответствующие слои (9, 10) катализатора.

8. Реактор по п.1, отличающийся тем, что блоки (U1, U2) теплообменников имеют кольцевую конфигурацию и состоят из множества теплообменников (25), расположенных, по меньшей мере, в одном концентричном ряду вокруг оси корпуса (2) реактора.

9. Реактор по п.8, отличающийся тем, что блоки (U1, U2) теплообменников состоят из расположенных вокруг оси корпуса (2) реактора двух концентричных рядов теплообменников (25),

10. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в каждом слое (9, 10) катализатора расположено, по меньшей мере, два блока (U1, U2) теплообменников (25), соединенных с другими теплообменниками последовательно и/или параллельно.

11. Реактор по п.2, отличающийся тем, что он имеет верхнюю и нижнюю зоны (7, 8) реакции, в каждой из которых расположены слой катализатора (9, 10) и множество теплообменников (25), объединенных в два расположенных на оси корпуса (2) реактора кольцевых блока (U1, U2) и соединенных друг с другом в верхней зоне реакции параллельно, а в нижней зоне реакции – последовательно.

12. Реактор по п.11, отличающийся тем, что слой (9) катализатора, расположенный в верхней зоне (7) реакции, ограничен перфорированным днищем (12), через которое газообразные реагенты проходят в осевом направлении, а слой (10) катализатора, расположенный в нижней зоне (8) реакции, ограничен перфорированными боковыми стенками (13, 14), через которые газообразные реагенты проходят в радиальном направлении.

13. Реактор по п.2, отличающийся тем, что в корпусе имеется, по меньшей мере, два сообщающихся с соответствующим слоем (9, 10) катализатора патрубка (23) для выгрузки катализатора.

14. Способ проведения каталитических химических реакций, заключающийся в том, что исходные реагенты подают, по меньшей мере, в одну зону реакции химического реактора, в которой находится слой катализатора со множеством погруженных в него теплообменников, которые объединены в конструктивно независимые блоки, и в каждый из этих блоков теплообменников подают соответствующие разные рабочие текучие теплоносители, которыми контролируют температуру реакции, протекающей при псевдоизотермических условиях.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что разные рабочие текучие теплоносители выбирают из группы, включающей газообразные реагенты, воду, котловую воду и расплавленные соли.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что исходные реагенты подают, по меньшей мере, в одну зону реакции химического реактора, имеющего, по меньшей мере, две зоны реакции, в каждой из которых находятся слой соответствующего катализатора и, по меньшей мере, один блок теплообменников, при этом в блоки теплообменников, расположенные в разных зонах реакции, подают разные рабочие текучие теплоносители.

РИСУНКИ