Результат интеллектуальной деятельности: ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР

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.