УСТАНОВКА И СПОСОБ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ГАЗОФАЗНЫХ РЕАКЦИЙ
APPARATUS AND METHOD FOR CARRYING OUT HETEROGENEOUS CATALYTIC GAS-PHASE REACTIONS

Настоящее изобретение относится к установке и способу для проведения гетерогенных каталитических газофазных реакций.
Такие установки и способы в принципе известны из уровня техники. Так, в DE 4132263 А1 описан способ каталитического газофазного окисления акролеина до акриловой кислоты в контактной трубке реактора с неподвижным слоем при повышенной температуре на каталитически активных оксидах, в котором температура реакции в направление потока вдоль контактной трубки в двух последовательных зонах реакции соответствует определенному температурному профилю. В DE 4023239 А1 описан аналогичный способ каталитического газофазного окисления пропена или изо-бутена до акролеина или (мет)акролеина. Целью в этих публикациях является улучшенная, ввиду повышенной селективности реакции, характеристика температуры реакции.
Аналогичную цель имеет DE 102010048405 А1, объектом в которой является способ для долговременного функционирования гетерогенного каталитического частичного газофазного окисления пропена до акролеина. Согласно этой публикации реакционная газофазная смесь проходит через неподвижный слой катализатора в двух пространственно последовательных температурных зонах А и В. При этом неподвижный слой катализатора вводят в реакционное пространство, например, во внутреннее пространство (реакционной) трубки. На определенной длине общей длинны слоя неподвижного катализатора в качестве первой зоны предусмотрена гомогенная смесь из формованных изделий катализатора и разреженных формованных изделий. Затем, в следующей зоне вводят разреженный в меньшей степени или неразреженный неподвижный слой катализатора. Далее предусмотрен чистый слой инертного материала, длинна которого относительно длины слоя неподвижного катализатора, составляет от 5% до 20%, и который проходит в направлении потока реакционной газофазной смеси по направлению к неподвижному слою катализатора. Этот слой инертного материала применяется в качестве зоны нагрева для реакционной газофазной смеси.
Также в DE 102007004961 А1, который описывает способ производства формованных изделий катализатора, предлагается засыпать реакционную трубку на первом участке, составляющем около 25% общей длинны инертной засыпкой и на втором участке, составляющем около 60% материалом катализатора, при этом часть реакционной трубки, составляющая около 15% остается незаполненной.
В соответствии с уровнем техники 20% или более объема реактора применяется не для гетерогенных каталитических газофазных реакций, а для нагревания реакционной газофазной смеси, которая подается при температуре от 100°С до 120°C. Это означает (в пересчете на объем реактора), либо меньшую рабочую нагрузку, либо что объем реактора для соответственно более высокой рабочей нагрузки должен быть увеличен. Поскольку на входе реакционной трубки через более холодную реакционную смесь не может быть устаковлена оптимальная температура реакции, часто имеет место недостаточное преобразование исходного реагента.
Другим отрицательным аспектом в уровне техники, который должен быть принят во внимание, является то, что нагревание реактора или, соответственно, объема реактора (включая реакционные трубки, слой катализатора, инертный слой катализатора, среду теплоносителя и т.д.) до требуемой температуры реакции от 240°C до 300°C требует очень высокого потребления энергии, которое лишь частично расходуется на нагревание реакционной газовой смеси.
По этой причине задачей настоящего изобретения является создание установки и предоставление способа, которые преодолеют недостатки уровня техники, и с помощью которых эффективным образом могут быть проведены, в частности, гетерогенные каталитические газофазные реакции.
Эта задача решается, в основном, с помощью установки для проведения гетерогенных каталитических газофазных реакций, включающей:
- реактор (3),
- по меньшей мере, один подводящий в реактор (3) трубопровод (11) для введения исходных реагентов в реактор (3).
- по меньшей мере, один первый ввод (5) для обеспечения, по меньшей мере, одним первым исходным реагентом А, который входит в трубопровод (11).
- по меньшей мере, один второй ввод (7) для обеспечения, по меньшей мере, одним вторым исходным реагентом В, который входит в трубопровод (11).
- по меньшей мере, один третий ввод (9) для обеспечения циркулирующим газом G, который входит в трубопровод (11),
- расположенный перед реактором (3) в трубопроводе (11) блок регулирования температуры (13) для темперирования первого исходного реагента А и/или второго исходного реагента В и/или циркулирующего газа G перед входом в реактор (3) и
- по меньшей мере один отвод (15) для продуктов, побочных продуктов и/или непрореагировавших исходных реагентов газофазной реакции.
Поставленная выше задача далее решается с помощью способа проведения гетерогенных каталитических газофазных реакций с применением установки (1), описанной в изобретении, включающего следующие этапы:
a) обеспечение по меньшей мере одного первого исходного реагента А в первом вводе (5),
b) обеспечение по меньшей мере одного второго исходного реагента В во втором вводе (7),
c) обеспечение по меньшей мере одного циркулирующего газа G в третьем вводе (9),
d) смешивание первого исходного реагента А, второго исходного реагента В и циркулирующего газа G в реакционную смесь R в трубопроводе (11),
e) темперирование реакционной смеси R в блоке регулирования температуры (13),
f) подвод темперированной реакционной смеси R в реактор (3),
g) проведение по меньшей мере одной гетерогенной каталитической газофазной реакции по меньшей мере между первым исходным реагентом А и вторым исходным реагентом В и
h) отведение смеси из по меньшей мере одного продукта реакции Р и по меньшей мере одного циркулирующего газа G через по меньшей мере один отвод (15).
Настоящее изобретение отличается тем, что предварительный нагрев реакционной смеси R вынесен из реактора (3) и, таким образом, может быть осуществлен со значительно меньшими аппаратными затратами. Таким образом, по существу, для газофазной реакции предоставлен весь объем реактора. Кроме того, способ обладает преимуществом подвода энергии при более низком уровне температуры и возврата на значительно более высоком уровне в реактор.
В случае, если в нижеследующем описании в связи с установкой (1) согласно изобретению, также названы признаки способа, предпочтительно они относятся к способу, описанному в изобретении. Так же признаки объекта, которые приводятся в связи со способом согласно изобретению, предпочтительно относятся к установке (1), описанной в изобретении.
Далее изобретение будет описано более подробно.
Первым объектом настоящего изобретения является установка (1) для проведения гетерогенных каталитических газофазных реакций, включающая:
- реактор (3),
- по меньшей мере, один подводящий в реактор (3) трубопровод (11) для введения исходных реагентов в реактор (3),
- по меньшей мере, один первый ввод (5) для обеспечения, по меньшей мере, одним первым исходным реагентом А, который входит в трубопровод (11),
- по меньшей мере, один второй ввод (7) для обеспечения, по меньшей мере, одним вторым исходным реагентом В, который входит в трубопровод (11),
- по меньшей мере, один третий ввод (9) для обеспечения циркулирующим газом G, который входит в трубопровод (11),
- один расположенный перед реактором (3) в трубопроводе (11) блок регулирования температуры (13) для темперирования первого исходного реагента А и/или второго исходного реагента В и/или циркулирующего газа G перед входом в реактор (3) и
- по меньшей мере, один отвод (15) для продуктов, побочных продуктов и/или непрореагировавших исходных реагентов газофазной реакции.
Установка согласно изобретению имеет то преимущество, что за счет блока регулирования температуры (13) устройство для предварительного нагрева реакционной смеси вынесено из реактора (3) и может эксплуатироваться с другой средой теплоносителя, когда это необходимо для нагрева реактора (3). Таким образом, отведенные в процессе при относительно низком уровне температуры потоки энергии могут быть снова подведены в процесс и возвращены на самом высоком энергетическом уровне как пар высокого давления.
В контексте настоящего изобретения под первым исходным реагентом А можно понимать жидкое или газообразное соединение или смесь двух или более этих соединений. Конкретными примерами являются жидкий пропилен, пропан, акролеин и (мет)акролеин, бутан, н-бутен или изо-бутен.
Под вторым исходным реагентом В, в контексте настоящего изобретения, также можно понимать жидкое или газообразное соединение или смесь двух или более этих соединений, согласно же настоящему изобретению предпочтительными являются кислородсодержащие газы, в частности воздух.
Гетерогенными каталитическими газофазными реакциями, для которых предназначена установка (1) согласно изобретению являются, в частности, гетерогенные каталитические реакции, при необходимости частичного газофазного окисления пропена, пропана или изо-бутена до акролеина или (мет)акролеина, н-бутена до малеиновой кислоты, а также акролеина или (мет)акролеина до акриловой кислоты или (мет)акриловой кислоты.
Под циркулирующим газом G в контексте настоящего изобретения следует понимать газ, который применяется для разбавления исходного реагента А и В, и поглощения теплоты реакции и, по существу, ведет себя инертно в газофазных реакциях. Циркулирующий газ G может содержать азот, водяной пар, оксиды углерода, а также их смеси.
В приведенном выше определении установки (1) согласно изобретению были приведены только существенные для изобретения детали установки. Для специалистов само собой разумеющиеся детали установки, например, нагревательные и циркуляционные устройства для среды теплоносителя для реактора (3) или необходимые вводы и отводы не были описаны в явном виде, однако не исключены из области определения.
В предпочтительном варианте реализации реактор (3) представляет собой кожухотрубный реакторо, реакционные трубы которого, по существу, практически полностью заполнены каталитически активным материалом. Так как установка (1) согласно изобретению включает в себя блок регулирования температуры (13). в реакторе (3) не нужно предусматривать зону для предварительного нагрева исходных реагентов А. В и/или циркулирующего газа G (при необходимости с инертным слоем), так что полный объем реакционных трубок кожухотрубного реактора, в основном, доступен для газофазной реакции. При равном объеме реактора может быть реализована более высокая рабочая нагрузка.
Установки такого типа для проведения гетерогенных каталитических газофазных реакций необходимо останавливать через определенные интервалы времени для технического обслуживания, например, чтобы заменить слой катализатора. Для этой цели применяется как правило охлажденный газ, например, циркулирующий газ G или воздух. В соответствии с уровнем техники этот газ охлаждается через отдельный радиатор (теплообменник), перед подачей в реактор установки, чтобы охладить его изнутри. Так как реактор из-за его стабильной металлической конструкции и большого количества среды теплоносителя имеет высокую теплоемкость, необходимы дополнительные расходы для системы трубопроводов с трубами соответствующих размеров, а также высокое потребление энергии для охлаждения.
Для снижения расходов и потребления энергии, предназначен блок регулирования температуры (13), выполненный в варианте осуществления настоящего изобретения в качестве теплообменника, который применяется в качестве предварительного нагревателя или охладителя. При регулярной работе, то есть, при проведении гетерогенных каталитических газофазных реакций, применяется блок регулирования температуры (13), то есть теплообменник для предварительного нагрева газовой смеси, которая подается в реактор (3). В режиме технического обслуживания, блок регулирования температуры (13) работает в качестве теплообменника с обратным направлением, то есть, он применяется в этот момент для охлаждения реактора (3) подводимым газом.
Не смотря на то, что согласно изобретению блок регулирования температуры (13) в этом варианте реализации должен быть выполнен в виде только подогревателя или только охладителя, что требует больших затрат, аппаратные затраты для установки согласно изобретению и таким образом инвестиционные затраты могут быть значительно снижены.
Другой задачей настоящего изобретения является способ для проведения гетерогенных каталитических газофазных реакций с применением установки (1) согласно изобретению, включающий следующие этапы:
a) обеспечение по меньшей мере одного первого исходного реагента А в первом вводе (5),
b) обеспечение по меньшей мере одного второго исходного реагента В во втором вводе (7),
c) обеспечение по меньшей мере одного циркулирующего газа G в третьем вводе (9),
d) смешивание первого исходного реагента А, второго исходного реагента В и циркулирующего газа G в реакционную смесь R в трубопроводе (11),
e) темперирование реакционной смеси R в блоке регулирования температуры (13),
f) подвод темперированной реакционной смеси R в реактор (3),
g) проведение по меньшей мере одной гетерогенной каталитической газофазной реакции по меньшей мере между первым исходным реагентом А и вторым исходным реагентом В и
h) отведение смеси из по меньшей мере одного продукта реакции Р и по меньшей мере одного циркулирующего газа G через по меньшей мере один отвод (15).
Способ согласно изобретению имеет, в основном, те же преимущества, что и ранее описанная система (1). В частности, с помощью блока регулирования температуры (13) согласно изобретению из реактора (3) может быть вынесен предварительный нагрев реакционной смеси R и выполнен с существенно более низким потреблением энергии, чем в соответствии с уровнем техники.
Далее, для газофазной реакции согласно изобретению доступен, по существу весь объем реактора, так что при равных объемах реактора можно было достичь более высокой рабочей нагрузки.
В усовершенствованном варианте способа согласно изобретению блок регулирования температуры (13) на этапе d) эксплуатируют в качестве теплообменника для предварительного нагрева реакционной смеси R. Таким образом в реакторе (3) может быть установлено равномерное и оптимальное для газофазной реакции распределение температуры, так как в реактор не подается охлажденная реакционная смесь R. Кроме того, реакционная смесь R достигает более высокой температуры на засыпке катализатора, что приводит к улучшенному выходу продукта.
Это также предпочтительно для оптимальной конверсии исходных реагентов А и В, если реакционная смесь R на этапе d) в блоке регулирования температуры (13) предварительно нагревается до температуры, которая составляет от 60% до 100% от температуры реакции в реакторе (3).
Это оказалось выгодно для энергетического баланса способа согласно изобретению, если в блок регулирования температуры (13), то есть в теплообменник, в качестве среды теплообмена подается горячий технологический пар D. В больших установках химической промышленности возникает горячий технологический пар D как правило в качестве минимально значимой энергии в большом объеме и находится в распоряжении для различных областей применения. Применяя эту менее значимую энергию, в частности технологический пар D давлением от 10 бар до 25 бар, в блоке регулирования температуры (13) согласно изобретению для предварительного нагрева реакционной смеси R, можно, по сравнению с уровнем техники, экономить максимально значимую энергию, т.е. пар высокого давления по меньшей мере с давлением 35 бар, которая должна быть применена, например, для нагрева реактора (3).
Как описано выше, установки такого типа для проведения гетерогенных каталитических газофазных реакций необходимо останавливать через равные интервалы времени для технического обслуживания. Эта необходимость влечет за собой необходимость еще одного варианта реализации способа, с выполнением этапов в интервалах времени:
i. остановка этапов а) и b),
ii. проведение этапа с),
iii. остановка этапа d),
iv. темперирование циркулирующего газа G в блоке регулирования температуры (13),
v. подведение темперированного циркулирующего газа G в реактор (3),
vi. остановка этапа g)
vii. отведение циркулирующего газа G через отвод (15).
Таким образом, простым, но эффективным способом собственно останавливается гетерогенная каталитическая газофазная реакция и способ переходит в техническое обслуживание или. соответственно, режим обслуживания.
В усовершенствованном варианте реализации блок регулирования температуры (13) на этапе d) эксплуатируют в качестве теплообменника для охлаждения циркулирующего газа G. Посредством этого могут быть снижены предпочтительным образом затраты для установки (1) согласно изобретению и применения энергии для способа согласно изобретению. По сравнению с обычными установками для проведения гетерогенных каталитических газофазных реакций здесь работа блока регулирования температуры (13), то есть теплообменника, меняет направление и проводится охлаждение реактора (3) подводимым газом.
Для энергетической эффективности, оказалось полезным, что в блок регулирования температуры (13) в качестве среды теплоносителя подается холодный конденсат К. Холодный конденсат К в больших установках возникает в химической промышленности (по аналогии с горячим технологическим газом D) как правило в больших количествах. После применения в качестве охлаждающей среды теплоносителя в распоряжении имеется конденсат К также как горячий конденсат НК, который обладает достаточным запасом энергии для дальнейшего применения. Таким образом, локальный энергетический баланс установки химической промышленности может быть дополнительно улучшен.
Другие цели, признаки, преимущества и возможности применения возникают из последующего описания примерных вариантов реализации настоящего изобретения с помощью фигур. При этом все описанные и/или наглядно представленные признаки сами по себе или в любой комбинации являются предметом настоящего изобретения, также независимо от их объединения в пункты или их ссылки. Показано:
Фигура 1 - схематичное представление установки (1) в первом варианте реализации изобретения и
Фигура 2 - схематичное представление установки (1) во втором варианте реализации изобретения.
На фигуре 1 показан первый вариант реализации настоящего изобретения. Из не показанного подробно запасного сосуда через первый ввод 5 подается жидкий или газообразный исходный реагент А. Этот исходный реагент А далее смешивается в третьем вводе 9 с предварительно нагретым циркулирующим газом G, таким образом, что исходный реагент А. если он присутствует в жидкой форме, по существу, полностью испаряется. Через второй ввод 7, подается второй исходный реагент В и смешивается со смесью исходного реагента А и циркулирующего газа G, так что получается реакционная смесь R.
Реакционная смесь R подается через трубопровод 11 в блок регулирования температуры 13, где она, в этом варианте реализации, предварительно нагревается технологическим паром D до температуры 200°C Так предварительно нагретая реакционная смесь R подается в реактор 3, в настоящем варианте реализации кожухотрубный реактор с неподвижным слоем катализатора.
Так как реакционная смесь R уже предварительно нагрета до температуры, достаточной для гетерогенной каталитической газофазной реакции, реакционные трубы кожухотрубного реактора 3, по существу, полностью заполнены каталитически активным материалом, таким образом, что уже в самом начале реакционных труб происходит преобразование исходных реагентов А и В. Из реактора 3 через отвод 15 отводятся продукт(ы), побочные продукты и/или непрореагировавшие исходные реагенты А и В.
Представление фигуры 1 отказывается от принципиально известного из уровня техники оборудования для дальнейшей обработки продукта(ов) и побочных продуктов, такого как, например, абсорбционные колонны, десорбционные колонны, ректификационные колонны, кристаллизаторы или тому подобное.
1
2
В то время как на фигуре 1 показана установка 1 согласно изобретению в режиме реакции, фигура 2 показывает еще один вариант реализации для технического обслуживания и ремонта установки. Не показаны первый ввод 5 и второй ввод 7 для исходных реагентов А и В, так как исходные реагенты в режиме технического обслуживания не подаются. Через третий ввод 9 подается циркулирующий газ G и через трубопровод 11 подводится блок регулирования температуры 13. Действующий в качестве теплообменника блок регулирования температуры 13 в этой форме исполнения более не применяется с технологическим газом D для предварительного нагрева реакционной смеси R. Ввод технологического пара D прерывается, путем закрытия клапана V, и вместо этого, вводится холодный или предварительно охлажденный конденсат К, перед открытием клапана V, чтобы охладить циркулирующий газ G в блоке регулирования температуры 13.
Охлажденный таким образом циркулирующий газ G подается в реактор 3, чтобы охладить его изнутри. Посредством теплообмена нагревается охлажденный конденсат К до горячего конденсата НК, который может быть далее применен с пользой.
Через отвод 15 в реакторе отбирается нагретый циркулирующий газ G и, в основном, через не показанную циркуляционную систему подается в третий ввод 9, чтобы снова подвести в качестве охладителя действующий блок регулирования температуры 13.
Кроме того, на фигуре 2 не показаны некоторые части установки, например, циркуляционная система и возможные сборный и приемный резервуары хранения для среды теплоносителя, который в режиме реакции промывает реакционные трубы кожухотрубного реактора. Эта среда теплоносителя конечно также выгружается из реактора 3, чтобы иметь возможность достаточно его охладить.