Конвертор для осуществления каталитических газохимических реакций
CONVERTER FOR CATALYTIC GAS CHEMICAL REACTIONS

Изобретение относится к области технологического оборудования для осуществления газофазных каталитических процессов и может быть использовано в химической, нефтехимической и других областях промышленности, использующих газофазные каталитические процессы.
Известен (SU, авторское свидетельство 318405. опубл. 1971) аппарат емкостного типа, содержащий корпус со средствами ввода исходных компонентов и вывода готового продукта, причем в корпусе размещено вращающееся теплообменное перемешивающее устройство, выполненное из труб, закрепленных на полом валу и расположенных на различных радиусах вращения, причем внутренние полости вала и указанного устройства сообщены друг с другом с обеспечением возможности циркуляции хладагента. Это позволяет обеспечить регулирование подачи/отвода тепла от циркулирующей по всему объему корпуса реакционной среды.
Недостатком известного устройства следует признать неодинаковые условия течения хладагента в трубах устройства и в полом валу, что не позволяет создать полностью изотермические условия протекания процесса.
Известен также (RU, патент 2278726, опубл. 27.06.2006) реактор для осуществления газофазных каталитических процессов, содержащий корпус, средства ввода исходных компонентов и средство вывода готового продукта, узел подвода или отвода тепла, выполненный в виде множества тепловых труб, расположенных в зоне осуществления реакции и выходящих своими концами в зону подогрева/охлаждения. В зоне выхода труб, т.е. в зоне дна реактора при прохождении тепловыми трубами корпуса, образуется множество стыков между поверхностями тепловых труб и корпусом реактора. Через указанные стыки из объема реактора уходит тепловая энергия. Известный реактор также содержит катализатор, нанесенный на тепловые трубы и/или корпус в виде покрытия, при этом тепловые трубы по объему корпуса расположены в шахматном порядке, а их суммарная площадь поверхности, находящаяся в каталитической зоне, выбрана таким образом, что обеспечивает поступление или отвод из каталитической зоны необходимого для проведения каталитического процесса количества тепловой энергии.
Недостатком известного устройства следует признать сложность передачи тепла на тепловые трубы, находящиеся вне реактора, а также низкая надежность конструкции из-за значительного количества стыков в зоне ввода тепловых труб в полость реактора, что приводит к разгерметизации тепловых труб и выходу из строя реактора или нарушения теплового режима процесса.
Техническая задача, решаемая посредством предлагаемой конструкции конвертора, состоит в повышении эффективности работы реактора конвертора и повышении качества получаемой продукции.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в повышении надежности работы конвертора за счет улучшения процесса передачи тепла на тепловые трубы, находящиеся вне реактора, от внешнего источника, а также за счет уменьшения количества сварных швов.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать конвертор разработанной конструкции. Конвертор содержит корпус со средствами ввода исходных компонентов и вывода продуктов реакции, реакционное пространство, в котором размещено средство размещения катализатора, а также тепловой элемент, причем тепловой элемент представляет собой секторный элемент, содержащий трубу, выходящую за пределы корпуса, причем указанная труба соединена с коллектором, размещенным внутри корпуса, причем к коллектору подключено более одной тепловой трубы, которые могут располагаться как в радиальном направлении реактора, так и по соосным окружностям корпуса реактора. Теплой элемент может быть выполнен из частей труб иди пластин плоской или изогнутой формы, которые также могут быть гофрированными для увеличения поверхности.
В некоторых вариантах реализации разработанного устройства тепловые элементы соединенные с коллектором, могут быть расположены внутри корпуса только в радиальном направлении относительно центральной оси корпуса. Также в некоторых случаях к коллектору могут быть подсоединены несколько труб, выходящих из корпуса.
Предпочтительно корпус выполнен теплоизолированным. Часть тепловой трубы может быть отделена от остального внутреннего объема тепловой трубы мембраной, выполненной из газопроводящего материала, при этом отделенный мембраной объем тепловой трубы выполнен с возможностью сообщения с вакуумным насосом.
Предпочтительно мембрана выполнена из водородопроницаемого материала, в частности из никеля или никельсодержащего сплава.
В некоторых вариантах реализации разработанного устройства мембрана может быть выполнена в виде трубки, один из торцов которой закрыт заглушкой, а второй торец имеет отверстие, соединяющее внутренний объем мембраны с вакуумным насосом.
Также на наружную поверхность тепловых труб может быть дополнительно нанесено покрытие, создающее барьер для проникновения водорода. Указанное покрытие может быть многослойным.
В корпусе могут быть дополнительно расположены датчики, позволяющие контролировать технологический процесс (датчики температуры, давления, содержания отдельных компонентов газовой смеси на входе и выходе реактора). Вокруг и/или внутри корпуса могут быть дополнительно расположены средства регулирования температуры процесса. Температура процесса в реакторе может быть изменена посредством изменения температуры тепловых элементов.
Разработанное устройство приведено на фиг. 1-фиг. 3, при этом использованы следующие обозначения: корпус 1, тепловые элементы 2, перфорированная труба, покрытая металлической сеткой 3, патрубок 4 подвода исходных компонентов, патрубок 5 отвода продуктов реакции, коллектор 6, сектор 7 коллектора, тепловой элемент (труба) 8, нагреваемая внешним теплом.
При реализации устройства исходные компоненты поступают в конвертор через патрубок 4, перфорированную трубу, покрытую металлической сеткой 3, проходят через катализатор, который расположен между перфорированной трубой 3 и корпусом 1, далее через патрубок 5 продукты реакции выходят из конвертора. Тепловые элементы находятся внутри катализатора и нагревают его.
Разработанный конвертор отличается от известных из уровня техники тем, что тепловой элемент является составным: в реакторе несколько труб объединены в один сектор 7 коллектора 6, а в зону подогрева/охлаждения технологического процесса выходят тепловые элементы всех секторов коллектора. Но если по какой-то причине один или несколько тепловых элементов выходят из строя, остальные сектора продолжают поддерживать тепловой режим реакции.
Работа конвертора разработанной конструкции в штатном режиме аналогична работе конвертера - ближайшего аналога. В случае разгерметизации любого секторного элемента, его отключают и процесс осуществления каталитических газохимических реакций продолжается.
Тепловые элементы предпочтительно представляют собой тепловые трубы, заполненные теплоносителем (натрий, калий, ароматические соединения и т.д.). Однако, могут быть использованы тепловые элементы в виде пластин. Расположение тепловых элементов внутри реакционного объема при наличии всего одной трубы в зоне нагрева/охлаждения обеспечивает более равномерный прогрев катализатора из-за одинакового излучения тепловой энергии в зону катализатора поверхностью тепловых труб. Это позволяет проведение указанного процесса при давлении 2,0÷3,0 МПа и температуре 900°С, при этом объем катализатора уменьшается на 25-30% при сохранении времени реакционного пробега, а затраты энергии на циркуляцию и охлаждение продуктов сокращаются в 1,2-1,5 раза.