РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к химическому машиностроению, а именно к конструкциям реакторов, предназначенных для проведения каталитических и некаталитических реакций, идущих с выделением или поглощением тепла, в частности риформинг с использованием цеолитных или платиновых катализаторов, олигомеризация углеводородов, паровое дегидрирование, и может быть использована в химической, нефтехимической, топливо-энергетической и других отраслях промышленности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен химический реактор (RU 2327516 С2, опубл. 27.06.2008, МПК B01J 19/00, ОАО «НЕВСКАЯ КОСМЕТИКА»), содержащий входной и выходной патрубки, расположенные на противоположных торцах корпуса по его продольной оси, разделитель, полностью размещенный внутри корпуса с образованием зазора между донной частью разделителя и торцевой поверхностью корпуса, на которой расположен выходной патрубок. Входной патрубок выполнен в виде протяженного открытого с входного и выходного концов трубчатого элемента, установленного с образованием зазора между донной частью разделителя и выходным концом входного патрубка. Конструкция реактора направлена на выравнивание температурного поля в рабочем объеме реактора при проведении химического процесса, идущего с поглощением или выделением тепла.
Недостатком известного реактора является то, что он позволяет использовать для производства жидких продуктов исключительно жидкое сырье. В ином случае жидкий продукт и, в случае наличия катализатора, катализаторная пыль скапливаются в замкнутой нижней части реактора без возможности изъятия, нивелируя теплообмен и нарушая производственный процесс. Также необходимо отметить, что данная конструкция реактора исключает возможность использования гетерогенного катализатора без нарушения целостности реактора для загрузки/выгрузки катализатора. В процессах подобных олигомеризации в нижней части реактора будут скапливаться тяжелые продукты-предшественники кокса, способствуя ускоренному закоксовыванию катализатора. Также движение потока сверху вниз может привести к повышенному истиранию катализатора.
Известен псевдоизотермический радиальный химический реактор, описанный в RU 2349391 С2 (МПК B01J 8/04, опубл. 10.12.2008, МЕТАНОЛ КАСАЛЕ С.А.). Реактор имеет цилиндрический корпус, закрытый с противоположных концов плоскими днищами, и зону реакции. В зоне реакции находится слой катализатора и множество расположенных в нем теплообменников. Дополнительно реактор имеет по меньшей мере одну вторую зону реакции, в которой находится слой катализатора и множество расположенных в нем теплообменников. При этом вторая зона сообщается с первой зоной реакции. Данная конструкция устройства обеспечивает возможность эффективного контроля протекающей реакции.
Недостатком известного реактора является высокая сложность материального исполнения реактора, содержащего многочисленные индивидуальные детали (теплообменники). Это повышает стоимость производства реактора и усложняет проведение текущего и экстренного ремонта. Также известный реактор требует погружения теплообменников в слой катализатора, что существенно усложняет загрузку/выгрузку гетерогенного катализатора. Также недостатком известного реактора является избыточное усложнение конструкции в отношении первой реакционной зоны (обязательно наличие в первой реакционной зоне теплообменников). Это не создает технического результата в ряде случаев: когда протекающий процесс является автотермическим (разогрев/охлаждение смеси происходит за счет происходящих химических реакций); когда нагрев/охлаждение входящего сырья обеспечивает приемлемый температурный режим реакции по крайней мере в части реакционной зоны без необходимости подвода/отвода тепла извне.
В патенте на полезную модель RU 138334 описан реактор для совместной конверсии углеводородного сырья и оксигената с целью получения высокооктанового бензина. Для достижения в реакторе режима, близкого к изотермическому, катализатор распределяется по полкам, образующим реакционные зоны. При этом к подаваемому на каждую полку сырью добавляется инертный теплоноситель. Этот подход может обеспечить как нагрев, так и охлаждение соответствующих реакционных зон. Подвод тепла осуществляется в зоны с эндотермическим тепловым эффектом за счет подачи инертного теплоносителя с повышенной температурой. И наоборот, сглаживание разогрева сырья в реакционных зонах с экзотермическим тепловым эффектом происходит за счет траты части выделяемого тепла на разогрев инертного теплоносителя.
К недостаткам подобного реактора нужно отнести то, что для его функционирования требуется инертный теплоноситель. Также необходимо обеспечить работу дополнительных устройств нагрева и отделения инертного теплоносителя от катализата. Кроме того, усложняется конструкция реактора - многополочная конструкция требует установки для каждой полки люков загрузки/выгрузки катализатора, распределительных устройств для смешения сырья и инертного теплоносителя.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении полезной модели, является упрощение конструкции и технического обслуживания реактора, способного поддерживать заданный температурный режим каталитических и некаталитических реакций, идущих с выделением или поглощением тепла.
Требуемый технический результат достигается за счет нового реактора для проведения химических реакций, имеющего корпус (4), закрытый с противоположных концов соответствующими днищами (2 и 10), в которых размещены штуцеры для подвода реакционной смеси и отвода продуктов реакции (1 и 11) соответственно, сообщающиеся последовательно расположенные первую реакционную зону (6), ограниченную верхней частью корпуса (4) реактора, и вторую реакционную зону (7), ограниченную нижней частью корпуса (4) реактора и внешней поверхностью полого цилиндра (8), установленного соосно с корпусом (4) реактора при этом вторая реакционная зона (7) снабжена средством подвода/отвода тепла, а полый цилиндр (8) своей нижней частью, имеющей отверстия (12) для прохода продуктов реакции, соединен со штуцером (11).
Существенность отличий предлагаемой полезной модели заключается в создании в однополочном реакторе двух последовательных реакционных зон, не разделенных материально, но отличающихся методами поддержания температурных режимов. Первая реакционная зона ограничена внешним корпусом реактора и является адиабатической, подвод тепла к ней осуществляется только путями нагрева/охлаждения/контроля состава подаваемого сырья. Вторая реакционная зона ограничена по вертикали поверхностью двух соосных цилиндров (внешний корпус реактора и внутренний полый цилиндр). Подвод/отвод тепла к ней осуществляется через поверхности корпуса реактора (стенки реактора).
Предложенная конструкция позволяет поддерживать температурный режим в реакторе за счет теплообмена через поверхность реактора, не используя многополочную конструкцию и не вводя внутрь реактора теплообменники. В стандартном однополочном реакторе попытка прогрева всего объема реактора через корпус приведет к неравномерному прогреву реакционной массы в осевом направлении (перегреву части, находящейся ближе к корпусу, и недостаточному нагреву части, близкой к центру реактора). Обратная ситуация верна для охлаждения.
Предлагаемая конструкция исключает из нагреваемого/охлаждаемого объема часть реактора, в которой приемлемая температура может поддерживаться за счет характеристик сырья. Та часть реактора, где теплообмен необходим (вторая реакционная зона), дополнительно ограничена в горизонтальном направлении внутренним цилиндром, что еще сильнее снижает реакторный объем, который подлежит нагреву/охлаждению. Дополнительно, за счет уменьшения геометрического объема реакционный поток во второй зоне ускоряется, что усиливает теплообмен за счет турбулизации потока.
Внутренний полый цилиндр также выполняет функцию коллектора продукта за счет наличия в нижней части цилиндра отверстий. Это позволяет отказаться от использования для сбора продукта опорной решетки, для изготовления которой необходимо специализированное фрезерное оборудование.
Техническое обслуживание облегчается за счет возможности загрузки/выгрузки катализатора без разборки реактора или нарушения его целостности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 изображен эскиз реактора в продольном разрезе.
На Фиг. 2 схематически изображено направления потоков реакционной смеси в процессе работы реактора.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Конструкция реактора в основном варианте осуществления представлена на Фиг. 1. Конструкция в верхней части содержит штуцер 1 подачи сырья, верхнее днище 2. Дополнительно в верхней части могут устанавливаться:
- устройство 3 распределения подаваемого сырья (например, пластина или решетка с отверстиями; более равномерно распределяет подаваемое сырье по реактору в горизонтальном направлении);
- распределительный и защитный слой 5 из инертного материала (например, керамические шарики, кварцевые шарики, их крошка и т.п.).
Реактор имеет цилиндрический корпус 4. Конструкция реактора подразумевает образование внутри двух реакционных зон 6 и 7, где условная граница между зонами проходит в месте начала подвода/отвода тепла к стенкам реактора от внешних источников (показано на Фиг. 1 пунктирной линией). Первая реакционная зона 6, ограниченная верхней частью корпуса реактора 4, является адиабатической, подвод тепла к ней осуществляется только путем нагрева подаваемого сырья. Подвод тепла к второй реакционной зоне 7 осуществляется через внешнюю поверхность корпуса 4 реактора. Причем для снижения перепада температур по горизонтальным сечениям во второй реакционной зоне внутренняя часть реакционной зоны ограничена полым цилиндром 8. Согласно предлагаемой полезной модели высота (длина) внутреннего цилиндра 8 может быть любой относительно высоты (длины) корпуса 4, более того она оптимизируется под конкретный технологический процесс.
Внутренний полый цилиндр 8 ограничен сверху днищем произвольной формы 13 (коническим, эллиптическим и т.п.). Также внутренний полый цилиндр 8 выполняет функцию коллектора продукта с выхода второй реакционной зоны 7. Для этого в указанном цилиндре имеются отверстия 12 для прохода продукта. Нижняя часть указанного цилиндра соединена со штуцером 11 выхода (отвода) продукта, размещаемым в нижней части днища 10 корпуса реактора. Дополнительно в нижней части корпуса 4 также может быть расположен распределительный и защитный слой 9 из инертного материала (например, керамические шарики, кварцевые шарики, их крошка, и т.п.).
Подвод/отвод тепла к второй реакционной зоне 7 может осуществляться, к примеру, путем электрообогрева нижней части корпуса 4 (например, высокотемпературным греющим кабелем), путем конденсации/испарения теплоносителя на нижней части корпуса 4, для чего реактор может быть помещен в герметичную рубашку 14, в которой циркулирует теплоноситель. Уменьшение геометрического сечения второй реакционной зоны 7 по сравнению с первой реакционной зоной 6 увеличивает линейную скорость реакционной массы, а также турбулизирует поток, за счет чего улучшается перемешивание потока в горизонтальном направлении, и, как следствие, улучшает теплообмен с нижней частью корпуса 4, ограничивающего вторую реакционную зону 7. Дополнительно конструкция может содержать боковые штуцеры 15, 16 и 17, предназначенные для технического обслуживания реактора (например, загрузки/выгрузки катализатора).
Предложенная конструкция позволяет избежать сильного вертикального перепада температур, характерного для адиабатических реакторов.
Изменение формы второй реакционной зоны 7 за счет введения внутреннего полого цилиндра 8 позволяет эффективно контролировать температурный режим второй зоны 7 за счет подвода тепла к нижней части корпуса 4, ограничивающего вторую реакционную зону 7. В отсутствие внутреннего полого цилиндра 8 подвод тепла к поверхности корпуса 4 не обеспечивает равномерный горизонтальный градиент температур из-за толщины реакционной массы.
В частности, предложенная конструкция позволяет сочетать условия адиабатического реактора (реакционная зона 6 на Фиг. 1) с условиями псевдоизотермического реактора (реакционная зона 7 на Фиг. 1) при условии соответствующего подвода/отвода тепла.
Предлагаемый реактор работает следующим образом.
Предварительно, исходя из реализуемого химического процесса, определяют оптимальную реакционную температуру, а также температуру и состояние исходных компонентов. При необходимости реактор наполняют соответствующим процессу катализаторами.
Подают в корпус 4 исходные компоненты, пропускают их через реакционную зону 6. По ходу продвижения реакционной смеси через реакционную зону 6 температура процесса контролируется только температурой нагрева входящего сырья и/или соотношением между компонентами реакционной смеси.
Реакционная смесь переходит из реакционной зоны 6 в реакционную зону 7. Последние не разделены физически, но реакционная зона 7 отличается наличием внутренней цилиндрической поверхности, образованной полым цилиндром 8, и устройств подвода/отвода тепла.
В начале реакционной зоны 7 определяют температуру внутри слоя катализатора с помощью термодатчика (не показано). Далее отличие измеренного значения температуры от оптимального устраняют по крайней мере частично за счет подвода или отвода тепла от внешней и/или внутренней поверхности реакционной зоны 7. При необходимости подвод/отвод тепла к второй реакционной зоне может осуществляться не одним, а несколькими устройствами подвода/отвода тепла, обеспечивающими разные температуры по слою во второй реакционной зоне 7.
Геометрическая форма реакционной зоны 7 обеспечивает эффективный теплообмен между реакционной массой и стенками реактора. Под «стенками реактора» в данном случае имеются в виду как нижняя часть корпуса 4 реактора, ограничивающая вторую реакционную зону 7, так и, опционально, поверхность внутреннего полого цилиндра 8. Предлагаемая полезная модель допускает использование поверхности полого цилиндра 8 для активного подвода/отвода тепла (как альтернативный вариант осуществления, на чертежах не показано).
Отводят из корпуса 4 готовый продукт через отверстия 12 внутреннего полого цилиндра 8 и далее штуцер 11, при необходимости отделяя его от непрореагировавших исходных компонентов.
Хотя настоящая полезная модель была подробно описана на примерах вариантов, которые представляются предпочтительными, необходимо помнить, что эти примеры осуществления полезной модели приведены только в целях иллюстрации полезной модели. Данное описание не должно рассматриваться как ограничивающее объем полезной модели, поскольку в конструкцию предлагаемого реактора специалистами в области химии, химического машиностроения и др. могут быть внесены изменения, направленные на то, чтобы адаптировать реактор к конкретным материалам или ситуациям, и не выходящие за рамки прилагаемой формулы полезной модели. Специалисту в данной области понятно, что в пределах сферы действия полезной модели, которая определяется пунктами предлагаемой формулы, возможны различные варианты и модификации, включая эквивалентные решения. Все подобные вариации, которые очевидны специалистам в данной области техники, считаются входящими в объем настоящей полезной модели, который определен в прилагаемой формуле. Для пояснения настоящего описания следует отметить, что фраза «отличающийся тем» означает «включающий в себя, но не ограничивающийся этим».