РЕАКТОР

Предлагаемое устройство относится к унифицированным контактным аппаратам, применяемым не только для производства формальдегида путем окисления метанола в присутствии металлооксидных катализаторов, но и для других процессов, например, для окисления пропилена, пропана, изобутилена или третбутанола газом содержащим молекулярный кислород, при этом под рабочие давление и температуру выполняются конструктивные расчеты основных элементов реактора.
Известен реактор трубчатого типа работающий по принципу теплообменника. При этом в трубки диаметром 15-25 мм и длиной 800-1400 мм с загруженным железомолибденовым катализатором поступает спирто-воздушная смесь, а в межтрубное пространство подается теплоноситель, охлаждающий катализатор и продукты реакции. Процесс в реакторах подобного типа выполняется с внутренним теплоотводом в условиях, близких к изотермическим. В связи с тем, что максимум температуры приходится на среднюю часть контактного аппарата и здесь же расположена область максимальной параметрической чувствительности, ввод теплоносителя производится в средней части межтрубного пространства реактора, а вывод осуществляется снизу и сверху. Ввод и вывод теплоносителя осуществляется в радиальном направлении (см. В.Н. Махлай, С. В.Афанасьев. Введение в химию карбамидоформальдегидного концентрата, г. Тольятти. ТГУ-2000, стр. 14).
Недостатком данной конструкции является неэффективное охлаждение межтрубного пространства, что ведет к снижению качества получаемого продукта и возникновению зон перегрева катализатора. Так же подобная конструкция не имеет возможности управлять теплосъемом по длине реакционных труб.
Известен четырехсекционный реактор. Спирто-воздушная смесь, проходящая через слой гранулированного катализатора в секционных корзинах, окисляется в формальдегидсодержащий газ, который отдает тепло воде, поступающей в трубный пучок в центральной части реактора. Автономный съем тепла в каждой секции трубчатого теплообменника позитивно влияет на снижение максимальной температуры в зоне реакции (см. Г. Сиоли, Д. Бианчи, Е. Филипчи, Ф. Зарди. Химическая промышленность. 1997. №5. С.363-377])
Недостатком является неэффективное охлаждение межтрубного пространства, что ведет к снижению качества получаемого продукта. Поскольку при концентрации метанола на входе в реактор 6,0-6,5% об. и загрузке в контактный аппарат катализатора с размером зерен 3-3.5 мм, стабилизация входных параметров по газу сильно затруднена. К тому же пониженные концентрации метанола в спирто-воздушной смеси на входе в аппарат существенно повышают его взрыво-пожароопасность.
2
Известен реактор окислительного дегидрирования метанола в формальдегид содержит встроенный трубный пучок с внутренним диаметром трубок 16-25 мм и длиной 900-1500 мм, заполненных железо-молибденовым катализатором и керамической насадкой в соотношении 3,5-5:1 по объему, разделенный на 3-5 зон с 6-12 секторами в каждой, в которые радиально по периферии трубного пучка с равномерным смещением точек ввода по зонам подается теплоноситель для съема тепла, а его вывод из реактора осуществляется через центральную перфорированную трубу при отношении диаметра реактора к площади теплообмена трубного пучка равном 1:350-450 м/м (см. полезная модель №40012, МПК B01J 8/08 (2000.01), 2004 г. ).
Недостатком устройства является неэффективное охлаждение межтрубного пространства, что ведет к снижению качества получаемого продукта и возникновению зон перегрева катализатора. Температурный профиль по слою катализатора является скачкообразным, что существенно снижает технические и экономические показатели работы реакционного узла, ведет к получению побочных продуктов за счет появления зон перегрева катализатора, а также сокращает срок его службы.
Известен реактор, включающий множество реакционных труб, содержащих помещенный в них катализатор и, в некоторых из них, размещены термопары, каждая из которых имеет несколько точек измерения в направлении оси реакционных труб, и, кожух, снабженный внутренними перегородками, в который вводится проходящий в межтрубном пространстве теплоноситель, устройства для ввода и вывода теплоносителя (см. патент РФ №2309794 МПК B01J 8/06 (2006.01), 2005 г. ). Данное решение принято за прототип.
Недостатком устройства является неэффективное охлаждение межтрубного пространства, что ведет к снижению качества получаемого продукта. В данном реакторе температурный профиль по слою катализатора является скачкообразным, т.к. теплоноситель проходит большое расстояние от входа до выхода, что неизбежно сказывается на эффективности теплосъема и существенно снижает технические и экономические показатели работы реакционного узла, ведет к получению побочных продуктов за счет появления зон перегрева катализатора, а также сокращает срок его службы.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью является совершенствование ее конструкции с одновременным повышением эффективности в процессе эксплуатации.
Поставленная задача достигается тем, что в реакторе, содержащем кожух, снабженный внутренними перегородками и с расположенным в кожухе множеством реакционных труб, содержащих помещенный в них катализатор, причем в части труб размещены термопары, каждая из которых имеет несколько точек измерения в направлении оси реакционных труб, устройства для ввода и вывода теплоносителя в межтрубное пространство, в соответствии с полезной моделью устройство для ввода теплоносителя выполнено в виде трубы с перфорированной головкой (перфорированным насадком) аксиально установленной в центре межтрубного пространства реактора, а устройства для вывода теплоносителя снабжены регулирующими элементами и расположены в верхней и нижней зоне межтрубного пространства.
Технический результат от использования всех существенных признаков полезной модели заключается в повышении эффективности охлаждения и за счет этого повышении безопасности эксплуатации.
Описанная конструкция позволяет повысить эффективность охлаждения путем обеспечения влияния на теплосъем с температурного пика - за счет более интенсивного теплосъема с данного участка, что обеспечивается следующими факторами:
- подача теплоносителя осуществляется непосредственно в зону "горячих точек" через трубу с перфорированной головкой (перфорированным насадком), аксиально установленную в центре межтрубного пространства реактора;
- обеспечена возможность изменения расхода потока теплоносителя по всей высоте трубок (в верхней части, средней части и нижней части). При регистрации многозональными термопарами увеличение температуры в зоне их расположения - система регулирования, включающая регулирующие элементы, которыми снабжены устройства для вывода теплоносителя, расположенные в верхней и нижней зоне межтрубного пространства, перераспределяет в данную зону подачу теплоносителя увеличивая степень открытия клапанов на выходе теплоносителя с данной части реактора или уменьшая степень открытия при понижении температуры в контролируемой зоне.
Перераспределение потока теплоносителя через верхнюю или нижнюю часть поверхности реакционных трубок позволяет обеспечить интенсификацию теплообмена соответственно в верхней и нижней части реактора.
Это позволяет:
- не допускать перегрева в зоне горячих точек - что продлевает срок жизни катализатора;
- увеличить нагрузку на реактор по сырью, не менее чем на 10%;
- позволяет изменить температурные профили по длине реакционных трубок. Исключение перегрева в зоне горячих точек позволяет снизить выработку побочных продуктов реакции - за счет чего улучшается качество продукции и снижаются расходные нормы по сырью.
На схеме приведена принципиальная схема реактора.
Конструкция трубчатого реактора относится к контактным аппаратам, предназначенным для проведения экзотермических реакций. Реактор представляет собой аппарат с внешним кожухом 1 и со встроенным трубным пучком 2 реакционных трубок 3 с внутренним диаметром трубок 12-30 мм и длиной от 600 до 2000 мм, которые заполняются катализатором. В некоторых трубках установлены термопары (условно не показано).
Межтрубное пространство 5 разделено поперечными перегородками 4 (кольцевые, или сегментные, или хордовые). Исходная парогазовая смесь подается в верхний штуцер реактора поз. А и поступает в трубный пучок 2.
В центре межтрубного пространства 5 реактора аксиально установлено устройство для ввода теплоносителя, выполненное в виде трубы 6 с перфорированной головкой 7 (перфорированным насадком). Для снятия тепла в межтрубное пространство 5 подается высокотемпературный теплоноситель (синтетическое или минеральное масло, или кремнийорганический высокотемпературный теплоноситель). Теплоноситель подается через штуцер поз. В и далее по аксиально расположенной трубе 6 поступает в центр межтрубного пространства реактора. Теплоноситель распределяется через перфорированную головку 7 между двумя центральными перегородками 8, 9.
На устройствах для вывода теплоносителя, выполненных в виде верхних штуцеров поз. Г1 - поз. Г2 и нижних штуцеров поз. Г3-поз. Г4, установлены регулирующие элементы 10 (клапана, регулирующая арматура и т.д.), которые обеспечивают распределения потока теплоносителя в межтрубном пространстве. Перераспределение потока теплоносителя за счет изменения пропускной способности (открытия, частичного или полного закрытия) регулирующих элементов (например, клапанов) 10 через верхнюю или нижнюю часть поверхности реакционных трубок позволяет обеспечить интенсификацию теплообмена соответственно в верхней и нижней части реактора.
В реакционные трубки 3 реактора засыпается гранулированный катализатор, выбранный по технологическим параметрам.
В несколько трубок 3 для контроля температуры слоя катализатора устанавливаются многозонные термопары на всю высоту реакционной трубки.
Тепло экзотермической реакции внутри реакционных трубок передается через стенку трубок теплоносителю. Так как при работе реактора горячая зона изначально находится в средней части реакционных труб, высокотемпературный теплоноситель в данную зону первоначально подается в большем количестве за счет непосредственного ввода теплоносителя в данную зону, по мере смещения зоны горячих точек, поток теплоносителя перераспределяется (в верхнюю или нижнюю зону) в межтрубном пространстве. По мере смещения горячей зоны по слою катализатора вниз подачу потока теплоносителя изменяют в верхнюю или нижнюю зону реактора, пропорционально регулируя поток теплоносителя регулирующими элементами 10, перераспределяя его для охлаждения горячих зон по высоте реакционных трубок 3.
Изначально расположение горячих точек в катализаторе зависит от профиля загрузки катализатора, от типа проводимой реакции, начальной температуры парогазовой смеси и активности катализатора. Исходя из этого изначально горячая точка может располагаться и в верхней зоне. Или же при подаче парогазовой смеси требуется осуществить более быстрый ее подогрев до температуры зажигания реакции. В таком случае поток теплоносителя перераспределяется в верхнюю зону обеспечивая соответственно от ситуации либо нагрев смеси, либо теплоотвод от верхней зоны.
Температура теплоносителя поддерживается на уровне, когда устойчиво начинается каталитическая реакция, но при этом его максимальная температура ниже, чем та при которой начинается термодеструкция катализатора. Это позволяет, как обеспечивать теплоотвод от зоны реакции, так обеспечивать и поддержание минимальной температуры при которой зажигается каталитическая реакция.
Данная особенность позволяет использовать любые профили загрузки и марки катализатора.
При регистрации многозональными термопарами увеличение температуры в зоне их расположения, система регулирования перераспределяет в данную зону подачу теплоносителя увеличивая степень открытия регулирующих элементов 10 на выходе теплоносителя с данной части реактора, или уменьшая степень открытия при понижении температуры в контролируемой зоне.
Ввод теплоносителя в реактор осуществляется аксиально в межтрубное пространство через трубу 6 с перфорированной головкой 7. Труба 5 размещена в центре трубного пучка между двумя центральными перегородками 8, 9 т.е. в центре межтрубного пространства 5 в зоне центра пучка реакционных труб. Выход теплоносителя производят из верхней и нижней части межтрубного пространства.
Применение такой конструкции позволяет выравнивать температурный профиль по слою катализатора, он является более плавным, без ярко выраженного максимума. По мере "отработки" катализатора - температурный пик смещается ближе к концу реакционной трубки.
Заявляемая конструкция позволяет влиять на теплосъем с данного температурного пика - за счет более интенсивного теплосъема с данного участка, так как:
- подача теплоносителя осуществляется непосредственно в зону "горячих точек" из центра межтрубного пространства;
- возможно изменение расхода потока теплоносителя по всей высоте трубного пучка - (в верхней части, средней части и нижней части).
Это позволяет:
- Не допускать перегрева катализатора в зоне горячих точек - что продлевает срок жизни катализатора;
- Увеличить нагрузку на реактор по сырью, не менее чем на 10%;
- Исключить перегрев в зоне горячих точек, в связи с чем снижается выработка побочных продуктов реакции - за счет чего улучшается качество продукции и снижаются расходные нормы по сырью.
Это существенно улучшает технические и экономические показатели работы реакционного узла.
Устройство может быть изготовлено с использованием современных материалов и технологий.
Устройство может быть использовано для производства формальдегида путем окисления метанола в присутствии металлоксидных катализаторов, а также и для окисления пропилена, пропана, изобутилена или трет-бутанола газом содержащим молекулярный кислород.