РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННОГО ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Полезная модель относится к области процессов и аппаратов химической технологии и может быть использована для осуществления экзотермического гетерогенного процесса, в частности, каталитической очистки отходящих газов от токсичных примесей.
Известно, что для достижения оптимальных величин конверсии экзотермического гетерогенного процесса реакцию проводят, пропуская реакционную смесь через один или несколько расположенных последовательно слоев катализатора, причем горячий газовый поток, выходящий из каждого слоя катализатора, должен быть охлажден перед подачей в последующий слой во избежание перегрева и дезактивации катализатора в слое. Для этого реакторы экзотермического процесса снабжают средствами, смешивающими холодную реакционную смесь с горячим газом, выходящим из слоя катализатора, тем самым обеспечивая прямое охлаждение последнего перед поступлением в следующий слой.
В процессах каталитической очистки часто возникает необходимость переработки газов с высоким содержанием токсичных компонентов, что приводит к значительным тепловыделениям и развитию температур выше пределов термической стабильности катализаторов. Как правило, верхний предел термостабильности обычно применяемых катализаторов находится на уровне 600-650°С. При величине адиабатического разогрева выше 400°С для осуществления процесса в одном адиабатическом слое приходится вводить газы с начальной температурой около 200°С, однако каталитическая активность при низких температурах недостаточна. Компенсирование низкой активности дополнительным количеством катализатора приводит к неоправданно большим загрузкам. В таких случаях целесообразно ведение процесса в нескольких слоях катализатора с промежуточным съемом тепла горячих газов. Размещение теплообменных элементов (теплообменников, котлов-утилизаторов) непосредственно между слоями значительно усложняет конструкцию аппарата и его эксплуатацию. Размещение выносных теплообменных элементов вне каталитического
реактора приводит к значительным тепловым потерям и затратам на изоляцию и также ведет к усложнению технологической схемы. Наиболее рациональным в таких случаях является непосредственный ввод холодного газа (воздуха либо части реакционного потока) в пространство между слоями катализатора.
Выражение "горячий газ" в данном контексте означает газ или смесь частично прореагировавших газов, выходящих из слоя катализатора, в котором происходит экзотермическая реакция. Например, при каталитическом разложении закиси азота такой горячий газ имеет температуру от 600 до 630°С. Выражение "холодный газ" обозначает газ с температурой ниже температуры горячего газа, выходящего из слоя катализатора. Обычно такой газ представляет собой либо воздух, либо исходный газ, либо их смесь в некоторых пропорциях и имеет в случае разложения закиси азота температуру от 30 до 50°С.
Известна конструкция реактора, позволяющая проводить гетерогенный экзотермический процесс в последовательно расположенных адиабатических слоях катализатора с вводом в межслоевое пространство холодного реакционного газа для температурного регулирования процесса. Реактор состоит из вертикального цилиндрического корпуса, сферических крышки и днища, штуцеров для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта, распределителей холодного газа, расположенных горизонтально на разных уровнях в реакторе и разделяющих сплошной слой катализатора на условные последовательно расположенные слои [JP 58-47214, B01J 8/02, 21.10.83]. Смешение горячего и холодного газов происходит в полых камерах, имеющих вертикальное сечение в форме ромба и размещенных вокруг распределителей холодного газа. Стенки камер выполнены проницаемыми для газа и непроницаемыми для частиц катализатора. Опыт эксплуатации реакторов такой конструкции показал, что они обеспечивают низкое качество смешения газов, что приводит к снижению производительности реактора из-за возникновения в слоях катализатора температурных неоднородностей.
Известна конструкция реактора, позволяющая увеличить степень перемешивания горячего и холодного газов, путем размещения каждого слоя катализатора на отдельной газопроницаемой решетке, образования свободного пространства между слоями и ввода холодного газа в это пространство с помощью специальных распределителей [US 4350665, B01J 8/02, С07С 1/00, 21.09.82]. Однако
степень перемешивания горячего и холодного потоков в этих реакторах также неудовлетворительна.
Более качественное перемешивание потоков достигают в реакторах, предусматривающих смешивание потоков в специальной камере смешения [US 3787189, B01J 8/04, С07С 31/04, 22.01.1974]. Однако при наличии камеры смешения невозможно установить центральную колонну, необходимую для реакторов диаметром более 3 м, без риска ухудшить качество смешения, т.к. основной вклад в перемешивание потоков вносит соударение и турбулизация струй в центре реактора.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по количеству сходных признаков является реактор для проведения гетерогенного экзотермического синтеза [US 3480407, B01J 8/00, С07С 31/04, 25.11.1969], имеющий вертикальный цилиндрический корпус, крышку и днище, штуцера для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта, а также горизонтальные газопроницаемые перегородки, на которых расположены слои катализатора. Между газопроницаемыми перегородками со слоями катализатора имеется камера смешения, образованная двумя горизонтальными глухими перегородками, размещенными с зазором друг относительно друга. Смешиваемые горячий и холодный потоки газа поступают в камеру смешения через окна, выполненные в боковой стенке камеры, которая соединяет горизонтальные перегородки. Горячий поток образуется в слое катализатора, а холодный поток поступает от штуцеров ввода исходной газовой смеси через распределительное средство. Для обеспечения дополнительного перемешивания газовых потоков камера снабжена вертикально расположенными лопатками, создающими в ней периферийные турбулентные потоки. Выход из камеры смешения выполнен в виде отверстия в нижней горизонтальной перегородке в центральной части реактора. Этот реактор принят за прототип.
Недостатком конструкции этого реактора является то, что она не позволяет устранять температурные неоднородности в газовом потоке, поступающем в последующий слой катализатора после камеры смешения. В реакторе обеспечивается смешение горячего и холодного газовых потоков, однако, в случаях, когда в горячем газовом потоке имеются температурные неоднородности, сформированные в предыдущем слое катализатора, они не устраняются в камере смешения, остаются в перемешанном газовом потоке и таким образом переходят в последующий слой катализатора.
Полезная модель направлена на достижение гомогенного перемешивания горячего и холодного газовых потоков, которое позволяет практически полностью устранить температурные неоднородности в газовом потоке, поступающем в слои катализатора и, как следствие, перегревы катализатора в реакторе. В результате обеспечиваются условия для стабильной работы катализатора.
Указанный результат достигается тем, что реактор для проведения экзотермического гетерогенного процесса включает вертикальный корпус, крышку и днище, штуцера для ввода исходной газовой смеси и вывода конечных продуктов, горизонтальные газопроницаемые перегородки, на которых размещены слои катализатора, как минимум, одну камеру смешения, в которой происходит перемешивание горячего газового потока, выходящего из слоя катализатора, и холодного газового потока, поступающего через распределительное средство от штуцера для ввода холодного газа, глухую перегородку, расположенную ниже и параллельно упомянутой газопроницаемой перегородке, между которыми образуется под слоем катализатора промежуточное пространство, куда поступают горячий и холодный газовые потоки, а камера смешения сопряжена с промежуточным пространством и снабжена газоходом, который установлен таким образом, что в него поступает предварительно перемешанный в промежуточном пространстве и камере смешения газовый поток, проходит через него, дополнительно перемешиваясь, и выходит гомогенно перемешанный в объем реактора, ниже промежуточного пространства. Камера смешения может иметь любую форму, пригодную для осуществления предварительного перемешивания газовых потоков, но предпочтительно выполнение ее в форме цилиндрического кольца с герметичными крышкой и дном и отверстиями на уровне промежуточного пространства в боковых стенках. Для оптимального использования объема реактора камера смешения расположена вдоль оси реактора, герметично соединена с газопроницаемой перегородкой и частично погружена в слой катализатора. Наиболее целесообразным для достижения полного перемешивания газового потока является расположение газохода коаксиально с осью реактора по всей высоте камеры смешения, с минимальным зазором относительно ее крышки, обеспечивающим поступление в него газового потока
На Фиг.1 показан в разрезе многослойный реактор для проведения гетерогенного экзотермического процесса. На Фиг.2 в увеличенном масштабе
изображен фрагмент реактора, включающий слой катализатора, промежуточное пространство, камеру смешения и газоход.
Реактор для проведения гетерогенного экзотермического процесса состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1, крышки 2 и днища 3, штуцеров для ввода исходной газовой смеси 4 и вывода конечных продуктов 5, горизонтальных газопроницаемых перегородок 7, на которых размещены слои катализатора 8, горизонтальных глухих перегородок 9, размещенных с зазором под газопроницаемыми перегородками, которые вместе образуют промежуточное пространство 10, куда поступает горячий газовый поток через газопроницаемую перегородку из слоя катализатора, штуцеров 11 и распределителей холодного газа 12, посредством которых в промежуточное пространство 10 поступает холодный газовый поток, цилиндрической формы камеры смешения 13, сообщающейся посредством отверстий 14 с промежуточным пространством 10, газохода 15, имеющего вход 16 в верхней части камеры смешения 13, выше газопроницаемой перегородки 7 и выход 17, расположенный ниже глухой перегородки 9. Камера смешения закрыта сверху герметичной перегородкой 18. На выходе 17 из патрубка 15 установлено распределительное средство 19 для равномерного распределения перемешанного потока на входе в следующий слой катализатора.
Реактор работает следующим образом. Поток исходной газовой смеси поступает в реактор через входной штуцер 4, проходит первый слой катализатора 8, газопроницаемую перегородку 7 и поступает в промежуточное пространство 10, изменяет направление движения под влиянием глухой перегородки 9 и смешивается с холодным газом, поступающим через штуцер 11 и распределитель 12. Затем частично перемешанный в промежуточном пространстве поток горячего и холодного газа из промежуточного пространства 10 через отверстия 14 поступает в камеру смешения 13. Проходя по кольцевому пространству между стенкой камеры смешения 13 и газоходом 15, а затем через газоход 15 газовый поток полностью перемешивается. Затем газовый поток через выход 17 газохода 15 выходит в объем реактора, проходит распределительное средство 19 и далее поступает в следующий слой катализатора. Последовательность прохождения газовым потоком второго и последующих слоев катализатора полностью идентична описанной выше. После прохождения последнего в реакторе слоя катализатора поток конечных продуктов через выходной штуцер 5 выходит за пределы реактора.
Пример.
3
3
3
В реакторе для каталитического разложения закиси азота на азот и кислород, конструкция которого соответствует приведенной на Фиг.1, с диаметром корпуса 1.5 м и высотой 3.8 м на двух газопроницаемых перегородках размещено суммарно 1.1 т катализатора. На вход в 1-й слой подают нитрозные газы в количестве 4.2-4.5 тыс. нм/ч, нагретые до 420-450°С. Температура реакционных газов на выходе из 1-го слоя катализатора 630-650°С. Между 1-м и 2-м слоями вводят через распределитель 1.0-1.2 тыс. нм/ч холодного воздуха с температурой 20°С, так что суммарный расход поступающего на 2-й слой потока, состоящего из горячего реакционного газа после 1-го слоя и холодного воздуха, составляет 5.2-5.7 тыс. нм/ч, а его температура составляет 490-540°С. Обеспечивается практически полное перемешивание горячего газа, выходящего из слоя катализатора, с добавляемым к нему холодным воздухом. Распределение температуры газового потока на входе в последующий слой катализатора однородно - максимальная разница температур не превышает 1.0°.
Устранение температурных неоднородностей в слоях катализатора в этом примере позволило увеличить на 3-4% степень разложения закиси азота на кислород и азот за счет повышения средней температуры на входе во 2-й слой катализатора, а за счет уменьшения количества катализатора во 2-м слое снизить энергетические затраты на фильтрацию нитрозных газов через каталитический реактор.
В реакторе для проведения гетерогенного экзотермического процесса решена задача гомогенного перемешивания горячего потока, выходящего из слоя катализатора, и холодного потока воздуха или исходного реакционного газа перед поступлением в следующий слой катализатора, что позволяет устранить температурные неоднородности в потоке газа и, как следствие, перегревы и дезактивацию катализатора.