Многослойный каталитический реактор

Предлагаемое техническое решение относится к многослойному каталитическому реактору, содержащему смесительное устройство, и может найти применение в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической  промышленности.
Известно распределительное устройство для многослойного реактора с нисходящим потоком (RU 2625854, C 10 G 49/00, 2017), содержащее горизонтально расположенную сборную тарелку с проходными отверстиями, завихритель и эжекционные сопла.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая площадь смешения распыляемой охлаждающей текучей среды и реакционной смеси, что приводит к местным перегревам между каталитическими слоями.
Известно смесительное и распределительное устройство со смесительной и обменной зонами (RU 2690825, B 01 J 8/04, 2019), содержащее одну накопительную зону, одну смесительную зону, включающую оболочку для смешения текучих сред и одну распределительную зону.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится линейное диаметральное расположение зон внутри реактора, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления указанного устройства.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является многослойный реактор с нисходящим потоком, содержащий смесительное устройство, применение этого реактора, а также способ смешения (RU 2643041, B 01 J8 /04, 2018). Реактор содержит смесительное устройство, содержащее горизонтально расположенное двухконтурное кольцо с соплами для распыления охлаждающей текучей среды. При этом векторы распыления направлены тангенциально по отношению к реакционной смеси.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится плоскостное расположение смесительного устройства внутри реактора, что приводит к недостаточному смешению реакционной смеси и охлаждающей текучей среды, особенно при высокой линейной скорости потока реакционной смеси.
Задачей предлагаемого технического решения является эффективное смешение потока реакционной смеси и охлаждающей текучей среды путем объемного разнонаправленного распыления охлаждающей текучей среды, создавая устойчивый температурный профиль по сечению каталитического реактора.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является снижение температуры реакционной смеси между каталитическими слоями реактора для предотвращения образования побочных продуктов.
Поставленный технический результат достигается в многослойном каталитическом реакторе, содержащем слои, расположенные на расстоянии друг от друга в вертикальном направлении, и размещенное в межслоевом пространстве смесительное устройство, которое содержит два кольца одинакового диаметра, снабженных отверстиями для тангенциального распыления охлаждающей текучей среды как во внутреннее пространство смесительного устройства, так и во внешнее пространство смесительного устройства внутри многослойного каталитического реактора, причем кольца смесительного устройства расположены параллельно друг над другом вокруг вертикальной оси и соединены между собой патрубками, также снабженными отверстиями для тангенциального распыления охлаждающей текучей среды, при этом внутренний диаметр колец смесительного устройства связан с внутренним диаметром реактора следующим соотношением
d = 0,7D,                                                    (1)
где d – внутренний диаметр колец, м;
D – внутренний диаметр реактора, м.
Расположение слоев в каталитическом реакторе на расстоянии друг от друга в вертикальном направлении позволит регулировать температуру реакционной смеси с помощью смесительного устройства таким образом, чтобы предотвратить образование побочных продуктов.
Выполнение смесительного устройства в виде двух колец одинакового диаметра обеспечит большую площадь орошения реакционной смеси охлаждающей текучей средой, что позволит снизить температуру реакционной смеси между каталитическими слоями реактора.
Снабжение колец смесительного устройства отверстиями для тангенциального распыления охлаждающей текучей среды позволит турбулизировать поток реакционной смеси в процессе смешения, что приведет к более плавному снижению температуры реакционной смеси.
Расположение колец смесительного устройства параллельно друг над другом вокруг вертикальной оси обеспечит достаточное смешение охлаждающей текучей среды и реакционной смеси при различных линейных скоростях потока реакционной смеси, что снизит вероятность образования побочных продуктов за счет снижения температуры реакционной смеси.
Соединение колец вертикальными патрубками позволит эффективно применять смесительное устройство с одной точкой ввода охлаждающей текучей среды в смесительное устройство с целью снижения температуры реакционной смеси между каталитическими слоями реактора.
Выполнение соотношения (1) необходимо для равномерного снижения температуры реакционной смеси по всему сечению каталитического реактора, при этом при меньшем соотношении температура реакционной смеси во внешнем пространстве смесительного устройства не будет снижаться эффективно, а при большем соотношении не будет происходить достаточного смешения реакционной смеси и охлаждающей текучей среды во внутреннем пространстве смесительного устройства, в результате чего температура реакционной смеси не снизится равномерно.
На фиг.1 показан общий вид предлагаемого многослойного каталитического реактора, содержащего смесительное устройство.
На фиг.2 показано смесительное устройство для предлагаемого многослойного каталитического реактора.
Многослойный каталитический реактор состоит из корпуса 1 с внутренним диаметром D, верхнего каталитического слоя 2 и нижнего каталитического слоя 3.
Смесительное устройство для предлагаемого многослойного каталитического реактора имеет внутренний диаметр d и состоит из подводящей трубы для охлаждающей текучей среды 4, нижнего кольца 5, верхнего кольца 6, соединительных патрубков 7, а также отверстий 8 для тангенциального распыления относительно реакционной смеси. При этом внутренний диаметр d колец 5 и 6 смесительного устройства связан с внутренним диаметром D корпуса 1 реактора соотношением (1).
Многослойный каталитический реактор, содержащий смесительное устройство, работает следующим образом. Реакционная смесь проходит через верхний каталитический слой 2 и нагревается за счет тепла химической реакции, приобретая избыточную температуру, из-за которой возможен разрыв межатомных связей в молекулах реакционной смеси с образованием нежелательных побочных продуктов. Горячая реакционная смесь далее поступает в смесительное устройство, где в подводящую трубу 4 под давлением подается охлаждающая текучая среда. За счет соединительных патрубков 7 охлаждающая текучая среда поднимается из нижнего кольца 5 в верхнее кольцо 6 и, тангенциально распыляясь через отверстия 8, равномерно охлаждает реакционную смесь, снижая при этом ее температуру и предотвращая реакции образования побочных продуктов. Затем охлажденная реакционная смесь поступает в нижний каталитический слой 3, где происходит заключительный этап химического взаимодействия.
Таким образом, предлагаемый многослойный каталитический реактор позволяет создать достаточное смешение реакционной смеси и охлаждающей текучей среды при различных линейных скоростях потока со снижением температуры реакционной смеси между каталитическими слоями реактора для предотвращения образования побочных продуктов.