РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Полезная модель относится к области процессов и аппаратов химической технологии и может быть использована для осуществления каталитического гетерогенного процесса, в частности, каталитической очистки отходящих газов от токсичных примесей.
Известно, что технико-экономические показатели очистных установок, основным узлом которых является каталитический реактор, зависят от потери давления очищаемого потока на реакторе, иными словами, от затрат энергии на пропускание потока через очистную установку. Для достижения минимальных потерь давления и, таким образом, улучшения эксплуатационных характеристик установки слои катализатора в реакторе выполняются в виде структурированных блоков. Примером таких блоков могут служить сотовые частицы с большим числом (60-155 на 1 кв. см) сквозных параллельных каналов, либо блоки, собранные в пакет из гофрированных пластин, инертных или с нанесенным катализатором, которые могут перемежаться слоями катализатора на тканевой основе. Как правило, величина гидравлического сопротивления таких блоков в разы меньше, по сравнению с сопротивлением насыпных слоев из частиц катализатора.
С целью минимизации капитальных затрат и достижения компактности очистных установок слой катализатора выполняют в виде кольца с созданием радиального хода потока.
Известно также, что для достижения оптимальных величин конверсии каталитического гетерогенного процесса и обеспечения полной очистки отходящих газов от токсичных примесей, распределение очищаемого потока через слои катализатора должно быть максимально равномерным. С этой целью реакторы снабжают распределительными устройствами, предназначенными для обеспечения минимальных неравномерностей реакционной смеси в слое катализатора. Эта проблема становится особенно актуальной при использовании структурированных каталитических блоков с низким гидравлическим сопротивлением.
2
2
Известна конструкция каталитического реактора с радиальным ходом газа, в котором во входном участке расположено распределительное устройство в форме усеченного конуса [US 6623707, С07С 5/32, 23.09.2003]. Выходной участок выполнен в форме кольцевого канала постоянного сечения. Предполагается, что указанная конструкция позволяет создавать постоянный перепад статического давления по высоте слоя катализатора, что должно обеспечить равномерное распределение скорости фильтрации. Опыт эксплуатации такого рода распределительных устройств показывает, что равномерное распределение скорости фильтрации в слое катализатора достигается при сравнительно большом гидравлическом сопротивлении слоя ΔР относительно величины динамического напора входного потока ρW/2, т.е. ΔP>>ρW/2 (ρ - плотность, W - скорость газа на входе в слой). Использование каталитических блоков с низким гидравлическим сопротивлением приводит к неоднородному распределению потока в слое.
2
2
Известна конструкция реактора с радиальным слоем катализатора, в котором входной участок выполнен в форме пустого цилиндрического канала постоянного сечения, а выходной участок выполнен конусообразным с расширением по ходу движения потока [SU 388441, B01J 9/00, 23.04.82]. Выходной канал с переменным по высоте слоя сечением играет роль распределительного устройства, причем величина поперечного сечения выходного канала изменяется по высоте в соответствии с приведенной математической формулой. К недостаткам указанной конструкции следует отнести то, что приведенная формула расчета выходного участка реактора не учитывает возможности изменения расхода потока и, соответственно, изменения динамического напора потока ρW/2. Известно, что распределение скорости фильтрации в слое катализатора зависит от соотношения величин сопротивления слоя ΔР и динамического напора потока на входе ρW/2 [И.Е.Идельчик, Аэрогидродинамика технологических аппаратов. М., Машиностроение, 1983].
Известен контактный аппарат, в котором входной и выходной участки выполнены переменного сечения по ходу потока, для входного участка поперечное сечение канала выполнено уменьшающимся, для выходного - увеличивающимся [SU 993985, B01D 53/04, 04.07.80]. В данном случае распределительные устройства - профилированные входной и выходной участки, установлены как на входе, так и на выходе из слоя катализатора. Эта конструкция реактора принята за прототип.
Недостатком конструкции этого реактора является то, что равномерное распределение скорости фильтрации в слое катализатора достигается при сравнительно большом гидравлическом сопротивлении слоя относительно величины динамического напора входного потока. Применение в такой конструкции структурированных каталитических блоков с низким гидравлическим сопротивлением приводит к неоднородному распределению потока в слое.
Полезная модель направлена на достижение равномерного распределения скорости фильтрации в каталитических блоках с низким гидравлическим сопротивлением, расположенных в реакторе с радиальным ходом газа.
Указанный результат достигается тем, что реактор с радиальным ходом газа для проведения гетерогенного каталитического процесса включает вертикальный цилиндрический корпус, крышку и днище, штуцеры для ввода исходной газовой смеси и вывода конечных продуктов, горизонтальную непроницаемую перегородку, на которой размещены катализаторные блоки, верхний торец которых размещен без зазора с крышкой реактора, горизонтальные диски, размещенные на определенном расстоянии друг над другом осесимметрично во входном канале перед каталитическими блоками, кольцевую проницаемую перегородку на выходе из блоков, закрепленную нижним краем на горизонтальной перегородке, а верхний край кольцевой проницаемой перегородки образует с крышкой реактора зазор для свободного прохода потока.
На Фиг.1 показан в разрезе реактор для проведения гетерогенного каталитического процесса. На Фиг.2 приведены обозначения основных размеров реактора.
кат1
кат1
кат
кат
кат
1
2
кат
Реактор для проведения гетерогенного каталитического процесса состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1, крышки 2 и днища 3, штуцеров для ввода исходной газовой смеси 4 и вывода конечных продуктов 5, горизонтальной непроницаемой перегородки 6, на которой размещены катализаторные блоки 7, верхний торец которых размещен без зазора с крышкой реактора 2, горизонтальных дисков 8, размещенных на определенном расстоянии друг над другом осесимметрично во входном канале перед каталитическими блоками, кольцевой проницаемой перегородки 9 на выходе из блоков, закрепленной нижним краем на горизонтальной перегородке 6, а верхний край кольцевой проницаемой перегородки образует с крышкой реактора 2 зазор для свободного прохода потока. Указанные диски 8 имеют одинаковый диаметр D1=D2 и равны 0.58D, где D - диаметр входа в каталитические блоки. Верхний диск установлен на высоте H1 от горизонтальной непроницаемой перегородки 6, равной 0.92Н, H - высота слоя каталитических блоков. Нижний диск установлен на высоте Н2 от горизонтальной непроницаемой перегородки 6, Н2=2/3Н. Диаметр D3 кольцевой проницаемой перегородки 9 выбран таким образом, чтобы площадь горизонтального сечения свободного пространства между каталитическими блоками и корпусом реактора была поделена на кольцевые части S и S с соотношением площадей сечений 2 к 1. Высота Н3 перегородки 9 равна половине высоты H слоя катализатора, т.е. НЗ=0.5Нкат.Проницаемость перегородки 9 обеспечивается равномерно распределенными по поверхности перегородки отверстиями. Величина «живого» сечения перегородки 9, равная отношению суммарной площади отверстий к общей площади перегородки, равна 0.35.
Реактор работает следующим образом. Поток исходной газовой смеси поступает в реактор через входной штуцер 4 и, проходя вдоль блоков катализатора, обтекает последовательно горизонтальные диски 8. Обтекание потоком дисков вызывает локальное увеличение статического давления в этой области входа в каталитические блоки и выравнивает распределение давления по высоте входной поверхности блоков катализатора 7. Далее поток проходит через каталитические блоки, в которых протекает гетерогенная каталитическая реакция, и выходит в участок реактора, ограниченный стенкой корпуса 1 и выходной поверхностью каталитических блоков 7. Этот участок имеет кольцевую форму и частично разделен кольцевой проницаемой перегородкой 9. Цель установки перегородки 9 - повысить статическое давление на выходе из нижнего по высоте участка катализатора и обеспечить постоянную величину перепада статического давления по высоте слоя катализатора. Далее поток поступает в выходной штуцер 5.
Такая конструкция распределительных устройств, установленных на входе и выходе каталитических блоков, обеспечивает равномерное распределение перепада статического давления по высоте катализатора. Это обеспечивает, в свою очередь, равномерное распределение скорости фильтрации потока через каталитические блоки.