КОНВЕРТОР И ЭЛЕМЕНТ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ КОНВЕРТОРА
CONVERTER AND ELEMENT OF CONVERTER HEAT PIPE

Изобретение относится к области технологического оборудования для осуществления газофазных каталитических процессов и может быть использовано в химической, нефтехимической и других областях промышленности, использующих газофазные каталитические процессы.
Известен аппарат емкостного типа (SU, авторское свидетельство 318405), содержащий корпус со средствами ввода исходных компонентов и вывода готового продукта, причем в корпусе размещено вращающееся теплообменное перемешивающее устройство, выполненное из труб, закрепленных на полом валу и расположенных на различных радиусах вращения, причем внутренние полости вала и указанного устройства сообщены друг с другом с обеспечением возможности циркуляции хладагента. Это позволяет обеспечить регулирование подачи/отвода тепла от циркулирующей по всему объему корпуса реакционной среды.
Недостатком известного устройства следует признать неодинаковые условия течения хладагента в трубах устройства и в полом валу, что не позволяет создать полностью изотермические условия протекания процесса.
Известен реактор емкостного типа (SU, авторское свидетельство 225856), содержащий корпус со средствами ввода исходных компонентов и вывода готового продукта, причем в корпусе размещено перемешивающее устройство, лопасти которого выполнены из тепловых труб, закрепленных на валу радиально в одной горизонтальной плоскости.
Недостатками известного реактора следует признать невозможность получения полностью изотермического процесса из-за указанного размещения тепловых труб. Кроме того, указанное размещение тепловых труб не обеспечивает оптимального теплообмена и внутри тепловых труб, следовательно, и значительное снижение коэффициента теплоотдачи.
Наиболее близким аналогом разработанного устройства можно признать (RU, патент 2278726) реактор для осуществления газофазных каталитических процессов, содержащий корпус, средства ввода исходных компонентов и средство вывода готового продукта, узел подвода или отвода тепла, выполненный в виде множества тепловых труб. Известный реактор также содержит катализатор, нанесенный на тепловые трубы и/или корпус в виде покрытия, при этом тепловые трубы по объему корпуса расположены в шахматном порядке, а их суммарная площадь поверхности, находящаяся в каталитической зоне, выбрана таким образом, что обеспечивает поступление или отвод из каталитической зоны необходимого для проведения каталитического процесса количества тепловой энергии.
Недостатком известного устройства следует признать сложность создания условий изотермического процесса из-за неравномерного расположения тепловых труб в зоне осуществления реакции.
Техническая задача, решаемая посредством предлагаемой конструкции конвертора, состоит в повышении эффективности работы реактора конвертора и повышении качества получаемой продукции.
Технический результат, получаемый при реализации предлагаемой конструкции конвертора, состоит в повышении процента выхода целевого продукта за счет равномерного прогрева катализатора при одновременном увеличении времени работы конвертора между остановами на регенерацию катализатора.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать конвертор разработанной конструкции. Конвертор разработанной конструкции содержит корпус, узел подачи исходных компонентов и узел вывода продуктов реакции, систему подвода или отвода тепла, выполненный в виде множества тепловых труб, а также катализатор. Узел вывода продуктов реакции выполнен в виде перфорированной трубы. Система подвода или отвода тепла содержит множество тепловых труб, по меньшей часть которых установлена по периметру корпуса, а остальные элементы системы установлены наклонно относительно перфорированной трубы, причем полости наклонных тепловых труб и тепловых труб, расположенных по периметру корпуса, соединены любым известным образом. В предпочтительно нижней (или, допустимо, верхней) части корпуса расположен катализаторный стол. Концы тепловых труб, установленных по периметру корпуса, расположены ниже катализаторного стола, а катализатор размещен в пространстве между тепловыми трубами.
Разработанная конструкция конвертора за счет взаимного расположения системы тепловых труб и области, занятой катализатором, являющейся областью осуществления газохимической реакции, позволяет быстро и с высокой точностью поддержания температуры установить оптимальный тепловой режим осуществления газохимической реакции. Зона расположения катализатора с внешней стороны ограничена областью расположения тепловых труб, обеспечивающих поддержание постоянной температуры, изнутри зона расположения катализатора ограничена перфорированной трубой, предназначенной для предпочтительно вывода (или, допустимо, ввода) газообразных продуктов реакции и, соответственно, разогретой проходящими продуктами реакции до оптимальной температуры. Проходящие через зону расположения катализатора наклонные тепловые трубы, полости которых соединены с полостями тепловых труб, расположенных по периметру зоны расположения катализатора, позволяют ускорить процесс доведения температуры в зоне расположения катализатора до оптимального значения и поддерживать указанное значение температуры в ходе осуществления процесса.
Корпус конвертора предпочтительно покрыт слоем теплоизоляции, что облегчает создание и поддержание изотермического процесса.
Для формирования зоны расположения катализатора кроме поверхности перфорированной трубы и катализаторного стола может быть использовано помещение на отверстия перфорации сетки и/или ограничение пространства размещения катализатора сеткой, расположенной по линии тепловых труб, установленных по периметру.
Для более равномерного прогрева зон расположения катализатора наклонно расположенные элементы системы тепловой трубы предпочтительно касаются торцом поверхности перфорированной трубы на участках, расположенных между отверстиями перфорации. Но между торцом поверхности перфорированной трубы и элементами тепловой трубы может быть выполнен зазор, заполненный катализатором.
Для удобства подвода или отвода тепла к тепловым трубам последние установлены по периметру корпуса параллельно поверхности перфорированной трубы. При этом в зависимости от объема корпуса и, соответственно, объема пространства, занятого катализатором, тепловые трубы установлены по периметру корпуса на расстоянии от 1/100 до 1/3 длины окружности корпуса.
Для упрощения создания условий осуществления изотермического процесса перфорированная труба предпочтительно расположена по продольной оси корпуса, а узел подачи исходных компонентов и узел вывода продуктов реакции расположены соосно.
В предпочтительном варианте реализации для оптимизации создания условий изотермического процесса элементы тепловых труб, расположенные наклонно, образуют конусообразную или пирамидальную структуру.
Преимущественно часть тепловой трубы отделена от остального внутреннего объема элемента тепловой трубы мембраной, выполненной из газопроводящего (водород, азот, оксид углерода и т.д.) материала, при этом отделенный мембраной объем тепловой трубы выполнен с возможностью сообщения с вакуумным насосом. Указанная разработанная конструкция тепловой трубы позволяет удалить из ее объема поступивший в корпус нежелательный газ, наиболее предпочтительно - водород. Указанное удаление обеспечивает диффузия поступившего нежелательного газа (водорода) через газопроницаемую мембрану в выделенный объем тепловой трубы с последующим удалением нежелательного газа с использованием вакуумного насоса. Предпочтительно мембрана выполнена в виде трубки, один из торцов которой закрыт заглушкой, а второй торец имеет отверстие, соединяющее внутренний объем мембраны с вакуумным насосом. Водородпроницаемая мембрана может быть выполнена из никеля или никельсодержащего сплава. Использование палладия или платины ограничивает их высокая стоимость. На наружную поверхность тепловых труб может быть дополнительно нанесено покрытие, создающее барьер для проникновения водорода. Указанное покрытие может быть однослойным и многослойным. В случае использования многослойных покрытий слои могут быть одинаковыми или отличаться по химическому и/или фазовому составу. Предпочтительно в состав покрытия может входить, по меньшей мере, одно вещество, выбранное из группы, содержащей следующие химические вещества: алюминий, молибден, вольфрам, оксид алюминия, нитрид титана, карбид кремния, оксид кремния, оксид бария, оксид хрома в поликристаллическом и/или монокристаллическом состояниях, как по отдельности, так и в смеси. Также покрытие может быть выполнено и из химических композиций на силикатной основе, например эмали ЭВ-300-60М. Кроме того, наружная поверхность каждой тепловой трубы может быть полирована. Для предотвращения образования отложений на тепловую трубу поверх покрытия может быть дополнительно нанесена термостойкая кремнеорганическая эмаль (например, КО-818 или 133-385 СК) или лак.
Предпочтительно элемент тепловой трубы, расположенный наклонно, представляет собой корпус с внутренней полостью, внутри которой размещен теплоноситель, причем под углом 10÷80° к поверхности корпуса тепловой трубы установлен трубчатый элемент. Предпочтительно для оптимизации создания условий изотермического процесса, по меньшей мере, две стороны корпуса тепловой трубы расположены параллельно друг другу, а наиболее предпочтительно стенки корпуса тепловой трубы расположены попарно параллельно. По меньшей мере, две стороны корпуса тепловой трубы могут быть расположены под углом 0÷30° относительно друг друга. Поверхность корпуса элемента тепловой трубы может быть выполнена гофрированной. Трубчатый элемент может быть расположен в корпусе вблизи одной из торцевых поверхностей корпуса элемента тепловой трубы или касаться с внешней стороны одной из торцевых поверхностей корпуса элемента тепловой трубы.
Наклонные элементы тепловой системы предпочтительно расположены под углом от 10 до 80° относительно поверхности перфорированной трубы, что обеспечивает стекание жидкого теплоносителя внутри трубы в зону нагрева.
В зависимости от размера конвертора наклонные элементы тепловых труб установлены на расстоянии от 5 до 500 мм относительно друг друга. В ходе проведения поиска заявитель не выявил технического решения, аналогичного по назначению и конструкции используемому в данном техническом решении наклонному элементу тепловых труб.
На фиг.1 представлен продольный разрез конвертора разработанной конструкции, на фиг.2 - разрез по линии А-А, на фиг.3 - вид элемента тепловой трубы, при этом использованы следующие обозначения: корпус 1 конвертора, теплоизоляция 2, наклонные элементы тепловой трубы 3, корпуса наклонных элементов тепловых труб 4, тепловые трубы 5, расположенные по периметру корпуса конвертора, перфорированная труба 6 выхода продуктов реакции; отверстия 7 перфорации в трубе 6, катализаторный стол 8, сетка 9, перегородки 10 внутри наклонных тепловых труб 3; направляющие для потока исходных компонентов 11, катализатор 12, корпус 13 наклонного элемента тепловой трубы, трубчатый элемент 14.
В базовом варианте конвертор работает следующим образом.
Внутри корпуса 1, обнесенного теплоизоляцией 2, находятся наклонные элементы тепловых труб 3, которые соединены с цилиндрическими тепловыми трубами 5. Между элементами тепловых труб 3 расположен катализатор 12. Полости вертикальных тепловых труб 5 и наклонных элементов тепловых труб 3 соединены в единую систему. На вертикальные трубы 5, проходящие через катализаторный стол 8, подают тепловой поток Q (в случае эндотермической реакции). Исходные продукты проходят через фланец в верхней части реактора, далее через катализатор, находящийся между наклонными элементами тепловых труб, и, далее, продукты реакции выходят через отверстия 7 в центральной трубе 6. Для ограничения объема катализатора цилиндрические тепловые трубы 5 затянуты сеткой 9. Для повышения надежности работы реактора элементы тепловых труб 3 могут быть разбиты на секции перегородками 10; для пирамидальных систем перегородки будут находиться на месте граней усеченной пирамиды. Для выравнивания скорости потока газов реакции, а также для увеличения времени их контакта с катализатором между конической системой элементов тепловых труб могут быть установлены направляющие 11. Угол между осью реактора и образующей конических тепловых труб - α, может меняться от 80° до 10°.
Ниже приведен пример применения конвертора разработанной конструкции.
3
Для получения углеводородов из синтез-газа (экзотермическая реакция) использовали конвертор разработанной конструкции. При этом наклонно расположенные тепловые трубы заполнены расплавленным натрием и образуют конусообразную структуру. Катализатор конверсии синтез-газа содержит 50% цеолита ЦВМ типа пентаксила и смесь оксида цинка и хромового ангидрида с атомной долей цинка 0,8. После восстановления при 400°C в течение 3 часов катализатор при температуре 350-500°C и при давлении до 6 МПа обеспечивает получение с 1 см до 0,25 г/час углеводородов из 0,22 г/час превращенного в составе CO углерода.
3
Максимальный тепловой эффект реакции 3,2 ккал на 1 г превращенного в составе CO углерода и с учетом производительности катализатора - 0,704 ккал/час·см катализатора. Для отвода выделяющегося тепла используют тепловые трубы.
Превращение синтез-газа в углеводороды осуществляют в конверторе, зона реакции которого - заполненное катализатором пространство, образованное перфорированной трубой, наклонно расположенными тепловыми трубами, вертикальными тепловыми трубами и сеткой.
Относительно устройства, использованного в качестве ближайшего аналога, средняя конверсия составляет порядка 66% (против 54% для ближайшего аналога), время работы конвертора между остановами на регенерацию катализатора увеличено примерно в 1,4 раза относительно ближайшего аналога.