УНИВЕРСАЛЬНЫЙ РЕВОЛЬВЕРНЫЙ РЕАКТОР-АДСОРБЕР ДЛЯ УГЛЕВОДОРОДОВ С ТЕПЛОПОДВОДОМ НА ОСНОВЕ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ
UNIVERSAL TURRET REACTOR-ADSORBER FOR HYDROCARBONS WITH MICROWAVE RADIATION-BASED HEAT FEED

Изобретение относится к нагреву с помощью СВЧ излучения углеводородного сырья для проведения эндотермических каталитических реакций и/или к поглощению поверхностью твердого тела (в данном случае катализатора) углеводородных газов и последующей их десорбции при воздействии на насыщенный адсорбент СВЧ излучения.
Известен реактор, например, для дегидрирования бутилена - вертикальный цилиндрический сосуд без внешнего обогрева с неподвижным катализатором [Тюряев И.Я. Теоретические основы получения бутадиена и изопрена методами дегидрирования. - Киев: Наукова Думка, 1973, с.244]. Необходимое для процесса тепло подводится за счет разбавления исходного бутилена большим количеством перегретого водяного пара. Следовательно, реактор адиабатический и по гидродинамическим условиям близок к аппарату идеального вытеснения. Катализатор может быть размещен одним или несколькими слоями; в последнем случае часть пара подается между этими слоями.
Основным недостатком такого типа реакторов является то, что используется лишь незначительная часть тепловой энергии, вводимой в реактор с перегретым паром. Температура пара на входе в реактор 700-750°C, температура пара и контактного газа на выходе из реактора 600-650°C; таким образом, тепловой КПД реактора составляет ≈10%. Требуется большое количество пара, что увеличивает потребление водных ресурсов. Это вызывает необходимость их очистки и дальнейшее рациональное использование.
Известен также адсорбер полунепрерывного действия с неподвижным слоем сорбента, включающий корпус со смонтированными опорной решеткой, поддерживающей слой сорбента, и барботером; аппарат сверху закрыт крышкой, а снизу заканчивается диффузором [Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. и др. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии].
Однако недостатками устройства являются: инерционный подвод тепла, применяемая десорбция водяным паром не пригодна для случаев, когда необходимо разделение адсорбированных соединений по веществам, кроме того, переработка сконденсированной воды с растворенным в ней веществом бывает сложной и ставит новые проблемы ее очистки.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению (прототипом) является каталитический реактор для эндотермических каталитических гетерофазных реакций, представляющий собой вертикальный цилиндрический теплоизолированный металлический сосуд, содержащий катализатор и источник энергии, в котором подвод энергии осуществляется посредством сверхвысокочастотного электромагнитного излучения, при этом верхняя крышка реактора играет роль излучающей антенны, а корпус реактора - резонатора электромагнитных колебаний, мощность источника электромагнитного излучения, длина волны, а также масса катализатора выбираются таким образом, что вся энергия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения поглощается катализатором и сырьем, трансформируясь в тепловую энергию, необходимую для проведения химической реакции [Патент Российской Федерации №2116826].
Недостатками устройства-прототипа являются: специализация данного устройства только на определенных процессах - эндотермических каталитических гетерофазных реакциях; зависимость увеличения производительности от конструктивных особенностей реактора, что требует, в случае необходимости, материальных затрат на его перестройку.
Изобретение решает задачи проведения эндотермических каталитических реакций, поглощения газообразных углеводородов в реакторе-адсорбере, регенерации сорбента с помощью СВЧ излучения, а также разделения веществ, в случае подачи смеси газов, упрощения установки и эксплуатации реакторов-адсорберов при их размещении на химических производствах.
Сущность изобретения заключается в том, что в револьверном реакторе-адсорбере для углеводородов с теплоподводом на основе СВЧ излучения, включающем катализатор и источник СВЧ энергии, при этом корпус реактора выполняет роль резонатора электромагнитных колебаний, а реактор-адсорбер состоит из батареи металлических сосудов, расположенных вокруг центральной оси, источник СВЧ энергии - магнетрон закреплен сбоку каждого сосуда, к каждому сосуду присоединены штуцеры для подачи сырья и вывода продуктов в нижней и верхней части корпуса, соответственно; сосуды соединены между собой системой трубопроводов с клапанами для работы в разных режимах.
На фиг. 1 представлен вид реактора-адсорбера сверху, на фиг. 2 - вид реактора-адсорбера сбоку, на фиг. 3 - технологическая схема.
Револьверный реактор-адсорбер для углеводородов с теплоподводом на основе СВЧ излучения состоит из нескольких цилиндрических сосудов 1, расположенных вокруг центральной оси как патроны в барабане револьвера (фиг. 1-3). Каждый сосуд представляет собой цилиндрический металлический корпус 1, внутри которого размещается катализатор. Магнетрон 2, расположенный сбоку сосудов, генерирует СВЧ излучение, воздействуя на катализатор и нагревая его до нужной температуры (фиг. 1-2). К каждому сосуду через штуцеры 3 подводится углеводородное сырье, а через штуцеры 4 выводятся продукты или полуфабрикаты для дальнейшей переработки (фиг. 1-2). Система трубопроводов вертикального револьверного реактора-адсорбера содержит клапаны 5, 6 для регулирования подачи сырья и 7, 8 вывод полученных продуктов или полуфабрикатов (фиг. 3).
Револьверный реактор-адсорбер для углеводородов с теплоподводом на основе СВЧ излучения работает следующим образом. В случае закрытых клапанов 6 через открытые клапаны 5 в сосуды подается углеводородное сырье для осуществления реакции (адсорбции или десорбции) и выводится через клапаны 8 при закрытых 7. Причем проводимые реакции и вещества в сосудах могут при необходимости отличаться, что позволяет одновременно получать несколько продуктов или полуфабрикатов. Если процессы в сосудах будут идентичны, то это позволяет увеличить производительность системы в несколько раз, в зависимости от количества сосудов, по сравнению с единичным реактором. А также варьировать производительность включением или отключением отдельных сосудов в работу. В случае закрытых клапанов 5 и открытых 6, 7 осуществляется ступенчатая переработка веществ последовательно от сосуда к сосуду.
Поперечное воздействие на слой катализатора оказывается более эффективным, так как обеспечивает равномерный прогрев всего вещества, по сравнению с методом нагрева в прототипе.
Расположение сосудов по окружности позволяет упростить процедуры осмотра состояния конструкций, профилактического обслуживания, ремонта, так как все элементы реактора-адсорбера находятся на небольшой площади. Не нужно перемещать и монтажное оборудование, можно расположить в центре окружности специальные устройства для подъема, опускания и горизонтального перемещения элементов конструкции.
При такой же производительности, как и у прототипа, револьверный реактор-адсорбер надежнее в работе, потому что даже прекращение реакции (адсорбции или десорбции) в нескольких сосудах не приводит к прекращению процесса в целом (в других сосудах работа будет продолжаться). Кроме того, наличие нескольких сосудов позволяет реализовывать различные режимы: можно подключать сосуды в работу параллельно, через определенные интервалы времени, оставить некоторые сосуды в резерве.
Таким образом, конструкция предлагаемого револьверного реактора-адсорбера позволяет по сравнению с прототипом:
1) гибко менять производительность установки за счет совместной работы нескольких реакторов-адсорберов;
2) расширить спектр применения оборудования, проводя не только химические реакции, но также многоступенчатую переработку веществ, адсорбцию и десорбцию;
3) упростить установку, обслуживание и демонтаж;
4) даже при отказе одного из сосудов обеспечить непрерывную работу всей системы отключением этого сосуда и выводом его в ремонт.
Общее число сосудов может быть разным в зависимости от производительности установки.
Ключевые параметры конструкции реактора-адсорбера (фиг. 1-2)
2
2
V=L·π·d/4, S=π·D/4,
где V - объем, занимаемый сосудом;
S - площадь, на которой располагается универсальный револьверный реактор-адсорбер;
D - диаметр окружности, внутри которой размещен револьверный реактор-адсорбер;
d - внешний диаметр сосуда;
L - высота сосуда.
Таким образом, конструкция револьверного реактора-адсорбера для углеводородов обеспечивает простоту обслуживания и монтажа-демонтажа, компактность конструкции, высокую производительность, более разнообразное применение, многорежимность работы и высокое качество получаемых продуктов.