РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
REACTOR FOR IMPLEMENTATION OF HETEROGENEOUS CATALYTICAL REACTIONS

Изобретение относится к реакторам для проведения гетерогенных каталитических реакций, например для синтеза аммиака, конверсии оксида углерода с водяным паром, и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности.
Известен радиальный каталитический реактор, содержащий корпус со штуцерами для ввода и вывода реагентов. Внутри корпуса коаксиально расположены внутренний и наружный перфорированные цилиндры, между которыми размещен слой зернистого катализатора (Справочник азотчика. М.: «Химия» 1986, издание 2-ое, стр.156-157).
Описанный реактор используется для проведения экзотермических химических реакций при среднем давлении, например конверсии оксида углерода с водяным паром.
Также известны реакторы для проведения экзотермических реакций под давлением, например синтеза аммиака. В корпусе каждого реактора размещены кольцевые корзины для катализатора с расположенными друг против друга перфорированными стенками, в которых каждый слой катализатора снабжен средствами для обеспечения радиального и аксиально-радиального потока газа через них (Патент RU 2154524, B01J 8/04, 20.08.2000 г., патент RU 2262381, B01J 8/04, 20.10.2005 г.).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является реактор для проведения гетерогенных каталитических реакций, содержащий корпус, внутри которого размещены три катализаторные корзины с перфорированными газоподводящими и газоотводящими боковыми стенками и катализатором внутри. Реактор имеет байпасные устройства для регулирования температуры между катализаторными корзинами, подводящие и отводящие коллекторы, внутренние теплообменники и центральную трубу (Патент США 5171543, кл. 422/148, B01J 8/04, 15.12.1992 г.).
Недостатками этих реакторов является то, что для создания равномерного потока реагентов через слой катализатора перфорация стенок катализаторных корзин выполняется с чрезвычайно малым свободным сечением. Стенки корзин образуют с газонепроницаемыми стенками внутреннего корпуса узкие зазоры, заканчивающиеся в нижней части тупиком. Эти зазоры служат коллекторами для подвода реагентов к катализаторным слоям и вывода продуктов реакции из них.
Опыт эксплуатации реакторов для синтеза аммиака такой конструкции показал, что в стационарном режиме скорость истечения газа через перфорацию газоподводящей обечайки катализаторной корзины достигает 30-40 м/с. При пусковых режимах скорость истечения газа может превышать 50 м/с. При таких условиях происходит деструкция примыкающих к перфорации частиц катализатора. Следствием этого является образование катализаторной пыли и попадание ее в газовый поток с увеличением эрозионного воздействия потока на сетку и катализатор. Измельченная пыль мигрирует через зернистый слой катализатора и выносится через выходной коллектор предыдущего слоя во входные коллекторы последующих слоев. Происходит постепенное накопление катализаторной пыли в слоях катализатора и коллекторах и, соответственно, увеличение гидравлического сопротивления. Кроме того, накопление катализаторной пыли в коллекторах нарушает однородность потока реагентов в слое катализатора, что приводит к снижению степени конверсии. Все вместе принуждает к остановке производства для ремонта внутренних устройств реактора, удаления катализаторной пыли и замены катализатора, что снижает надежность и эффективность реактора.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является повышение надежности и эффективности реактора.
Технический результат достигается тем, что в реакторе для проведения гетерогенных каталитических реакций, содержащем корпус, внутри которого размещены одна или несколько последовательно установленных по ходу газа катализаторных корзин с перфорированными газоподводящими и газоотводящими боковыми стенками и катализатором внутри, коллекторы для подвода и отвода газа, согласно изобретению внутри катализаторной корзины или катализаторных корзин по периметру у газоподводящей стенки установлены дополнительные коллекторы с газопроницаемыми по всей длине стенками. Дополнительные коллекторы выполнены преимущественно в виде труб, установлены на расстоянии от газоподводящей стенки катализаторной корзины, обеспечивающем свободное заполнение образующегося зазора катализатором. Газопроницаемые стенки дополнительных коллекторов со всех сторон закрыты сеткой в один или несколько слоев, с размерами ячеек не более 0,8 от диаметра зерна катализатора. Кроме того, на нижнем конце каждого дополнительного коллектора размещены устройства для сбора катализаторной пыли и частиц катализатора, выполненные в виде части тора, повторяющего профиль днища катализаторной корзины.
Основные отличительные признаки предлагаемого реактора состоят в том, что внутри катализаторной корзины или катализаторных корзин по периметру у газоподводящей стенки установлены перфорированные по всей длине дополнительные коллекторы.
Дополнительными отличительными признаками является то, что дополнительные коллекторы выполнены преимущественно в виде труб, установлены на расстоянии от газоподводящей стенки катализаторной корзины, обеспечивающем свободное заполнение образующегося зазора катализатором. Перфорированные стенки дополнительных коллекторов также со всех сторон закрыты сеткой в один или несколько слоев с размерами ячеек не более 0,8 от диаметра зерна катализатора, а на нижних концах каждого дополнительного коллектора размещены устройства для сбора катализаторной пыли и частиц катализатора, выполненные в виде части тора, повторяющего профиль днища катализаторной корзины.
Настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна», поскольку из уровня техники не удалось найти технического решения, существенные признаки которого полностью совпадали бы со всеми признаками, имеющимися в независимом пункте формулы изобретения.
Настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», поскольку из уровня техники не удалось найти технического решения, существенные признаки которого обеспечивали выполнение такой же технической задачи, на выполнение которой направлено данное изобретение.
Предлагаемый реактор изображен на:
фиг.1 - общий вид реактора, продольный разрез,
фиг.2 - дополнительный коллектор,
фиг.3 - первая катализаторная корзина, продольный разрез,
фиг.4 - разрез А-А фиг.3.
Реактор содержит: корпус высокого давления 1, внутренний корпус 2, камеру смешения потоков реакционной смеси 3, расположенную в надслоевом пространстве первой катализаторной корзины 4, вторую и третью катализаторные корзины 5 и 6, подводящие 7, 8, 9 и отводящие 10, 11, 12 коллекторы на каждой катализаторной корзине.
Внутри корзины заполнены катализатором 13, 14, 15. Катализаторные корзины имеют расположенные друг против друга перфорированные газоподводящие 16, 17, 18 и газоотводящие стенки 19, 20, 21 и непроницаемые эллиптические днища 22, 23 и 24, дополнительные перфорированные коллекторы 25, 26 и 27, которые расположены по периметру у газоподводящих стенок 16, 17, 18 катализаторных корзин 4, 5, 6. Все дополнительные перфорированные коллекторы 25, 26 и 27 покрыты защитной сеткой 28 в один или несколько слоев с размерами ячеек не более 0,8 от диаметра зерна катализатора и имеют на нижних концах устройства для сбора катализаторной пыли 29, выполненные в виде части тора, повторяющего профиль днищ 22, 23, 24 катализаторных корзин 4, 5, 6. Для регулирования температуры между катализаторными корзинами 4, 5 и 6 установлены байпасные устройства 30, 31 и 32. В верхней части корпуса реактора размещен теплообменник 33. Между газоотводящими перфорированными стенками 19 и 20 катализаторных корзин 4 и 5 установлен теплообменник 34. Центральная труба 35 соединена с трубным пространством теплообменника 33, для вывода прореагировавшей газовой смеси из реактора.
Реактор работает следующим образом.
Холодная реакционная смесь перед входом в реактор делится на основной и байпасные потоки. Основной поток смеси поступает на вход в нижнюю часть реактора и проходит снизу вверх по зазору между корпусом высокого давления 1 и внутренним корпусом 2 реактора, далее через межтрубное пространство верхнего теплообменника 33 и поступает в камеру смешения 3. Второй поток через байпас 31 проходит по трубкам промежуточного теплообменника 34 и попадает в ту же камеру смешения 3. Третий поток холодной реакционной смеси по байпасу 32 вводят непосредственно в камеру смешения 3.
Суммарный поток после камеры смешения 3 при температуре начала реакции поступает на катализаторный слой первой корзины 4 тремя способами:
- на катализаторный слой 13 в аксиальном направлении,
- по подводящему коллектору 7 через газоподводящую стенку 16 катализаторной корзины 4 в радиальном направлении,
- по дополнительным коллекторам 25 через их перфорацию в радиальном направлении.
Прореагировавшая смесь из слоя катализатора первой корзины 4 поступает через газоотводящую перфорированную стенку 19 в отводящий коллектор 10, смешивается с холодным газом (байпас 30) и поступает на слой катализатора второй катализаторной корзины 5 аналогичным образом:
- на катализаторный слой 14 в аксиальном направлении,
- по подводящему коллектору 8 через газоподводящую стенку 17 катализаторной корзины 5 в радиальном направлении,
- по дополнительным коллекторам 26 через их перфорацию в радиальном направлении.
После второй катализаторной корзины 5 газ поступает через газоотводящую перфорированную стенку 20 в отводящий коллектор 11, далее в межтрубное пространство теплообменника 34, охлаждается холодным газом трубного пространства и поступает на слой катализатора третьей катализаторной корзины 6 аналогичным образом:
- на катализаторный слой 15 в аксиальном направлении,
- по подводящему коллектору 9 через газоподводящую стенку 18 катализаторной корзины 6 в радиальном направлении
- по дополнительным коллекторам 27 через их перфорацию в радиальном направлении.
Прореагировавшая реакционная смесь через газоотводящую перфорированную стенку 21 поступает в отводящий коллектор 12 третьей катализаторной корзины 6. Далее газовый поток проходит в центральную трубу 35 и попадает в трубки теплообменного устройства 33, отдает свое тепло холодному газу и выходит из реактора.
Таким образом, поток газа входит в слой катализатора тремя способами: через боковую перфорированную стенку катализаторной корзины, через дополнительные коллекторы с перфорированными по всей длине стенками, установленные по периметру у газоподводящей стенки катализаторной корзины, и в продольном направлении через затворный слой катализатора.
Это дает возможность приблизиться к наиболее равномерному распределению газового потока по всему слою катализатора и равномерно использовать весь загружаемый катализатор, чем достигается наибольший выход продукта при выбранных условиях эксплуатации. Равным образом, предотвращается накопление пыли в коллекторах и слое катализатора, что позволяет утверждать о неизменности гидравлического сопротивления радиально-аксиальных реакторов с тройным потоком в течение срока эксплуатации.
Благодаря установке дополнительных коллекторов в катализаторной корзине или в катализаторных корзинах достигается:
1. Равномерное распределение газового потока по слою катализатора и, как следствие, в каждой катализаторной корзине однородный профиль концентраций и температур по аксиальной координате в любой радиальной позиции.
2. Низкое гидравлическое сопротивление реактора синтеза, зависящее, главным образом, от распределения перфорации газоотводящих перфорированных стенок катализаторных корзин (регулируемый параметр).
3. Низкая скорость газа на выходе из отверстий газоподводящих перфорированных стенок катализаторных корзин, что исключает разрушение катализаторной сетки и прилегающего слоя катализатора и, как следствие, появление катализаторной пыли и попадание ее в газоподводящий коллектор.
4. Исключение накопления катализаторной пыли благодаря специальным устройствам в газоподводящих коллекторах - пылесборникам, которые выводят ее в нижнюю часть катализаторных корзин.
5. Практически одинаковое гидравлическое сопротивление реактора на протяжении всего срока службы катализатора вследствие отсутствия катализаторной пыли.
6. Гибкая система регулирования температурного режима в катализаторном слое, обеспеченная равнодоступностью всех слоев катализатора для холодных байпасов.
Таким образом, повышается надежность и эффективность реактора.