СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
METHOD OF REGULATING TEMPERATURE OF EXORTHERMIC CATALYTIC REACTIONS

Настоящее изобретение относится к способу проведения экзотермических химических реакций в псевдоизотермических условиях или, иными словами, в условиях, в которых температуру реакции регулированием поддерживают в узком диапазоне отклонений от заданного оптимального значения. Настоящее изобретение относится, в частности, к способу регулирования температуры реакции указанного выше типа, основанному на использовании трубчатых или пластинчатых теплообменников, погруженных в слой катализатора, в котором протекает реакция. Более конкретно настоящее изобретение относится к способу указанного выше типа, обеспечивающему возможность регулирования температуры экзотермической реакции и одновременного получения водяного пара.
Известно, что в настоящее время для регулирования температуры каталитической реакции, протекающей в псевдоизотермических условиях, чаще всего используют теплообмен между слоем катализатора, в котором протекает реакция, и определенным текучим теплоносителем, пропускаемым через погруженные в слой катализатора соответствующие теплообменники.
Известно также, что для регулирования температуры экзотермических или высокоэкзотермических реакций в качестве текучего теплоносителя обычно используют воду, из которой в результате теплообмена со слоем катализатора получают водяной пар. По существу, в этих случаях в качестве текучего теплоносителя в теплообменниках используют кипящую воду.
Протекающая через теплообменники кипящая вода отбирает определенное количество тепла и превращается в пар. На выходе из теплообменников водяной пар отделяют от кипящей воды и на установках с большим количеством тепла, выделяющегося при экзотермической реакции, используют в самых различных целях.
Кипящую воду подают обратно в теплообменники и снова используют для охлаждения слоя катализатора.
Такой способ (например, описанный в ЕР 1393798) при всех его несомненных преимуществах и широком распространении обладает и определенным недостатком, связанным с тем, что на входе в теплообменники температура текучего теплоносителя равна температуре кипения воды. По этой причине использование в теплообменниках в качестве текучего теплоносителя кипящей воды существенно ограничивает возможности регулирования температуры реакции в тех случаях, когда ее минимальное значение превышает температуру кипения воды.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ регулирования температуры экзотермической реакции и одновременного получения водяного пара, который позволял бы устранить недостатки, присущие известным способам.
Эта задача решается с помощью предлагаемого способа регулирования температуры экзотермической реакции и одновременного получения водяного пара, основанного на использовании теплообменников, через которые пропускают кипящую воду по траектории, проходящей внутри них между входным отверстием кипящей воды и выходным отверстием, причем через еще одно входное отверстие, расположенное относительно направления проходящего по указанной внутренней траектории потока перед упомянутым входным отверстием кипящей воды, подают по меньшей мере в один из теплообменников дополнительный поток воды с температурой ниже температуры подаваемой в этот теплообменник кипящей воды.
В предпочтительном варианте теплообменник представляет собой пластинчатый теплообменник.
Все преимущества и отличительные особенности изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере одного из вариантов его возможного осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, которые лишь иллюстрируют изобретение и не ограничивают его объем:
на фиг.1 в продольном разрезе схематично показан реактор, в котором температуру протекающей в нем реакции регулируют предлагаемым в изобретении способом,
на фиг.2 в поперечном разрезе схематично показан реактор, изображенный на фиг.1.
На фиг.1 позицией 1 обозначен реактор, в котором температуру протекающей в нем реакции регулируют предлагаемым в изобретении способом.
Реактор 1 имеет вертикальный цилиндрический корпус 2 с центральной осью Х-Х и верхним днищем 3 с входным патрубком 3а, через который в реактор подают исходные реагенты, и нижним днищем 4 с выходным патрубком 4а, через который из реактора отбирают продукты реакции.
Внутри реактора 1 между двумя показанными на фиг.1 горизонтальными плоскостями А и В находится блок 5 пластинчатых теплообменников, расположенных в параллельных оси Х-Х цилиндрического корпуса 2 плоскостях (как в показанном на фиг.2 примере, однако чаще пластинчатые теплообменники располагают в радиальных плоскостях) и погруженных в слой 6 катализатора с известными и поэтому не показанными на чертеже устройствами, удерживающими его в корпусе реактора. Пластинчатые теплообменники имеют форму плоских параллелепипедов с двумя большими стенками, изготовленными из уложенных друг на друга и соединенных по периметру листов, предпочтительно из металла, образующих внутри теплообменника сообщающуюся с расположенными снаружи входным и выходным патрубками полость для прохода текучего теплоносителя.
Каждый пластинчатый теплообменник 5а блока 5 теплообменников имеет верхнюю короткую сторону 5b, нижнюю короткую сторону 5с и две длинные вертикальные стороны 5d и 5е.
Блок 5 теплообменников соединен с выходящей из реактора наружу подводящей трубой 7, трубой 8 для подачи в теплообменники рециркулирующего потока текучего теплоносителя и отводящей трубой 9.
Подводящая труба 7 соединена с каждым теплообменником 5а патрубком (входным отверстием) 5g, расположенным на длинной вертикальной стороне 5е у нижней короткой стороны 5с, а отводящая труба 9 соединена с каждым теплообменником 5а патрубком (выходным отверстием) 5f, расположенным на длинной вертикальной стороне 5е у верхней короткой стороны 5b.
Труба 8 для подачи в теплообменники рециркулирующего потока текучего теплоносителя соединена с каждым теплообменником 5а патрубком (входным отверстием) 5h, расположенным на длинной вертикальной стороне 5d на определенном расстоянии от нижней короткой стороны 5с.
Выходящая из реактора наружу труба 8 для подачи в теплообменники рециркулирующего потока текучего теплоносителя и отводящая труба 9 соединяют все теплообменники блока 5 с расположенным рядом с реактором паросборником 10.
При регулировании температуры реакции предлагаемым в изобретении способом подаваемые в реактор 1 через входной патрубок 3а исходные реагенты проходят параллельно оси Х-Х в направлении выходного патрубка 4а через слой 6 катализатора, в котором в результате экзотермической реакции образуются продукты реакции. Выходящие из слоя 6 катализатора продукты реакции (например, аммиак или метанол) собираются в нижнем днище 4 и выводятся из реактора через выходной патрубок 4а.
Выходящий из паросборника 10 поток кипящей воды, который подают в реактор 1 по трубопроводу 8, проходит через расположенные в слое катализатора теплообменники 5 по определенной траектории от входного патрубка 5h до выходного патрубка 5f. В не ограничивающем объем изобретения примере, показанном на фиг.1, кипящая вода движется в противотоке к реагентам, проходящим через слой 6 катализатора.
Кроме того, в теплообменники через патрубок 5g по трубе 7 подают воду, температура которой меньше температуры кипящей воды, подаваемой в теплообменники через патрубок 5h, расположенный выше по ходу потока жидкости внутри теплообменников.
Внутри теплообменников 5а сравнительно холодная вода смешивается с кипящей водой.
Протекающая через теплообменники 5а вода через стенки теплообменников отбирает тепло, которое выделяется в слое 6 катализатора в результате протекающей в нем экзотермической реакции и частично превращается в пар.
Выходящий из теплообменников 5а поток кипящей воды и водяного пара по трубопроводу 9 направляют в паросборник 10, в котором кипящая вода отделяется от водяного пара. Кипящую воду по трубопроводу 8 возвращают обратно в реактор 1, а пар из паросборника направляют в паропровод 11.
Предлагаемый способ позволяет добиться того, чтобы минимальная температура текучего теплоносителя внутри теплообменников 5а была ниже температуры кипения воды, в частности в зоне между патрубками 5g и 5h, т.е. в зоне между точкой подачи в теплообменники воды с температурой, меньшей температуры кипения воды, и точкой подачи в них кипящей воды.
При регулировании температуры предлагаемым в изобретении способом нижняя часть реактора работает при температуре, меньшей температуры кипения воды, которую можно менять по мере необходимости, а верхняя часть реактора работает при этом при температуре, большей температуры кипения воды.
Предлагаемый способ позволяет, таким образом, решить упомянутые проблемы, присущие известным реакторам, которые должны работать в псевдоизотермических условиях.
Основным преимуществом предлагаемого способа является возможность более интенсивного охлаждения нижней примыкающей к днищу 4 части слоя 6 катализатора, которую в последнюю очередь пересекают проходящие через слой катализатора реагенты, и повышения конверсионного выхода ограниченно-равновесных реакций, таких, например, как реакции синтеза аммиака или метанола.
Еще одно преимущество предлагаемого способа заключается в том, что подача дополнительного количества воды в нижнюю часть пластинчатого теплообменника, в которую одновременно подают кипящую воду из паросборника, с определенной скоростью, которая больше скорости воды в самом теплообменнике, позволяет проще обеспечить режим естественной циркуляции кипящей воды, поступающей в реактор из паросборника.
Очевидно, что в соответствии с конкретными требованиями в описанный выше вариант осуществления способа регулирования температуры экзотермических реакций можно вносить различные изменения и усовершенствования, которые в любом случае не выходят за объем изобретения, определяемый его формулой.