УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТРЕХФАЗНОМ СУСПЕНЗИОННОМ СЛОЕ

Полезная модель относится к аппаратам химической и нефтехимической промышленности и предназначена для проведения массобменных процессов в системе реакторов суспензионного катализа и может быть использована, в частности, для проведения реакции синтеза Фишера-Тропша в суспензионных реакторах.
Широко известны барботажные суспензионные реакторы (в англоязычной литературе - slurry bubble column reactor, SBR) и реакторы с бурлящим слоем (ebullated bed reactor, EBR). Реакторы обоих типов представляют собой полые аппараты, заполненные суспензионным слоем катализатора, в котором в том или ином режиме барботирует газ и различаются, прежде всего, размером используемых частиц - десятки микрон для первого типа и около 1 миллиметра для второго.
Существующие барботажные реакторы для осуществления трехфазных суспензионных процессов отличаются следующими важными конструкционными компонентами:
а) газораспределительное устройство (диспергатор) - горизонтальная пластина с отверстиями, располагающаяся в основании колонны. При всем возможном разнообразии конструкции отверстий, предназначение этого устройства состоит в том, чтобы при заданных технических условиях обеспечить формирование пузырькового потока с возможно меньшими и однородными по размеру пузырьками, который способствует интенсивному перемешиванию жидкой среды с рованными в ней частицами катализатора и массообмену между последней и газовым потоком, что важно для эффективного осуществления каталитических процессов названного типа. Также данное устройство должно выбираться таким, чтобы исключить провал (по известной аналогии с тарелками ректификационных колонн) жидкой фазы непосредственно в подаваемый поток газа;
2
б) параллельная основной колонне циркуляционная линия, если по тем или иным причинам необходимо обеспечить проточный режим реактора и по суспензии. Циркуляция обеспечивается установкой насоса той или иной конструкции (поскольку, когда речь идет о синтезах из СО и Н, условия для возникновения развитого движения в режиме газлифта практически нереализуемы); помимо циркуляции, каталитическая суспензия в данной линии может подвергаться другим операциям (отвод отработанной/подвод свежей суспензии и пр.).
Известно устройство для получения суспензии катализатора, включающее корпус, патрубки для ввода исходных компонентов и готового продукта, вертикальное лопастное тихоходное перемешивающее устройство, на каждой лопасти которого закреплены два лопастных элемента, и боковое быстроходное перемешивающее устройство в виде дисковых активаторов (см., а.с. СССР 1775148 А1, МПК B01F 7/00, опубл. 15.11.1992).
Недостатком известного устройства является сложность конструкции и высокая стоимость изготовления.
Известно устройство для получения суспензии катализатора, включающее трубопровод с ферромагнитными элементами, размещенный во вращающемся электромагнитном поле генератора - статора трехфазной машины переменного тока. Компоненты суспензии перемешиваются под действием вращающего момента и неравномерностей магнитного поля. Перемешанные и диспергированные компоненты суспензии выводятся через решетку, предохраняющую от выноса ферромагнитные элементы устройства (а.с. СССР 567481, МПК B01F 13/08, опубл. 22.08.1977).
Недостатками известного устройства являются нагрев частиц катализатора от вихревых токов при неконтролируемой температуре нагрева, высокие энергозатраты и отсутствие рециркуляции.
Наиболее близким к заявленному по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату (прототипом) является устройство для проведения каталитических процессов, а именно синтеза Фишера-Тропша, в трехфазном суспензионном слое в суспензионных реакторах, включающее барботажную колонну, заполненную суспензией наноразмерного катализатора в жидкой фазе, патрубок для ввода жидкой фазы, приспособление для ввода газовой фазы в колонну - перфорированный диспергатор, установленный внизу барботажной колонны и соединенный с линией ввода газовой фазы, циркуляционную линию, соединенную с колонной посредством переливной перемычки с возможностью перетока жидкой фазы, эжектор для осуществления циркуляции жидкой фазы и патрубок для вывода продуктов реакции. (М.В. Куликова, А.Е. Кузьмин, О.Б. Чупичев, «Натурное моделирование барботажа в сларри-реакторе синтеза Фишера-Тропша с наноразмерным катализатором», Журнал прикладной химии. 2018. Т. 91. Вып. 4, с. 528-532)
Устройство позволяет обеспечивать оптимальный размер пузырьков синтез-газа, проходящих через слой суспензионного катализатора, эффективное перемешивание и насыщение реагентами суспензионной среды вследствие интенсивного барботажа, и как следствие, обеспечивает высокую конверсию сырья и высокий выход продуктов реакции.
Недостатком описанного устройства является почти полное отсутствие циркуляции суспензии в устройстве, что сказывается на эффективности использования катализатора.
Задача полезной модели заключается в разработке устройства для проведения каталитических процессов в трехфазном суспензионном слое катализатора, обеспечивающее эффективные диспергирование барботирующего газа и циркуляцию жидкой фазы в отсутствии применения насосов или др. всасывающих или нагнетательных устройств одновременно.
Поставленная задача решается тем, что предложено устройство для проведения каталитических процессов в трехфазном суспензионном слое, включающее барботажную колонну, заполненную суспензией наноразмерного катализатора в жидкой фазе, циркуляционную линию, соединенную с колонной посредством переливной перемычки с возможностью перетока жидкой фазы, патрубок для ввода жидкой фазы в колонну через циркуляционную линию, приспособление для ввода газовой фазы, установленное внизу барботажной колонны и соединенное с линией ввода газовой фазы и циркуляционной линией, и патрубок для вывода продуктов реакции, в котором приспособление для ввода газовой фазы представляет собой эжектор, включающий корпус с расширительным соплом, сменную форсунку, и расположенную внутри корпуса между форсункой и соплом камеру смешения жидкой и газовой фаз, к которой подведены патрубки для ввода жидкой и газовой фаз, причем соотношение диаметра форсунки и внутреннего диаметра сопла равно 1:10, а внутренний диаметр сопла и диаметр патрубка для ввода жидкой фазы из циркуляционной линии примерно равны.
Технический результат от использования осуществление циркуляции жидкой фазы из циркуляционной линии в барботажную колонну без применения насоса и других всасывающих или нагнетательных устройств.
Предлагаемая модель представлена на Фиг. 1, где
1 - эжектор
2 - барботажная колонна
3 - циркуляционная линия
4 - линия ввода газовой фазы
5 - патрубок для первоначального заполнения барботажной колонны жидкой фазой и вывода газа.
6 - переливная перемычка.
Устройство состоит из: барботажной колонны (2), соединенной с циркуляционной линией (3) и линией ввода газовой фазы (4) через эжектор (1), выполненный из нержавеющей стали 12х18н10т), находящийся внизу барботажной колонны и соединенный также с циркуляционной линией через переливную перемычку (6), находящуюся в верхней части устройства. Наверху колонны (2) и циркуляционной линией (3) установлен патрубок (5), служащий как для первоначального заполнения устройства жидкой фазой, так и для вывода газа из устройства.
На Фиг. 2 представлены конструктивные особенности эжектора в разрезе:
7 - сменная форсунка
8 - патрубок ввода газовой фазы (эжектирующей среды)
9 - патрубок ввода жидкой фазы (эжектируемой среды)
10 - корпус эжектора с расширительным соплом и внутренней камерой смешения жидкой и газовых фаз
Эжектор конструкционно выполнен по классической схеме и состоит из корпуса с расширительным соплом и внутренней камерой смешения жидкой и газовых фаз (10), в котором формируется и эжектируется в барботажную колонну (2) газожидкостный поток, сменной форсунки (7), линии ввода эжектирующей среды (8), в которую поступает газовая фаза, линии ввода эжектируемой среды (9), в которую поступает жидкая фаза (суспензия катализатора).
Предлагаемая полезная модель выполнена в стекле для возможности визуального контроля гидродинамической ситуации (размеры пузырьков, турбулентные явления, образование поршней и т.д.) с использованием запорно-соединительной арматуры из нержавеющей стали 12х18н10т и предназначена для проведения каталитических процессов в трехфазном суспензионном слое и может быть использована при проведении процессов, использующих парогазовой барботаж в суспензиях, содержащих наноразмерные частицы катализатора, в частности, при проведении реакции синтеза Фишера-Тропша в суспензионных реакторах.
Полезная модель работает следующим образом:
Суспензию (жидкую фазу) (общий объем около 2.5 л), загружают в устройство через патрубок (5) наверху барботажной колонны (2) до уровня переливной перемычки (6) либо несколько выше, либо несколько ниже. Подают газовую фазу - сырье соответствующих каталитических процессов (избыточное давление до 2 атм), с рассчитанным объемным расходом в патрубок ввода эжектирующей среды (8) эжектора (1). Газовая фаза выходит из форсунки (7) в расширительное сопло (10) эжектора (1) и затем в объем барботажной колонны (2), увлекая за собой жидкую фазу через линию ввода жидкой фазы (9), куда она поступает из циркуляционной линии (3). После барботажа в колонне (2) газ (газовая фаза) покидает объем суспензионного слоя и затем выводится из устройства через патрубок (5). Жидкая фаза из колонны (2) постоянно перетекает через переливную перемычку (6) в циркуляционную линию (3), откуда снова эжектируется в колонну, замыкая, таким образом, циркуляционный контур.
Регулирование объемного расхода жидкой фазы осуществляют варьированием расхода газа (в пределах, обуславливаемых ограничениями моделируемого процесса).
Нижеследующие пример иллюстрируют работу предлагаемой полезной модели.
Примеры 1-5.
Испытания предлагаемого устройства осуществляют с использованием гексана, чьи свойства моделируют суспензионную среду синтеза Фишера-Тропша (расплавленный парафин, в котором суспендирован катализатор) при реальных условиях данного процесса. В качестве газовой фазы используют азот, чьи свойства моделируют синтез-газ при реальных условиях синтеза Фишера-Тропша.
В реактор с загрузкой каталитической суспензии (жидкой фазы) до 2.5 литра подают газовую фазу с расходом 25 л/ч, 50 л/ч, 75 л/ч, 100 л/ч и 125 л/ч соответственно. Создают избыточное давление газа на эжекторе до 2 атм.
Результаты испытаний приведены в таблице, демонстрируя степень циркуляции жидкой фазы при одновременном протекании барботажа.
Таким образом, предложена конструкция устройства для проведения каталитических процессов в суспензионном слое катализатора, лишенная недостатков как прототипа, так и известных реакторов, имеющих диспергатор газа в основании реактора и насос в линии циркулирующей суспензии. Применение предлагаемого устройства с эжектором в качестве приспособления для ввода газовой фазы обуславливает высокую степень циркуляции без применения нагнетательных или перекачивающих устройств, таких, как насос.