Контактный аппарат с неподвижным слоем катализатора

Предлагаемое техническое решение относится к контактным аппаратам с распределительной тарелкой над неподвижным слоем катализатора, содержащим вибровозбудитель, и может найти применение в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности.
Известен контактный аппарат с неподвижным слоем катализатора, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса с эллиптическими крышкой и днищем, установленной в корпусе перфорированной тарелки, под которой находится слой катализатора на решётке, люков для загрузки свежего и удаления отработанного катализатора, смесителя газовых, газопаровых и газожидкостных потоков перед их подачей в корпус контактного аппарата, патрубка подачи исходной реакционной смеси и патрубка отвода продуктов реакции [Машины и аппараты химических производств: учеб. пособие для вузов / А.С. Тимонин [и др.]; под общей редакцией А.С. Тимонина. - Калуга: Издательство Н.Ф. Бочкаревой, 2008. - 872 с.: стр. 799-801].
Недостатком известной конструкции контактного аппарата с неподвижным слоем катализатора является низкая эффективность массо- и теплообменных процессов в газожидкостной смеси при прохождении распределительной тарелки, что снижает производительность, особенно при превращении высоковязких неньютоновских структурированных исходных веществ в продукты.
Известен массообменный аппарат, описанный в полезной модели к патенту «Массообменный аппарат» (RU 196326 U1, B 01 D 3/30, 2019), который включает корпус, перфорированные тарелки с переливными устройствами и упорными пластинами, имеющие возможность вертикального перемещения, кольцевые желоба, жестко закрепленные на внутренней боковой поверхности корпуса в местах установки тарелок, на которых равномерно по окружности, соосно с упорными пластинами установлены опорные пластины, причем на краях тарелок по окружности закреплены кольца диаметром, равным среднему диаметру желоба, а между опорными и упорными пластинами установлены пружины переменной жесткости, выполненные в виде конической спирали с постоянным шагом, причем по всей длине колонны осесимметрично установлен шток, свободно проходящий между перфорированными тарелками и соединенный с вибратором.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится большая масса перфорированных тарелок и жидкости на них, из-за чего сложно создать резонансный режим колебаний с высокой амплитудой, что снижает производительность.
Известна клапанная тарелка для процесса массообмена, описанная в полезной модели к патенту «Клапанная тарелка» (RU 145045 U1, B 01 D 3/22, 2014), клапаны которой снабжены опорным элементом с уступами, ограничивающими подъём клапана, обеспечивающим посадку клапана с зазором по отношению к плоскости тарелки, а опорный элемент выполнен в виде цилиндра, при этом цилиндр опорного элемента образован винтовой пружиной, а на клапане закреплён груз.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится то, что клапанная тарелка подобной конструкции не может обеспечить эффективный тепло- и массообмен при подаче газожидкостной смеси в аппарат прямотоком.
Техническим результатом предлагаемой конструкции контактного аппарата с неподвижным слоем катализатора является повышение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в контактном аппарате с неподвижным слоем катализатора, состоящем из корпуса и равномерно перфорированной тарелки с клапанами, имеющими возможность вертикального осевого перемещения за счёт винтовых пружин и снабжёнными полыми цилиндрическими опорными элементами и упорами, ограничивающими перемещение клапана, причём перфорированная тарелка установлена над слоем катализатора, а перед патрубком подачи газожидкостной смеси в корпус аппарата установлен вибровозбудитель, а цилиндрические опорные элементы клапанов в нижней части снабжены наружными винтовыми поверхностями, соприкасающимися с соединёнными с переливными патрубками, закреплёнными в отверстиях тарелки, упорами, на которых установлены винтовые пружины, закреплённые снаружи опорных элементов в верхней их части, при этом упругость витков каждой пружины определяется выражением:
2
α=(2π·ν)·М, (1)
где α - упругость витков цилиндрической пружины, Н/м;
ν - частота колебания вибровозбудителя, Гц;
M - масса цилиндрических опорных элементов, кг.
Установка вибровозбудителя перед патрубком подачи газожидкостной смеси в корпус обеспечивает создание её пульсаций, которые вызывают колебания газожидкостной смеси в аппарате, что резко повышает текучесть высоковязких неньютоновских структурированных жидкостей и способствует интенсификации тепло- и массообменных процессов [Варсанофьев, В.Д. Вибрационная техника в химической промышленности / В.Д. Варсанофьев, Э.Э. Кольман-Иванов. - М.: Химия, 1985. - 240 с.: стр. 176, 213] и увеличивает общую производительность, связанную с превращением исходных веществ в продукты реакции.
Установка перфорированной тарелки с клапанами, имеющими возможность вертикального осевого перемещения за счёт винтовых пружин и снабжёнными цилиндрическими опорными элементами и упорами, на которых установлены винтовые пружины, закреплённые снаружи опорных элементов в верхней их части, при этом упругость витков каждой пружины определяется выражением (1), позволяет создать резонансный режим колебаний с высокой амплитудой опорного элемента и жидкости на его наружных винтовых поверхностях, что тоже резко повышает текучесть высоковязких неньютоновских структурированных жидкостей и интенсифицирует тепло- и массообменные процессы, повышая производительность.
Клапаны, имеющие возможность вертикального осевого перемещения, образуют пружинный маятник с частотой собственных колебаний, описываемых уравнением [Яворский, Б.М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф, А.К. Лебедев - М.: Оникс, 2006. - 1056 с.: стр. 132]:
, (2)
n
где ν - частота собственных колебаний пружинного маятника, Гц;
m - масса груза на пружине, кг.
Используя формулу (2) можно вывести выражение (1) для определения необходимой упругости витков пружины для создания резонансного режима колебаний с высокой амплитудой.
На фиг. 1 представлен вид предлагаемой конструкции контактного аппарата с неподвижным слоем катализатора,  на фиг. 2 представлен вид А предлагаемой конструкции клапанов перфорированной тарелки, имеющих возможность вертикального осевого перемещения, на фиг. 3 - вид сверху на клапан.
Предлагаемая конструкция контактного аппарата с неподвижным слоем катализатора (в качестве катализатора может быть использована система из двух компонентов: дегидро-гидрирующего (металического) и кислотного, который также выполняет роль связующего и носителя. В качестве кислотного компонента могут выступать цеолиты, аморфные алюмосиликаты и оксид алюминия. Дегидро-гидрирующим компонентом катализатора являются металлы VIII (никель и кобальт, платина или палладий) и VI групп (молибден и вольфрамм) с промоторами: рением, родием, иридием и т.п.) состоит из цилиндрического корпуса 1, крышки 2 с патрубком 3 для подачи исходной газожидкостной смеси (газожидкостная смесь состоит из жидких углеводородов с температурой начала кипения более 350°С (фракции вакуумного газойля, тяжёлого газойля коксования, деасфальтизата, гача, петролатума и т.п.) и водородсодержащего газа, который может содержать примеси различных газообразных углеводородов, сероводорода, аммиака и т.п.), опорной решётки 4 для слоя катализатора 5, днища 6 с патрубком 7 для отвода продуктов реакции, люка 8 на корпусе 1 для выгрузки отработанного катализатора, люка для загрузки свежего катализатора (на чертеже не показан) и равномерно перфорированной тарелки 9, установленной над слоем катализатора 5, имеющей клапаны с возможностью вертикального осевого перемещения, которые представляют собой полые цилиндрические опорные элементы 10, снабжённые в нижней наружными винтовыми поверхностями 11, соприкасающимися с соединёнными с переливными патрубками 12, закреплёнными в отверстиях тарелки 9, упорами 13, на которых установлены винтовые пружины 14, упругость витков каждой из которых определяется выражением (1), закреплённые снаружи опорных элементов 10 в верхней части. Патрубок 3 герметично соединён в верхней части с вибровозбудителем 15 и трубой подачи газожидкостной смеси 16.
Контактный аппарат с неподвижным слоем катализатора работает следующим образом.
n
Через загрузочный люк или при снятой крышке 2, снятой перфорированной тарелке 9, на опорную решётку 4 загружаются гранулы (зёрна) свежего катализатора 5. Устанавливают перфорированную тарелку 9 с клапанами, имеющими возможность вертикального перемещения, которые представляют собой полые цилиндрические опорные элементы 10, снабжённые в нижней наружными винтовыми поверхностями 11, соприкасающимися с соединёнными с переливными патрубками 12, закреплёнными в отверстиях тарелки 9, упорами 13, на которых установлены винтовые пружины 14, упругость витков каждой из которых определяется выражением (1), закреплённые снаружи опорных элементов 10 в верхней части. Герметично закрывают цилиндрический корпус 1 крышкой 2. На входном патрубке 3 герметично закрепляют вибровозбудитель 15, а на нём свободный конец трубы подачи газожидкостной смеси 16. По трубе 16 через вибровозбудитель 15 в патрубок 3, а через него в корпус 1 через клапаны на перфорированной тарелке 9 подают поток газожидкостной смеси на слой катализатора 5. Одновременно включают вибровозбудитель 15. Поток газожидкостной смеси проходит вибровозбудитель 15, совершает вынужденные  колебания с частотой ν вибровозбудителя 15, а так как собственная частота ν пружинного маятника, состоящего из клапанов, расположенных на перфорированной тарелки 9, равна частоте вынужденных колебаний ν, то цилиндрические опорные элементы 10 вместе с жидкостью на их наружных винтовых поверхностях 11, совершают резонансные колебания на винтовых пружинах 14 с высокой амплитудой, передаваемой потоку газожидкостной смеси в слое катализатора 5. Эти резонансные колебания с высокой амплитудой резко повышают текучесть высоковязких неньютоновских структурированных жидкостей и интенсифицируют тепло- и массообменные процессы. Всё вышесказанное способствует росту производительности. Продукты реакции выходят в днище 6, а из него по патрубку 7 выводятся из самого контактного аппарата.
По завершению цикла работы подачу газожидкостной смеси по трубе 16 прекращают, выключают вибровозбудитель 15, сбрасывают давление и охлаждают аппарат, снимают вибровозбудитель 15, крышку 2 и перфорированную тарелку 9, открывают люк 8 и через него выгружают отработанный катализатор 5.
Пример
Выбираем для установки на патрубке 3 подачи исходной газожидкостной смеси, состоящей из вакуумного газойля и водородсодержащего газа с чистотой 99,9%, один из вибровозбудителей, выпускаемых промышленностью (например заводом «Красный маяк», г. Ярославль, который выпускает кривошипно-шатунные, центробежный дебалансные или пневматические шариковые вибровозбудители), с частотой до 35 Гц и амплитудой до 20-30 мм. [Варсанофьев В.Д. Вибрационная техника в химической промышленности / В.Д. Варсанофьев, Э.Э. Кольман-Иванов. - М.: Химия, 1985. - 240 с.: стр. 9-16].
Устанавливаем вибровозбудитель 15 с частотой колебаний 32 Гц на патрубке подачи газожидкостной смеси, а также перфорированную тарелку 9 над неподвижным слоем катализатора, состоящего на 67% из носителя и кислотного компонента - аморфного алюмосиликата, а на 33% из оксидных форм вольфрама и никеля. При массе одного цилиндрического опорного элемента 10 M=0,25 кг, расчётное значение упругости витков каждой винтовой пружины 14 согласно выражению (1):
или
1
1
Из справочника [Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х т. Т. 3. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 2001. - 864 с.: стр. 212] по таблице 11 «Параметры пружин сжатия и растяжения 1 класса, разряда 1» выбираем винтовую пружину 14 с диаметром проволоки витков d=1,6 мм и наружным диаметром витков D=20 мм, у которой под нагрузкой P=5,1 кг деформация каждого витка составляет f=4,85 мм. Тогда упругость каждого витка:
1
Тогда α и α отличаются на , то есть вибрация с частотой ν=32 Гц на выбранных винтовых пружинах 14, с помощью которых закреплены цилиндрические опорные элементы 10 на переливных патрубках 12, на перфорированной тарелке 9, будет осуществляться в резонансном режиме с высокой амплитудой.
Таким образом, использование вибровозбудителя, установленного перед патрубком подачи газожидкостной смеси, а также перфорированной тарелки с клапанами, имеющими возможность вертикального осевого перемещения за счёт винтовых пружин и снабжёнными цилиндрическими опорными элементами и упорами, на которых установлены винтовые пружины, закреплённые снаружи опорных элементов в верхней их части, при этом упругость витков каждой пружины определяется выражением (1), позволяет создать резонансный режим колебаний с высокой амплитудой, что резко увеличивает текучесть высоковязких неньютоновских структурированных жидкостей и интенсифицирует тепло- и массообменные процессы, повышая производительность.