РЕАКТОР

Предлагаемое устройство относится к контактным аппаратам, применяемым для получения формальдегидсодержащего газа путем окисления метанола в присутствии металлоксидных катализаторов.
Известен реактор трубчатого типа [В.Н.Махлай, С.В.Афанасьев. Введение в химию карбамидоформальдегидного концентрата, г. Тольятти. ТГУ-2000. 114 с.], работающий по принципу теплообменника (Фиг.1). При этом в трубки диаметром 15-25 мм и длиной 800-1400 мм с загруженным железомолибденовым катализатором поступает спирто-воздушная смесь, а в межтрубное пространство подается теплоноситель, охлаждающий катализатор и продукты реакции. Процесс в реакторах подобного типа выполняется с внутренним теплоотводом в условиях, близких к изотермическим.
В связи с тем, что максимум температуры приходится на среднюю часть контактного аппарата и здесь же расположена область максимальной параметрической чувствительности, ввод теплоносителя производится в середину межтрубного пространства, а вывод осуществляется снизу и сверху.
Недостатком данной конструкции является высокое содержание метанола в получаемом формальдегидсодержащем газе, для снижения которого необходимо использовать встроенную в реактор адиабатическую
приставку, заполненную слоем катализатора, что существенно увеличивает затраты на организацию производства.
Прототипом предлагаемой полезной модели может рассматриваться четырехсекционный реактор, представленный на фиг.2 [Г.Сиоли, Д.Бианчи, Е.Филипчи, Ф.Зарди. Химическая промышленность. 1997. №5. С.363-377]. Спирто-воздушная смесь, проходящая через слой гранулированного катализатора в секционных корзинах, окисляется в формальдегидсодержащий газ, который отдает тепло воде, поступающей в трубный пучок в центральной части реактора. Автономный съем тепла в каждой секции трубчатого теплообменника позитивно влияет на снижение максимальной температуры в зоне реакции. Вместе с тем, при концентрации метанола на входе в реактор 6,0-6,5% об. и загрузке в контактный аппарат катализатора с размером зерен 3-3.5 мм, стабилизация входных параметров по газу сильно затруднена. К тому же пониженные концентрации метанола в спирто-воздушной смеси на входе в аппарат существенно повышают его пожароопасность.
Задачей полезной модели является совершенствование ее конструкции с одновременным повышением эффективности в процессе эксплуатации.
Поставленная задача достигается тем, что реактор окислительного дегидрирования метанола в формальдегид содержит встроенный трубный пучок с внутренним диаметром трубок 16-25 мм и длиной
2
900-1500 мм, заполненных железо-молибденовым катализатором и керамической насадкой в соотношении 3,5-5:1 по объему, разделенный на 3-5 зон с 6-12 секторами в каждой, в которые радиально по периферии трубного пучка с равномерным смещением точек ввода по зонам подается теплоноситель для съема тепла, а его вывод из реактора осуществляется через центральную перфорированную трубу при отношении диаметра реактора к площади теплообмена трубного пучка равном 1:350-450 м/м.
2
3
2
3
На фиг.3-5 показан общий вид предлагаемой полезной модели. Реактор окислительного дегидрирования метанола в формальдегид представляет стальной теплоизолированный аппарат диаметром 4000 мм, в котором в трубных досках установлены 10800 трубок длиной 1100 мм с диаметром 25х2 мм, имеющих суммарную площадь теплообмена 803 м (Фиг.3). Трубная доска разделена на 12 секторов, в каждом из которых находится по 900 шт. отверстий (Фиг.4). Реакторные трубки на 75% длины заполнены гранулами железо-молибденового катализатора марки КН-26С в виде полых цилиндров, содержащего 80% мас. МоО и 20% мас. FeO, а верхняя часть - инертной керамической насадкой. В каждом секторе имеется 16 незаполненных трубок, в которых восемь предназначены для установки термопар. Реактор снабжен восемью штуцерами (симметрично по два в каждую из 4 зон) для ввода теплоносителя и двенадцатью - для вывода из аппарата. Для
защиты реактора от разрушения при взрыве газовой смеси на верхней крышке установлены четыре предохранительных мембраны с давлением срабатывания 0,41-0,51 МПа (Фиг.5).
Теплоноситель (диатермическое масло АМТ-300 У) подается в межтрубное пространство четырех зон реактора радиально по периферии трубного пучка, расположенных одна над другой. Поступление в них масла осуществляется насосами и регулируется клапанами. Установленная по периметру реактора сетка обечайка с отверстиями 4,3 мм обеспечивает равномерную подачу масла в каждый сектор.
Конструкция реактора предусматривает установку термопар, контролирующих температуру теплоносителя и катализатора во всем объеме аппарата.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом.
В верхнию часть контактного аппарата подается подогретая до 190-210°С спирто-воздушная смесь, содержащая 6-8% об. метанола и 8-11% об. кислорода. При температуре 220-240°С (условие зажигания катализатора) в верхней зоне трубного пучка начинается процесс образования формальдегида, сопровождающийся большим выделением тепла. По мере перемещения спирто-воздушной смеси к середине трубок происходит рост температуры с одновременным повышением конверсии метанола. Съем тепла осуществляется подачей масла АМТ-
30У во все четыре зоны реактора. Проходя через межтрубное пространство к центру аппарата теплоноситель забирает тепло реакции от трубок и поступает в котел-утилизатор, где тепло расходуется на производство пара. Состав газовой смеси на выходе из реактора определяется профилем температуры по высоте аппарата, который в свою очередь зависит от содержания метанола и кислорода в спирто-воздушной смеси, нагрузки на аппарат, активности железо-молибденового катализатора, температуры и объема теплоносителя, поступающего в межтрубное пространство.
Состав газовой смеси на входе в реактор и на выходе из него иллюстрируется следующими данными.
Наименование вещества
Состав, % мас.
вход в реактор
выход из реактора
азот
78.79
78.82
кислород
8,32
4,37
вода
2,21
6,36
метанол
8,28
0,11
формальдегид
0,31
8,06
окись углерода
0,60
0,75
двуокись углерода
0,15
0,17
аргон
1,35
1,35
Сравнительный анализ прототипа и предлагаемой полезной модели представлен в таблице.
Из нее видно, что заявляемая полезная модель имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с известной, в частности, обеспечивает меньшее остаточное содержание метанола в формальдегидсодержащем газе, пониженную норму расхода метанола на тонну карбамидоформальдегидного концентрата КФК-80 и повышенный выход формальдегида.
Ее реализация позволит существенно улучшить технические и экономические показатели производства формальдегидсодержащего газа и карбамидоформальдегидного концентрата на его основе.
Таблица.Сравнительный анализ заявляемой полезной модели и прототипа.
Характеристика
Прототип
Полезная модель
Норма расхода катализатора на тоннукарбамидоформальдегидного концентрата, кг
0.07
0,07
Общая конверсия метанола, %
99,6
99,7
Выход формальдегида, %
92,3-93,2
94,0-94,5
Норма расхода метанола на тонну карбамидоформальдегидного концентрата, кг
652-659
644-647
Остаточное содержание мета- в газовой смеси на выходе из реактора, % об.
0,4-0.6
менее 0,2