УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Изобретение относится к устройствам для проведения каталитических процессов в стационарном слое катализатора и может быть использовано в пищевой, химической промышленности, в частности для проведения процесса гидрирования.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является реактор, включающий гаситель потока, распределительную тарелку с колпачками, имеющими патрубки, внутри которых установлен диффузор с перфорацией на сужающейся части, фильтр, колосниковую решетку, охлаждающее диспергирующее устройство, отбойное кольцо, фарфоровые шарики, катализатор (патент RU 2125484, B01J 8/04).
Недостатком известной конструкции является образование гидродинамических и температурных неоднородностей в объеме устройства, что приводит к неравномерному прохождению сырья через слой катализатора, к местным перегрузкам и недогрузкам активных центров катализатора и повышению гидравлического сопротивления в слое катализатора, что снижает производительность устройства.
Задачей изобретения является повышение производительности устройства путем равномерного распределения потока сырья по всему объему стационарного слоя катализатора.
Поставленная задача решается тем, что устройство для проведения каталитических процессов, включающее корпус, входной патрубок для поступления сырья и выходной патрубок, теплообменник, колосниковую и колпачковую решетки, катализатор, дополнительно снабжено соединенными друг с другом барботером и входным патрубком для подачи водорода, расположенными в нижней части устройства, а входной патрубок для поступления сырья расположен сбоку в нижней части устройства, колпачковая решетка установлена поверх колосниковой решетки и выполнена в виде разрезной перфорированной пластины с жестко закрепленными в отверстиях трубками, поверх которых соосно закреплены колпачки с продольными боковыми прорезями.
Техническим результатом является:
- снижение избытка водорода, подаваемого в реактор за счет тонкого диспергирования водорода в объеме жира;
- однородное и равномерное распределение газожидкостного потока через слой катализатора;
- максимальное использование активных центров катализаторного слоя в процессе гидрирования;
- увеличение срока службы катализатора.
На фиг.1 представлен эскиз заявленного устройства для гидрирования, на фиг.2 - нижняя часть колонны с установленной колпачковой решеткой, на фиг.3 - общий вид колпачковой решетки, на фиг.4 - колпачок тарелки, на фиг.5 -линии тока при течении потока через колпачок, на фиг.6 - зависимость гидравлического сопротивления колпачковой решетки от расхода потока.
Устройство содержит корпус 1, входной патрубок 2 для входа сырья (смеси масла и водорода), входной патрубок для водорода 3, нагреватель (трубчатый теплообменник) 4, барботер 5, который выполнен в виде горизонтального кольца с отверстиями, колосниковую решетку 6, колпачковую решетку 7, перфорированную решетку 8, мелкоячеистую сетку 9 с диаметром ячеек 2×2 мм, штуцер для термопары 10, слой катализатора 11, выходной патрубок 12.
Колпачковая тарелка представляет собой разрезную перфорированную пластину 13 с жестко закрепленными в отверстиях трубками 14, поверх которых соосно закреплены колпачки 15 с продольными боковыми прорезями 16.
Реактор работает следующим образом.
Через входной патрубок 2 в устройство подается смесь масла с водородом, которая, проходя через нагреватель 4, нагревается до температуры 90°С. Одновременно подается водород через патрубок 3 в барботер 5, смесь масла с водородом, проходя через колосниковую 6 и колпачковую 7 решетки, равномерно распределяется путем прохождения через боковые прорези 16 колпачков 15, и подается на слой катализатора 11, где происходит процесс гидрирования. Поверх колпачковой решетки 7 устанавливают перфорированную решетку с диаметром отверстий 5-6 мм и мелкоячеистую сетку 9 с диаметром отверстий 2×2 мм, во избежание забивания катализатором боковых отверстий 16 колпачковой решетки 7. Выход готового продукта осуществляется через выходной патрубок 12.
Анализ гидродинамической картины течения потока в устройстве показал, что причиной неоднородностей потока в слое катализатора является неравномерное распределение газожидкостного потока. При подаче масла в устройство формируется струйное течение, которое не позволяет в полной мере использовать весь объем катализатора, что значительно снижает производительность устройства и повышает расход катализатора.
Конструкция предлагаемого устройства с установленной колпачковой решеткой позволяет устранить существенную неравномерность подачи избытка водорода в обрабатываемую жидкость (масло, дистиллированные жирные кислоты - ДЖК) по всему объему катализатора катализатора, что связано с уменьшением гидродинамического сопротивления колпачковой решетки.
Перепад давления на колпачковой решетке равен перепаду давления на одном колпачке, поэтому для определения гидравлического сопротивления решетки в целом определяют гидравлическое сопротивление одного колпачка в рабочих условиях. Оценку величины перепада давления выполняют с использованием численного моделирования трехмерного течения через колпачок на основе решения уравнений Навые-Стокса с применением специализированного пакета программ компьютерной гидродинамики Fluent 6.3.
Параметры потока жидкости:
3
Плотность потока - 916 кг/м.
Температура на входе в колпачок 150°С.
Вязкость потока при 150°С - 5.2Е-03 кг/(м*с).
3
Расход потока на полное сечение реактора - 0,3, 1,0 и 1,4 м/ч
Число колпачков в решетке - 100.
3
3
3
Величина расхода в пересчете на один колпачок - 0,00065 м/ч, 0,0022 м/ч и 0,00304 м/ч
Максимальное число Рейнольдса, определенное по скорости на входе в колпачок и по диаметру входного отверстия, равно Re=9,5. Следовательно, расчет проводится для ламинарного типа течения.
На рис.5 показаны результаты гидродинамического моделирования газожидкостного потока.
3
На рис.6 показаны значения перепада давления на колпачке и, соответственно, на колпачковой решетке в целом для трех режимов работы с расходом потока 0,3, 1,0 и 1,3 м/ч.
2
2
Также показана зависимость критерия Эйлера ξ=ΔP/(p*W) от расхода потока, где ΔР - перепад на колпачке (Па), р, W - плотность и скорость потока на входе в колпачок.
Результаты моделирования показали, что максимальная величина потери давления на колпачковой решетке при заданных расходах потока не превышает 0,16 Па.
Указанное выполнение колпачков обеспечивает создание более равномерного распределения сырья и оптимальных температурных и гидродинамических потоков подаваемой газожидкостной среды.
Технический результат достигается за счет установки колпачковой решетки. При прохождении потока водорода через колпачки тарелки происходит перепад давления и распределение скорости потока, что способствует более тонкому диспергированию водорода в объеме жира. Гидродинамический режим в зоне смешивания создает сдвиговые усилия и кавитацию, это приводит к уменьшению размеров пузырьков водорода и их равномерному распределению, а следовательно, и к увеличению площади контакта жира, водорода и катализатора, что позволяет максимально использовать активные центры катализаторного слоя в процессе гидрирования. Совокупность этих факторов позволяет увеличить производительность устройства и межрегенерационный срок службы стационарного катализатора, а также уменьшить избыток водорода, подаваемого на гидрирование.