РЕАКТОР ТЕРМООБРАБОТКИ РЕАГЕНТОВ
REAGENT THERMAL PROCESSING REACTOR

Изобретение относится к области химических процессов и предназначено для проведения высокотемпературных реакций в реакторах под давлением или без, например: крекинга, пиролиза, риформинга, изомеризации, обеззараживания, при проведении термоорганического синтеза, в жестких условиях, когда происходит атомарная перегруппировка, в результате которой усредняется углеводородный состав и происходит изомеризация (скомкивание) молекул посредством гидродинамического сопротивления, а также связывания вредных примесей: серы, фосфора, азота кислородом.
Известен реактор пиролиза, включающий систему параллельных труб, соединенных ретурбентами и помещенных в радиантную секцию трубчатой печи, в котором трубы снабжены внешней или внутренней винтовой поверхностью (А.с. СССР 453184). Недостатком реактора является техническая сложность изготовления труб с внешней или внутренней винтовой поверхностью, наличие на трубах внешней винтовой поверхности снижает интенсивность теплоподвода за счет уменьшения конвективной составляющей теплового потока, а наличие на трубах внутренней винтовой поверхности способствует осаждению на ней смолистых веществ с последующим их закоксовыванием.
Известен реактор, включающий систему параллельных труб, заполненных катализатором и помещенных в теплостойкий кожух, внутрь которого подается тепло от ядерного реактора (GB 1519100, 1978). Недостатком реактора является большое гидравлическое сопротивление реакционных труб, заполненных катализатором, приводящее к проведению процесса пиролиза при высоком давлении и образованию значительного количества смолистых веществ, дезактивирующих катализатор. При этом все трубы должны изготавливаться из жаропрочного материала, что приводит к высокой стоимости реактора.
Технический результат, достигаемый предлагаемым решением, заключается в повышении степени конверсии углеводородного сырья, а также снижении использования дорогостоящих крио-жаропрочных материалов за счет разделения трубчатого реактора на две зоны - реакционную и нагревательную, помещаемую в нагревательную печь. При этом только нагревательная часть трубчатого реактора изготавливается из крио-жаропрочного материала.
Данный технический результат обеспечивается тем, что реактор термообработки реагентов содержит трубчатый корпус, состоящий из двух соединенных между собой частей, при этом одна часть корпуса выполнена из крио-жаропрочного материала и заглушена на конце, а вторая часть имеет штуцеры подвода и отвода реагентов, внутри корпуса по его длине установлена трубчатая теплообменная мембрана из крио-жаропрочного материала, разделяющая каналы штуцеров, при этом каналы сообщаются между собой у заглушки, обеспечивая возможность свободного протока реагентов, а штуцера подвода и отвода соединены мультипликатором, выполненным в виде связанных приводом нагнетательного насоса и рекуперационного гидромотора, причем объем насоса больше объема гидромотора.
Часть корпуса, выполненная из крио-жаропрочного материала, расположена в печи.
Трубчатая мембрана в поперечном сечении выполнена зубьеобразной с внутренней стороны.
Мультипликатор имеет предохранительный клапан. В трубчатом корпусе установлена термопара. Содержит блок трубчатых корпусов.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено на:
фиг.1 - общий вид реактора, в сечении;
фиг.2 - часть корпуса реактора, выполненная из крио-жаропрочного материала;
фиг.3 - поперечное сечение реактора;
фиг.4-6 - схемы мультипликатора.
Реактор термообработки реагентов представляет собой теплообменник с жаропрочным или криопрочным корпусом, при этом тип перемешивания реагентов - гидродинамический, так как в нем легко достигается турбулентный режим течения реагентов. От классических реакторов данный реактор отличается тем, что он выполнен совмещенным с теплообменником и с частично жаропрочным или криопрочным корпусом при минимальном размере сечения.
В конструкцию реактора термообработки реагентов в виде трубчатого корпуса входят часть корпуса, выполненная из крио-жаропрочного материала, например, в виде стакана 1, например вольфрама или титана, сдерживающего высокое давление внутри реактора при высоких или низких температурах термообработки (вплоть до 2500°C или 0°C). Внутри корпуса по его длине установлена трубчатая теплообменная мембрана 2 из крио-жаропрочного материала, обеспечивающая энергосбережение процесса термообработки. Внутри корпуса возможна установка термопары или термосопротивления 3 для измерения, при необходимости, температуры в реакционной зоне. Вторая часть 4 реактора, являющаяся реакционной, находится вне зоны действия высоких температур и закрыта теплоизоляционной трубкой 5. Вторая часть реактора имеет распределительный корпус 6 и штуцера 7 присоединения трубопроводов подачи и отвода сырья, в качестве примера, по наружному конусу 74.
Первая часть реактора имеет заглушку 8, причем мембрана 2 разделяет каналы штуцеров 7, при этом каналы сообщаются между собой у заглушки 8, обеспечивая возможность свободного протока реагентов, т.е. мембрана 2 не доходит до заглушки 8.
Штуцера 7 подвода и отвода соединены мультипликатором, выполненным в виде связанных приводом нагнетательного насоса 9 и рекуперационного гидромотора 10, причем объем насоса больше объема гидромотора. На фиг.4-6 показаны принципиальные схемы мультипликаторов, причем общим для них является то, что насос и гидромотор соединены общим для них приводом, например мотором 13, фиг.5, 6, а также то, что в данных схемах после реактора 12 установлен предохранительный клапан 11, которым устанавливается давление в реакторе при установке объемно не регулируемого насоса.
Трубчатые корпуса могут быть объединены в единый блок, а их части из крио-жаропрочного материала располагают в печи.
2
Данный тип реактора предназначен для реакций с жесткими условиями при температурах реакций до 2500°C и давлениях до 10000 кгс/см.
Обрабатываемый материал подается под рабочим давлением в штуцер 7 нагнетания и с давлением меньшим на сопротивление выходит из сливного штуцера 7.
Для достижения необходимой температуры в реакторе его стакан 1 постоянно подогревается на температуру, немного большую, чем рабочая. Эта разница определяется при помощи как терморасчета реактора, так и контролируя температуру термопарой 3.
Подогрев стакана 1 возможно производить как в газовой печи, так и в электронагревательном приборе.
Для исключения эрозии материала снаружи реактора при слишком высоких температурах необходимо применение защитной среды.
Если реактор с изменением температуры, а температурный режим можно установить при помощи терморасчета, то реактор может быть исполнен без термопары 3.
Площадь теплообменной мембраны 2 желательно максимально увеличить, а толщину теплоотдающего слоя минимизировать, такая конструкция предлагается на фиг.3, из которой видно, что трубчатая мембрана в поперечном сечении выполнена зубьеобразной с внутренней стороны.
Реактор термообработки реагентов при работе с агрессивными средами возможно покрывать изнутри защитными покрытиями, которые могут также служить самоочищающимися катализаторами, например платина, палладий, золото и многие другие, но с учетом возможности их применения на данном температурном режиме.
При конструктивной необходимости термопара 3 может располагаться на всю длину реактора и даже выходить из второй части реактора наружу. При установке в печи большой мощности будет эффективно применение блока реакторов.
Блок реакторов соединяется в схему последовательно или параллельно в зависимости от назначения. Реагенты проходят реактор под давлением.
Крио-жаропрочную часть реактора необходимо подогревать, компенсируя тем самым теплопотери реактора. Все резьбовые соединения реактора, работающие при t<500°C, возможно герметизировать: металл по металлу, а при более высоких температурах каолиновой ватой, смоченной в огнеупорном порошке, например, «Мертель».
Первая часть трубчатого корпуса реактора выполнена из крио-жаростойкого стакана 1, именно через стенки которого и происходит нагрев или охлаждение реагентов.
Мультипликатор представляет собой композицию из связанных приводом нагнетательного насоса 9 и гидромотора 10, где насос имеет больший и, возможно, регулируемый объем по отношению к рекуперационному гидромотору на величину компенсации объема, а компенсация энергии происходит за счет механической энергии, подведенной к общему приводу, и (или) гидравлической, схема по фиг.4, за счет повышения давления на входе насоса. При этом в данных схемах в гидравлической коммуникации после реактора 12 установлен предохранительный клапан 11, которым устанавливается давление в реакторе при установке объемно не регулируемого насоса.
При использовании данного реактора для проведения, например, риформинга процесс выглядит следующим образом:
1) исходные реагенты подготавливают до раствора или псевдотекучей смеси и подаются на вход нагнетательного насоса 9 под давлением, если привод компенсации мультипликатора гидравлический - фиг.4, и без давления, если привод механический, фиг.5-6;
2) реагенты под давлением попадают в реактор, где основной нагрев или охлаждение происходит от теплообменной мембраны 2, а тепловая компенсация - за счет теплопередачи стенок;
3) в реакционной зоне второй части корпуса происходят запланированные изменения реагентов;
4) по мере удаления по реактору от реакционной зоны реагенты за счет теплопередачи через мембрану 2 плавно приобретают температуру, максимально приближенную к температуре входящих реагентов, что благотворно для реакции изомеризации, т.к. при высоких давлениях происходит их скомкивание;
5) после выхода из реактора готовый продукт попадает в гидромотор, где отдает свою гидравлическую энергию давления.
Например, при обработке смеси низкокачественных нефтепродуктов, например БГС, мазута и сжиженного газа, в реакторе произойдут следующие реакции:
1) весь азот, сера и кислород свяжутся в оксиды, а далее и соответствующие кислоты;
2) весь оставшийся углеводородный состав усреднится с шириной полосы фракций, регулируемой давлением и температурой.