РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГАЗОФАЗНЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ (ВАРИАНТЫ)
REACTOR FOR GAS-PHASE CATALYTIC REACTIONS (VERSIONS)

Изобретение относится к области технологического оборудования для осуществления газофазных каталитических процессов и может быть использовано в химической, нефтехимической и других областях промышленности, использующих газофазные каталитические процессы.
Известен (SU, авторское свидетельство 852341, 1981) реактор, предпочтительно предназначенный для проведения реакций полимеризации и сополимеризации газообразных мономеров. Указанный реактор содержит корпус со средствами ввода и вывода циркулирующей газообразной среды, исходных компонентов и готового продукта, вал с перемешивающими лопастями, представляющими собой тепловые трубы, теплообменник и насос, причем тепловые трубы установлены вертикально и концентрично относительно вала на различных радиусах вращения, а средства ввода и вывода газообразной среды расположены диаметрально в верхней части реактора, при этом между указанными средствами расположены верхние концы указанных тепловых труб.
Недостатком известного реактора следует признать его невысокую эффективность, обусловленную несовершенством конструкции.
Известен (RU, патент 2278726) реактор для осуществления газофазных каталитических процессов, содержащий корпус, средства ввода исходных компонентов и средство вывода готового продукта, узел подвода или отвода тепла, выполненный в виде множества тепловых труб. Известный реактор также содержит катализатор, нанесенный на тепловые трубы и/или корпус в виде покрытия, при этом тепловые трубы по объему корпуса расположены в шахматном порядке, а их суммарная площадь поверхности, находящаяся в каталитической зоне, выбрана таким образом, что обеспечивает поступление или отвод из каталитической зоны необходимого для проведения каталитического процесса количества тепловой энергии.
Недостатком известного устройства следует признать неэффективность передачи тепловой энергии реагирующим веществам и катализатору, приводящую к уменьшению выхода целевого продукта.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2393010) реактор для осуществления газофазных каталитических процессов, содержащий корпус, средство ввода исходных компонентов, средство вывода готового продукта, область размещения катализатора, узел подвода или отвода тепла, выполненный в виде множества тепловых труб, проходящих через область размещения катализатора, при этом суммарная площадь поверхности тепловых труб, находящихся в каталитической зоне, обеспечивает поступление или отвод из каталитической зоны необходимого для проведения каталитического процесса количества тепловой энергии, причем тепловые трубы выполнены в виде клинообразных элементов, ориентированных радиально относительно оси симметрии корпуса.
Недостатком известного технического решения следует признать сложность поддержания теплового режима в реакторе из-за неравномерности подачи тепловой энергии в различные точки объема реактора, обусловленной сложностью подвода или отвода тепла от тепловых труб.
Техническая задача, решаемая посредством предлагаемой конструкции реактора, состоит в повышении эффективности работы реактора и повышении качества получаемой продукции.
Технический результат, получаемый при реализации предлагаемой конструкции реактора, состоит в обеспечении равномерной подачи тепловой энергии в любую точку осуществления газофазной каталитической реакции в объеме реактора за счет упрощения подвода или отвода тепловой энергии.
Для достижения указанного технического результата согласно первого варианта реализации разработанной конструкции предложено использовать реактор для проведения газофазных каталитических реакций, содержащий корпус с патрубками входа реакторного газа и выхода продуктов реакции, тепловую трубу и трубы, заполненные катализатором, причем тепловая труба образована стенкой и первым и вторым днищами корпуса, пространство между корпусом и первым днищем соединено с патрубком ввода реакторного газа, пространство между корпусом и вторым днищем соединено с патрубком выхода продуктов реакции, а внутри тепловой трубы проходят трубы, заполненные катализатором, при этом концы труб с катализатором выступают за пределы тепловой трубы, подвод и отвод тепла для которой осуществлен через корпус.
Для достижения указанного технического результата согласно второго варианта реализации разработанной конструкции предложено использовать реактор для проведения газофазных каталитических реакций, содержащий корпус с патрубками входа реакторного газа и выхода продуктов реакции, тепловую трубу и трубы, заполненные катализатором, причем тепловая труба образована стенкой и первым и вторым днищами корпуса, трубы, заполненные катализатором, выполнены U-образной формы и размещены частично в тепловой трубе, при этом первые концы труб с катализатором, расположенные над первым днищем, соединены первым коллектором с патрубком подвода реакторного газа, а вторые концы труб с катализатором, расположенные над первым днищем, соединены вторым коллектором с патрубком выхода продуктов реакции, подвод и отвод тепла для которой осуществлен через корпус.
Особенностью разработанного технического решения является расположение зоны газофазной каталитической реакции в среде теплоносителя, находящегося внутри тепловой трубы. Это приводит к созданию одинаковых условий протекания газофазной каталитической реакции по всему рабочему объему реактора, поскольку происходит прямой контакт теплоносителя, расположенного внутри единой тепловой трубы, и поверхности трубы, заполненной катализатором, через которую прокачивают реакционный газ и в которой происходит каталитический процесс. Подобная конструкция реактора упрощает и ускоряет процесс выхода реактора на рабочий режим при одновременном упрощении процесса поддержания постоянными условий протекания реакции в первую очередь из-за упрощения подвода или отвода энергии к тепловой трубе.
Преимущественно в реакторе используют трубы для катализатора одного размера, выполненные из одного и того же материала (предпочтительно, нержавеющая сталь). Однако указанный в формуле изобретения диапазон диаметра труб с катализатором обеспечивает создание желательных условий проведения каталитического процесса.
В обоих вариантах реализации предпочтительно на внешней поверхности корпуса размещен слой теплоизоляции. Это позволяет легче поддерживать постоянство температуры теплоносителя в тепловой трубе.
В некоторых случаях, особенно в случае проведения высокотемпературных процессов, предпочтительно использовать гофрированный корпус. Это позволяет скомпенсировать температурные расширения корпуса.
Экспериментально установлено, что разброс диаметра труб с катализатором предпочтительно составляет от 0,3 мм до 500 мм. Указанный диапазон облегчает создание желательных условий проведения каталитического процесса.
Независимо от вида теплоносителя в тепловой трубе желательно, чтобы суммарная площадь сечения труб с катализатором относилась к площади сечения тепловой трубы как 0,02÷0,98. Это облегчает создание желательных условий проведения каталитического процесса.
Для подвода/отвода тепловой энергии корпус предпочтительно содержит трубопроводы в области первого и второго днищ. При этом трубопроводы должны быть выполнены с возможностью транспортирования горячей и холодной воды, а также пара. Однако возможно использование электроподогрева, а также подачи сжиженного газа.
Для предотвращения отравления катализатора водородом трубы с катализатором могут быть покрыты составами, не проводящими водород. Кроме того, тепловая труба может содержать мембрану, селективно пропускающую водород в полость, соединенную с вакуумным насосом для отвода водорода.
На фиг.1 приведен продольный разрез реактора разработанной конструкции по первому варианту реализации, а на фиг.2 - разрез по линии А-А, при этом использованы следующие обозначения: корпус 1 реактора, теплоизоляция 2, днища 3 реактора, катализаторная труба 4, пространство 5 тепловой трубы, патрубок 6 выхода продуктов реакции, патрубок 7 входа реакторного газа.
Реактор разработанной конструкции в обоих вариантах реализации работает следующим образом.
Подбирают теплоноситель, обеспечивающий проведение газофазной каталитической реакции. Заполняют внутреннее пространство тепловой трубы указанным теплоносителем. Заполняют пространство труб катализатором. Разогревают катализатор действием теплоносителя тепловой трубы, который в свою очередь нагревают посредством горячей воды, проходящей по спиральному трубопроводу, расположенному в зоне нижнего днища корпуса на освобожденном от термоизоляции участке поверхности корпуса. Пропускают через трубы с катализатором реакторный газ. Под действием катализатора и тепловой энергии происходит взаимодействие компонентов реакторного газа с получением целевого продукта.
Использование реактора разработанной конструкции позволяет обеспечить равномерную подачу тепловой энергии в любую точку осуществления газофазной каталитической реакции в объеме реактора за счет упрощения подвода или отвода тепловой энергии.