РЕАКТОР ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ГАЗОФАЗНЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Техническое решение 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 реактор для получения чистых веществ, в том числе и посредством газофазных реакций (SU, авторское свидетельство 1771805 В 01 J 19/18,1992), содержащий корпус с крышкой, в которой выполнены устройства подачи реагентов, элементы измерительных устройств в виде датчиков содержания реагентов в корпусе, датчиков давления и температуры, узел нагрева и патрубка выгрузки готового продукта, причем узел нагрева выполнен в виде секции наружного токопроводящего покрытия с толщиной равномерно уменьшающейся от центра секции к ее торцам.
Недостатком известного устройства следует признать невозможность точного поддержания необходимой температуры в зоне осуществления реакции.
Известен реактор для переработки отработанных масел (RU, патент 2075506 С 10 М 175/04, 1997), содержащий корпус со средствами загрузки реагентов, узел подачи сжатого воздуха, узел слива готового продукта, узел слива отходов и узел нагрева, выполненный в виде паровой рубашки и змеевиков, проходящих по внутреннему объему корпуса.
Недостатком известного устройства следует признать невозможность точного поддержания необходимой температуры в зоне осуществления реакции.
Известен также реактор для осуществления газофазных реакций (RU, патент 2011431 В 05 С 9/14, 1994), содержащий стеклянный трубчатый корпус с нагревателем - индуктором, электрически соединенным с источниками напряжения высокой и низкой частоты через развязывающие фильтры. Внутри корпуса установлен источник электронов, а также датчик контроля температуры. Корпус совмещен с вакуумной камерой осаждения, содержащей охлаждаемый столик для образцов.
Недостатком известного устройства следует признать невозможность точного поддержания необходимой температуры в зоне осуществления реакции.
Техническая задача, решаемая посредством предложенной конструкции реактора, состоит в повышении качества получаемой продукции.
Технический результат, получаемый при реализации предложенной конструкции реактора, состоит в достижении постоянной температуры в катализаторном пространстве по всему объему реактора, что приводит к повышению качества получаемого продукта, а также повышению процента выхода готового продукта за счет повышения доли прореагировавших исходных компонентов.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать реактор для проведения газофазных эндотермических процессов с подводом тепла реакции в зоне реакции, содержащий корпус, средство ввода исходных компонентов, средство вывода готового продукта, узел подвода тепла, причем узел подвода тепла выполнен в виде множества тепловых труб, обогреваемых в
зоне подогрева, внутренний объем реактора разделен на три зоны, при этом в зоне реакции тепловые трубы расположены на расстоянии между их поверхностями не более 150 мм при диаметре труб не более 200 мм, в зоне подогрева трубы расположены на расстоянии не менее 500 мм между их поверхностями, а находящаяся между ними буферная зона образована двумя трубными решетками, при этом за зоной подогрева тепловые трубы объединены группами. Предпочтительно тепловые трубы в зоне реакции и зоне подогрева расположены с образованием взаимоперпендикулярных межтрубных коридоров, что позволяет удобно засыпать и удалять катализатор. Обычно расстояние между трубными решетками в буферной зоне не менее 1000 мм, при этом корпус буферной зоны имеет люки, обеспечивающие доступ в межтрубные коридоры, причем желательно, чтобы корпус буферной зоны содержал компенсаторы терморасширения, которые отслеживают изменение длины тепловых труб между трубными решетками при повышении и понижении температуры. По этой причине корпус буферной зоны может иметь конусную форму с углом конусности, позволяющим компенсировать температурное расширение труб между трубными решетками. В предпочтительном варианте реализации конструкции буферная зона бывает заполнена азотом или другим инертным газом с давлением, по меньшей мере, не меньшим, чем давление в реакционной зоне. Это обеспечивает пожаро-взрывобезопасность конструкции при каких-либо разгерметизациях. При проведении каталитических процессов в нижней части реакционной зоны размещают катализаторный стол с отверстиями для прохода тепловых труб, при этом средство вывода готового продукта расположено под указанным столом. Реактор может дополнительно содержать обечайки высотой 500-1500 мм, предназначенные для засыпки катализатора и устанавливаемые
последовательно друг на друга по мере заполнения межтрубного реакционного пространства катализатором, и/или дополнительно содержать в зоне реакции вспомогательный корпус, устанавливаемый после установки обечаек. Преимущественно обечайки имеют перфорацию для ввода газов в пространство, а для вывода продуктовой смеси из зоны реакции в центре реактора установлена перфорированная центральная труба. Устройство для удаления катализатора проходит через катализаторный стол, нижнюю обечайку, при этом, по меньшей мере, одна обечайка имеет выход для удаления катализатора. Корпус в области, по меньшей мере, одной из зон на внутренней поверхности содержит футеровку и/или защитное покрытие из металла, что обеспечивает термостойкость конструкции. Преимущественно в верхней части зоны реакции установлены устройства для обеспечения равномерности газового потока реакционной смеси в реакционном пространстве. В одном из вариантов реализации тепловые трубы могут быть выполнены в виде коаксиальных труб, причем теплоноситель находится между трубами. При этом обычно подвод тепла к тепловым трубам может осуществляться как с внешней стороны тепловых труб, так и с внутренней, т.е. источники подвода тепла к тепловым трубам могут располагаться внутри коаксиальных труб (в пространстве трубы меньшего диаметра).
Используемый термин «тепловая труба» соответствует значению, общепринятому в науке и технике (см., например. Большой энциклопедический словарь «Политехнический». М., Научное издание «Большая Российская энциклопедия», 1998, стр.524).
Кроме газофазных каталитических процессов данный реактор может быть использован и для жидкофазных каталитических процессов.
Использование тепловых труб с заранее подобранным составом находящихся в них веществ позволяет точно дозировать количество тепловой энергии, подводимой в каталитическую зону, что обеспечивает проведение химического процесса в оптимальных условиях с уменьшенным содержанием побочных веществ и с максимальным выходом целевого продукта. Указанное размещение по объему корпуса тепловых труб позволяет равномерно распределить поступающую тепловую энергию по объему реакционной зоны. В преимущественном варианте реализации средства ввода исходных компонентов и средство вывода готового продукта бывают расположены по противоположным стенам корпуса, по обе стороны от каталитической зоны. Это позволяет пропустить прямотоком исходные компоненты через каталитическую зону. В корпусе могут быть расположены датчики, позволяющие контролировать технологический процесс (датчики температуры, давления, содержания отдельных компонентов газовой смеси на входе и выходе реактора). Датчики могут быть подключены к системе автоматического управления процессом, в том числе, и к системе подачи тепловой энергии на тепловые трубы. Вокруг и/или внутри корпуса могут быть дополнительно расположены средства регулирования температуры процесса. Эти средства (рубашки теплоносителем, змеевики, слои электронагревателя и т.д.) облегчают поддержание необходимой температуры в корпусе, особенно при больших размерах корпуса.
На рисунке приведен базовый вариант заявленной конструкции, при этом использованы следующие обозначения: корпус 1, средства 2 ввода исходных компонентов, средство 3 вывода готового продукта, каталитическая область 4, теплоизоляция 5,
тепловые трубы 6, область 7 подогрева, буферная зона 8, обечайки 9, центральная труба 10, катализаторный стол 11, зона реакции 12.
Предлагаемый реактор с эндотермической химической реакцией работает следующим образом. Предварительно определяют оптимальные тепловые режимы проведения процесса. Подбирают вещество, температура парообразования которого соответствует оптимальной температуре проведения реакции. Рассчитывают суммарную площадь тепловых труб, расположенную в каждой зоне. Создают при необходимости каталитическую зону путем размещения и фиксации (на столе) катализатора. При необходимости с использованием дополнительных средств регулирования температуры создают в корпусе необходимый тепловой режим. Подводят тепловую энергию к концам тепловых труб, размещенных в зоне подогрева. Подают в корпус исходные компоненты, пропускают их через зону реакции, корректируя при необходимости по показаниям датчиков режимы подачи исходных компонентов. Отводят из корпуса готовый продукт, при необходимости отделяя его от непрореагировавших исходных компонентов. При протекании в реакторе экзотермической реакции тепловые трубы по приведенной выше схеме отводят из реактора тепло.
Использование предложенной конструкции реактора иллюстрировано на примере паровой конверсии метана.
Трубы реактора представляют собой тепловые трубы, заполненные натрием. Процесс в реакторе проводится при давлении 7 мПа и температуре 900°С.
При этом при сохранении стандартного процесса паровой конверсии метана объем катализаторного пространства уменьшен на 30÷40% при сохранении времени реакционного пробега. Резко
уменьшены капитальные затраты на создание системы реактор-печь, минимум на 60-80%.
Использование реактора предложенной конструкции позволяет достичь постоянства температуры в катализаторном пространстве по всему объему реактора, что приводит к повышению качества получаемого продукта, а также повышению процента выхода готового продукта (до, примерно, 16,4%) за счет повышения доли прореагировавших исходных компонентов.