РЕАКТОРЫ ПЛАСТИНЧАТОГО ТИПА, СПОСОБЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕАКЦИОННОГО ПРОДУКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕАКТОРА ПЛАСТИНЧАТОГО ТИПА
PLATE-TYPE REACTORS, METHODS OF THEIR PRODUCTION AND METHOD OF PRODUCING REACTION PRODUCT USING PLATE-TYPE REACTOR

Настоящее изобретение относится к реактору пластинчатого типа для использования при осуществлении экзотермических или эндотермических реакций с использованием катализатора и к способу изготовления реактора, и к способу получения реакционного продукта посредством газофазной каталитической реакции с использованием реактора пластинчатого типа.
Кроме того, настоящее изобретение относится к реактору пластинчатого типа и к способу получения, в котором исходные материалы вводятся в реактор пластинчатого типа, набитый катализатором, и исходные материалы взаимодействуют с получением реакционного продукта.
Известные реакторы для использования в газофазных каталитических реакциях, в которых газообразные исходные материалы взаимодействуют в присутствии твердого катализатора с получением газообразного реакционного продукта, включают, например, многотрубчатый реактор, в который катализатор набивают в реакционные трубки, расположенные в реакционной емкости (смотри, например, патентный документ 1), и реактор пластинчатого типа, в который катализатор набивают в пространства между множеством пластин-теплообменников, расположенных в реакционной емкости (смотри, например, патентные документы 2 и 3).
Эти реакторы для использования в газофазных каталитических реакциях, как правило, должны изготавливаться с высокой точностью. Например, когда либо реакционные трубки в многотрубчатом реакторе, либо трубки-теплообменники, составляющие пластины-теплообменники в реакторе пластинчатого типа, имеют большое различие в диаметре трубок, в части реактора возникает область, где удаление тепла является недостаточным и имеются случаи, когда в части слоев катализатора скорость реакции резко увеличивается, что приводит к локальному повреждению катализатора. Однако когда реактор должен изготавливаться с высокой точностью, такое изготовление реактора может потребовать больших затрат труда и большого количества стальных изделий.
В многотрубчатом реакторе, точность реактора может относительно легко быть повышена посредством использования стальных труб, имеющих высокую точность, в качестве реакционных трубок. С другой стороны, трубки-теплообменники в реакторе пластинчатого типа, как правило, изготавливают посредством формования стальных листов в форме, состоящей из ряда из множества половинок, каждая из которых формируется посредством разделения пополам формы поперечного сечения трубки-теплообменники и сваривания выступов одного из сформированных стальных листов с выступами другого. В реакторах пластинчатого типа, форма поперечного сечения и размер поперечного сечения трубок-теплообменников, как правило, определяются с точки зрения регулирования толщины и формы слоев катализатора, которые должны формироваться в пространствах между пластинами-теплообменниками. Следовательно, при изготовлении реактора пластинчатого типа, различные факторы, которые уменьшают точность реакторов пластинчатого типа, такие как случаи, когда желаемая форма не получается при формировании стальных листов, случаи, когда сформированные стальные листы коробятся, и случаи, где сваривание стальных листов приводит к деформации, делают сложным изготовление реактора пластинчатого типа, имеющего высокую точность, что приводит к возникновению случаев, когда контроль реакции является недостаточным.
Как описано выше, форма пластин-теплообменников в реакторе пластинчатого типа и способ получения пластин-теплообменников представляют собой главные причины, которые делают сложным изготовление реактора пластинчатого типа с высокой точностью. В теплообменниках пластинчатого типа, которые соответствуют по структуре для реакторов пластинчатого типа, потому что теплообменники пластинчатого типа имеют пластины-теплообменники, состоящие из трубок-теплообменников, допуски на расстояние между пластинами-теплообменниками обычно составляют примерно 3-5 мм или более, в терминах отклонения от заданного значения.
Однако в экзотермических или эндотермических газофазных каталитических реакциях с использованием катализатора, важно точно контролировать температуры реакции. Недостаточный контроль температуры слоя катализатора может приводить к повреждению катализатора или к уменьшению выхода желаемого реакционного продукта. Следовательно, когда реактор пластинчатого типа имеет низкую точность и имеет, например, большое отклонение в расстоянии между пластинами-теплообменниками от заданного значения, тогда в части реактора возникает область, где удаление тепла является недостаточным, и имеются случаи, когда скорость реакции резко увеличивается в части слоев катализатора, что приводит к локальному повреждению катализатора и понижению выхода реакционного продукта. В то же время, когда улучшение точности реакторов пластинчатого типа считается важным, изготовление реакторов пластинчатого типа требует больших затрат труда и большого количества стальных изделий. Имеются, следовательно, случаи, когда использование таких реакторов уменьшает производительность получения реакционных продуктов с их помощью, и такие реакторы практически не могут использоваться для промышленного получения реакционных продуктов.
В качестве примера реакторов для использования при экзотермических или эндотермических газофазных реакциях с использованием твердого катализатора в виде частиц, таких как газофазная каталитическая реакция окисления пропана, пропилена или акролеина, известен реактор пластинчатого типа, который содержит реакционную емкость для взаимодействия газообразных исходных материалов внутри него, множество пластин-теплообменников, содержащих трубки-теплообменники и расположенных бок о бок в реакционной емкости, и устройство, которое подводит теплоноситель к трубкам-теплообменникам и в котором реакционная емкость представляет собой емкость, в которой поступающий газ проходит через пространства между соседними пластинами-теплообменниками перед высвобождением и каждая из пластин-теплообменников содержит множество трубок-теплообменников, которые соединены друг с другом на периферии или на краях формы поперечного сечения, пространства между соседними пластинами-теплообменниками набиты катализатором (смотри, например, патентный документ 3).
Такой реактор пластинчатого типа, как правило, имеет множество слоев катализатора, сформированных в пространствах между соседними пластинами-теплообменниками, и обеспечивает превосходный контакт между каждой из пластин-теплообменников и катализатором. Этот реактор, следовательно, является превосходным с точки зрения эффективного получения продукта газофазной реакции в больших количествах.
В то же время, при газофазной реакции, является желательным, привести катализатор в состояние равномерной набивки с точки зрения контроля газофазной реакции. В реакторе пластинчатого типа, катализатор набивают с расположением в виде слоев в пространствах между соседними пластинами-теплообменниками и, следовательно, сложно набивать катализатор равномерно на всем протяжении каждого из пространств и во всех их. Имеется потребность в технологии, способной равномерно набивать катализатор в эти пространства.
В случае, когда катализатор не набивается равномерно в любое из пространств или когда катализатор в пространствах частично повреждается, необходимо извлечь весь катализатор, присутствующий в пространстве, и набить катализатор снова. Поэтому имеется потребность в технологии, с помощью которой может легко регулироваться состояние набивки катализатора в пространствах.
В настоящее время, в промышленных способах получения реакционных продуктов, таких как ненасыщенные жирные кислоты, с использованием каталитических газофазных реакций окисления, многотрубчатые реакторы в форме трубчатого теплообменника используют с промышленной и практической точки зрения. В способе получения реакционного продукта с использованием такого многотрубчатого реактора, твердый катализатор набивают в реакционные трубки многотрубчатого реактора, и теплоноситель с контролируемой температурой циркулирует снаружи реакционных трубок для контроля внутренней температуры реакционных трубок.
В случае получения реакционного продукта, такого как ненасыщенная жирная кислота, с использованием многотрубчатого реактора, когда желательно увеличить количество производимого реакционного продукта, необходимо увеличить количество реакционных трубок в соответствии с увеличением производимого количества. Однако это может потребовать десятков тысяч реакционных трубок, что превышает предел изготовления для многотрубчатых реакторов. В случае, когда превышается предел изготовления, реально нужно иметь ряд реакций.
С другой стороны, имеются случаи, когда желаемое количество получаемого продукта должно обеспечиваться посредством повышения технологической нагрузки на единичное количество катализатора, используя, в то же время, обычное количество реакционных трубок или обычный реактор. Это приводит к возникновению ситуации, в которой тепло реакции, генерируемое в каждой реакционной трубке, увеличивается, и внутренняя температура реакционных трубок не может соответствующим образом контролироваться с помощью теплоносителя, циркулирующего снаружи реакционных трубок. В случае, когда внутренняя температура реакционных трубок не может контролироваться соответствующим образом, температура части катализатора, удерживаемого в реакционных трубках, значительно повышается (далее это упоминается также как горячие пятна). В случае, когда температура части катализатора превышает предел, часть катализатора повреждается, что приводит к уменьшению времени жизни катализатора.
В случае, когда катализатор частично повреждается, необходимо остановить получение реакционного продукта с помощью реактора и заменить катализатор. А именно, получение реакционного продукта прерывается во время замены катализатора, что составляет серьезную проблему, например, такую, что сложно обеспечить желаемую величину производительности. Кроме того, даже когда необходимость замены катализатора устраняется, возникновение горячих пятен делает сложным поддержание соответствующих условий реакции и доставляет, например, ту проблему, что катализатор дает повреждение результатов реакции и выход желаемого реакционного продукта уменьшается.
В Патентных документах 4 и 5 предложен способ, в котором многотрубчатый реактор используется для осуществления каталитической газофазной реакции окисления пропилена или акролеина в качестве исходных материалов, поддерживая, в то же время, реактор в состоянии, имеющем повышенную технологическую нагрузку на единицу количества катализатора. Однако реакционные трубки для использования в многотрубчатых реакторах представляют собой реакционные трубки, которые представляют собой трубки, имеющие радиус 20-30 миллиметров, и имеют одинаковый диаметр на всем протяжении от входа для реакционной текучей среды (общий термин для смеси исходных материалов, смеси реакционных продуктов, и тому подобное) до выхода для нее. Поэтому имеется тот недостаток, что при таких условиях, что технологическая нагрузка реакционной текучей среды на единицу количества катализатора является высокой, реакционная текучая среда испытывает большую потерю давления с увеличением внутреннего давления реактора, что приводит к уменьшению выхода желаемого реакционного продукта. Кроме того, необходимо больше энергии для компрессора, для введения реакционной текучей среды, и тому подобное, в соответствии с увеличением внутреннего давления реактора, и это является недостатком с точки зрения затрат, наряду с уменьшением выхода желаемого реакционного продукта.
В качестве одной из мер преодоления этих проблем, предлагаются реакторы для каталитического газофазного окисления, которые имеют структуру теплообменника пластинчатого типа. Например, патентный документ 2 предлагает каталитический реактор пластинчатого типа, в котором катализатор набит в пространство между двумя пластинами-теплообменниками и теплоноситель подается снаружи пластин-теплообменников. Патентный документ 3 предлагает каталитический реактор пластинчатого типа, который содержит систему из множества пластин-теплообменников, каждую из которых получают посредством размещения друг напротив друга двух гофрированных листов, сформированных в форме круговых дуг или эллиптических дуг, и соединения выступов одного из гофрированных листов с выступами другого, с формированием множества проходов для теплоносителя, и у которых выступы одной из соседних пластин-теплообменников находятся напротив бороздок другой пластины, с формированием слоя катализатора, имеющего заданную толщину.
Эти предложения включают формулировки, касающиеся структуры реактора пластинчатого типа и его применения при каталитических газофазных реакциях окисления. Однако нет никаких формулировок относительно какого-либо способа улучшения выхода желаемого реакционного продукта, контролируя, в то же время, соответствующим образом тепло, возникающее в результате реакции, и предотвращая возникновение горячих пятен. В частности, не приводится никаких формулировок относительно любого способа соответствующего контроля тепла реакции, которое генерируется, когда используют увеличенную технологическую нагрузку на единицу количества катализатора, и предотвращения тем самым возникновения горячих пятен, предотвращения повреждения катализатора, и улучшения выхода желаемого реакционного продукта и количества полученного продукта.
Патентный документ 1: JP-A-2004-000944
Патентный документ 2: JP-A-2004-167448
Патентный документ 3: JP-A-2004-202430
Патентный документ 4: JP-T-2003-514788
Патентный документ 5: JP-T-2002-539103
Проблемы, которые должны решаться с помощью изобретения
Настоящее изобретение предусматривает реактор пластинчатого типа, с помощью которого может предотвращаться резкое увеличение скорости реакции при получении реакционного продукта и который может использоваться для получения реакционного продукта с высокой производительностью.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает способ получения реакционного продукта с использованием реактора пластинчатого типа, где предотвращается резкое увеличение скорости реакции и реакционный продукт получают с высокой производительностью.
Кроме того, настоящее изобретение предусматривает реактор пластинчатого типа, в котором катализатор может равномерно и легко набиваться в пространство между соседними пластинами-теплообменниками.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает реактор пластинчатого типа, в котором катализатор может равномерно и легко набиваться в пространство между соседними пластинами-теплообменниками и может легко регулироваться состояние набивки катализатора в пространстве.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает новый способ получения реакционного продукта посредством введения исходных материалов в реактор пластинчатого типа, набитый катализатором, и взаимодействия исходных материалов, где предотвращается увеличение потерь давления реакционного газа, проходящего через катализатор, даже когда технологическая нагрузка исходных материалов на единицу количества катализатора повышается, и тепло, генерируемое посредством реакции, контролируется соответствующим образом, чтобы тем самым улучшить выход желаемого реакционного продукта, предотвращая, в то же время, возникновение горячих пятен и предотвращая повреждения катализатора.
Настоящее изобретение предусматривает технологию, при которой допустимый диапазон отклонений расстояния между поверхностями пластин-теплообменников от конструктивного значения устанавливают при -0,6- +2,0 мм, чтобы тем самым получить ценное вещество промышленно предпочтительным образом, в то же время, сохраняя низкими затраты на изготовление реактора пластинчатого типа, без отрицательного влияния на контроль температуры реактора пластинчатого типа, и не основанную на использовании катализатора с низкой активностью или на разбавлении катализатора.
А именно, настоящее изобретение предусматривает реактор пластинчатого типа, который содержит реакционную емкость для взаимодействия внутри нее газообразных исходных материалов, множество пластин-теплообменников, расположенных бок о бок в реакционной емкости, и устройство для введения теплоносителя, для подачи теплоносителя, имеющего желаемую температуру, в пластины-теплообменники, каждая из пластин-теплообменников содержит множество трубок-теплообменников, соединенных друг с другом по периферии или по краям формы поперечного сечения, устройство для введения теплоносителя представляет собой устройство, которое подает теплоноситель в трубки-теплообменники пластин-теплообменников, расположенных в реакционной емкости, где в пространстве между противоположными пластинами-теплообменниками, конструктивное значение расстояния между поверхностями пластин-теплообменников, как измерено в направлении, перпендикулярном к плоскости, по отношению к которой плоскости, состоящие из осей пластин-теплообменников, являются эквидистантными, составляет 5-50 мм, и отклонение от реального значения расстояния между поверхностями от конструктивного значения составляет от -0,6 до +2,0 мм (далее упоминается также как "первый реактор пластинчатого типа").
Кроме того, настоящее изобретение предусматривает первый реактор пластинчатого типа, где пластины-теплообменники предпочтительно имеют длину в аксиальном направлении 5 м или меньше, более предпочтительно, 2 м или меньше.
Кроме того, настоящее изобретение предусматривает первый реактор пластинчатого типа, который, кроме того, предпочтительно имеет промежуточную вставку для формирования заданного расстояния между пластинами-теплообменниками.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает первый реактор пластинчатого типа, где каждая из пластин-теплообменников предпочтительно представляет собой пластину, получаемую посредством соединения двух стальных листов, сформированных в виде формы, состоящей из ряда из множества половинок, каждая из которых формируется посредством разделения пополам формы поперечного сечения трубки-теплообменника вдоль оси пластины-теплообменника.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает первый реактор пластинчатого типа, где отклонение реального значения расстояния между поверхностями от конструктивного значения предпочтительно меньше на входной стороне в направлении прохождения газа исходных материалов через пространство между пластинами-теплообменниками.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает первый реактор пластинчатого типа, где отклонение реального значения расстояния между поверхностями от конструктивного значения, как измерено на участке, где исходные материалы в газе исходных материалов имеют преобразование 70% или ниже, предпочтительно меньше, чем отклонение реального значения расстояния между поверхностями от конструктивного значения, как измерено на участке, где исходные материалы имеют преобразование выше, чем 70%.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает первый реактор пластинчатого типа, где пространство предпочтительно имеет общий объем 3 л или больше.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает первый реактор пластинчатого типа, который, кроме того, предпочтительно имеет устройство для измерения температуры, по меньшей мере, на двух участках, температуры слоя катализатора, сформированного посредством набивки катализатора в это пространство.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает способ получения реакционного продукта посредством взаимодействия газа исходных материалов в присутствии катализатора с получением газообразного реакционного продукта с использованием реактора пластинчатого типа, который содержит реакционную емкость и множество пластин-теплообменников, расположенных в ней бок о бок, и в котором катализатор набивают в пространство между пластинами-теплообменниками с формированием слоя катализатора, способ включает стадию, на которой газообразные исходные материалы поступают в реакционную емкость и проходят через слой катализатора, и стадию, на которой теплоноситель, имеющий заданную температуру, подается во множество трубок-теплообменников, составляющих пластины-теплообменники, где реактор пластинчатого типа по настоящему изобретению используют в качестве реактора пластинчатого типа, и теплоноситель, который подается в трубки-теплообменники, имеет температуру, которая делает температуру слоя катализатора равной пиковой температуре, которая равна заданному значению пиковой температуры слоя катализатора, значение задается, когда конструируется реактор пластинчатого типа (далее также упоминается как "первый способ получения реакционного продукта").
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает первый способ получения реакционного продукта, где реакция исходных материалов, содержащихся в газе исходных материалов, которая осуществляется в присутствии катализатора, предпочтительно представляет собой экзотермическую реакцию.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает первый способ получения реакционного продукта, где реакционный продукт предпочтительно представляет собой один продукт из акролеина и акриловой кислоты, или как то, так и другое, один продукт метакролеина и метакриловой кислоты, или как то, так и другое, малеиновую кислоту, фталевую кислоту, этиленоксид, парафин, спирт, ацетон и фенол или бутадиен.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает способ изготовления реактора пластинчатого типа, который содержит реакционную емкость для взаимодействия в ней газообразных исходных материалов, множество пластин-теплообменников, расположенных бок о бок в реакционной емкости, и устройство для введения теплоносителя, для подачи теплоносителя, имеющего желаемую температуру, в пластины-теплообменники, каждая из пластин-теплообменников содержит множество трубок-теплообменников, соединенных друг с другом по периферии или по краям формы поперечного сечения, устройство для введения теплоносителя представляет собой устройство, которое подает теплоноситель в трубки-теплообменники пластин-теплообменников, расположенных в реакционной емкости, способ включает стадию, на которой пластины-теплообменники размещают, оставляя, в то же время, пространство между ними, так что в пространстве между противоположными пластинами-теплообменниками, расстояние между поверхностями пластин-теплообменников, как измерено в направлении, перпендикулярном к плоскости, по отношению к которой плоскости, состоящие из осей пластин-теплообменников, являются эквидистантными, равно конструктивному значению, и трубки-теплообменники соединены с устройством для введения теплоносителя.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает способ изготовления реактора пластинчатого типа, где каждая из пластин-теплообменников предпочтительно представляет собой пластину теплообменника, полученную посредством соединения двух стальных листов, сформированных в виде формы, состоящей из ряда из множества половинок, каждая из которых формируется посредством разделения пополам формы поперечного сечения трубки-теплообменники вдоль оси пластины-теплообменника, сформированные стальные листы представляют собой формованные стальные листы, в которых отклонение от конструктивного значения, установленного для формования стального листа, находится в пределах ±0,5 мм.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает способ изготовления реактора пластинчатого типа, где пластины-теплообменники предпочтительно представляют собой пластины-теплообменники, имеющие длину в аксиальном направлении 5 м или меньше, предпочтительно, 2 м или меньше.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает способ изготовления реактора пластинчатого типа, который, кроме того, предпочтительно включает стадию, в которой пластины-теплообменники размещаются, перед соединением с устройством для введения теплоносителя, в реакционной емкости через промежуточную вставку, которая формирует между пластинами-теплообменниками пространство, которое делает расстояние между поверхностями пластин-теплообменников равным конструктивному значению.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает реактор пластинчатого типа, который предпочтительно имеет множество секций, способных удерживать катализатор внутри себя, секции формируются вдоль направления прохождения исходных материалов в пространстве между соседними пластинами-теплообменниками внутри реактора пластинчатого типа, и в котором катализатор может равномерно набиваться в каждую секцию.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает реактор пластинчатого типа, который предпочтительно имеет множество секций, способных удерживать катализатор внутри себя, секции формируются вдоль направления прохождения исходных материалов в пространстве между соседними пластинами-теплообменниками внутри реактора пластинчатого типа, и в котором катализатор может набиваться и извлекаться независимо по отношению к каждой секции.
А именно, настоящее изобретение предусматривает реактор пластинчатого типа, который содержит реакционную емкость для взаимодействия исходных материалов внутри нее, множество пластин-теплообменников, содержащих трубки-теплообменники и расположенных бок о бок в реакционной емкости, и устройство, которое подает теплоноситель в трубки-теплообменники, и в котором реакционная емкость представляет собой емкость, где поступающие исходные материалы проходят через пространство между соседними пластинами-теплообменниками перед высвобождением и каждая из пластин-теплообменников содержит множество трубок-теплообменников, которые соединяются друг с другом по периферии или по краям формы поперечного сечения, пространство между соседними пластинами-теплообменниками набито катализатором, реактор пластинчатого типа дополнительно содержит одну или несколько перегородок, которые разделяют пространство между соседними пластинами-теплообменниками, вдоль направления прохождения газа внутри реакционной емкости, на множество секций для удерживания внутри них набитого катализатора (далее упоминается также как "второй реактор пластинчатого типа").
Кроме того, настоящее изобретение предусматривает второй реактор пластинчатого типа, где множество секций предпочтительно имеют одинаковый объем.
Настоящее изобретение, кроме того, предусматривает второй реактор пластинчатого типа, где объем каждой из множества секций предпочтительно составляет 1-100 л.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает второй реактор пластинчатого типа, где объем каждой из множества секций предпочтительно составляет 2-25 л.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает второй реактор пластинчатого типа, который, кроме того, предпочтительно имеет множество газопроницаемых пробок, которые имеют проницаемость для газа и которые фиксируются с возможностью свободного удаления на краях секций для закрывания краев секций с тем, чтобы удерживать катализатор, расположенный в каждой секции.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает второй реактор пластинчатого типа, где либо перегородки, либо пластины-теплообменники, либо как то, так и другое, предпочтительно имеют первую замковую деталь для закрепления газопроницаемых пробок, и каждая из газопроницаемых пробок предпочтительно содержит газопроницаемую пластину, имеющую проницаемость для газа и не позволяющую катализатору проходить через нее, деталь юбки, расположенную перпендикулярно к газопроницаемой пластине, на части периферийных краев газопроницаемой пластины или на всех их, и вторую замковую деталь, расположенную в детали юбки и закрепленную с возможностью свободного удаления в первой замковой детали.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает второй реактор пластинчатого типа, где интервалы между перегородками из множества перегородок предпочтительно составляют 0,1-1 м.
Настоящее изобретение предусматривает дополнительный способ получения реакционного продукта с использованием второго реактора пластинчатого типа,
способ включает стадию, на которой теплоноситель, имеющий желаемую температуру, подается в трубки-теплообменники, и стадию, на которой исходные материалы поступают в набитое катализатором пространство между соседними пластинами-теплообменниками с получением реакционного продукта, высвобождающегося из этого пространства, где
исходные материалы содержат: этилен; по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, или, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода; углеводорода, имеющего 4 или более атомов углерода; ксилола и/или нафталина; олефина; карбонильного соединения; кумена гидропероксида; бутена или этилбензола, и реакционный продукт включает: этиленоксид; по меньшей мере, один из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, и ненасыщенных жирных кислот, имеющих 3-4 атома углерода; малеиновую кислоту; фталевую кислоту; парафин; спирт; ацетон и фенол; бутадиен или стирол (далее упоминается как "второй способ получения реакционного продукта").
Кроме того, для преодоления проблем, авторы настоящего изобретения осуществили тщательные исследования способа получения, в котором исходные материалы поступают в реактор пластинчатого типа, разделенный на множество реакционных зон, различающихся по средней толщине слоя катализатора, сформированного между пластинами-теплообменниками, и исходные материалы каталитически окисляются в газовой фазе, с получением желаемого реакционного продукта. Авторы направляют свое внимание на температуру теплоносителя, который подается во множество реакционных зон, и завершают изобретение. А именно, основные пункты настоящего изобретения являются следующими.
А именно, настоящее изобретение предусматривает способ для получения одного или нескольких реакционных продуктов, выбранных из группы, состоящей из ненасыщенных углеводородов, ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, и ненасыщенных жирных кислот, имеющих 3-4 атома углерода, включающий
(A) введение смеси исходных материалов, содержащих молекулярный кислород и, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, в реактор пластинчатого типа, снабженный слоем катализатора, сформированным между пластинами-теплообменниками, и каталитическое окисление исходных материалов в газовой фазе с получением, по меньшей мере, одного реакционного продукта, выбранного из группы, состоящей из ненасыщенных углеводородов и ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, или
(B) использование реактора пластинчатого типа, снабженного слоем катализатора, сформированным между пластинами-теплообменниками, введение смеси исходных материалов, содержащих молекулярный кислород и, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, и каталитическое окисление исходных материалов в газовой фазе с получением, по меньшей мере, одного реакционного продукта, выбранного из группы, состоящей из ненасыщенных жирных кислот, имеющих 3-4 атома углерода, где
реактор пластинчатого типа разделен на множество реакционных зон, отличающихся по средней толщине слоя катализатора, и, независимо, теплоноситель с регулируемой температурой подается во множество реакционных зон для удаления через пластины-теплообменники тепла, генерируемого посредством окисления, и для независимого контроля внутренней температуры слоя катализатора,
температура T(S1) теплоносителя, который подается в реакционную зону S1, расположенную ближе всего к входу для смеси исходных материалов, выше, чем температура T(S2) теплоносителя, который подается в реакционную зону S2, соседнюю с реакционной зоной S1 и расположенную после нее по ходу потока смеси исходных материалов,
когда окисляется, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, нагрузка исходных материалов составляет 150 л/час, в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) или более на литр катализатора, и
когда окисляется, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, нагрузка исходных материалов составляет 160 л/час, в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) или более на литр катализатора (далее также упоминается как третий способ получения реакционного продукта).
Кроме того, настоящее изобретение предусматривает третий способ получения реакционного продукта, где, когда температура теплоносителя, который подается в любую неуказанную реакционную зону S(j), выражается как T(Sj) и температура теплоносителя, который подается в реакционную зону S(j+1), соседнюю с реакционной зоной S(j) и расположенную после нее по ходу потока смеси исходных материалов, выражается как T(Sj+l), тогда T(Sj) и T(Sj+1) предпочтительно удовлетворяют соотношению T(Sj)-T(Sj+1)≥5.
Кроме того, настоящее изобретение предусматривает третий способ получения реакционного продукта, где количество реакционных зон предпочтительно равно 2-5 и средняя толщина слоя катализатора в реакционной зоне увеличивается от входа для смеси исходных материалов по направлению к выходу для нее.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает третий способ получения реакционного продукта, где, когда окисляется, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, нагрузка исходных материалов предпочтительно составляет 170-290 л/час, в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) на литр катализатора.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает третий способ получения реакционного продукта, где, когда окисляется, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, нагрузка исходных материалов предпочтительно составляет 180-300 л/час,в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) на литр катализатора.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает третий способ получения реакционного продукта, где преобразование исходных материалов или выше на выходе реакционного продукта из реактора пластинчатого типа предпочтительно составляет 90%.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает третий способ получения реакционного продукта, где исходные материалы предпочтительно представляет собой пропилен и температуры теплоносителя, который подается во множество реакционных зон, предпочтительно составляют 320-400°C, или где исходный материал предпочтительно представляет собой акролеин и температуры теплоносителя, который подается во множество реакционных зон, предпочтительно составляют 250-320°C.
В первом реакторе пластинчатого типа, реальное значение расстояния между поверхностями пластин-теплообменников в реакторе пластинчатого типа находится в конкретном диапазоне, основывающемся на его конструктивном значении. Поэтому посредством контроля температуры теплоносителя реакция может контролироваться и может предотвращаться резкое увеличение ее скорости. Кроме того, реактор пластинчатого типа, который может контролироваться таким образом, может изготавливаться без необходимости в больших затратах труда и в большом количестве стальных изделий, и может быть получен реактор пластинчатого типа, еще более пригодный для промышленного практического использования.
Первый реактор пластинчатого типа является еще более эффективным, когда пластины-теплообменники имеют длину в аксиальном направлении 5 м или меньше, предпочтительно, 2 м или меньше, с точки зрения изготовления реактора пластинчатого типа, в котором отклонение реального значения расстояния между поверхностями пластин-теплообменников от конструктивного значения расстояния является малым.
Первый реактор пластинчатого типа является еще более эффективным, когда реактор пластинчатого типа дополнительно имеет промежуточную вставку для формирования данного пространства между пластинами-теплообменниками, с точки зрения изготовления реактора пластинчатого типа, в котором отклонение реального значения расстояния между поверхностями пластин-теплообменников от конструктивного значения расстояния является малым.
Первый реактор пластинчатого типа является еще более эффективным, когда каждая из пластин-теплообменников представляет собой пластину, получаемую посредством соединения двух стальных листов, сформированных в виде формы, состоящей из ряда из множества половинок, каждая из которых формируется посредством деления пополам формы поперечного сечения трубки-теплообменника вдоль оси пластины-теплообменника, с точки зрения изготовления реактора пластинчатого типа, в котором отклонение реального значения расстояния между поверхностями пластин-теплообменников от конструктивного значения расстояния является малым.
Первый реактор пластинчатого типа является более эффективным, когда отклонение реального значения расстояния между поверхностями от конструктивного значения меньше на входной стороне в направлении прохождения газа исходных материалов через пространство между пластинами-теплообменниками, с точки зрения повышения точности контроля реакции. Реактор является еще более эффективным, когда отклонение реального значения расстояния между поверхностями от конструктивного значения, как измерено на участке, где исходные материалы в газе исходных материалов имеют преобразование 70% или ниже, меньше, чем отклонение реального значения расстояния между поверхностями от конструктивного значения, как измерено на участке, где исходные материалы имеют преобразование выше, чем 70%.
Первый реактор пластинчатого типа является еще более эффективным, когда пространство между пластинами-теплообменниками имеет общий объем 3 л или больше, с точки зрения получения реакционного продукта с высокой производительностью.
Первый реактор пластинчатого типа является еще более эффективным, когда реактор пластинчатого типа дополнительно имеет устройство для измерения температуры, для измерения температуры, по меньшей мере, на двух участках слоя катализатора, сформированного посредством набивки катализатора в пространство между пластинами-теплообменниками, с точки зрения повышения точности контроля реакции.
Первый способ получения реакционного продукта является более эффективным, когда реакция исходных материалов, содержащихся в газе исходных материалов, которая осуществляется в присутствии катализатора, представляет собой экзотермическую реакцию, с точки зрения получения заметного воздействия настоящего изобретения. Способ является еще более эффективным, когда реакционный продукт представляет собой одно соединение из акролеина и акриловой кислоты, или как то, так и другое, одно соединение из метакролеина и метакриловой кислоты, или как то, так и другое, малеиновую кислоту, фталевую кислоту, этиленоксид, парафин, спирт, ацетон и фенол или бутадиен.
Способ изготовления первого реактора пластинчатого типа является еще более эффективным, когда в пластинах-теплообменниках используются формованные стальные листы, для которых отклонение от конструктивного значения, установленного для формуемого стального листа, находится в пределах ±0,5 мм, с точки зрения уменьшения отклонения реального значения от конструктивного значения.
Способ изготовления первого реактора пластинчатого типа является еще более эффективным, когда пластины-теплообменники, которые не являются соединенными, размещаются с помощью промежуточной вставки, которая формирует между пластинами-теплообменниками пространство, которое делает расстояние между поверхностями противоположных пластин-теплообменников равным конструктивному значению, с точки зрения уменьшения отклонения реального значения от конструктивного значения.
Во втором реакторе пластинчатого типа, поскольку этот реактор имеет перегородки, секции, сформированные с помощью перегородок, могут набиваться катализатором в соответствующих количествах в соответствии с их объемами. Посредством регулировки состояния набивки катализатора с тем, чтобы она была равномерной на всем протяжении секции, катализатор может равномерно набиваться во всем пространстве между соседними пластинами-теплообменниками реактора пластинчатого типа. Таким образом, в реакторе пластинчатого типа по настоящему изобретению, катализатор может более равномерно и легко набиваться в пространства между соседними пластинами-теплообменниками по сравнению с обычными реакторами пластинчатого типа.
Второй реактор пластинчатого типа является еще более эффективным, когда множество секций имеют одинаковый объем, с точки зрения легкого регулирования состояния набивки катализатора, с тем, чтобы оно было равномерным на всем протяжении секций.
Второй реактор пластинчатого типа является еще более эффективным, когда объем каждой из множества секций составляет 1-100 л, с точки зрения облегчения работы набивки катализатора в каждую секцию.
Второй реактор пластинчатого типа является еще более эффективным, когда объем каждой из множества секций составляет 2-25 л, с точки зрения облегчения работы набивки катализатора в каждую секцию.
Второй реактор пластинчатого типа является еще более эффективным, когда реактор пластинчатого типа дополнительно имеет газопроницаемые пробки, с той точки зрения, что катализатор, набитый в пространство между соседними пластинами-теплообменниками, извлекается из секции, и с точек зрения равномерной и легкой набивки катализатора в пространство между соседними пластинами-теплообменниками и легкого регулирования состояния набивки катализатора внутри пространства.
Второй реактор пластинчатого типа является еще более эффективным, когда реактор пластинчатого типа имеет первую замковую деталь, газопроницаемую пластину, деталь юбки и вторую замковую деталь, с точек зрения закрепления газопроницаемой пробки на краю каждой секции с достаточной прочностью и облегчения работ присоединения/отсоединения газопроницаемой пробки.
Второй реактор пластинчатого типа является еще более эффективным, когда интервалы для множества перегородок составляют 0,1-1 м, с точки зрения облегчения работы набивки катализатора в каждую секцию.
В последние годы, химические продукты часто производятся массово на крупномасштабном оборудовании, и реакторы, которые должны устанавливаться в таком производственном оборудовании, увеличиваются в размерах, и количество катализаторов, которое должно набиваться в них также увеличивается. Чрезвычайно важной является равномерная и эффективная набивка катализатора в большой реактор. Особенно в случае реакций, при которых генерируется или поглощается тепло реакции, и увеличение или уменьшение температуры, вызываемое теплом реакции влияет на скорость реакции, на результаты реакции и даже на степень повреждения катализатора, важной целью при конструировании лучшего реактора является предоставление возможности исходному материалу в газообразном, жидком или другом состоянии для вступления в контакт с катализатором.
Во втором способе получения реакционного продукта, реактор пластинчатого типа используют в способе, где исходные материалы содержат: этилен; по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, или, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода; углеводорода, имеющего 4 или более атомов углерода; ксилола и/или нафталина; олефина; карбонильного соединения; кумена гидропероксида; бутена или этилбензола, и реакционный продукт, который должен быть получен, включает: этиленоксид; по меньшей мере, одно соединение из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, и ненасыщенных жирных кислот, имеющих 3-4 атома углерода; малеиновую кислоту; фталевую кислоту; парафин; спирт; ацетон и фенол; бутадиен или стирол. Поэтому исходные материалы обрабатывают с помощью катализатора, равномерно набитого между пластинами-теплообменниками. По этой причине этот способ производства является еще более эффективным с точки зрения улучшения способа удаления тепла реакции или нагрева при такой каталитической реакции.
Кроме того, в третьем способе получения реакционного продукта, который включает введение исходных материалов в реактор пластинчатого типа, набитый катализатором, и взаимодействие исходных материалов, с получением реакционного продукта, предотвращается увеличение потерь давления реакционной текучей среды, проходящей через катализатор, когда повышается технологическая нагрузка исходных материалов на единицу количества катализатора, и тепло, генерируемое посредством реакции, контролируется соответствующим образом, чтобы тем самым улучшить выход желаемого реакционного продукта, предотвращая, в то же время, возникновение горячих пятен и повреждение катализатора.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
Фиг.1 представляет собой вид, схематически иллюстрирующий конфигурацию реактора пластинчатого типа в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий сечение, полученное посредством разрезания реактора пластинчатого типа на фиг.1 вдоль линии A-A'.
Фиг.3 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий сечение, полученное посредством разрезания реактора пластинчатого типа на фиг.1 вдоль линии B-B'.
Фиг.4 представляет собой вид, иллюстрирующий один из примеров внешнего вида реактора пластинчатого типа на фиг.1,
Фиг.5 представляет собой вид, показывающий размеры трубок-теплообменников 1.
Фиг.6 представляет собой вид, иллюстрирующий пример смесителей для теплоносителя.
Фиг.7 представляет собой вид, иллюстрирующий пример перегородок 7.
Фиг.8 представляет собой вид, иллюстрирующий пример газопроницаемых пробок 8.
Фиг.9 представляет собой вид, иллюстрирующий пример состояния газопроницаемой пробки 8, которая вставляется на место.
Фиг.10 представляет собой вид, иллюстрирующий пример устройств 9 для измерения температуры.
Фиг.11 представляет собой вид, иллюстрирующий пример слоев катализатора, сформированных в пространстве между пластинами-теплообменниками 2.
Фиг.12 представляет собой вид, схематически иллюстрирующий другую форму пластин-теплообменников.
Фиг.13 представляет собой вид, схематически иллюстрирующий конфигурацию второго варианта осуществления реактора пластинчатого типа по настоящему изобретению.
Фиг.14 представляет собой вид, иллюстрирующий сечение, полученное посредством разрезания реактора пластинчатого типа на фиг.13 вдоль линии A-A'.
Фиг.15 представляет собой вид, иллюстрирующий сечение, полученное посредством разрезания реактора пластинчатого типа на фиг.13 вдоль линии B-B'.
Фиг.16 представляет собой вид, иллюстрирующий соседние пластины-теплообменники 2 и перегородки 7, расположенные между ними.
Фиг.17 представляет собой вид, иллюстрирующий пример перегородок 7.
Фиг.18 представляет собой вид, иллюстрирующий другой пример перегородок 7.
Фиг.19 представляет собой вид, иллюстрирующий еще один пример перегородок 7.
Фиг.20 представляет собой вид, иллюстрирующий дополнительный пример перегородок 7.
Фиг.21 представляет собой вид, иллюстрирующий еще один пример перегородок 7.
Фиг.22 представляет собой вид, иллюстрирующий еще один пример перегородок 7.
Фиг.23 представляет собой вид, схематически иллюстрирующий конфигурацию третьего варианта осуществления реактора пластинчатого типа по настоящему изобретению.
Фиг.24 представляет собой вид, иллюстрирующий сечение, полученное посредством разрезания реактора пластинчатого типа на фиг.23 вдоль линии A-A'.
Фиг.25 представляет собой вид, иллюстрирующий сечение, полученное посредством разрезания реактора пластинчатого типа на фиг.23 вдоль линии B-B'.
Фиг.26 представляет собой вид, иллюстрирующий перегородку 7.
Фиг.27 представляет собой вид, иллюстрирующий соседние пластины-теплообменники 2 и перегородки 7, и газопроницаемую пробку 8, расположенную в каждом пространстве между ними.
Фиг.28 представляет собой общий вид газопроницаемой пробки 8.
Фиг.29 представляет собой вид, показывающий действие газопроницаемой пробки 8.
Фиг.30 представляет собой вид, иллюстрирующий структуру свободного присоединения/отсоединения между газопроницаемой пробкой 8 и перегородкой 7.
Фиг.31 представляет собой вид, показывающий пример инструментов для использования при отсоединении газопроницаемой пробки 8.
Фиг.32 представляет собой вид, иллюстрирующий другую структуру свободного присоединения/отсоединения между газопроницаемой пробкой 8 и перегородкой 7.
Фиг.33 представляет собой вид, иллюстрирующий другой пример газопроницаемых пробок для использования по настоящему изобретению.
Фиг.34 представляет собой вид, иллюстрирующий еще один пример газопроницаемых пробок для использования по настоящему изобретению.
Фиг.35 представляет собой вид, иллюстрирующий дополнительный пример газопроницаемых пробок для использования по настоящему изобретению.
Фиг.36 представляет собой вид, иллюстрирующий еще один пример газопроницаемых пробок для использования по настоящему изобретению.
Фиг.37 представляет собой вид, иллюстрирующий еще один пример газопроницаемых пробок для использования по настоящему изобретению.
Фиг.38 представляет собой вид, иллюстрирующий еще один пример газопроницаемых пробок для использования по настоящему изобретению.
Фиг.39 представляет собой вид, иллюстрирующий еще один пример газопроницаемых пробок для использования по настоящему изобретению и конфигурацию для их присоединения/отсоединения/установления.
Фиг.40 представляет собой вид, иллюстрирующий еще один пример газопроницаемых пробок для использования по настоящему изобретению и конфигурацию для присоединения/отсоединения/установления.
Фиг.41 показывает вид вертикального разреза реактора пластинчатого типа.
Фиг.42 показывает вид вертикального разреза другого реактора пластинчатого типа.
Фиг.43 показывает увеличенный вид пластин-теплообменников.
Описание ссылочных номеров и обозначений
1, a - c Трубка-теплообменник
2, 57 Пластина-теплообменник
3 Обкладочная пластина
4 Крепежный стержень
5 Устройство для введения теплоносителя
6 Газораспределительный элемент
7 Перегородка
8 Газопроницаемая пробка
9 Устройство для измерения температуры
10, 46 Перфорированная пластина
11,12 Кожух
13, 16, 18 Сопло
14 Теплообменник
15 Насос
17 Распределительная трубка
19 Горловина
20 Окно
21 Газопроницаемая пластина
22 Первая деталь юбки
23 Вторая деталь юбки
24 Замковое окно
25, 50, 51 Замковый выступ
26 Опора
27 Часть для измерения температуры
28 Разделительный стержень
29 Фланец
30 Соединительный элемент
31 Кабель
32 Фланец для установления
33-35 Проход
36, 43 Слой катализатора
37-39, 40-42 Реакционная зона
44 Корпус
45 Резервуар для теплоносителя
47 Регулятор температуры
48, 48' Узел для введения газа
49, 49' Конечная часть корпуса
52 Первая газопроницаемая трубка
53 Вторая газопроницаемая трубка
54 Фланцевый элемент
55 Крепежная чека
56 Элемент смещения
58 Вход для реакционного газа
59 Выход для реакционного газа
60-1 Проход для теплоносителя
60-2 Проход для теплоносителя
60-3 Проход для теплоносителя
61 Отверстие для введения теплоносителя
P Расстояние между парой пластин-теплообменников
L Период гофрировки
H Высота гофрировки
Y Стрелка, показывающая направление протекания теплоносителя
x Расстояние
Первый реактор пластинчатого типа
Первый реактор пластинчатого типа имеет реакционную емкость для взаимодействия внутри нее газообразных исходных материалов, множество пластин-теплообменников, расположенных в реакционной емкости бок о бок и устройство для введения теплоносителя, для подачи теплоносителя, имеющего желаемую температуру, в пластины-теплообменники.
В качестве реакционной емкости, может использоваться емкость, которая является пригодной для введения в нее газообразных исходных материалов (газа исходных материалов) и для высвобождения из нее газообразного продукта, и в которой множество пластин-теплообменников удерживаются бок о бок. Поскольку реакторы пластинчатого типа, как правило, используют для реакций, осуществляемых в атмосфере с повышенным давлением, является предпочтительным, чтобы реакционная емкость представляла собой емкость высокого давления, которая может выдерживать внутреннее давление 3000 кПа (килопаскаль). Примеры такой реакционной емкости включают: оболочку, включающую цилиндрическую часть или сочетание частей с цилиндрической частью; оболочку, в которой внутри имеется разделение с помощью одного или нескольких пластинчатых элементов, так что внутри нее удерживается множество пластин-теплообменников; и емкость, имеющую внутреннюю полость в форме параллелепипеда, окруженную элементами, составляющими плоские внутренние поверхности, так что внутри нее удерживается множество пластин-теплообменников.
Каждая из пластин-теплообменников содержат множество трубок-теплообменников, соединенных друг с другом в вертикальном направлении на периферии или на краях формы поперечного сечения. А именно, пластины-теплообменники представляют собой пластинчатые объекты, каждый из которых содержит множество трубок-теплообменников, расположенных в виде ряда. В каждой пластине-теплообменнике, трубки-теплообменники могут быть непосредственно соединены друг с другом или могут опосредованно соединяться друг с другом через соответствующий элемент, например, пластину или изогнутый патрубок. С точки зрения изготовления пластин-теплообменников с низкой стоимостью, является предпочтительным, чтобы каждая пластина-теплообменник формировалась посредством соединения двух стальных листов, каждый из которых формируется в виде формы, содержащей половинки формы поперечного сечения трубки-теплообменника, которые могут располагаться в виде ряда, непосредственно или опосредованно.
Интервалы пластин-теплообменников устанавливают в соответствии с конструктивным значением, и пластины-теплообменники могут располагаться через равные интервалы или через различные интервалы двух или более видов. Например, в случае реакционной емкости, имеющей прямоугольную внутреннюю форму, пластины-теплообменники располагаются так, что оси соответствующих пластины-теплообменники являются параллельными друг другу и оси соответствующих трубок-теплообменников в каждой пластине-теплообменнике являются параллельными осям в других пластинах-теплообменниках. Кроме того, в случае, например, реакционной емкости, имеющей цилиндрическую внутреннюю полость, пластины-теплообменники могут располагаться образом, описанным выше, или могут располагаться так, что оси пластин-теплообменников ориентируются вдоль радиальных направлений поперечного сечения реакционной емкости и оси трубок-теплообменников в каждой пластине-теплообменнике являются параллельными осям в других пластинах-теплообменниках (то есть, располагаются радиально).
Количество пластин-теплообменников, которые должны удерживаться в реакционной емкости, не ограничивается как-либо. Практически, их количество определяется количеством катализатора, необходимого для реакции. Обычно их количество составляет от десятков до нескольких сотен. С точки зрения реализации высокой производительности при промышленном получении реакционного продукта, количество пластин-теплообменников, которое должно удерживаться в реакционной емкости, предпочтительно представляет собой такое количество, что общий объем пространства между пластинами-теплообменниками составляет 3 л (литра) или больше, более предпочтительно, представляет собой такое количество, что их общий объем составляет 100 л или больше, еще более предпочтительно, представляет собой такое количество, что общий объем их составляет 250 л или больше. В случае, когда промежуточные вставки должны вставляться в пространство между пластинами-теплообменниками, объем каждой секции, окруженной промежуточными вставками и пластинами-теплообменниками, предпочтительно составляет 1 л или больше, более предпочтительно, 10 л или больше.
Расстояние между осями пластин-теплообменников, удерживаемых в реакционной емкости, равно 10-50 мм, с точки зрения достаточного контроля температуры реакции при газофазной каталитической реакции. Термин "ось пластины-теплообменника" имеет следующее значение. В сечении пластины-теплообменника, полученном посредством разрезания пластины-теплообменника, если смотреть из пространства около нее, вдоль направления прохождения газа через пространство, когда все трубки-теплообменники в пластине-теплообменнике соединяются на прямой линии, это прямая линия представляет собой ось пластин-теплообменников. Когда соединительные детали всех трубок-теплообменников не представлены на прямой лини, ось этой пластины-теплообменника представляет собой прямую линию, проходящую через средние точки между двумя параллельными линиями, между которыми заключаются все соединительные детали.
Расстояние между осями пластин-теплообменников предпочтительно составляет 10-50 мм (в 1,1-5 раз превышает сумму половины ширины трубок-теплообменников в одной из соседних пластин-теплообменников и половины ширины трубок-теплообменников в другой), более предпочтительно, 10-40 мм, еще более предпочтительно, 20-35 мм, в терминах среднего значения, с точки зрения эффективного удаления тепла, сопровождающего реакцию, чтобы тем самым предотвратить повреждение катализатора из-за возникновения горячих пятен в слое катализатора (в случае экзотермической реакции), в то же время, регулируя температуру всех слоев катализатора до значения в оптимальном диапазоне и тем самым получая высокое преобразование и в высшей степени удовлетворительные результаты реакции.
Расстояние между осями пластин-теплообменников зависит также от диаметра катализатора (обычно, предпочтительно, 1-10 мм, в случае промышленных катализаторов) и от химической активности катализатора, и даже от высокотемпературных рабочих характеристик катализатора. По отношению к удалению тепла реакции, контроль реакции становится проще, когда расстояние между осями пластин-теплообменников становится меньше. Однако когда расстояние между осями пластин-теплообменников составляет не больше чем 5-10 диаметров катализатора, имеются случаи, когда происходит сводообразование во время набивки катализатора, что приводит к уменьшению плотности набивки.
В реакционной емкости, пластины-теплообменники могут располагаться так, что поверхностные выступы на одной пластине-теплообменнике находятся напротив выступов на поверхности другой, или могут располагаться так, что выступы на поверхности одной пластины-теплообменника находятся напротив бороздок на поверхности другой пластины-теплообменника.
Как правило, трубки-теплообменники располагаются так, что когда пластины-теплообменники удерживаются в реакционной емкости, оси трубок-теплообменников простираются в направлении, которое пересекается с направлением прохождения газа в реакционной емкости. В этом случае, угол между осями трубок-теплообменников и направлением прохождения газа в реакционной емкости не ограничивается как-либо, постольку, поскольку оси трубок-теплообменников пересекают направления прохождения газа в реакционной емкости. С точки зрения контроля реакция исходных материалов посредством регулировки температуры теплоносителя в трубках-теплообменниках, более предпочтительно, трубки-теплообменники располагаются так, что оси трубок-теплообменников являются перпендикулярными направлению прохождения газа в реакционной емкости, то есть, направление потока, в котором теплоноситель протекает через трубки-теплообменники, является перпендикулярным направлению прохождения газа в реакционной емкости.
Трубки-теплообменники состоят из материала, имеющего такую теплопроводность, что осуществляется теплообмен между теплоносителем, присутствующем в трубках-теплообменниках, и слоями катализатора в контакте с наружными поверхностями трубок-теплообменников. Примеры такого материала включают нержавеющие стали, углеродистую сталь, Hastelloy, титан, алюминий, инженерные пластики и медь. Является предпочтительным использование нержавеющей стали. Предпочтительные нержавеющие стали представляют собой 304, 304L, 316 и 316L. Форма поперечного сечения трубок-теплообменников может представлять собой круговую, приблизительно круговую форму, такую как эллиптическая форма или форма мяча для регби, форму листа, сформированную посредством симметричного соединения круговых дуг, или многоугольную форму, например, прямоугольник, или может представлять собой форму, составляющую сочетание двух или более из них. Термин "периферия формы поперечного сечения трубки-теплообменники" означает периферию круга, в то время как термин "края формы поперечного сечения трубки-теплообменники" означает края по отношению к большой оси приблизительно круговой формы или угловые края многоугольной формы.
В каждой пластине-теплообменнике, диаметр трубок-теплообменников, как измерено в аксиальном направлении пластин-теплообменников, предпочтительно равен 10-100 мм, более предпочтительно, 15-70 мм, еще более предпочтительно, 20-50 мм, с точки зрения обеспечения достаточной (1) изгибной (на изгиб) жесткости в направлении, перпендикулярном как оси пластин-теплообменников, так и осям трубок-теплообменников, (2) формуемости формы трубок-теплообменников и точности формования, и (3) площади поверхностей теплообмена, необходимых для удаления тепла реакции, и с точки зрения получения (4) соответствующего распределения потока реакционного газа и умеренного коэффициента теплопередачи слоя катализатора, и (5) умеренной скорости потока и коэффициента теплопередачи теплоносителя в трубках-теплообменниках.
В каждой пластине-теплообменнике, радиус трубок-теплообменников, как измерено в направлении, перпендикулярном оси пластин-теплообменников, равен 1,5-25 мм, с точки зрения достаточного контроля температуры реакции при газофазных каталитических реакциях. Радиус трубок-теплообменников предпочтительно равен 1,5-25 мм, более предпочтительно, 3-20 мм, еще более предпочтительно, 5-15 мм, с точки зрения (1) контроля расстояния между соседними пластинами-теплообменниками, в соответствии с теплом реакции, генерируемым между пластинами-теплообменниками, и тем самым регулирования температуры слоя катализатора, с точки зрения обеспечения достаточной (2) площади поверхностей теплообмена, необходимых для удаления тепла реакции, и (3) формуемости формы трубок-теплообменников и точности формования, и с точки зрения получения (4) умеренного распределения скоростей турбулентного потока реакционного газа и умеренного коэффициента теплопередачи слоя катализатора, (5) умеренных потерь давления реакционного газа и (6) умеренной скорости потока и коэффициента теплопередачи теплоносителя в трубках-теплообменниках.
В реакторе пластинчатого типа, расстояние между пластинами-теплообменниками регулируется для цели контроля температуры слоев катализатора. Радиус трубок-теплообменников, как измерено в аксиальном направлении каждой пластины-теплообменника, и их радиус, как измерено в направлении, перпендикулярном оси, которые были описаны выше, связаны с расстоянием между пластинами-теплообменниками, а также с диаметром частиц катализатора. Когда эти радиусы находятся в диапазонах, показанных выше, эта цель может быть достигнута.
Вообще говоря, в каждой пластине-теплообменнике, множество трубок-теплообменников могут иметь одинаковую форму поперечного сечения и размер или могут различаться по форме поперечного сечения или по размеру.
Длина в аксиальном направлении трубок-теплообменников не ограничивается как-либо. Однако их длина, как правило, равна 0,5-20 м. С точки зрения массового производства реакционного продукта, длина в аксиальном направлении трубок-теплообменников предпочтительно равна 3-15 м, более предпочтительно, 6-10 м.
Длина каждой пластины-теплообменника, как измерено в ее аксиальном направлении (то есть, в направлении соединения трубок-теплообменников, в сечении трубок-теплообменников, которое перпендикулярно осям трубок-теплообменников) предпочтительно равна 5 м или меньше, более предпочтительно, 0,5-2 м, еще более предпочтительно, 0,5-1,5 м, с точки зрения предотвращения изгиба или иной деформации пластин-теплообменников, удерживаемых в реакционной емкости.
Стандарты ширины листов и доступность стальных листов для использования при изготовлении пластин-теплообменников также важны для изготовления практичных и недорогих пластин-теплообменников. Обычно, размеры доступных стальных листов составляют 1,5-2 м или меньше, также и на международном рынке. Следовательно, когда желательной является ширина листа, превышающая такой практичный размер, можно соединять два или более стальных листов и использовать соединенный лист. Однако имеются случаи, когда формуемость деталей из соединенных стальных листов приводит к уменьшению точности формования.
Для реализации конструктивного значения расстояния между поверхностями пластин-теплообменников, отклонения, связанные с формованием стальных листов, являются важными. Отклонения, связанные с формованием стальных листов, включают отклонения, измеренные в аксиальном направлении трубок-теплообменников, и отклонения, измеренные в направлении соединения трубок-теплообменников, и оба вида отклонений являются важными. В особенности, когда расстояние между поверхностями пластин-теплообменников изменяется в направлении протекания реакционного газа (обычно, в направлении соединения трубок-теплообменников), точность формования формы трубок-теплообменников, в терминах точности в направлении протекания реакционного газа, является особенно важной. С точки зрения уменьшения таких отклонений до желаемого значения или ниже него, длина в аксиальном направлении пластин-теплообменников предпочтительно составляет 2 м или меньше.
Конструктивное значение расстояния между поверхностями противоположных пластин-теплообменников равно 5-50 мм. Термин "расстояние между поверхностями пластин-теплообменников" означает расстояние в пространстве между противоположными пластинами-теплообменниками, между поверхностями пластин-теплообменников, как измерено в направлении, перпендикулярном плоскости, по отношению к которой плоскости, состоящие из осей пластин-теплообменников, являются эквидистантными. Альтернативно, термин "расстояние между поверхностями пластин-теплообменников" имеет следующее значение. В сечении пластин-теплообменников, сформированном посредством разрезания пластин-теплообменников, если смотреть из соседнего с ними пространства вдоль направления прохождения газа через пространство, этот термин означает расстояние между поверхностями пластин-теплообменников, как измерено в направлении, перпендикулярном линии, по отношению к которой оси пластин-теплообменников являются эквидистантными. Когда трубки-теплообменники должны присоединяться к устройству для введения теплоносителя, трубки-теплообменники, как правило, соединяются с устройством для введения теплоносителя с помощью сварки для предотвращения утечки теплоносителя в реакционную емкость и для предотвращения утечки газа из реакционной емкости в трубки-теплообменники или в устройство для введения теплоносителя. Следовательно, пластины-теплообменники, как правило, необратимо фиксируются в реакционной емкости. Поэтому, расположение пластин-теплообменников в реакционной емкости, как правило, задается на основе конструктивного значения в соответствии с желаемыми результатами реакции.
Конструктивное значение может определяться на основе требований к контролю реакций и к результатам реакции. Требования к контролю реакции могут определяться, например, на основе верхнего предела абсолютного значения пиковой температуры слоев катализатора в течение реакции. По отношению к результатам реакции, требования могут определяться, например, в основном на основе выхода продукта, в то же время, принимая в расчет преобразование исходных материалов и селективность по отношению к продукту. Конструктивное значение определяется в терминах толщины слоев катализатора, то есть, расстояния между поверхностями пластин-теплообменников, которое удовлетворяет требованиям к контролю реакции и требованиям к результатам реакции, в то же время, принимая в расчет другие факторы, такие как вид катализатора, композицию и скорость потока газа исходных материалов, температуру теплоносителя, и тому подобное. Вообще говоря, пиковая температура слоев катализатора представляет собой максимальную температуру слоев катализатора в экзотермических реакциях и представляет собой минимальную температуру слоев катализатора в эндотермических реакциях.
Конструктивное значение может определяться посредством: вычислений, основанных на компьютерном моделировании; эксперимента с использованием устройства для исследования, такого как реактор пластинчатого типа, имеющий простую конфигурацию, например, имеющий только одну пару пластин-теплообменников, или компактный реактор пластинчатого типа, имеющий общую емкость набивки катализатора примерно 3 л; или эксперимента с использованием трубчатого устройства для исследования реакции, содержащего одну реакционную трубку, набитую катализатором, и кожух для циркуляции теплоносителя вокруг реакционной трубки. Компьютерное моделирование может осуществляться с использованием программного обеспечения, такого, например, как CFX, производится Ansys, Inc., STAR-CD, производится CD-adapco Company, или gPROMS, производится PSE Ltd.
Конструктивное значение предпочтительно составляет 5-50 мм, более предпочтительно, 7-30 мм, еще более предпочтительно, 10-25 мм, с точек зрения точного контроля реакции, результатов реакции (выхода или селективности реакции) и производительности для реакционного продукта на единичное количество катализатора (часовой объемный выход). С точки зрения предоставления катализатору возможности для достижения высокой производительности, предпочтительным является меньшее расстояние между поверхностями пластин-теплообменников, поскольку контроль температуры является более простым и возможен прецизионный контроль реакции. Однако расстояние между поверхностями пластин-теплообменников ограничивается также диаметром частиц катализатора, которые должны вставляться. Диаметр частиц катализатора 1-10 мм часто используют в промышленных катализаторах, и конструктивное значение может предпочтительно определяться в пределах диапазона, показанного выше, а также с точки зрения этих требований.
Отклонение реального значения от конструктивного значения расстояния между поверхностями противоположных пластин-теплообменников (реальное значение) - (конструктивное значение) составляет от -0,6 до +2,0 мм. Здесь, "-" означает, что реальное значение меньше, чем конструктивное значение, в то же время, "+" означает, что реальное значение больше, чем конструктивное значение.
Пока расстояние между поверхностями пластин-теплообменников находится в пределах 5-50 мм, расстояние может представлять собой расстояние между любыми участками, расположенными на поверхностях противоположных пластин-теплообменников. Например, когда трубка-теплообменник, расположенная в крайнем переднем положении в направлении прохождения газа исходных материалов в реакционной емкости, среди трубок-теплообменников, содержащихся в каждой пластине-теплообменнике, упоминается как трубка-теплообменник A, тогда термин "расстояние между поверхностями пластин-теплообменников" может означать расстояние между выступами, принадлежащими трубкам-теплообменникам A пары противоположных пластин-теплообменников, или может означать расстояние между бороздками, принадлежащими соединенным деталям, сформированным посредством соединения трубок-теплообменников A с соседними трубками-теплообменниками на задней стороне в паре противоположных пластин-теплообменников, или может означать расстояние между бороздкой, принадлежащей соединенной детали, сформированной посредством соединения трубки-теплообменника A с соседней расположенной на задней стороне трубкой-теплообменником в одной или другой из пары противоположных пластин-теплообменников и выступом, принадлежащим трубке-теплообменнику A второй пластины из пары.
Расстояние между поверхностями пластин-теплообменников может измеряться, например, посредством вставки стержня, имеющего такую же толщину, как конструктивное значение расстояния между поверхностями. Альтернативно, расстояние между поверхностями пластин-теплообменников может измеряться с помощью способа, в котором измерительный элемент, содержащий элемент вставляемого стержня, должен вставляться в пространство, и элемент измерительного стержня, имеющий такую же длину, как конструктивное значение и расположенный на краю элемента вставляемого стержня, перпендикулярно к оси элемента вставляемого стержня, вставляется в пространство и, в момент времени, когда края элемента измерительного стержня вступают в контакт с поверхностями пластин-теплообменников в пространстве, измеряют угол или угол вращения оси элемента вставляемого стержня. Из этого угла, может определяться расстояние между теми участками поверхностей пластин-теплообменников, которые вступают в контакт с элементом измерительного стержня.
Когда отклонение реального значения от конструктивного значения больше, чем +2,0 мм, имеются случаи, когда невозможно осуществление достаточного контроля реакций, замедления резкого увеличения скорости реакции, предотвращения повреждения катализатора и предотвращения уменьшения выхода реакции. Когда отклонение реального значения от конструктивного значения представляет собой значение, которое ниже -0,6 мм, имеются случаи, когда введение катализатора в пространства между пластинами-теплообменниками может встретить трудности, или случаи, в которых, даже когда катализатор вводится без увеличения трудностей, сформированные слои катализатора имеют пониженную плотность набивки, которая приводит к дефициту количества катализатора и делает невозможным достижение желаемого преобразования. С точки зрения более точного контроля реакции, отклонение реального значения от конструктивного значения предпочтительно составляет от -0,5 до +1,5 мм, более предпочтительно, от -0,5 до +1,0 мм, еще более предпочтительно, от -0,3 до +1,0 мм.
Наиболее предпочтительно, чтобы отклонение реального значения от конструктивного значения находилось в пределах от -0,6 до +2,0 мм по всему реактору пластинчатого типа. Однако, с точки зрения достижения, как предотвращения резкого увеличения скорости реакции, так и поддержания высокой производительности, является желательным, чтобы отклонение каждого, по меньшей мере, из 50% от всех реальных значений от конструктивного значения находилось в пределах от -0,6 до +2,0 мм, и является предпочтительным, чтобы отклонение каждого, по меньшей мере, из 70% всех реальных значений от конструктивного значения находилось в пределах от -0,6 до +2,0 мм. Является более предпочтительным, чтобы отклонение каждого, по меньшей мере, из 80% их от конструктивного значения находилось в пределах от -0,6 до +2,0 мм, и является еще более предпочтительным, чтобы отклонение каждого, по меньшей мере, из 90% их от конструктивного значения находилось в пределах от -0,6 до +2,0 мм.
Количество участков измерения для измерения реального значения в аксиальном направлении пластин-теплообменников предпочтительно составляет 2-30, более предпочтительно, 5-25, еще более предпочтительно, 10-20. Количество участков измерения для измерения реального значения в аксиальном направлении трубок-теплообменников пластин-теплообменников, составляет предпочтительно 2-50, более предпочтительно, 5-30, еще более предпочтительно, 10-20.
Как будет описываться далее, имеются случаи, когда промежуточные вставки (перегородки) вставляются между соседними пластинами-теплообменниками для контроля расстояния между пластинами-теплообменниками. В этом случае, поскольку промежуточные вставки имеют воздействие регулирования пространства между пластинами-теплообменниками, реальное значение может измеряться на двух участках, выбранных из средних точек между промежуточными вставками. Когда должно располагаться множество промежуточных вставок, промежуточные вставки обычно располагаются с интервалами от 50 см до 1 м. Однако, пока расстояние между пластинами-теплообменниками может контролироваться посредством использования очень жестких пластин-теплообменников и создания боковых пластин, и сваривания их вместе для соединения пластин-теплообменников друг с другом, является возможным использование расстояния между промежуточными вставками 1 м или больше.
В случае, когда каждая из пластин-теплообменников должна формироваться, например, посредством соединения двух формованных стальных листов, отклонение реального значения от конструктивного значения может регулироваться с тем, чтобы оно находилось в пределах от -0,6 до +2,0 мм, например, посредством осуществления способа, в котором выбирают и используют формованные с высокой точностью стальные листы, имеющие достаточно малое отклонение от конструктивного значения при формовании стального листа (например, отклонение в пределах ±0,5 мм), и способ, в котором формованные стальные листы, имеющие недостаточную точность, отбирают, выпрямляют для повышения точности и используют. По отношению к отклонению от конструктивного значения при формовании стального листа, например, лазерные датчики смещения располагаются соответствующим образом на обеих сторонах сформованного стального листа и либо датчики смещения, либо стальной лист перемещают для измерения таким способом смещений на каждой поверхности сформованного стального листа. Таким образом, можно определить форму и точность формования сформированного стального листа и отклонения от конструктивного значения.
Кроме того, использование трубок-теплообменников, имеющих в аксиальном направлении длину 10 м или меньше, в качестве трубок-теплообменников является эффективным с точки зрения предотвращения изгиба трубок-теплообменников и пластин-теплообменников и является предпочтительным с точки зрения регулирования отклонения реального значения от конструктивного значения в пределах от -0,6 до +2,0 мм.
Отклонение реального значения от конструктивного значения может представлять собой одно значение. Однако отклонение может иметь множество значений, отличающихся вдоль аксиального направления каждой из пластин-теплообменников в соответствии с ожидаемым преобразованием в газофазной каталитической реакции, в которой используют пластины-теплообменники. Например, при газофазной каталитической реакции является предпочтительным, чтобы входная часть для газа исходных материалов у пространства для реакции между пластинами-теплообменниками, в которой реакция является особенно жесткой и преобразование исходных материалов является низким, должна изготавливаться с меньшим отклонением реального значения от конструктивного значения, чем выходная часть для газа исходных материалов. А именно, является предпочтительным, с точки зрения предотвращения резкого увеличения скорости реакции, чтобы отклонение реального значения от конструктивного значения было меньше на передней стороне в направлении прохождения газа в пространстве между пластинами-теплообменниками.
С этой точки зрения, является предпочтительным, чтобы отклонение реального значения от конструктивного значения, как измерено на участке, где исходный материал имеет преобразование 70% или меньше, было сделано меньше, и является более предпочтительным, чтобы отклонение реального значения от конструктивного значения, как измерено на участке, где исходный материал имеет преобразование 60% или меньше, было сделано меньше. Является еще более предпочтительным, чтобы отклонение реального значения от конструктивного значения, как измерено на участке, где исходные материалы имеют преобразование 50% или меньше, было сделано меньше. Кроме того, с точки зрения, описанной выше, отклонение реального значения от конструктивного значения, как измерено на этом участке, было меньше чем отклонение реального значения от конструктивного значения, как измерено на другом участке, предпочтительно, на 0,2 мм или более, в терминах абсолютного значения, более предпочтительно, на 0,5 мм или более, в терминах абсолютного значения.
Участок, где исходные материалы начинают иметь заданное значение преобразования в аксиальном направлении пластин-теплообменников в пространстве между пластинами-теплообменниками, определяется различными условиями, относящимися к ходу реакции и теплопроводности, такими как форма поперечного сечения и размер труб-теплообменников, температура и скорость потока теплоносителя, протекающего через трубки-теплообменники, расстояние между поверхностями пластин-теплообменников, вид катализатора и композиция, и скорость потока газа исходных материалов. Участок может определяться, например, посредством эксперимента с использованием любого из устройств для исследования, описанных выше, или вычисления с помощью компьютерного моделирования, описанного выше.
Устройство для введения теплоносителя представляет собой устройство, которое соединено с трубками-теплообменниками пластин-теплообменников на обоих краях трубок-теплообменников и служит для подачи теплоносителя, имеющего желаемую температуру, в трубки-теплообменники. В качестве устройства для введения теплоносителя, может использоваться обычное устройство для подачи теплоносителя в трубки-теплообменники в реакторах пластинчатого типа. Устройство для введения теплоносителя может представлять собой устройство, которое подает теплоноситель в одном направлении во множество трубок-теплообменников, или может представлять собой устройство, которое подает теплоноситель в одном направлении в часть из множества трубок-теплообменников и подает теплоноситель в обратном направлении в другую часть множества трубок-теплообменников.
Является предпочтительным, чтобы устройство для введения теплоносителя имело множество камер для циркуляции теплоносителя, разделенных в направлении, которое пересекает аксиальное направление пластин-теплообменников, с точки зрения формирования множества реакционных зон в каждом слое катализатора вдоль аксиального направления пластин-теплообменников. Устройство для введения теплоносителя предпочтительно представляет собой устройство, осуществляющее циркуляцию теплоносителя внутри и снаружи реакционной емкости посредством трубок-теплообменников.
Устройство для введения теплоносителя имеет устройство, которое регулирует температуру теплоносителя, который должен подаваться в трубки-теплообменники. Примеры такого устройства включают теплообменник, расположенный в канале для циркуляции теплоносителя, смеситель для теплоносителя, для смешивания теплоносителя, присутствующего в камерах устройства для введения теплоносителя, с теплоносителем, имеющем другую температуру, устройство для измерения температуры теплоносителя и устройство для регулирования скорости потока теплоносителя. В качестве смесителя для теплоносителя, может использоваться распределительная трубка, которая выступает в устройство для введения теплоносителя и может подавать с распределением теплоноситель в устройство для введения теплоносителя, проницаемая для жидкости пластина, расположенная в устройстве для введения теплоносителя, и смеситель стационарного типа, называемый обычно статическим смесителем.
Примеры распределительной трубки включают: распределительную трубку, имеющую множество узлов для прохождения жидкости, таких как щели или отверстия, сформированные в стенке трубки, в продольном направлении распределительной трубки; и распределительную трубку, которая дополнительно имеет разветвленные трубки, имеющие узлы для прохождения жидкости. Является предпочтительным, чтобы распределительная трубка располагалась с тем, чтобы она простиралась в направлении, перпендикулярном к направлению, в котором протекает теплоноситель в устройстве для введения теплоносителя. Является предпочтительным, чтобы распределительная трубка, имеющая разветвленные трубки, имела главную трубку и ответвляющиеся трубки и располагалась так, чтобы как главная трубка, так и ответвляющиеся трубки простирались в направлениях, перпендикулярных к направлению, в котором протекает теплоноситель, в устройстве для введения теплоносителя, и чтобы направление, в котором простирается главная трубка, и направление, в котором простираются ответвляющиеся трубки, были перпендикулярны друг к другу, с точек зрения улучшения эффективности диспергирования теплоносителя, имеющего различные температуры, и уменьшения потерь давления.
Первый реактор пластинчатого типа может дополнительно иметь составляющие элементы, иные, чем те, которые описаны выше. Примеры таких иных составляющих элементов включают промежуточные вставки, газопроницаемые пробки, устройства для измерения температуры и обкладочные детали для пластин.
Промежуточные вставки (перегородки) представляют собой элементы для формирования заданного расстояния между пластинами-теплообменниками. Промежуточные вставки располагаются в контакте с поверхностями пластин-теплообменников и предпочтительно имеют жесткость, достаточную для поддержания расстояния между пластинами-теплообменниками. В случае, когда промежуточные вставки состоят из материала стали, является предпочтительным, чтобы промежуточные вставки представляли собой элементы, которые находятся в чередующемся контакте с поверхностями пластин-теплообменников в аксиальном направлении пластин-теплообменников, с точки зрения уменьшения количества материалов стали, необходимых для реактора пластинчатого типа. С точки зрения предотвращения изгиба или иной деформации пластин-теплообменников в реакционной емкости, является предпочтительным, чтобы промежуточные вставки представляли собой элементы, которые находятся в непрерывном контакте с поверхностями пластин-теплообменников в аксиальном направлении пластин-теплообменников. Кроме того, с точки зрения набивки катализатора, является предпочтительным, чтобы промежуточные вставки представляли собой элементы, которые не позволяют катализатору проходить через них в аксиальном направлении трубок-теплообменников, поскольку такие промежуточные вставки могут разделять пространства между пластинами-теплообменниками на секции, имеющие заданный объем. А именно, такие промежуточные вставки являются предпочтительными с точки зрения простой и точной набивки катализатора в пространства между пластинами-теплообменниками. Является предпочтительным, чтобы промежуточные вставки располагались либо на 10, либо на большем количестве участков, либо через интервалы 100-1000 мм в аксиальном направлении трубок-теплообменников, с точки зрения предотвращения деформации пластин-теплообменников в реакционной емкости. Примеры промежуточных вставок включают элементы различной формы, такие как стержни, пластины и блоки, и дополнительно включают перегородки, используемые во втором реакторе пластинчатого типа, который будет описываться далее.
Газопроницаемые пробки представляют собой элементы, которые имеют проницаемость для газа и, которые служат, чтобы закрывать с возможностью свободного удаления края пластин-теплообменников в аксиальном направлении у пространств между пластинами-теплообменниками или у секций, когда реактор дополнительно имеет промежуточные вставки, в то же время, предотвращая прохождение катализатора через них. Примеры таких газопроницаемых пробок включают элементы, каждый из которых включает: газопроницаемую пластину, которая закрывает край в аксиальном направлении пластины-теплообменника у пространства между пластинами-теплообменниками или у каждой из секций; и замковый элемент, расположенный на газопроницаемой пластине и закрепляющий с возможностью свободного удаления любую пластину-теплообменник или промежуточную вставку. Является предпочтительным, чтобы газопроницаемые пробки представляли собой элементы, которые с возможностью свободного удаления располагались на краях секций, с точки зрения простой и точной набивки катализатора в пространства между пластинами-теплообменниками. В качестве газопроницаемых пробок, могут использоваться газопроницаемые пробки, используемые во втором реакторе пластинчатого типа, который будет описываться далее.
Устройства для измерения температуры представляют собой устройства, с помощью которых измеряют температуру слоев катализатора, сформированных в пространствах между пластинами-теплообменниками. Примеры таких устройств для измерения температуры включают устройство, имеющее опору, имеющую гибкость, и часть для измерения температуры, находящуюся на опоре. В качестве опоры, может использоваться гибкая струна, лента, цепь или трубка. Примеры части для измерения температуры включают платиновый термометр сопротивления баллонного типа, термистор, термопару и термометр типа оптического волокна.
Количество таких устройства для измерения температуры, которые должны располагаться в одной реакционной емкости, предпочтительно составляет 2-20, с точки зрения полного определения температур слоев катализатора. Толщина (ширина) опоры предпочтительно равна 0,5-5 мм. По отношению к частям для измерения температуры, является предпочтительным размещать 1-30 частей для измерения температуры на каждой опоре, с точки зрения отражения измерения температуры каждого слоя катализатора при контроле реакции. В случае, когда в каждом слое катализатора формируется множество реакционных зон, является предпочтительным размещать по 1-10 частей для измерения температуры на каждую реакционную зону. Каждое устройство для измерения температуры может соответствующим образом располагаться в пространстве между пластинами-теплообменниками посредством линейного растяжения опоры в пространстве с тем, чтобы она располагалась в положении, по отношению к которому соседние пластины-теплообменники являются эквидистантными, и набивки катализатора в пространство, в то же время, поддерживая опору в растянутом состоянии. В случае, когда устройства для измерения температуры используют для цели изучения влияния деформации на пластины-теплообменники или отклонений формы трубок-теплообменников на частичную аномалию реакции или на аномалию распределения температуры слоев катализатора, необходимо измерять температуру на двух или более участках на каждый слой катализатора. С точки зрения облегчения контроля реакции, предпочтительным является большее количество участков измерения температуры.
Обкладочная деталь для пластин представляют собой элемент, который располагается в контакте с пластинами-теплообменниками, расположенный соответственно на обоих краях в направлении, в котором все пластины-теплообменники расположены бок о бок, так что обкладочная деталь для пластин блокирует прохождение газа исходных материалов, по меньшей мере, вдоль аксиального направления трубок-теплообменников, и она удерживает множество пластин-теплообменников в направлении, в котором пластины-теплообменники располагаются бок о бок. Обкладочная деталь для пластин может располагаться в реакционной емкости или может составлять пару противоположных стенок реакционной емкости. Обкладочная деталь для пластин является предпочтительной с точки зрения предотвращения возникновения застоя газа вблизи стенок реакционной емкости. Примеры обкладочной детали для пластин включают сочетание: пары обкладочных пластин, которые находятся в контакте, по меньшей мере, с одной трубкой-теплообменником пластин-теплообменников, расположенных, соответственно, на обоих краях в направлении, в котором множество пластин-теплообменников расположены бок о бок, так что обкладочные пластины находятся в контакте со всеми трубками-теплообменниками в направлении протяженности трубок-теплообменников; и крепежных стержней, которые пронизывают и удерживают эти обкладочные пластины.
Кроме того, является более предпочтительным, чтобы крепежные стержни представляли собой элементы, способные соединять обкладочные пластины в противоположных направлениях с заданным интервалом, такие как стержни, имеющие, по меньшей мере, на каждой конечной части, нарезанную резьбу, на которую может наворачиваться гайка, с точки зрения тонкой регулировки расстояния между каждой из обкладочных пластин и пластиной теплообменников, которая должна прокладываться между ними, с точки зрения легкого размещения каркасов для набивки катализатора или инспекции внутреннего пространства реактора пластинчатого типа, и с точки зрения осуществления изменений в реакторе пластинчатого типа, работающего при других условиях.
В первом реакторе пластинчатого типа, катализатор набивают в пространства между пластинами-теплообменниками, когда этот реактор пластинчатого типа используют в газофазной каталитической реакции. Катализатор выбирают в соответствии с исходными материалами для газофазной каталитической реакции и реакционным продуктом. В качестве катализатора, при газофазных каталитических реакциях могут использоваться обычные катализаторы в виде частиц, набитые в трубки или в пространство между пластинами-теплообменниками. Может использоваться один катализатор или два или более катализаторов. Примеры таких катализаторов включают катализаторы, имеющие диаметр частиц (диаметр большой оси) 1-20 мм. Диаметр частиц катализатора, который должен использоваться, более предпочтительно, составляет 1-10 мм. По отношению к форме катализатора, могут использоваться известные формы. Примеры их включают сферическую форму, цилиндрические формы, формы колец Рашига и формы седла.
Первый способ получения реакционного продукта
Первый реактор пластинчатого типа имеет способность осуществлять теплообмен и может использоваться для экзотермических или эндотермических реакций, для которых необходима реакционная емкость, имеющая функцию теплообмена, среди газофазных каталитических реакций, в которых используют газ исходных материалов и твердый катализатор. А именно, первый реактор пластинчатого типа может использоваться в первом способе получения реакционного продукта, который включает стадию, на которой газообразные исходные материалы поступают в реакционную емкость и проходят через слои катализатора, и стадию, на которой теплоноситель, имеющий данную температуру, подается во множество трубок-теплообменников, составляющих пластины-теплообменники, и на которой газ исходных материалов взаимодействует в присутствии катализатора с получением газообразного реакционного продукта. Такой способ получения может осуществляться таким же способом, как и для газофазных каталитических реакций, осуществляемых с использованием известных реакторов пластинчатого типа, или может осуществляться при таких же условиях, как и для газофазных каталитических реакций, осуществляемых с использованием известных многотрубчатых реакторов.
Примеры газофазных каталитических реакций, осуществляемых с помощью экзотермической реакции, включают: реакцию, в которой одно соединение из акролеина и акриловой кислоты, или как то, так и другое, получают из пропана или пропилена и кислорода; реакцию, в которой одно соединение из метакролеина и метакриловой кислоты, или как то, так и другое, получают из изобутилена и кислорода; реакцию, в которой этиленоксид получают из этилена и кислорода; реакцию, в которой один из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3 или меньше атомов углерода, и ненасыщенных жирных кислот, или как то, так и другое, получают из углеводородов, имеющих 3 атома углерода, и кислорода; реакцию, в которой один из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 4 атома углерода, и ненасыщенных жирных кислот, или как то, так и другое, получают из кислорода и одного углеводорода, имеющего 4 атома углерода, и третичного бутанола, или как то, так и другое; реакцию, в которой ненасыщенную жирную кислоту, имеющую 3 или 4 атома углерода, получают из ненасыщенного алифатического альдегида, имеющего 3 или 4 атома углерода, и кислорода; реакцию, в которой малеиновую кислоту получают из углеводорода, имеющего 4 или более атомов углерода, например, н-бутана или бензола, и кислорода; реакцию, в которой фталевую кислоту получают из ксилола и/или нафталина, и из кислорода; и реакцию, в которой бутадиен получают посредством окислительного дегидрирования бутена.
Примеры газофазных каталитических реакций, сопровождаемых эндотермической реакции, включают реакцию, в которой стирол получают посредством дегидрирования этилбензола.
Первый способ получения реакционного продукта является пригодным для использования при получении одного соединения из метакролеина и метакриловой кислоты, или как того, так и другого, одного соединения из акролеина и акриловой кислоты, или как того, так и другого, малеиновой кислоты, фталевой кислоты, этиленоксида или бутадиена.
Например, первый способ получения реакционного продукта для получения одного из (мет)акролеина (акролеина или метакролеина) и (мет)акриловой кислоты, или как того, так и другого, может осуществляться с помощью известного способа, такого, как тот, который описан в JP-A-2003-252807, в котором пропан, пропилен или изобутилен окисляется молекулярным кислородом или газом, содержащим кислород, в присутствии катализатора, за исключением того, что в качестве реактора используют первый реактор пластинчатого типа. В качестве катализатора, могут использоваться катализаторы, известные в известных способах при использовании в газофазных каталитических реакциях для получения (мет)акриловой кислоты, например, композитный оксидный катализатор Mo-V-Te, композитный оксидный катализатор Mo-V-Sb, композитный оксидный катализатор Mo-Bi и композитный оксидный катализатор Mo-V, такие как те, которые описаны в этом патентном документе.
Кроме того, первый способ получения реакционного продукта является пригодным для использования в газофазной каталитической реакции, сопровождаемой экзотермической реакцией, которая представляет собой реакцию, в которой исходные материалы, содержащиеся в газе исходных материалах, взаимодействуют в присутствии катализатора.
В первом способе получения реакционного продукта, теплоноситель подается в трубки-теплообменники из устройства для введения теплоносителя, теплоноситель имеет температуру, которая позволяет слоям катализатора во время реакции иметь распределение температуры в аксиальном направлении пластины-теплообменника, при котором пиковая температура равна заданному значению пиковой температуры слоев катализатора, заданное значение устанавливается, когда конструируется первый реактор пластинчатого типа. Такой контроль температуры теплоносителя может осуществляться с использованием известного способа контроля, например, контроля с обратной связью на основе конструктивного значения. Контроль температуры теплоносителя во время реакции предпочтительно осуществляется так, что пиковая температура слоев катализатора находится в пределах ±20°C по отношению к конструктивному значению, более предпочтительно, так, что пиковая температура слоев катализатора находится в пределах ±10°C по отношению к конструктивному значению, а еще более предпочтительно, так, что пиковая температура слоев катализатора находится в пределах ±5°C по отношению к конструктивному значению. Заданное значение определяется с помощью эксперимента, осуществляемого, когда устанавливается конструктивное значение для реактора пластинчатого типа, или посредством вычисления на основе компьютерного моделирования, описанного выше. Температура теплоносителя может контролироваться с использованием устройства для введения теплоносителя.
Способ изготовления первого реактора пластинчатого типа
Первый реактор пластинчатого типа получают посредством размещения пластин-теплообменников, оставляя, в то же время, пространство между ними так, что расстояние между поверхностями противоположных пластин-теплообменников равно конструктивному значению, и соединения трубок-теплообменников с устройством для введения теплоносителя с помощью сварки или чего-либо подобного. Пластины-теплообменники можно тут размещать, оставляя между ними расстояние, равное конструктивному значению, например, посредством размещения пластин-теплообменников бок о бок через элементы стержней, имеющих толщину, равную конструктивному значению. Элементы стержней извлекают из пространств между пластинами-теплообменниками после того как трубки-теплообменники сваривают с устройством для введения теплоносителя.
Альтернативно, в случае, когда реактор пластинчатого типа имеет промежуточные вставки, пластины-теплообменники можно размещать, оставляя между ними расстояние, равное конструктивному значению, с помощью способа, в котором пластины-теплообменники не соединяются и промежуточные вставки, чередуясь с ними, располагаются близко друг к другу.
Варианты осуществления настоящего изобретения объясняются ниже более подробно с помощью ссылок на чертежи.
Первый вариант осуществления
Как показано, например, на фиг.1 - 4, первый реактор пластинчатого типа содержит: множество пластин-теплообменников 2, содержащих трубки-теплообменники 1 и расположенных бок о бок в реакционной емкости; пару обкладочных пластин 3, которые располагаются в контакте с пластинами-теплообменниками 2, по меньшей мере, вдоль осей трубок-теплообменников 1, которые располагаются, соответственно, на обоих краях в направлении, в котором все пластины-теплообменники 2 располагаются бок о бок, и которые удерживаются между множеством пластин-теплообменников 2 в направлении, в котором пластины-теплообменники 2 располагаются бок о бок; множество крепежных стержней 4, которые соединяют эти обкладочные пластины 3; устройство 5 для введения теплоносителя, которое располагается в контакте с обоими краями трубок-теплообменников 1 пластин-теплообменников 2, и которое подает теплоноситель в трубки-теплообменники 1; газораспределительный элемент 6, который перекрывает оба края множества пластин-теплообменников 2 в направлении, пересекающем оси трубок-теплообменников 1, и который пропускает газ через пространства между соседними пластинами-теплообменниками 2; перегородки 7, которые разделяют пространства между соседними пластинами-теплообменниками 2 вдоль направления прохождения газа на множество секций для удерживания катализатора, набитого в них; газопроницаемые пробки 8, которые закрывают нижние края соответствующих секций; устройства 9 для измерения температуры, растянутых в центральных частях заданных секций в направлении, пересекающих оси трубок-теплообменников 1; и перфорированную пластину 10, расположенную с тем, чтобы перекрывать пространство, перекрывающее множество пластин-теплообменников 2.
Трубки-теплообменники 1 представляют собой трубки, которые имеют форму поперечного сечения, содержащую, в качестве главного составляющего элемента, круговую дугу, эллиптическую дугу или часть прямоугольной или многоугольной формы, и которые, например, имеют диаметр, как измерено в аксиальном направлении пластины-теплообменника 2 (диаметр большой оси, L), 30-50 мм и диаметр, как измерено в направлении, перпендикулярном аксиальному направлению пластины-теплообменника 2 (диаметр малой оси, H), 10-20 мм. Длина трубок-теплообменников 1, как правило, равна 0,1-20 м, например, 10 м. На Фиг.5 показаны трубки-теплообменники, имеющие сечение в форме листа, содержащие круговые дуги в качестве составляющих элементов формы поперечного сечения. На фиг.5, диаметр большой оси и диаметр малой оси для каждой трубки-теплообменника обозначается L и H, соответственно.
Каждая пластина-теплообменник 2 имеет форму, сформированную посредством соединения множества трубок-теплообменников 1 на краях формы поперечного сечения. Пластина-теплообменник 2 формируется из двух стальных листов, сформированных с тем, чтобы они имели форму, состоящую из ряда эллиптических дуг, посредством соединения формованных стальных листов друг с другом с помощью сварки на выступах, сформированных на краях дуг в обоих стальных листах. В качестве стальных листов, используют стальные листы, имеющие толщину 2 мм или меньше, предпочтительно, 1 мм или меньше. Форма таких стальных листов, которые формируются, точно проверяется. Сформованные стальные листы, у которых отклонение от конструктивного значения в течение формования находится, например, в пределах ±1%, используют как есть, в то время как формованные стальные листы, у которых отклонение от конструктивного значения в течение формования превышают ±5%, используют после выпрямления с тем, чтобы получить отклонение от конструктивного значения в течение формования в пределах ±2%.
Вообще говоря, соседние пластины-теплообменники 2 могут располагаться так, что выступы на поверхности одной пластины 2 располагаются напротив выступов другой. В реакторе пластинчатого типа, показанном на фиг.1, однако, соседние пластины-теплообменники 2 располагаются так, что выступ на поверхности одной пластины-теплообменники 2 располагается напротив бороздок на поверхности другой пластины-теплообменники 2.
Каждая пластина-теплообменник 2 может состоять из трубок-теплообменников 1, которые все одинаковы, или может состоять из трубок-теплообменников 1, отличающихся по размерам поперечного сечения. Например, пластина-теплообменник 2 может представлять собой пластину, в которой верхняя часть, средняя часть и нижняя часть пластины-теплообменники 2 состоят, соответственно, из трех видов трубок-теплообменников, отличающихся по размерам поперечного сечения. Более конкретно, как показано на фиг.7, пластина-теплообменник 2 формируется так, что большие оси трех видов трубок-теплообменников располагаются на одной прямой линии. Например, пластина-теплообменник 2 может представлять собой пластину, у которой верхняя часть пластины-теплообменника 2, которая составляет 20% высоты пластины-теплообменника 2, состоит из трубок-теплообменников a, имеющих наибольший размер поперечного сечения, средняя часть пластины-теплообменники 2, которая составляет 30% высоты пластины-теплообменника 2, состоит из трубок-теплообменников b, имеющих второй, наибольший размер поперечного сечения, нижняя часть пластины-теплообменника 2, которая составляет 40% высоты пластины-теплообменники 2, состоит из трубок-теплообменников c, имеющих самый маленький размер поперечного сечения, и 10% высоты пластины-теплообменника 2 состоит из соединенных частей пластин, служащих в качестве верхней конечной части и нижней конечной части пластины-теплообменника 2. Форма поперечного сечения трубок-теплообменников представляет собой форму листа, которая имеет, например, диаметр большой оси (L) 50 мм и диаметр малой оси (H) 20 мм, и форма поперечного сечения трубок-теплообменников b представляет собой форму листа, которая имеет, например, диаметр большой оси (L) 40 мм и диаметр малой оси (H) 16 мм. Форма поперечного сечения трубок-теплообменников c представляет собой форму листа, которая имеет, например, диаметр большой оси (L) 30 мм и диаметр малой оси (H) 10 мм.
Пластины-теплообменники 2 имеют длину, как измерено в аксиальном направлении пластин-теплообменников 2, как правило, 0,5-10 м, предпочтительно, 2 м или меньше. В случае, когда является желаемой пластина-теплообменник 2, имеющая длину в аксиальном направлении 2 м или больше, две пластины-теплообменники 2 могут использоваться либо после соединения друг с другом, либо в сочетании.
Обкладочные пластины 3 представляют собой пару пластин, как показано на фиг.2 и фиг.3. Например, пластины 3 представляют собой пару пластин, изготовленных из нержавеющей стали. Обкладочные пластины 3 формируются с тем, чтобы они были больше, чем пластины-теплообменники 2, так, что обкладочные пластины 3 могут соединяться с помощью крепежных стержней 4 на крайних частях.
Как показано на фиг.3, крепежные стержни 4 представляют собой множество стержней, которые пронизывают и соединяют пару обкладочных пластин 3. Например, крепежные стержни 4 представляют собой стержни из нержавеющей стали, каждый из них имеет резьбу на каждой конечной части. Как показано на фиг.2 - фиг.4, обкладочные пластины 3 фиксируются в положениях, где обкладочные пластины 3 находятся в контакте с наружной периферией трубок-теплообменников 1 (трубки-теплообменники a), расположенных в верхней части пластин-теплообменников 2, посредством наворачивания гаек на обе конечные части крепежных стержней 4. Обкладочные пластины 3 могут фиксироваться в положениях, отличающихся по направлениям, в которых между ними расположены пластины-теплообменники 2, в пределах резьбы, сформированной на крепежных стержнях 4. Крепежные стержни 4 располагаются в таких же положениях, как перегородки 7, расположенные в пространствах между пластинами-теплообменниками 2, если смотреть с вертикального направления. Пара обкладочных пластин 3 и крепежные стержни 4 составляют часть обкладочных пластин.
Как показано на фиг.1 и фиг.2, устройство для введения теплоносителя 5 содержит: пару кожухов 11 и 12, изготовленных из нержавеющей стали, которые представляют собой пару емкостей, соответственно, в контакте с обоими краями трубок-теплообменников 1 пластин-теплообменников 2, и имеет отверстия, например, соответствующие трубкам-теплообменникам 1, находящимся в контакте с ними; сопла 13, расположенные в кожухах и используемые для подачи и высвобождения теплоносителя; теплообменник 14 для регулирования температуры теплоносителя, высвобождающегося из кожуха 11; и насос 15 для циркуляции теплоносителя между кожухом 11 и теплообменником 14. Устройство для введения теплоносителя 5 газонепроницаемым образом соединяется с обкладочными пластинами 3 на частях боковых краев обкладочных пластин 3 с использованием обычных крепежных элементов, таких как резьба и гайки, и уплотнений, таких как манжеты.
Внутреннее пространство кожухов 11 и 12 может соответствующим образом разделяться на камеры, которые являются непрерывными или блокируются вдоль направления, пересекающего оси пластин-теплообменников 2, так что теплоноситель протекает в одном направлении через каждый из наборов из заданного количества трубок-теплообменников 1 или протекает в противоположных направлениях через них, в кожухи 11 и 12 и из них.
Устройство для введения теплоносителя 5 может, например, представлять собой устройство, которое, как показано на фиг.2 стрелками Y, заставляет теплоноситель протекать из одного кожуха 11 в другой кожух 12 в одном направлении через все трубки-теплообменники 1.
Кроме того, устройство для введения теплоносителя 5 имеет смеситель для теплоносителя, например, в кожухах 11 и 12 или в любой из множества камер, сформированных посредством блокирования кожухов 11 и 12 вдоль аксиального направления пластин-теплообменников 2. Как показано на фиг.6, смеситель для теплоносителя имеет сопло 16, с помощью которого сообщаются внутреннее и наружное пространство кожуха, и распределительную трубку 17, соединенную с соплом 16 в кожухе и простирающуюся в направлении, перпендикулярном направлению потока теплоносителя в кожухе. Распределительная трубка 17, например, представляет собой трубку, которая закрыта на краю и имеет множество отверстий, сформированных по всей длине продольного направления распределительной трубки.
Газораспределительные элементы 6 могут, например, состоять из: одной или нескольких крышек реакционных емкостей, которые покрывают края множества пластин-теплообменников, находясь, в то же время, на некотором расстоянии от них, и герметизирует оба края боковых стенок реакционной емкости, состоящих из устройства для введения теплоносителя и части обкладочных пластин; и узлов для прохождения газа (сопла 18), через которые вводится газ исходных материалов или выводится газ реакционных продуктов. В качестве крышек для реакционной емкости, могут использоваться крышки различных форм, таких как куполообразная форма, коническая форма, форма четырехугольной пирамиды, форма треугольной призмы и форма параллелепипеда. В качестве узлов для прохождения газа, могут использоваться, например, обычные узлы для прохождения газа, включающие сопло, открытое в крышку реакционной емкости, и фланец, сформированный на краю сопла. Крышки реакционной емкости обычно представляют собой пару крышек реакционной емкости, расположенных на боковых стенках реакционной емкости, и эти крышки могут быть одинаковыми или различными. Хотя обычно на одной крышке реакционной емкости располагается один узел для прохождения газа, могут располагаться и два или более узла для прохождения газа. Хотя узлы для прохождения газа, которые должны располагаться в реакторе пластинчатого типа, обычно представляют собой пару узлов для прохождения газа, эти узлы для прохождения газа могут быть одинаковыми или различными.
Более конкретно, как показано на фиг.1 и фиг.3, газораспределительные элементы 6 представляют собой пару элементов, которые соединены газонепроницаемым образом с каждым из верхних краев обкладочных пластин 3, верхних краев кожухов 11 и 12, нижних краев обкладочных пластин 3 и нижних краев кожухов 11 и 12 с помощью крепежных элементов и уплотнений для перекрывания множества пластин-теплообменников 2. Газораспределительные элементы 6, например, представляют собой крышки из нержавеющей стали, имеющие полуцилиндрическую форму. Каждый из газораспределительных элементов 6 имеет сопло 18 и горловину 19, Газ поступает через сопло 18 одного из газораспределительных элементов 6 по направлению к пространствам между пластинами-теплообменниками 2, и газ высвобождается из пространства через сопло 18 другой крышки. В реакторе пластинчатого типа, обкладочные пластины 3, устройство для введения теплоносителя 5 и газораспределительные элементы 6 соединяются газонепроницаемым образом, формируя тем самым реакционную емкость.
Горловины 19 представляют собой дверцы, чтобы позволить рабочему входить в газораспределительные элементы 6 и выходить их них в состоянии, когда они должны обновляться. Расположение сопел 18 и горловин 19 не ограничивается как-либо. Однако, в случае, когда газораспределительные элементы 6 представляют собой полуцилиндрические крышки, сопло 18 располагается на одном краю каждой крышки, а горловина 19 располагается на другом краю крышки, как показано, например, на фиг.1. Кроме того, в газораспределительных элементах 6 располагаются устройства безопасности, такие как предохранительные клапаны и разрывные диски, в качестве мер безопасности против аномального увеличения давления или аномальной реакции, во входной части и/или выходной части главного корпуса каждого газораспределительного элемента 6 или в соплах 18. По отношению к газораспределительному элементу 6 и горловине 19, расположенным на выходной стороне реакционной емкости, когда газ, содержащий реакционный продукт, застаивается, и это вызывает разложение желаемого продукта и аккумуляцию побочного продукта, тогда является желательным расположить структуру или дополнительный элемент для уменьшения участков застоя.
Перегородки 7 располагаются вдоль направления, пересекающего оси трубок-теплообменников 1, то есть, в направлении прохождения газа через реактор пластинчатого типа, в пространствах между соседними пластинами-теплообменниками 2. Как показано на фиг.7, перегородки 7, например, представляют собой пластинчатые элементы, имеющие достаточную жесткость, которые находятся в контакте с поверхностями трубок-теплообменников 1 и имеют в своей нижней части окно 20, которое представляет собой прямоугольное сквозное отверстие. Перегородки 7 служат в качестве промежуточной вставки для поддерживания расстояния между пластинами-теплообменниками 2 при заданном значении. Перегородки 7 могут располагаться через одинаковые интервалы по всему реактору пластинчатого типа или могут располагаться через различные интервалы. Например, перегородки 7 располагаются бок о бок через одинаковые интервалы 400 мм с формированием множества секций, имеющих объем 12 л, в пространстве между пластинами-теплообменниками 2.
Как показано на фиг.8, каждая газопроницаемая пробка 8 имеет: газопроницаемую пластину 21, имеющую такую же прямоугольную форму, как и форма поперечного сечения каждой секции; первые детали 22 юбок, простирающиеся вертикально вниз от коротких сторон газопроницаемой пластины 21; и вторые детали юбок 23, простирающиеся вертикально вниз от длинных сторон газопроницаемой пластины 21. Каждая первая деталь 22 юбки имеет прямоугольное замковое окно 24, сформированное в ней, и замковый выступ 25, расположенный рядом с ним.
Газопроницаемая пластина 21, например, представляет собой пластину, имеющую 2-мм круглые отверстия, сформированные в ней, при доле отверстий 30%. Замковое окно 24 имеет такой размер, что его ширина и высота достаточны для размещения в нем замкового выступа 25. Замковый выступ 25 формируется посредством проделывания двух параллельных надрезов от нижнего края первой детали 22 юбки и изгибания области надреза с тем, чтобы сформировать наружный выступ. В паре противоположных первых деталей 22 юбки, замковое окно 24 одной детали 22 юбки находится напротив замкового выступа 25 другой, а замковый выступ 25 первой находится напротив замкового окно 24 последней. Окно 20 каждой перегородки 7 имеет такой размер, что ее ширина и высота являются достаточными для включения в нее как замкового окна 24, так и замкового выступа 25.
Газопроницаемую пробку 8 вставляют в каждую секцию с нижнего края секции, с газопроницаемой пластиной 21, направленной вверх. Когда вставляют газопроницаемую пробку 8, перегородка 7 нажимает на замковый выступ 25, в то же время, сопротивляясь смещения наружу. Однако когда замковый выступ 25 достигает окна 20, выступ 25 высвобождается от давления перегородки 7 и выступает в окно 20. Таким образом, выступ 25 фиксируется в окне 20, как показано на фиг.9.
Устройства 9 для измерения температуры располагаются, например, в самых крайних снаружи пространствах среди множества пространств, сформированных пластинами-теплообменниками 2, и в любых желаемых пространствах, расположенных на их внутренней стороне, как показано на фиг.2. По отношению к каждому пространству между пластинами-теплообменниками 2, устройства 9 для измерения температуры располагаются на множестве участков, в том числе, вблизи входа для теплоносителя и вблизи выхода для теплоносителя, вдоль аксиального направления трубок-теплообменников 1, то есть, в направлении потока теплоносителя. Участки, где должны располагаться устройства 9 для измерения температуры, могут определяться в соответствии с разностью температур между теплоносителем в передней части и теплоносителем в задней части внутри одной трубки для теплообменника 1 пластины-теплообменники 2. Например, в случае, когда температура теплоносителя должна контролироваться в единицах 0,5°C, устройства 9 для измерения температуры располагаются на участках, где разность температур между теплоносителем в передней части и теплоносителем в задней части внутри одной трубки-теплообменника 1 пластины-теплообменники 2 становится равной 2°C или более.
Как показано на фиг.10, устройство 9 для измерения температуры содержит гибкую опору 26, множество элементов 27 для измерения температуры, расположенных на опоре 26, множество ограничительных стержней 28, простирающихся горизонтально от опоры 26 и находящихся в контакте с поверхностью пластины-теплообменника 2, фланец 29, сформированный на краю основания опоры 26, разъем 30, соединенный с фланцем 29, кабель 31, соединенный с разъемом 30, и фланец для фиксации 32, сформированный на нижнем краю опоры 26.
Опора 26 представляет собой трубку, изготовленную из нержавеющей стали, имеющую среднюю толщину стенок 0,2 мм. Одиннадцать термопар вставлены в элементы измерения температуры 27 в опоре 26. Элементы для измерения температуры 27 располагаются в соответствии с изменениями температуры в каждом слое катализатора. Например, элементы для измерения температуры 27 располагаются вблизи входа для реакционного газа и вблизи выхода для реакционного газа, в слое катализатора и на трех участках, где, как ожидается, будет находиться максимальная температура, соответственно, в трех реакционных зонах каждого слоя катализатора. Более конкретно, как показано на фиг.10, элементы 27 для измерения температуры располагаются так, что вдоль направления прохождения газа через каждое пространство, один из них располагается в верхней крайней части пространства, три располагаются в центральной части первой реакционной зоны, сформированной с помощью трубок-теплообменников a, три располагаются в центральной части второй реакционной зоны, сформированных с помощью трубок-теплообменников b, три располагаются в центральной части третьей реакционной зоны сформированной с помощью трубок-теплообменников c, и один располагается в нижней конечной части пространства.
Вообще говоря, участки в каждой трубке теплообменника 1, между которыми разность температур теплоносителя становится равной 2°C или более, и участки, где, как ожидается, возникнет максимальная температура, соответственно, в реакционных зонах каждого слоя катализатора, могут определяться на основе результатов эксперимента, осуществляемого с использованием устройства для исследования для этого реактора, или на основе результатов компьютерного моделирования, осуществляемого с использованием программного обеспечения такого, например, как CFX, производится Ansys, Inc., STAR-CD, производится CD-adapco Company или gPROMS, производится PSE Ltd.
Каждый из ограничительных стержней 28 представляет собой стержень, изготовленный из нержавеющей стали, край основания которого фиксируется на опоре 26, и который простирается в горизонтальном направлении. Ограничительные стержни 28 имеют соответствующую длину, в соответствии с их положениями на опоре 26; каждый ограничительный стержень 28 имеет такую длину, что когда опора 26 удерживается в центральной плоскости каждого пространства, тогда свободный край ограничительного стержня 28 находится в контакте с поверхностью пластины-теплообменника 2. Три ограничительных стержня 28 располагаются на участке, находящемся в пределах от центральной части до части края основания опоры 26, так что три ограничительных стержня 28 находятся попеременно в контакте с соответствующими противоположными пластинами-теплообменниками 2.
Фланец 29 устанавливают, например, на опорном элементе для фланца для поддержания фланца 29, на заданной высоте внутри реакционной емкости, для фиксирования опоры 26 на верхней части реакционной емкости. Опорный элемент для фланца представляет собой, например, элемент, в который вставляют болт, простирающийся вертикально из верхнего газораспределительного элемента 6, и поддерживаемый на заданной высоте с помощью гайки. Например, опорный элемент для фланца состоит из двух стальных проволок, расположенных, соответственно, на обеих сторонах опоры 26, опорный элемент из стальной проволоки имеет отверстие для болта и он поддерживает две стальных проволоки, и гайка, с помощью которой опорный элемент из стальной проволоки в котором болт вставляется в отверстие для болта, наворачивается снизу. Фланец 32 для фиксации представляет собой диск или кольцо, имеющий диаметр, больший, чем диаметр отверстий газопроницаемой пластины 21 у каждой газопроницаемой пробки 8. Например, фланец 32 для фиксации фиксируется на нижнем краю опоры 26 после того как нижний край опоры проходит через отверстие газопроницаемой пластины 21.
Устройство 9 для измерения температуры, показанное на фиг.10, имеет следующую конфигурацию вдоль вертикального направления. В нижней крайней части пространства, нижний край опоры 26 фиксируются на газопроницаемой пробке 8 с помощью фланца 32 для фиксации в положении, по отношению к которому пластины-теплообменники 2 являются эквидистантными. В верхней крайней части пространства, край основания опоры 26 фиксируется с помощью опорного элемента фланца в положении, по отношению к которому пластины-теплообменники 2 являются эквидистантными. Посредством наворачивания гайки опорного элемента фланца, гайка перемещается вверх и опора 26 растягивается вверх с помощью опорного элемента фланца и становится линейной, при этом каждый ограничительный стержень 28 находится в контакте с поверхностью пластины-теплообменника 2.
В реакторе пластинчатого типа, который имеет конфигурацию, описанную выше, пластины-теплообменники 2 располагаются бок о бок через одинаковые интервалы, при этом минимальные расстояния между наружными стенками трубок-теплообменников составляют, например, 14 мм (расстояние между осями пластин-теплообменников 2 составляет 30 мм).
Пластины-теплообменники 2 располагаются в желаемых положениях посредством поочередного размещения пластин-теплообменников 2 и промежуточных вставок 7, и оба края трубок-теплообменников 1 соединяются в этих положениях с кожухами 10 и 11 с помощью сварки. Здесь, расстояние между поверхностями пластин-теплообменников 2 представляет собой расстояние между поверхностями пластин-теплообменников 2, как измерено в направлении, перпендикулярном линии, по отношению к которой оси пластин-теплообменников 2 являются эквидистантными, в сечении пластин-теплообменников 2 (фиг.3 и фиг.5), сформированном посредством разрезания пластин-теплообменников 2 вдоль направления прохождения газа через пространство (линия B-B' на фиг.1), если смотреть на пластины-теплообменники 2 из пространства между пластинами-теплообменниками 2 (фиг.1). Пластины-теплообменники 2 располагаются так, что оси пластин-теплообменников 2 простираются в вертикальном направлении и оси трубок-теплообменников 1 простираются в горизонтальном направлении. Поэтому, когда конструктивное значение расстояния между поверхностями пластин-теплообменников 2 составляет, например, 20 мм, в терминах расстояния между выступами одной пластины-теплообменника и бороздками другой пластины-теплообменника, среди расстояний в горизонтальном направлении между поверхностями пластин-теплообменников 2, расположенных так, что их оси простираются в вертикальном направлении, и когда реальные значения этого расстояния составляют, например, 19,5-21 мм, тогда отклонения от конструктивного значения расстояния между поверхностями пластин-теплообменников 2 составляют от -0,5 до 1,0 мм.
Каждая секция пространств между соседними пластинами-теплообменниками 2 набита катализатором. В качестве катализатора, может использоваться, например, катализатор на основе молибдена (Mo)-висмута (Bi), имеющий максимальный средний диаметр 5 мм и имеющий кольцевую форму. Каждая секция, сформированная с помощью пластин-теплообменников 2 и перегородок 7, набита катализатором в данном объеме, соответствующем объему этой секции.
Состояние, в котором катализатор набивают в виде формы пространства между пластинами-теплообменниками 2 показано на фиг.11. Как показано на фиг.11, пластины-теплообменники 2, каждая из которых получается посредством формования двух листов в форме круговых дуг, эллиптических дуг или частей прямоугольника или многоугольника и соединения формованных листов так, чтобы они находились друг напротив друга, образуют три вида проходов для теплоносителя 33, 34 и 35, отличающихся по площади поперечного сечения. Проходы 33 имеют самую большую ширину и, следовательно, между проходами 33 слой 36 катализатора является самым узким. Проходы 34 и проходы 35 уменьшаются по ширине в указанном порядке по сравнению с проходами 33 и, следовательно, ширина слоя 36 катализатора постепенно увеличивается.
Слой 36 катализатора составляет три реакционные зоны 37, 38 и 39 в соответствии с проходами 33, 34 и 35. Когда толщина слоя 36 катализатора рассматривается как среднее расстояние между пластинами-теплообменниками 2, как измерено в направлении, перпендикулярном осям пластин-теплообменников 2, тогда толщина слоя 36 катализатора в реакционной зоне 37 равна, например, 8-15 мм, и толщина слоя 36 катализатора в реакционной зоне 38, которая следует за реакционной зоной 37, равна, например, 10-20 мм. Далее, толщина слоя 36 катализатора в реакционной зоне 39, которая следует после реакционной зоны 38, равна, например, 15-30 мм.
В случае, когда реактор пластинчатого типа используют для осуществления газофазной каталитической реакции, температуру реакции контролируют посредством температуры теплоносителя, протекающего через трубки-теплообменники 1. Хотя температура теплоносителя изменяется в зависимости от видов исходных материалов, продукта и катализатора, является, как правило, предпочтительным, чтобы ее температура составляла 200-600°C. Примером температуры теплоносителя являются 300-400°C, что представляет собой случай, когда газ исходных материалов представляет собой C3-C4 ненасыщенный углеводород. Температуру теплоносителя, который должен доставляться в реакционные зоны, определяют и контролируют независимо для каждой реакционной зоны. Когда газ исходных материалов представляет собой (мет)акролеин, выбирают температуру теплоносителя в пределах 250-320°C.
Преобразование газа исходных материалов при реакции является особенно важным, и температуру теплоносителя контролируют для получения желаемого преобразования. Когда температура слоя катализатора повышается выше допустимых температур работы реактора пластинчатого типа, имеются случаи, когда возникают проблемы, такие как уменьшение каталитической активности, уменьшение селективности и возникает увеличение скорости реакции, уменьшение активности или селективности. Термин "преобразование" в настоящем документе означает пропорцию количества газа исходных материалов (например, пропилена), преобразованного в продукт посредством реакции, по отношению к поступающему количеству газа исходных материалов, которое вводится в слой катализатора, и термин "селективность" означает пропорцию количества газа исходных материалов, преобразованную в желаемый продукт, по отношению к количеству газа исходных материалов, которое подвергается преобразованию посредством реакции.
Температуру теплоносителя контролируют для получения заданного преобразования. Однако для поддерживания высоких рабочих характеристик катализатора в течение продолжительного времени, является важным, чтобы максимальная температура слоя катализатора не превышала максимальную допустимую температуру используемого катализатора. Более предпочтительно, является важным поддержания максимальной температуры слоя катализатора настолько низкой, насколько это возможно, постольку, поскольку получаются желаемые результаты реакции.
Теплоноситель подается в две-пять реакционных зон при температуре, которая делает возможным достижение пиковой температуры слоя катализатора в каждой реакционной зоне в пределах (заданная температура)±10°C, и протекает в направлении (направление поперечного потока), перпендикулярном направлению потока реакционного газа. Разница температур теплоносителя между входом и выходом одной трубки-теплообменника 1 предпочтительно составляет 0,5-10°C, более предпочтительно, 2-5°C. В конфигурации, показанной на фиг.11, имеются случаи, где теплоноситель, регулируемый с тем, чтобы он имел заданную температуру, заставляют, например, протекать отдельно через индивидуальные трубки-теплообменники 1 проходов 33-35, или случаи, когда теплоноситель заставляют протекать одновременно через все трубки-теплообменники 1 одной и той же реакционной зоны. Кроме того, теплоноситель, который подают в трубки-теплообменники 1 одной реакционной зоны и высвобождают оттуда, может подаваться в трубки-теплообменники 1 этой же или другой реакционной зоны.
Значимые факторы точности, относящиеся к изготовлению реактора пластинчатого типа, которые с высокой вероятностью связаны с результатами реакции, представляют собой толщину трубок-теплообменников a-c и расстояние между осями пары пластин-теплообменников 2, толщину и расстояние, управляющие толщиной слоя 36 катализатора (расстояние между поверхностями пластин-теплообменников 2). Когда расстояние между осями пластин-теплообменников 2 является постоянным и трубки-теплообменники 1 имеют толщину, меньшую, чем заданное значение, или когда расстояние между осями пластин-теплообменников 2 больше, чем заданное значение, тогда слой 36 катализатора имеет повышенную толщину (расстояние между поверхностями пластин-теплообменников 2 увеличивается) и эффективного теплообмена не происходит. Имеются, следовательно, случаи, когда температуры слоя 36 катализатора и исходных материалов не могут поддерживаться соответствующим образом.
Когда расстояние между осями пластин-теплообменников 2 является постоянным и проходы для теплоносителя имеют толщину, большую, чем заданное значение, или когда расстояние между осями пластин-теплообменников 2 меньше, чем заданное значение, тогда слой 36 катализатора имеет уменьшенную толщину (расстояние между поверхностями пластин-теплообменников уменьшается). В результате, хотя осуществляется эффективный теплообмен, имеются случаи, когда заданный катализатор не может набиваться соответствующим образом и газофазная каталитическая реакция больше не может поддерживаться соответствующим образом.
В реакторе пластинчатого типа, когда теплоноситель, имеющий температуру, например, 345°C, заставляют протекать через трубки-теплообменники 1, и газ, содержащий пропилен, молекулярный кислород, водяной пар и инертный газ, заставляют протекать в качестве газа исходных материалов из верхнего газораспределительного элемента 6, тогда получают реакционный газ, содержащий акролеин и акриловую кислоту. Газ исходных материалов подают при скорости введения, которая определяется по конструктивному значению, для получения реакционных продуктов с желаемым выходом, и теплоноситель, имеющий температуру, определяемую по конструктивному значению, подают в трубки-теплообменники 1 при скорости введения, определяемой по конструктивному значению. Максимальную температуру (пиковую температуру) A слоев 36 катализатора измеряют с помощью устройства 9 для измерения температуры.
В случае, когда пиковая температура A находится в пределах (заданная температура) ±10°C, теплоноситель подается в трубки-теплообменники 1 при температуре и скорости введения, установленных для теплоносителя. В случае, когда пиковая температура A выше, чем (заданное значение)+10°C, теплоноситель подают в трубки-теплообменники 1 при температуре более низкой, чем заданная температура теплоносителя, и при заданной скорости введения теплоносителя. В случае, когда пиковая температура A ниже, чем (заданное значение)-10°C, теплоноситель подается в трубки-теплообменники 1 при температуре, более высокой, чем заданная температура теплоносителя, и при заданной скорости введения теплоносителя. С помощью контролирования, таким образом, температуры теплоносителя в соответствии с пиковой температурой слоев 36 катализатора, получение реакционного продукта может продолжаться без изменения скорости введения газа исходных материалов и без понижения выхода реакции.
Реактор пластинчатого типа использует пластины-теплообменники 2, сформированные посредством соединения стальных листов, которые формуются таким образом, чтобы они имели отклонение от конструктивного значения в пределах ±1%. Поэтому, посредством контроля температуры теплоносителя таким образом, что реальные значения пиковой температуры слоев катализатора становятся заданными значениями пиковой температуры для слоя катализатора, получение реакционного продукта может поддерживаться при условиях, которые приводят к высокой производительности.
Поскольку реактор пластинчатого типа имеет перегородки 7, это является эффективным с точки зрения размещения пластин-теплообменников 2 в соответствии с конструктивным значением расстояния между поверхностями пластин-теплообменников 2. Кроме того, поскольку реактор пластинчатого типа имеет перегородки 7, каждое пространство между пластинами-теплообменниками 2 имеет множество секций и секции по-отдельности набивают катализатором. Следовательно, эта конфигурация является эффективной с точки зрения равномерной набивки пространства катализатором.
Поскольку реактор пластинчатого типа имеет устройства для измерения температуры 9, может измеряться температура слоев 36 катализатора. Это конфигурация является эффективной с точки зрения получения продукта с высокой эффективностью на основе контроля температуры теплоносителя в соответствии с пиковой температурой слоев 36 катализатора.
Кроме того, поскольку реактор пластинчатого типа имеет смеситель для теплоносителя, эта конфигурация является эффективной с точки зрения быстрого и точного контроля температуры теплоносителя в устройстве 5 для введения теплоносителя.
Кроме того, поскольку реактор пластинчатого типа имеет газопроницаемые пробки 8, может извлекаться только катализатор, присутствующий в любой желаемой секции. Эта конфигурация является эффективной с точек зрения гомогенизации слоев 36 катализатора и повышения эффективности обслуживания/инспекции.
Кроме того, поскольку реактор пластинчатого типа имеет газораспределительные части 6 и горловины 19 и дополнительно имеет крепежные стержни 4, расположенные в таких же положениях, как перегородки 7, крепежные стержни 4 могут использоваться в качестве скелетных или опорных элементов для них при операции набивки катализатора или при обслуживании/инспекции. Это конфигурация является эффективной с точки зрения эффективного осуществления операций внутри реактора пластинчатого типа.
Варианты осуществления первого реактора пластинчатого типа включают те, которые показаны на фиг.12, в которых три реакционных зоны 40, 41 и 42, сформированные вдоль направления потока газа исходных материалов, имеют соответствующие значения толщины слоя 43 катализатора, которые увеличиваются в указанном порядке так, как это описано в патентном документе 2.
Реакторы пластинчатого типа, как правило, трудно изготавливать с удовлетворительной точностью. Например, в теплообменниках пластинчатого типа, имеющих одинаковую конфигурацию, расстояние между поверхностями пластин-теплообменников, как правило, имеет отклонение от конструктивного значения 3-5 мм или более. В соответствии с первым реактором пластинчатого типа, может быть предусмотрен реактор пластинчатого типа, содержащий пластины-теплообменники, расположенные с тем, чтобы они имели отклонения в пределах такого малого диапазона, что контроль реакции является возможным посредством контроля температуры теплоносителя. Следовательно, возможность промышленного использования реакторов пластинчатого типа может быть сильно расширена.
Первый реактор пластинчатого типа может использоваться для реакций, в которых газофазные исходные материалы взаимодействуют в присутствии твердофазного катализатора. В частности, первый реактор пластинчатого типа дает более заметные воздействия, когда используется при таких условиях, что имеется большая разница между внутренней температурой реактора при использовании и обычной температурой, при которой осуществляют операции для подготовки или инспекции, или когда его используют при таких условиях, что газ исходных материалов и газ продукта экспонируются в течение продолжительного времени для условий использования, и возникающие в результате изменения этих газов могут вызвать повреждения реактора, или при использовании в случае, когда взаимодействие компонентов реакционного газа выделяет значительное количество тепла реакции и возможно термическое повреждение катализатора, и является важным контроль температуры слоев катализатора.
Второй реактор пластинчатого типа
Второй реактор пластинчатого типа содержит реакционную емкость для взаимодействия исходных материалов внутри нее, множество пластин-теплообменников, содержащих трубки-теплообменники и расположенных бок о бок в реакционной емкости, устройство для введения теплоносителя, которое подает теплоноситель в трубки-теплообменники, и одну или несколько перегородок, которые разделяют пространство между соседними пластинами-теплообменниками, вдоль направления прохождения газа через реакционную емкость, на множество секций для удерживания в них набитого катализатора.
В реакционной емкости располагается множество пластин-теплообменников, расположенных бок о бок в направлении прохождения газа в реакционной емкости. Кроме того, множество слоев катализатора, расположенных бок о бок в направлении прохождения газа в реакционной емкости, формируются посредством набивки катализатора в пространства между соседними пластинами-теплообменниками. В качестве реакционной емкости используют, например, корпус, в котором поперечное сечение, пересекающее направление прохождения газа, имеет прямоугольную форму, или оболочку, в которой поперечное сечение имеет круговую форму.
Реакционная емкость представляет собой емкость, в которой поступающие исходные материалы проходят через пространства между соседними пластинами-теплообменниками перед высвобождением, и обычно имеет пару узлов для прохождения газа. Один из пары узлов для прохождения газа имеет входное отверстие для исходных материалов, которые должны поступать в реакционную емкость, а другой представляет собой выходное отверстие для реакционного продукта, получаемого в реакционной емкости. Форма узлов для прохождения газа не ограничивается как-либо, постольку, поскольку введение исходных материалов в реакционную емкость и высвобождение реакционного продукта из реакционной емкости осуществляется через них. Является предпочтительным, чтобы пара узлов для прохождения газа располагалась с тем, чтобы они находились друг напротив друга. Примеры таких узлов для прохождения газа включают: пару узлов для прохождения газа, расположенных на обоих краях корпуса или оболочки; и пару узлов для прохождения газа, которые представляют собой цилиндрические узлы для прохождения, соответственно, сформированные в центральной части оболочки, содержащей ее ось, и во внутренней периферийной части оболочки, так что реакционная текучая среда проходит через узлы для прохождения газа радиально по поперечному сечению оболочки.
Каждая из пластин-теплообменников формируется в виде плоской формы, содержащей множество трубок-теплообменников, соединенных друг с другом на периферии или на краях формы поперечного сечения в одном направлении.
Такая пластина-теплообменник может формироваться, как описано в патентном документе 1, из двух гофрированных листов, имеющих ряд структур, таких как круговые дуги, эллиптические дуги или прямоугольные формы, посредством соединения выступов, сформированных на краях структур одного гофрированного листа, с выступами другого. Альтернативно, пластина-теплообменник может формироваться посредством соединения множества трубок-теплообменников вида, описанного выше, на их периферии или на краях. Альтернативно, пластина-теплообменник может формироваться посредством пакетирования множества трубок-теплообменников вида, описанного выше, в реакционной емкости так, что трубки-теплообменники находятся в контакте друг с другом на своей периферии или на краях.
Форма пластин-теплообменников определяется в соответствии с формой и размером реакционной емкости. В целом, однако, их форма является прямоугольной. Размер пластин-теплообменников определяется в соответствии с формой и размером реакционной емкости. Однако, в случае прямоугольных пластин-теплообменников, например, их вертикальный размер (то есть, высота соединения трубок-теплообменников) составляет 0,5-5 м, более предпочтительно, 1-3 м и их горизонтальный размер (то есть, длина трубок-теплообменников) составляет 0,05-10 м, более предпочтительно, 1-10 м. Обычно, однако, ограничений на горизонтальный размер нет.
В реакционной емкости, соседние пластины-теплообменники могут располагаться так, что выступы на поверхности одной пластины-теплообменника располагаются напротив выступов другой, или они могут располагаться так, что выступы на поверхности одной пластин-теплообменников находятся напротив бороздок на поверхности другой. По отношению к расстоянию между соседними пластинами-теплообменниками, среднее расстояние между большой осью трубок-теплообменников в одной пластине-теплообменнике и трубок в другой пластине-теплообменнике устанавливается в диапазоне 15-50 мм, более предпочтительно, 23-50 мм (составляет 1,1-5, более предпочтительно, 1,1-2, от суммы половины ширины трубок-теплообменников в одной из соседних пластин-теплообменников и половины ширины трубок-теплообменников в другой), так что между пластинами-теплообменниками формируется расстояние, имеющее ширину 3-40 мм, более предпочтительно, 3-15 мм, в направлении, пересекающем трубки-теплообменники. Расстояние между пластинами-теплообменниками предпочтительно равно 10-50 мм, более предпочтительно, 10-40 мм, еще более предпочтительно, 20-35 мм, в терминах среднего расстояния между большими осями трубок-теплообменников, с точки зрения получения результатов высокого преобразования и высоких скоростей реакции.
Является предпочтительным, чтобы трубки-теплообменники в каждой пластине теплообменника формировались так, чтобы они не простирались в направлении, параллельном направлению прохождения газа в реакционной емкости, с точки зрения контроля реакции исходных материалов посредством регулировки температуры теплоносителя в трубках-теплообменниках. Более предпочтительно, с точки зрения контроля реакции исходных материалов посредством регулировки температуры теплоносителя в трубках-теплообменниках, чтобы трубки-теплообменники формировались так, чтобы они простирались в направлении, перпендикулярном направлению прохождения газа в реакционной емкости, то есть, направление, в котором теплоноситель протекает через трубки-теплообменники, должно быть перпендикулярным направлению прохождения газа в реакционной емкости.
Трубки-теплообменники состоят из материала, имеющего теплопроводность, которая позволяет осуществление теплообмена между теплоносителем, присутствующим в трубках-теплообменниках, и слоями катализатора, находящимися в контакте с наружными поверхностями трубок-теплообменников. Примеры такого материала включают нержавеющую сталь и углеродистую сталь. Форма поперечного сечения трубок-теплообменников может представлять собой круговую, приблизительно круговую форму, такую как эллиптическая форма или форма мячей для регби, или прямоугольную форму. Термин "периферия формы поперечного сечения трубки-теплообменника" означает периферию круга, в то время как термин "края формы поперечного сечения трубки-теплообменника" означает края большой оси приблизительно круговой формы или угловые края прямоугольной формы.
В каждой пластине-теплообменнике, множество трубок-теплообменников могут иметь одинаковую форму и размер поперечного сечения или могут отличаться по форме или размеру поперечного сечения. Размер формы поперечного сечения трубок-теплообменников, является например, следующим. Ширина трубок-теплообменников составляет 3-50 мм, более предпочтительно, 3-20 мм или 5-50 мм, и высота трубок-теплообменников составляет 10-100 мм, более предпочтительно, 10-50 мм или 20-100 мм.
В случае, когда количество тепла, переносимого через пластину теплообменника за единичный период времени или через единичную площадь, является малым, более предпочтительно, ширина трубок-теплообменников составляет 3-20 мм, с точек зрения увеличения толщины слоя катализатора, то есть, формирования толстого слоя катализатора и увеличения количества катализатора для повышения скорости реакции. В случае, когда количество тепла, переносимого через пластину теплообменника за единичный период времени или через единичную площадь, является большим, ширина трубок-теплообменников, более предпочтительно, составляет 5-50 мм, с точек зрения уменьшения толщины слоя катализатора для улучшения теплопроводности и уменьшения количества катализатора для понижения скорости реакции. По отношению к высоте каждой трубки-теплообменника, в случае, когда количество тепла, переносимого через пластину теплообменника за единичный период времени или через единичную площадь, является малым, его высота, более предпочтительно, составляет 10-50 мм, с точек зрения увеличения толщины слоя катализатора, то есть, формирования толстого слоя катализатора, и увеличения количества катализатора для повышения скорости реакции. В случае, когда количество тепла, переносимого через пластину теплообменника за единичный период времени или через единичную площадь, является большим, высота каждой трубки-теплообменники, более предпочтительно, составляет 20-100 мм, с точек зрения уменьшения толщины слоя катализатора для улучшения теплопроводности и уменьшения количества катализатора для уменьшения скорости реакции.
Устройство для введения теплоносителя может представлять собой любое устройство, которое подает теплоноситель в трубки-теплообменники. Примеры такого устройства для введения теплоносителя включают устройство, которое подает теплоноситель в одном направлении во все из множества трубок-теплообменников, и устройство, которое подает теплоноситель в одном направлении в часть из множества трубок-теплообменников и подает теплоноситель в обратном направлении в другую часть из множества трубок-теплообменников. Устройство для введения теплоносителя предпочтительно представляет собой устройство, которое осуществляет циркуляцию теплоносителя через внутренне и наружное пространство реакционной трубки с помощью трубок-теплообменников. С точки зрения контроля реакции, осуществляемой в реакционной емкости, является предпочтительным, чтобы устройство для введения теплоносителя имело устройство, которое регулирует температуру теплоносителя.
В пространстве между соседними пластинами-теплообменниками вдоль направления прохождения газа в реакционной емкости располагаются перегородки для формирования множества секций в этом пространстве. Перегородки могут представлять собой любые элементы, которые, после набивки катализатора в каждой секции, могут удерживать катализатор в секции. Является предпочтительным, чтобы перегородки состояли из такого же материала, как и пластины-теплообменники, имели теплопроводность, не имели химической активности в реакции, которая должна осуществляться в реакционной емкости, и имели термическую стойкость, когда реакция в реакционной емкости представляет собой экзотермическую реакцию. Является также предпочтительным, чтобы перегородки имели жесткость, с точки зрения удерживания катализатора, набитого в каждой секции. Примеры таких секций включают пластины, квадратные бруски, круглые бруски и сетки, изготовленные из нержавеющей стали, стекловату и керамические пластины.
Форма перегородок может представлять собой любую форму постольку, поскольку катализатор может удерживаться в каждой из секций, сформированных с помощью перегородок. Перегородки могут иметь форму, находящуюся в контакте с трубками-теплообменниками, или могут иметь форму в тесном контакте с трубками-теплообменниками. С точки зрения удерживания катализатора, набитого в каждой секции, перегородки предпочтительно имеют форму, находящуюся в контакте с поверхностью наружной стенки каждой трубки-теплообменника, а более предпочтительно, имеют форму, находящуюся в тесном контакте с поверхностью наружной стенки каждой трубки-теплообменника. Кроме того, с точки зрения легкости размещения перегородок, является предпочтительным, чтобы перегородки имели такую форму, чтобы их вид спереди был четырехугольным, имея ширину, равную минимальному расстоянию между соседними пластинами-теплообменниками.
Является предпочтительным, чтобы перегородки располагались через такие интервалы, чтобы секции, сформированные перегородками, имели объем 1-100 л, с той точки зрения, что такой объем обеспечивает точную и простую набивку катализатора в каждую секцию. Секции, сформированные с помощью перегородок, могут иметь одинаковый объем или могут иметь различные объемы. Однако является предпочтительным, чтобы секции имели одинаковый объем, с точки зрения точной и простой набивки катализатора во все секции. Объем каждой секции желательно составляет 1,5-30 л, предпочтительно, 2-15 л, более предпочтительно, 3-15 л, еще более предпочтительно, 5-10 л. Расстояния между секциями (интервалы секций) предпочтительно равны 0,1-1 м, с той же самой точки зрения. Вообще говоря, термин "интервалы перегородок" означает длину каждой секции, как измерено в аксиальном направлении трубок-теплообменников, то есть, расстояния между соседними перегородками, формирующими секцию, или расстояния между внутренней поверхностью стенки реакционной емкости, к которой присоединены трубки-теплообменники, и перегородкой, которая образует секцию во взаимодействии с внутренней поверхностью стенки.
Перегородки могут соответствующим образом располагаться в пространствах между пластинами-теплообменниками в соответствии с природой перегородок. Например, в случае перегородок, имеющих гибкость, или перегородок формы, имеющей ширину, равную минимальному расстоянию между пластинами-теплообменниками, сначала в реакционной емкости размещается множество пластин-теплообменников, а затем перегородки вставляются в пространства между соседними пластинами-теплообменниками. Перегородки, таким образом, могут располагаться в пространствах между пластинами-теплообменниками. В случае перегородок, имеющих форму, которая вступает в тесный контакт с поверхностями пластин-теплообменников, пластины-теплообменники и перегородки размещаются поочередно, когда пластины-теплообменники размещаются в реакционной емкости. Таким образом, такие перегородки могут располагаться в пространствах между пластинами-теплообменниками.
Когда катализатор должен набиваться в секции, может использоваться обычный катализатор в виде частиц, который набивается в трубку или в пространство между пластинами-теплообменниками при газофазной реакции. Могут использоваться один катализатор или два или более катализаторов. Примеры таких катализаторов включают катализатор, имеющий диаметр частиц (диаметр большой оси) 1-20 мм, и катализатор, имеющий диаметр частиц (диаметр большой оси) 3-20 мм и относительную плотность 0,7-1,5. По отношению к форме катализатора, могут использоваться известные формы. Примеры их включают сферическую форму, цилиндрические формы, формы колец Рашига и формы седла. В случае, когда перегородки формируются в виде формы, которая не вступает в тесный контакт с поверхностями пластин-теплообменников, является предпочтительным, чтобы катализатор имел форму, имеющую диаметр малой оси, больший, чем расстояние между пластинами-теплообменниками и перегородками, с точки зрения предотвращения вытекания катализатора из секций. В случае, когда перегородки формируется в виде формы, которая не вступает в тесный контакт с поверхностями пластин-теплообменников, является более предпочтительным, чтобы катализатор имел форму, имеющую диаметр малой оси, который в 1,2-2 раза больше максимального значения расстояния между перегородками и пластинами-теплообменниками.
Набивка катализатора в пространство между соседними пластинами-теплообменниками осуществляется посредством набивки катализатора в каждую секцию. Каждая секция может набиваться катализатором посредством непрерывной или периодической набивки катализатора в секцию в количестве, равном объему секции. Находится ли катализатор в соответствующем состоянии набивки, можно определяться, например, на основе сравнения между секциями в положениях поверх набитого катализатора (слоя катализатора) или на основе сравнения реального значения положения верхней части каждой секции и вычисленного значения положения верхней части для этой секции.
Второй реактор пластинчатого типа может дополнительно иметь составляющие элементы, иные, чем составляющие элементы, описанные выше. Примеры таких иных составляющих элементов включают: элементы для предотвращения утечки (например, газопроницаемые пробки), которые имеют проницаемость для газа и располагаются на краю с задней стороны, в направлении прохождения газа в реакционной емкости, у пластин-теплообменников, и которые служат для предотвращения утекания набитого катализатора из реакционной емкости; и замковые элементы (замковые детали для перегородок, для фиксирования перегородок), которые располагаются на одном из краев перегородок и служат для фиксирования перегородок на элементах для предотвращения утечек или на пластинах-теплообменниках.
Газопроницаемые пробки представляют собой элементы, которые позволяют получить как проницаемость для газа для каждой секции, так и удерживание катализатора, и представляют собой элементы, которые должны фиксироваться с возможностью свободного удаления на краях секций в направлении прохождения газа. Газопроницаемые пробки могут располагаться на передних краях или на задних краях, в направлении прохождения газа, у секций, или могут располагаться на обоих краях, постольку, поскольку утечка катализатора из каждой секции может предотвращаться с их помощью. Газопроницаемые пробки могут представлять собой пробки, которые являются полностью газопроницаемыми, или могут представлять собой пробки, которые являются проницаемыми для газа только в направлении прохождения газа в каждой секции. Термин "газопроницаемый" как правило, означает, что газы, которые представляют собой одно из состояний исходных материалов и реакционных продуктов, проходят через него. Однако, в случае, когда исходные материалы или реакционные продукты находятся в состоянии текучей среды, иной, чем газообразное (например, в жидком состоянии), этот термин в настоящем описании также означает, что и эта текучая среда проходит через него.
Является предпочтительным, чтобы газопроницаемые пробки имели некоторый уровень отверстий, в терминах отверстий, открытых в направлении прохождения газа в каждой секции, 10% или выше, с точки зрения обеспечения проницаемости газа в каждой секции. Более предпочтительно уровень их отверстий составляет 20% или выше, еще более предпочтительно, 30% или выше, с точки зрения предотвращения потерь давления, когда газопроницаемые пробки фиксируются на краях секций.
С точки зрения удерживания катализатора в каждой секции, газопроницаемые пробки имеют диаметр пор, в терминах пор, открытых в направлении прохождения газа, в каждой секции, предпочтительно, 5 мм или меньше, более предпочтительно, 3 мм или меньше, еще более предпочтительно, 1 мм или меньше.
Газопроницаемые пробки, каждая, могут состоять из одного или нескольких элементов, имеющих проницаемость для газа. Примеры газопроницаемых пробок включают: газопроницаемую пластину, такую как плоская сетка или перфорированная пластина; газопроницаемый цилиндр, полученный посредством формования газопроницаемой пластины в виде цилиндрической формы; элемент, содержащий газопроницаемую пластину и деталь юбки, расположенную перпендикулярно газопроницаемой пластине на части ее периферийных краев или по всем краям; и газопроницаемую двойную трубку, содержащую первый газопроницаемый цилиндр, имеющий циклическую или прямоугольную форму поперечного сечения, и второй газопроницаемый цилиндр, который располагается внутри первого газопроницаемого цилиндра с возможностью свободного скольжения. Газопроницаемый цилиндр, элемент, имеющий деталь юбки, и газопроницаемая двойная трубка являются предпочтительными, с точки зрения получения прочности, достаточной для удерживания катализатора. Элемент, имеющий деталь юбки, является более предпочтительным с точки зрения простого присоединения/отсоединения элемента на краю каждой секции.
У элемента, имеющего деталь юбки, газопроницаемая пластина предпочтительно имеет такую же форму, как и форма поперечного сечения каждой секции, с точки зрения предотвращения утечки катализатора из каждой секции. С точки зрения простоты фиксирования газопроницаемой пробки способом с возможностью свободного удаления, является предпочтительным, чтобы деталь юбки располагалась на части периферийных краев газопроницаемой пластины как пара деталей юбок, находящихся в контакте, например, с противоположными перегородками или пластинами-теплообменниками для каждой секции. С точки зрения повышения прочности газопроницаемой пробки, предпочтительно располагать такие детали юбок по всем периферийным краям газопроницаемой пластины. Детали юбок могут располагаться так, чтобы они выступали по обе стороны газопроницаемых пластин, или могут располагаться так, чтобы они выступали только в одну сторону газопроницаемой пластины.
Газопроницаемые пробки фиксируются с возможностью свободного удаления на краях соответствующих секций. С точки зрения простоты фиксирования и удаления газопроницаемых пробок и с точки зрения установки газопроницаемых пробок с усилием, достаточным для удерживания катализатора, предпочтительная конфигурация для фиксирования с возможностью свободного удаления каждой газопроницаемой пробки включает первую замковую деталь, расположенную на боковой стороне секции, то есть, расположенную либо на пластинах-теплообменниках, либо на перегородках, либо как на тех, так и на других, и вторую замковую деталь, расположенную на газопроницаемой пробке и фиксирующуюся с возможностью свободного удаления на первой замковой детали. Примеры первой и второй замковых деталей включают: отверстие и выступ, который может смещаться в отверстие; и отверстие с болтом и гайкой. С точки зрения предотвращения залипания, которое может происходить, когда реакционная емкость имеет относительно высокую температуру, является предпочтительным, чтобы первая и вторая замковые детали имели простую конфигурацию, такую как отверстие и выступ.
Газопроницаемые пробки состоят из материала, имеющего жесткость, достаточную для удерживания катализатора. Примеры такого материала включают металлы, такие как нержавеющая сталь, и керамику. С точек зрения термической стойкости и химической стойкости, является предпочтительным, чтобы газопроницаемые пробки состояли из такого же материала, как и пластины-теплообменники.
Катализатор, набитый в каждую секцию, извлекается через край секции посредством удаления газопроницаемой пробки. Таким образом, катализатор может извлекаться из секций последовательно.
Реактор пластинчатого типа по настоящему изобретению объясняется ниже более подробно со ссылками на чертежи.
Второй вариант осуществления
Как показано, например, на фиг.13-15, второй реактор пластинчатого типа содержит: прямоугольный корпус 44; множество пластин-теплообменников 2, содержащих трубки-теплообменники 1 и расположенных бок о бок в корпусе 44 так, что они находятся друг напротив друга; резервуары 45 для теплоносителя, в которых удерживается теплоноситель, для доставки в трубки-теплообменники 1; множество перегородок 7, которые разделяют пространства между соседними пластинами-теплообменниками 2 вдоль направления прохождения газа в корпусе 44 на множество секций, в которых набивается и удерживается катализатор; перфорированные пластины 10 и 46, расположенные над пластинами-теплообменниками 2 и под ними; насос 15 для осуществления циркуляции теплоносителя, удерживаемого в резервуарах 45 для теплоносителя; и регулятор 47 температуры для регулирования температуры теплоносителя, который должен циркулировать.
Корпус 44 составляет проход для газа, имеющий прямоугольную форму поперечного сечения, и соответствует реакционной емкости. Корпус 44 имеет пару противоположных узлов для прохождения газа 48 и 48', соответственно, на верхнем и нижнем краю корпуса 44. Трубки-теплообменники 1 представляют собой трубки, имеющие эллиптическую форму поперечного сечения, имеющего, например, диаметр большой оси 30-50 мм и диаметр малой оси 10-20 мм.
Каждая пластина-теплообменник 2 имеет форму, сформированную посредством соединения множества трубок-теплообменников 1 на краях формы поперечного сечения. Пластина-теплообменник 2 формируется из двух гофрированных листов, имеющих ряд эллиптических дуг, посредством соединения выступов, сформированных на краях дуг одного гофрированного листа, с выступами другого. Соседние пластины-теплообменники 2 могут располагаться так, что выступы на поверхности одной пластины-теплообменника располагаются напротив выступов другой. В реакторе пластинчатого типа, показанном на фиг.13, однако, соседние пластины-теплообменники 2 располагаются так, что выступы на поверхности одной пластины-теплообменника 2 находятся напротив бороздок на поверхности другой пластины-теплообменника 2.
Каждая пластина-теплообменник 2 содержит, например, три вида трубок-теплообменников a-c, которые различаются по размеру поперечного сечения, соответственно, в верхней части, средней части и нижней части, как показано на фиг.16. Пластина-теплообменник 2 формируется так, что большие оси трубок-теплообменников a-c располагаются на одной прямой линии. Например, трубки-теплообменники a составляют часть пластины-теплообменника 2, которая составляет 20% от высоты пластины-теплообменника 2, трубки-теплообменники b составляют часть пластины-теплообменника 2, которая составляет 30% от высоты пластины-теплообменника 2, и трубки-теплообменники c составляют часть пластины-теплообменника 2, которая составляет 40% высоты пластины-теплообменника 2. Десять процентов от высоты пластины-теплообменника 2 состоят из соединенных частей пластин, служащих в качестве верхней крайней части и нижней крайней части пластины-теплообменника 2.
Форма поперечного сечения трубок-теплообменников a, которая формируется в верхней части пластины-теплообменника 2, представляет собой эллиптическую форму, имеющую диаметр большой оси 50 мм и диаметр малой оси 20 мм. Форма поперечного сечения трубок-теплообменников b, которая формируется в средней части пластины-теплообменника 2, представляет собой эллиптическую форму, имеющую диаметр большой оси 40 мм и диаметр малой оси 16 мм. Форма поперечного сечения трубок-теплообменников c, которая формируется в нижней части пластины-теплообменника 2, имеет эллиптическую форму, имеющую диаметр большой оси 30 мм и диаметр малой оси 10 мм.
Пластины-теплообменники 2 могут располагаться через различные интервалы в реакционной емкости. Однако, в реакторе пластинчатого типа, показанном на фиг.13, пластины-теплообменники 2 расположены через одинаковые интервалы (например, минимальное расстояние между наружными стенками трубок-теплообменников a составляет 14 мм (расстояние между большими осями трубок-теплообменников в пластинах-теплообменниках 2 составляет 30 мм)).
Резервуары 45 для теплоносителя представляют собой емкости, расположенные на паре противоположных стенок корпуса 44, и в стенках формируются входные отверстия для подачи теплоносителя в трубки-теплообменники 1. Например, каждый резервуар 45 для теплоносителя разделяется на заданных высотах на множество камер так, что теплоноситель протекает зигзагом через трубки-теплообменники 1 между резервуарами 45 для теплоносителя по всей реакционной емкости.
Перегородки 7 располагаются вдоль направления прохождения газа в корпусе 44 в пространствах между соседними пластинами-теплообменниками 2. Перегородки 7 могут располагаться через различные интервалы по реакционной емкости. В реакторе пластинчатого типа, показанном на фиг.13, однако, перегородки 7 располагаются бок о бок через одинаковые интервалы (например, 1000 мм), с формированием секций, имеющих объем 23 л. Интервалы для перегородок 7, которые должны размещаться, предпочтительно составляют от 5 см до 2 м, более предпочтительно, от 10 см до 1 м. Объем каждой секции, окруженной пластинами-теплообменниками и перегородками, предпочтительно составляет 1-100 л, более предпочтительно, 1,5-30 л, с той точки зрения, что набивка материала набивки в пространства осуществляется последовательно по секциям для осуществления точной и простой набивки катализатора.
В качестве перегородок 7, используются элементы, которые после набивки катализатора в каждую секцию могут удерживать катализатор в секции. Например, пластины или сетки формы, имеющей боковые края, которые вступают в тесный контакт с выступами и углублениями на поверхности пластин-теплообменников 2, такие как те, которые показаны на фиг.17-19, могут использоваться в качестве перегородок 7.
Кроме того, элементы, которые вступают в контакт с трубками-теплообменниками a соседних пластин-теплообменников 2, но не вступают в контакт ни с выступами, ни с бороздками других трубок-теплообменников, то есть, трубок-теплообменников b и c из пластин-теплообменников 2, могут использоваться в качестве перегородок 7, если только катализатор, набитый в каждую секцию, не вытекает в соседние секции через пространства между пластинами-теплообменниками 2 и перегородками 7. Например, могут использоваться круглые бруски или квадратные бруски, имеющие диаметр или ширину, равную минимальному расстоянию между соседними пластинами-теплообменниками 2, таких как те, которые показаны на фиг.20 и 21.
Кроме того, перегородки 7 могут представлять собой сетки, имеющие отверстия, которые меньше чем размер частиц катализатора, которые должны набиваться, как показано на фиг.18. Если только катализатор, набитый в каждую секцию, не утекает в соседние секции, могут использоваться сетки, имеющие отверстия, большие, чем частицы катализатора (например, составляющие до 0,8 от диаметра малой оси катализатора), как показано на фиг.19.
В случае, когда две соседние пластины-теплообменника 2 располагаются так, что выступы одной из пластин-теплообменников 2 находятся напротив бороздок другой пластины-теплообменника 2, перегородки 7 могут представлять собой пластины или сетки зигзагообразной формы, у которых боковые края перегородок 7 выступают в направлении бороздок пластин-теплообменников 2 и находятся на некотором расстоянии от выступов пластин-теплообменников 2, как показано на фиг.22. Такие перегородки 7 являются пригодными для использования в случае, когда пространство между двумя пластинами теплообменников 2 располагается так, что выступы одной пластины находится напротив бороздок другой (среднее расстояние между большими осями трубок-теплообменников 1 в одной пластине теплообменника 2 и среднее расстояние в другой составляет 0,9-1,5 от суммы половины максимального диаметра малой оси трубок-теплообменников в одной из пластин-теплообменников 2 и половины диаметра в другой).
Перегородки 7 формы, имеющие боковые края, которые вступают в контакт с бороздками и выступами на поверхности у пластины-теплообменника 2, такие как показаны на фиг.17-19 и 22, располагаются между двумя пластинами теплообменников 2 посредством поочередного размещения пластин-теплообменников 2 и перегородок 7, которые должны вступать в контакт друг с другом, когда пластины-теплообменники 2 размещаются в корпусе 44. Перегородки 7, имеющие диаметр или ширину, равную минимальному расстоянию между соседними пластинами-теплообменниками 2, такие как показано на фиг.20 и 21, могут располагаться между двумя пластинами теплообменников 2 посредством поочередного размещения пластин-теплообменников 2 и перегородок 7, которые должны вступать в контакт друг с другом, или посредством вставки перегородок 7 в пространство между соседними пластинами-теплообменниками 2, между пластинами-теплообменниками 2, которые уже расположены бок о бок. Перегородки 7, обладающие гибкостью, такие как сетки или тонкие стальные листы, могут располагаться посредством вставки перегородки 7 в пространство между соседними пластинами-теплообменниками 2, между пластинами-теплообменниками 2, которые уже расположены бок о бок.
Каждая из перфорированных пластин 10 и 46 представляют собой пластину, в которой могут формироваться отверстия, имеющие диаметр, который составляет 0,20-0,99 от диаметра большой оси катализатора, который должен набиваться, при доле отверстий 20-99%. В реакторе пластинчатого типа, показанном на фиг.13, перфорированные пластины 10 и 46 формируются так, чтобы блокировать зазор, находящийся в пределах от краев каждой крайней снаружи пластины-теплообменника 2 до стенки корпуса 44, как показано на фиг.15, чтобы предотвратить прохождение газа между крайней снаружи пластиной теплообменника 2 и стенкой корпуса 44.
В качестве насоса 15 используют устройство, способное переносить теплоноситель, имеющий желаемую температуру. В качестве регулятора 47 температуры, используют устройство, такое как теплообменник, который способен регулировать температуру теплоносителя при желаемой температуре. Резервуар 45 для теплоносителя, насос 15 и регулятор 47 температуры составляют устройство для введения теплоносителя.
Набивка катализатора в пространство между пластинами-теплообменниками 2 осуществляется посредством набивки катализатора в каждую секцию. Поскольку все секции, сформированные пластинами-теплообменниками 2 и перегородками 7, имеют одинаковый объем, катализатор набивают в каждую секцию в объеме, равном объему секции (например, в объеме, который составляет 95-100% от объема каждой секции).
Находится ли катализатор в удовлетворительном состоянии набивки, можно определить на основе сравнения теоретического значения и реального значения высоты катализатора, набитого при заданном количестве (например, отклонение реального значения от теоретического значения находится в пределах 10%), или на основе сравнения высоты набивки катализатора между секциями (например, различие в высоте набивки между секциями находятся в пределах 2% от высоты набивки).
Вообще говоря, каждая из перегородок 7 может иметь крюк, который зацепляется в замковой детали, такой как отверстие в перфорированной пластине 46 или отверстие или кольцо, сформированное на краю пластины-теплообменника 2. Является возможным размещение таких перегородок 7 в пространстве между соседними пластинами-теплообменниками 2 посредством закрепления крюков в замковых частях и тем самым растяжение перегородок 7. Эта конфигурация делает возможным использование материала, не имеющего удерживаемой формы, например, стекловаты, в качестве перегородок 7.
Поскольку реактор пластинчатого типа имеет перегородки 7, катализатор может равномерно набиваться по всему реактору посредством независимой набивки катализатора в каждой секции, с тем, чтобы получить одинаковое состояние. Следовательно, по сравнению с набивкой катализатора в пространство между пластинами-теплообменниками 2, не имеющими таких секций, набивать катализатор легче, получая в то же время точное количество катализатора на основе конструктивного значения и давая возможность получения секций, одинаковых по состоянию набивки (например, по плотности и пористости набивки).
Поскольку все секции, формируемые в реакторе пластинчатого типа с помощью пластин-теплообменников 2 и перегородок 7, имеют одинаковый объем, количество катализатора, которое должно использоваться для одной операции набивки катализатора, является постоянным. Следовательно, по сравнению с набивкой катализатора в пространство между пластинами-теплообменниками 2, не имеющими таких секций, операция набивки катализатора может осуществляться быстрее.
Кроме того, поскольку реактор пластинчатого типа имеет перегородки 7, состояние набивки катализатора может определяться по секциям последовательно. Следовательно, когда имеется секция, в которой состояние набивки катализатора имеет дефект, состояние набивки катализатора может быть исправлено посредством повторной набивки катализатора только в секцию, рассматриваемую как дефектную. По этой причине, по сравнению с набивкой катализатора в пространство между пластинами-теплообменниками 2, не имеющими таких секций, операция набивки катализатора может регулироваться проще.
Третий вариант осуществления
Как показано, например, на фиг.23-25, второй реактор пластинчатого типа имеет такую же конфигурацию, как второй вариант осуществления реактора пластинчатого типа, за исключением того, что этот реактор пластинчатого типа имеет множество газопроницаемых пробок 8 вместо перфорированных пластин 46, которые имеют проницаемость для газа и закрывают нижние края секций.
В этом варианте осуществления, корпус 44 составляет проход для газа, имеющий прямоугольную форму поперечного сечения, и соответствует реакционной емкости. Корпус 44 имеет пару противоположных узлов для введения газа 48 и 48', соответственно, на верхнем краю и на нижнем краю корпуса 44, и состоит из конечной части корпуса 49, содержащей узел для прохождения газа 48, конечной части корпуса 49', содержащей узел для прохождения газа 48', и главное тело корпуса, в котором удерживаются пластины-теплообменники 2. Каждая из конечных частей 49 и 49' может соединяться с возможностью свободного удаления с главным телом корпуса. Трубки-теплообменники 1 представляют собой трубки, имеющие эллиптическую форму поперечного сечения, имеющие, например, диаметр большой оси 20-100 мм и диаметр малой оси 5-50 мм.
Каждая пластина-теплообменник 2 имеет форму, сформированную посредством соединения множества трубок-теплообменников 1 на краях формы поперечного сечения. Пластина-теплообменник 2 формируется из двух гофрированных листов, имеющих ряд эллиптических дуг, посредством соединения выступов, сформированных на краях дуг одного гофрированного листа с выступами другого. Соседние пластины-теплообменники 2 могут располагаться так, что выступы на поверхности одной пластины-теплообменника находятся напротив выступов другой. В реакторе пластинчатого типа, показанном на фиг.23, однако, соседние пластины-теплообменники 2 располагаются так, что выступы на поверхности одной пластины-теплообменника 2 находятся напротив бороздок на поверхности другой пластины-теплообменника 2.
Каждан пластина-теплообменник 2 содержит, например, три вида трубок-теплообменников, a-c, которые различаются по размеру поперечного сечения, соответственно, в верхней части, средней части и нижней части, как показано на фиг.16. Пластина-теплообменник 2 формируется так, что большие оси трубок-теплообменников a-c располагаются на одной прямой линии. Например, в этом варианте осуществления, трубки-теплообменники a составляют часть пластины-теплообменника 2, которая составляет 30% от высоты пластины-теплообменника 2, трубки-теплообменники b составляют часть пластины-теплообменника 2, которая составляет 25% от высоты пластины-теплообменники 2, и трубки-теплообменники c составляют часть пластины-теплообменника 2, которая составляет 45% от высоты пластины-теплообменника 2.
Форма поперечного сечения трубок-теплообменников a, которые формируются в верхней части пластины-теплообменника 2, представляет собой эллиптическую форму, имеющую диаметр большой оси 50 мм и диаметр малой оси 20 мм. Форма поперечного сечения трубок-теплообменников b, которые формируются в средней части пластины-теплообменника 2, представляет собой эллиптическую форму, имеющую диаметр большой оси 40 мм и диаметр малой оси 16 мм. Форма поперечного сечения трубок-теплообменников c, которые формируются в нижней части пластины-теплообменника 2, имеет эллиптическую форму, имеющую диаметр большой оси 30 мм и диаметр малой оси 10 мм.
Пластины-теплообменники 2, в этом варианте осуществления, могут располагаться через различные интервалы по всей реакционной емкости. Однако в реакторе пластинчатого типа, показанном на фиг.23, пластины-теплообменники 2 располагаются через одинаковые интервалы (например, минимальное расстояние между наружными стенками трубок-теплообменников a составляет 5 мм (расстояние между большими осями трубок-теплообменников в пластинах-теплообменниках 2 составляет 25 мм)).
Резервуары 45 для теплоносителя являются такими же, как резервуары 45 для теплоносителя, используемые во втором варианте осуществления.
Перегородки 7 располагаются вдоль направления прохождения газа в корпусе 44 в пространстве между соседними пластинами-теплообменниками 2. Перегородки 7 могут располагаться через различные интервалы по всей реакционной емкости. В реакторе пластинчатого типа, показанном на фиг.23, однако, перегородки 7 располагаются бок о бок через одинаковые интервалы (например, 500 мм), с формированием секций, имеющих объем 25 л. В этом варианте осуществления, перегородки 7, например, представляют собой пластины, изготовленные из нержавеющей стали, которые имеют форму, имеющую боковые края, которые вступают в тесный контакт с углублениями и выступами на поверхности пластин-теплообменников 2, как показано на фиг.26, и имеют окно 20 в нижней крайней части.
Газопроницаемые пробки 8 располагаются на нижних краях секций, как показано на фиг.27. Как показано, например, на фиг.28, каждая газопроницаемая пробка 8 имеет: газопроницаемую пластину 21, имеющую такую же прямоугольную форму, как форма поперечного сечения каждой секции; первые детали 22 юбок, простирающиеся вертикально вниз от коротких сторон газопроницаемой пластины 21; и вторые детали юбок 23, простирающиеся вертикально вниз от длинных сторон газопроницаемой пластины 21. Каждая первая деталь 22 юбки имеет прямоугольное замковое окно 24, сформированное в ней, и замковый выступ 50, расположенный рядом с ней, как показано на фиг.28.
Каждая газопроницаемая пробка 8 формируется из пластины из нержавеющей стали, которая имеет форму, сформированную посредством развертки на плоскости газопроницаемой пластины 21 и деталей 22 и 23 юбок и в которой замковое окно 24 и надрезы 50, дающие замковый выступ, формируются в каждой детали 22 юбки, как показано на фиг.29, посредством сгибания пластины из нержавеющей стали на границе между газопроницаемой пластиной 21 и каждой из деталей 22 и 23 юбок и сваривания краев деталей юбок. Газопроницаемая пластина 21, например, представляет собой пластину, в которой формируется 2-мм круговые отверстия при доле отверстий 30%.
В каждой первой детали 22 юбки формируется замковый выступ 50 посредством изгиба двух параллельных надрезов, простирающихся от нижнего края первой детали 22 юбки, и тем самым формируется наружный выступ. Первые детали 22 юбок эквивалентны друг другу в позиционном соотношении между газопроницаемой пластиной 21 и каждым замковым окном 24 и замковым выступом 50. Следовательно, в паре противоположных первых деталей 22 юбок, замковое окно 24 одной первой детали 22 юбки находится напротив замкового выступа 50 другой, и замковый выступ 50 первой из первых деталей 22 юбки находится напротив замкового окна 24 последней. Вообще говоря, каждое замковое окно 24 формируется с тем, чтобы оно имело такой размер, чтобы его ширина и высота были достаточными для удерживания в нем замкового выступа 50, и окно 20 каждой перегородки 7 формируется с тем, чтобы оно имело такой размер, чтобы его ширина и высота были достаточными для удерживания в ней как замкового окна 24, так и замкового выступа 50.
Газопроницаемую пробку 8 вставляют в каждую секцию с нижнего края секции, при этом газопроницаемая пластина 21 смотрит вверх. Когда вставляется газопроницаемая пробка 8, перегородка 7 нажимает на замковый выступ 50, в то же время, сопротивляясь смещения наружу. Однако когда замковый выступ 50 достигает окна 20, выступ 50 высвобождается от давления со стороны перегородки 7 и выступает в окно 20. Таким образом, выступ 50 замыкается в окне 20, как показано на фиг.30. Окно 20 соответствует первой замковой детали, а замковый выступ 50 соответствует второй замковой детали.
Перфорированная пластина 10, в этом варианте осуществления, представляет собой пластину, в которой формируются отверстия, имеющие диаметр, который в 0,3-0,8 раза меньше, чем диаметр большой оси катализатора, который должен набиваться, при доле отверстий 20-40%. В реакторе пластинчатого типа, показанном на фиг.23, перфорированная пластина 10 формируется так, чтобы она блокировала зазор, находящийся в пределах от края каждой крайней снаружи пластины-теплообменника 2 до стенки корпуса 44, как показано на фиг.25, для предотвращения прохождения газа через зазор между каждой крайней снаружи пластиной-теплообменником 2 и стенкой корпуса 44.
Насос 15 и регулятор 47 температуры являются такими же, как насос 15 и регулятор 47 температуры, используемые в первом варианте осуществления. Резервуары 45 для теплоносителя, насос 15 и регулятор 47 температуры составляют устройство для введения теплоносителя.
Набивка катализатора в пространство между пластинами-теплообменниками 2 осуществляется посредством набивки катализатора в каждую секцию. Поскольку все секции, сформированные пластинами-теплообменниками 2 и перегородками 7, имеют одинаковый объем, катализатор в этом варианте осуществления набивают в каждую секцию, например, при объеме, равном объему секции (например, при объеме, который составляет 97-103% от объема каждой секции).
Находится ли катализатор в удовлетворительном состоянии набивки, может определяться в этом варианте осуществления на основе сравнения теоретического значения и реального значения высоты набитого катализатора (например, отклонение реального значения от теоретического значения находится в пределах 3%) или на основе сравнения высоты набивки катализатора между секциями (например, различия в высоте набивки между секциями находятся в пределах 5% от высоты набивки).
Когда имеется секция, в которой состояние набивки катализатора имеет дефект, газопроницаемую пробку 8 в этой секции удаляют, при удалении через нижний край этой секции, только катализатор, набитый в этой секции. Поскольку окно 20 каждой перегородки 7 формируется так, чтобы оно имело размер, достаточный для удерживания в ней замковых окон 24 и замковых выступов 50, когда на ней фиксируются газопроницаемые пробки 8, окно 20 является открытым для замковых окон 24 и замковых выступов 50 двух газопроницаемых пробок 8, соседствующих друг с другом через перегородки 7. Кроме того, поскольку каждое замковое окно 24 формируется так, чтобы оно имело размер, достаточный для удерживания в нем замкового выступа 50, замковое окно 24 одной из двух газопроницаемых пробок 8, соседствующих друг с другом через перегородки 7, открыто для замкового выступа 50 другой, и замковое окно 24 последней открыто для замкового выступа 50 первой. Поэтому, каждый замковый выступ 50 в замкнутом состоянии не блокируется соседней газопроницаемой пробкой 8 в пространстве под газопроницаемой пластиной 21. Следовательно, замковый выступ 50 может непосредственно вдавливаться в пространство под газопроницаемой пластиной 21. Следовательно, каждая из газопроницаемых пробок 8 может удаляться с использованием инструмента, имеющего на одном краю крюк, который может вставляться в каждое замковое окно 24, такое, например, как показано на фиг.31, посредством вдавливания каждого замкового выступа 50 с помощью крюка через замковое окно 24 газопроницаемой пробки 8, соседствующей с ним через перегородку 7, и через окно 20 перегородки 7, для устранения фиксации замкового выступа 50 в окне 20.
После удаления катализатора, газопроницаемую пробку 8 вставляют опять с нижнего края секции и фиксируют, и набивают в эту секцию катализатор. Таким образом, набивка катализатора в каждую секцию, может осуществляться повторно.
Поскольку реактор пластинчатого типа имеет перегородки 7, катализатор может равномерно набиваться по всему реактору посредством независимой набивки катализатора в каждую секцию, с получением одинакового состояния. Следовательно, по сравнению с набивкой катализатора в пространство между пластинами-теплообменниками 2, не имеющими таких секций, точная набивка катализатора является более простой.
Поскольку все секции, сформированные в реакторе пластинчатого типа пластинами-теплообменниками 2 и перегородками 7, имеют одинаковый объем, количество катализатора, который должен использоваться для одной операции набивки катализатора является постоянным. Следовательно, по сравнению с набивкой катализатора в пространство между пластинами-теплообменниками 2, не имеющими таких секций, операция набивки катализатора может осуществляться быстрее.
Кроме того, поскольку реактор пластинчатого типа имеет перегородки 7, состояние набивки катализатора может определяться отдельно по секциям. Следовательно, когда имеется секция, в которой состояние набивки катализатора имеет дефект, состояние набивки катализатора может исправляться посредством повторной набивки катализатора только в одну секцию, считающуюся дефектной. По этой причине, по сравнению с набивкой катализатора в пространство между пластинами-теплообменниками 2, не имеющими таких секций, операция набивки катализатора может регулироваться легче.
Кроме того, поскольку реактор пластинчатого типа имеет газопроницаемые пробки 8, катализатор может легко удаляться отдельно по секциям. Следовательно, когда имеется секция, в которой состояние набивки катализатора имеет дефект, состояние набивки катализатора в конкретной секции может легко быть исправлено посредством удаления газопроницаемой пробки из секции, считающейся дефектной, для удаления катализатора из этой секции и повторной набивки катализатора в эту секцию. По этой причине, по сравнению с набивкой катализатора в пространство между пластинами-теплообменниками 2, не имеющими таких секций, операция набивки катализатора может регулироваться легче.
Поскольку каждая из газопроницаемых пробок 8 содержит прямоугольную газопроницаемую пластину 21 и первую и вторую детали 22 и 23 юбок, газопроницаемые пробки 8 являются превосходными с точки зрения получения прочности, достаточной для поддержки слоя катализатора в каждой секции. Поскольку газопроницаемые пробки 8 получают посредством вырубания, изгиба и сварки стальной пластины, такие превосходные газопроницаемые пробки 8 могут быть получены легко.
В каждой газопроницаемой пробке 8, каждая из пары противоположных первых деталей 22 юбок имеет замковое окно 24 и замковый выступ 50. В паре противоположных первых деталей 22 юбок, замковое окно 24 одной детали юбки находится напротив замкового выступа 50 другой, а замковый выступ 50 первой находится напротив замкового окна 24 последней. Поэтому в газопроницаемых пробках 8, которые находятся по соседству друг с другом через перегородку 7, замковые выступы 50, выступающие из соответствующих газопроницаемых пробок 8, не перекрываются или не вступают в контакт друг с другом. Эта конфигурация является превосходной с точек зрения фиксирования газопроницаемых пробок 8 с достаточной прочностью и простого удаления газопроницаемых пробок 8.
Кроме того, поскольку окно 20 каждой из перегородок 7 формируется так, чтобы оно имело размер, достаточный для удерживания в них замковых окон 24 и замковых выступов 50, когда на них фиксируются газопроницаемые пробки 8, замковый выступ 50 любой из двух газопроницаемых пробок 8 в контакте с перегородкой 7 фиксируется в окне 20 с возможностью свободного удаления. Поскольку перегородки 7, имеющие окно 20, располагаются в реакторе пластинчатого типа в соответствии с единым стандартом, как описано выше, этот реактор пластинчатого типа является превосходным с точки зрения получения при низких затратах конфигурации, в которой газопроницаемые пробки 8 свободно присоединяются/отсоединяются.
Кроме того, в реакторе пластинчатого типа, каждая газопроницаемая пробка 8 фиксируется под газопроницаемой пластиной 21 посредством контакта, использующего малую площадь контакта, то есть, посредством фиксирования замкового выступа 50 в замковом окне 20. Поэтому этот реактор пластинчатого типа является превосходным с точки зрения предотвращения возникновения залипания между замковым выступом 50 и окном 20, когда реактор пластинчатого типа используют в реакциях, осуществляемых при условиях относительно высоких температур, таких как реакции окисления.
В реакторе пластинчатого типа, в качестве второй замковой детали, формируется окно 20 в каждой перегородке 7. Однако даже когда такая вторая замковая деталь формируется в нижней крайней части каждой пластины-теплообменника 5, газопроницаемые пробки 8 могут располагаться таким же образом, как и в реакторе пластинчатого типа, показанном на фиг.23. Таким образом, газопроницаемые пробки могут фиксироваться также посредством фиксирования с возможностью свободного удаления пробок, используя при этом нижние крайние части пластин-теплообменников 5, даже когда перегородок нет. Кроме того, вторая замковая деталь может формироваться как в нижней крайней части каждой перегородки 7, так и в нижней крайней части каждой пластины-теплообменника 5. Этот случай является эффективным с точки зрения увеличения прочности фиксирования газопроницаемых пробок.
В качестве перегородок, могут использоваться различные перегородки в соответствии, например, с видом второй замковой детали и с участком, где должна располагаться замковая деталь, с размером зазоров, формируемых между каждой перегородкой и пластинами-теплообменниками, и с расстоянием между пластинами-теплообменниками. Примеры таких перегородок включают: сетку с формой, имеющей боковые края, которые вступают в тесный контакт с бороздками и выступами на поверхности пластин-теплообменников 2, как показано на фиг.18 и 19; пластину или круглый брусок, или квадратный брусок, такой как те, которые показаны на фиг.20 и 21, имеющие диаметр или ширину, равную минимальному расстоянию между соседними пластинами-теплообменниками 2; пластину или сетку зигзагообразной формы, в которой боковые края перегородки 7 выступают в направлении бороздок пластин-теплообменников 2 и находятся на некотором расстоянии от выступов пластин-теплообменников 2, как показано на фиг.22; и элемент, состоящий из материала, который не может удерживать форму, например, стекловаты.
Перегородки, такие как те, которые показаны на фиг.18 и 19, в этом варианте осуществления, пригодны для использования в случае, где сетка, используемая в этих перегородках, имеет такой размер отверстий, что катализатор не вытекает через них (например, составляющих до 0,5 от диаметра большой оси катализатора). Является предпочтительным, чтобы сетка, которая должна использоваться для перегородок, имела размер отверстий, который составляет до 0,8 от диаметра малой оси катализатора.
Перегородки, такие как те, которые показаны на фиг.20 и 21, в этом варианте осуществления, являются пригодными для использования в случае, когда не формируется зазора, имеющего ширину, которая позволяет катализатору вытекать из него между пластинами-теплообменниками и перегородками. Перегородки, такие как те, которые показаны на фиг.22, в этом варианте осуществления, являются пригодными для использования в случае, когда расстояние между двумя пластинами теплообменников 2 расположенными так, что выступы одной пластины находятся напротив бороздок другой (среднее расстояние между большими осями трубок-теплообменников 1 в одной пластине теплообменника 2 и большой осью другой составляет 0,9-1,5 от суммы половины максимального диаметра малой оси трубок-теплообменников в одной из пластин-теплообменников 2 и половины диаметра во второй).
Любая из перегородок, описанных выше, может использоваться в случае, когда, например, вторая замковая деталь в перегородках не формируется. В случае, когда вторая замковая деталь представляет собой, например, окно, могут использоваться пластинчатые элементы, в которых может формироваться окно, способное поддерживать газопроницаемые пробки. Кроме того, в случае, когда вторая замковая деталь представляет собой, например, окно, сетчатые элементы, имеющие достаточно большие отверстия, которые могут использоваться в качестве окна, могут использоваться в качестве перегородок.
Перегородки, имеющие формы с боковыми краями, которые вступают в контакт с бороздками и выступами на поверхности пластин-теплообменников, такие как те, которые показаны на фиг.26, 18, 19 и 22, располагаются между двумя пластинами теплообменников посредством поочередного размещения пластин-теплообменников и перегородок, которые должны приводиться в контакт друг с другом, когда пластины-теплообменники размещаются в корпусе. Перегородки, имеющие диаметр или ширину, равную минимальному расстоянию между соседними пластинами-теплообменниками, такими как те, которые показаны на фиг.20 и 21, могут располагаться между двумя пластинами теплообменников посредством поочередного размещения пластин-теплообменников и перегородок, которые должны приводиться в контакт друг с другом, или посредством вставки перегородок в пространство между соседними пластинами-теплообменниками, между пластинами-теплообменниками, которые уже располагаются бок о бок. Перегородки, имеющие гибкость, такие как сетки, ткани или тонкие стальные листы, могут располагаться посредством вставки перегородок в пространство между соседними пластинами-теплообменниками между пластинами-теплообменниками, которые уже располагаются бок о бок.
Вообще говоря, каждая из перегородок может иметь крюк, который зацепляется в другой замковой детали, такой как отверстие в газопроницаемой пробке 8 или отверстие, или кольцо, сформированное на краю пластины-теплообменника 2. Можно размещать такие перегородки в пространстве между соседними пластинами-теплообменниками 2 посредством размещения крюков в замковых частях и растягивания тем самым перегородок. Эта конфигурация является предпочтительной с точки зрения использования материала, не имеющего удерживаемой формы, например, стекловаты, в качестве перегородок.
В качестве газопроницаемых пробок 8, в реакторе пластинчатого типа, могут использоваться газопроницаемые пробки, которые имеют вместо замковых выступов 50, замковые выступы 51, каждый из которых находится в контакте с нижней крайней стороной окна 20, как показано на фиг.32. Такие газопроницаемые пробки лучше с точки зрения прочного фиксирования газопроницаемых пробок в соответствующих секциях. Газопроницаемые пробки, имеющие замковые выступы 51, являются эффективными также с точки зрения предотвращения выпадения газопроницаемых пробок, даже когда реактор пластинчатого типа используют в течение продолжительного времени, и предотвращения предоставления возможности катализатору для утечки из пространства между пластинами-теплообменниками.
Кроме того, газопроницаемые пробки могут использоваться в различных формах, постольку, поскольку пробки имеют соответствующую структуру для свободного присоединения/отсоединения, такую как окно 20 и замковый выступ 50. Примеры таких газопроницаемых пробок включают цилиндр, состоящий из сетки или газопроницаемой пластины, такой как тот, который показан на фиг.33, пластину, имеющую газопроницаемые отверстия, такую как та, которая показана на фиг.34, элемент, состоящий из газопроницаемой пластины или сетки, поддерживаемый с помощью пары деталей юбок, такой как те, которые показаны на фиг.35 и 36, и элемент в форме параллелепипеда, имеющий поверхности, состоящие из сетки, такой как те, которые показаны на фиг.37 и 38.
Примеры газопроницаемых пробок в других формах на основе форм, описанных выше, включают газопроницаемую пробку, имеющую структуру двойной трубки, содержащей первую газопроницаемую трубку 52, которая является газопроницаемой в направлении прохождения газа, в каждой секции, и вторую газопроницаемую трубку 53, которая является газопроницаемой в направлении прохождения газа, в каждой секции, и может свободно скользить в первой газопроницаемой трубке 52, такой как показана на фиг.39. В случае использования таких газопроницаемых пробок, каждая из перегородок 7 снабжается, например, фланцевыми деталями 54, выступающими из поверхности нижнего края перегородки 7. Газопроницаемая пробка растягивается до тех пор, пока пробка не вступит в контакт с перегородками 7, расположенными на обоих краях и размещенными на фланцевых деталях 54. Растяжение/сжатие в направлении скольжения газопроницаемой пробки фиксируется с помощью крепежной чеки 55. Таким образом, газопроницаемая пробка располагается в нижней части каждой секции.
Крепежная чека 55, например, состоит из крепежной оси, кольца, расположенного на одном краю оси, и гибкой полосы тонкого металла, расположенной на другом краю крепежной оси в направлении, перпендикулярном направлению, в котором простирается крепежная ось. Когда крепежную чеку 55 вставляют через газопроницаемое отверстие в нижней поверхности газопроницаемой пробки, полоска тонкого металла сгибается во время прохождения через газопроницаемое отверстие и возвращается из изогнутого состояния после прохождение через газопроницаемое отверстие. В результате образуется состояние, в котором крепежная чека 55 свисает вниз с газопроницаемой пробки. Если тянуть кольцо крепежной чеки 55, полоска тонкого металла проходит через газопроницаемое отверстие, будучи при этом изогнутой, и тем самым крепежная чека 55 удаляется. Кроме того, посредством скольжения второй газопроницаемой трубки 53, газопроницаемая пробка может извлекаться из-под пластины-теплообменника.
Альтернативно, примеры газопроницаемых пробок в других формах включают газопроницаемую пробку, содержащую первую газопроницаемую трубку 52, вторую газопроницаемую трубку 53 и элемент 56 смещения, такой как спиральная пружина, который смещает вторую газопроницаемую трубку 53 в таком направлении, что вторая газопроницаемая трубка 53 выступает из первой газопроницаемой трубки 52, такой как та, которая показана на фиг.40. Эта газопроницаемая пробка также располагается в нижней часть каждой секции посредством перегородок 7, имеющих фланцевые детали 54. Эта газопроницаемая пробка размещается в нижней части каждой секции посредством сокращения газопроницаемой пробки, в то же время, оказывая сопротивление силе смещения элемента 56 смещения и размещая газопроницаемую пробку на фланцевых деталях 54. Посредством сокращения газопроницаемой пробки, в то же время, оказывая сопротивление силе смещения элемента 56 смещения, газопроницаемая пробка может извлекаться из-под пластин-теплообменников. Крепежная чека 55 и вторая газопроницаемая трубка 53 могут осуществлять проскальзывание с использованием крюка инструмента, показанного на фиг.31, крюк вставляют в кольцо крепежной чеки 55 или в газопроницаемое отверстие нижней части второй газопроницаемой трубки 53.
Второй способ получения реакционного продукта
Второй способ получения реакционного продукта по настоящему изобретению представляет собой способ получения реакционного продукта с использованием второго реактора пластинчатого типа, описанного выше, и включает стадию, на которой теплоноситель, имеющий желаемую температуру, подается в трубки-теплообменники, и стадию, на которой исходный материал поступают в пространство, набитое катализатором, между соседними пластинами-теплообменниками, с получением реакционного продукта, высвобождающегося из этого пространства. Во втором способе, исходные материалы содержат: этилен; по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, или, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода; углеводорода, имеющего 4 или более атомов углерода; ксилола и/или нафталина; олефина; карбонильного соединения; кумена гидропероксида; бутена или этилбензола. Реакционный продукт включает: этиленоксид; по меньшей мере, одно соединение из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, и ненасыщенных жирных кислот, имеющих 3-4 атома углерода; малеиновую кислоту; фталевую кислоту; парафин; спирт; ацетон и фенол; бутадиен или стирол.
Второй реактор пластинчатого типа применяется на стадиях, включающих каталитическую реакцию в неподвижном слое, и применяется, в частности, на стадиях реакции, на которых большое количество тепла реакции может вызвать повреждение катализатора или повреждение результатов реакции, среди других стадий реакции. Хотя второй реактор пластинчатого типа является особенно применимым к исходным материалам в виде текучих сред, например, к газам и жидкостям, которые могут проходить через слои катализатора, сформированные посредством набивки катализатора, второй реактор пластинчатого типа является пригодным для случаев, где исходные материалы представляет собой газ, из которого тепло удалять труднее, чем из жидкого состояния.
Примеры реакций, к которым эффективно применим второй реактор пластинчатого типа, включают реакции, в которых исходные материалы представляет собой: этилен; по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, или, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода; углеводорода, имеющего 4 или более атомов углерода, например, н-бутана или бензола; ксилола и/или нафталина; олефина; карбонильного соединения; кумена гидропероксида; бутена или этилбензола, и реакционный продукт, который должен быть получен, представляет собой: этиленоксид; по меньшей мере, одно соединение из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, и ненасыщенных жирных кислот, имеющих 3-4 атома углерода; малеиновую кислоту; фталевую кислоту; парафин; спирт; ацетон и фенол; бутадиен или стирол.
Особенно предпочтительно, второй реактор пластинчатого типа применяется при газофазных каталитических реакциях окисления, которые известны как реакции, в которых могут иметь место горячие пятна. Примеры таких реакций включают реакции, в которых используют, по меньшей мере, один из исходных материалов, выбранных из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола или, по меньшей мере, один из исходных материалов, выбранных из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода.
Конкретно, примеры углеводородов, имеющих 3 атома углерода, включают пропилен и пропан. Примеры углеводородов, имеющих 4 атома углерода, включают изобутилен, бутены и бутаны. Примеры ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, включают акролеин и метакролеин. Примеры ненасыщенных жирных кислот, имеющих 3-4 атома углерода, включают акриловую кислоту и метакриловую кислоту.
Во втором способе получения реакционного продукта, известный катализатор для использования в обычных каталитических реакциях, в которых используют эти исходные материалы, например, каталитические реакции этих исходных материалов, осуществляемые с использованием многотрубчатых реакторов, может использоваться в качестве катализатора. Инертные частицы, например, шарики муллита, которые не имеют химической активности в этих каталитических реакциях, могут смешиваться с катализатором. Температура теплоносителя, который должен подаваться в трубки-теплообменники во втором способе получения реакционного продукта, может определяться, например, посредством оптимизации реакционных условий, которые должны использоваться в реакции с использованием второго реактора пластинчатого типа, на основе реакционных условий, используемых при обычных каталитических реакциях, например, при каталитических реакциях этих исходных материалов, осуществляемых с использованием многотрубчатых реакторов. Другие реакционные условия во втором способе получения реакционного продукта могут определяться посредством оптимизации с помощью известной технологии, таким же способом, как и для температуры теплоносителя, как описано выше. Альтернативно, реакционные условия для первого способа получения реакционного продукта, описанного выше, или для третьего способа получения реакционного продукта, который будет описываться ниже, могут применяться к реакционным условиям, которые должны использоваться во втором способе получения реакционного продукта.
Третий способ получения реакционного продукта
Третий способ получения реакционного продукта представляет собой способ, который включает: (A) введение смеси исходных материалов, содержащих молекулярный кислород и, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, в реактор пластинчатого типа, снабженный слоем катализатора, сформированным между пластинами-теплообменниками, и каталитическое окисление исходных материалов в газовой фазе с получением, по меньшей мере, одного реакционного продукта, выбранного из группы, состоящей из ненасыщенных углеводородов и ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода; или (B) введение смеси исходных материалов, содержащей молекулярный кислород и, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, в реактор пластинчатого типа, снабженный слоем катализатора, сформированным между пластинами-теплообменниками, и каталитическое окисление исходных материалов в газовой фазе, с получением, по меньшей мере, одного реакционного продукта, выбранного из группы, состоящей из ненасыщенных жирных кислот, имеющих 3-4 атома углерода.
В третьем способе получения реакционного продукта, реактор пластинчатого типа разделяется на множество реакционных зон, различающихся по средней толщине слоя катализатора, и теплоноситель с независимо регулируемой температурой подается во множество реакционных зон для удаления через пластины-теплообменники тепла, генерируемого посредством окисления, и для независимого контроля внутренней температуры слоя катализатора.
В третьем способе получения реакционного продукта, температура T(S1) теплоносителя, который подается в реакционную зону S1, расположенную ближе всего к входу для смеси исходных материалов, выше, чем температура T(S2) теплоносителя, который подается в реакционную зону S2, соседнюю с реакционной зоной S1 и расположенную после нее по ходу потока смеси исходных материалов.
Кроме того, в третьем способе получения реакционного продукта, когда окисляется, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, нагрузка исходных материалов составляет 150 л/час [в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа)] или более на литр катализатора, и когда окисляется, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, нагрузка исходных материалов составляет 160 л/час [в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) или более на литр катализатора.
Исходные материалы, которые должны использоваться в третьем способе получения реакционного продукта, представляют собой, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, или, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода. Примеры углеводородов, имеющих 3 атома углерода, включают пропилен и пропан. Примеры углеводородов, имеющих 4 атома углерода, включают изобутилен, н-бутен, изобутен, н-бутан и изобутан. Примеры ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, включают акролеин и метакролеин.
Состояние этих исходных материалов не ограничивается как-либо, постольку, поскольку исходные материалы имеют текучесть, которая позволяет исходным материалам проходить через слой катализатора. Однако предпочтительные примеры включают состояние газа (газа исходных материалов).
Среди ненасыщенных углеводородов, ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, и ненасыщенных жирных кислот, имеющих 3-4 атома углерода, которые представляют собой реакционные продукты, примеры ненасыщенных углеводородов включают бутадиен; примеры ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, включают акролеин и метакролеин и примеры ненасыщенных жирных кислот, имеющих 3-4 атома углерода, включают акриловую кислоту, метакриловую кислоту, малеиновую кислоту и малеиновый ангидрид.
Причины того, почему третий способ получения реакционного продукта считается применимым ко всем этим реакционным продуктам, являются следующими.
Примеры этих причин включают то, что катализаторы для использования при получении акролеина из пропилена, который имеет 3 атома углерода, катализаторы для использования при получении метакролеина из изобутилена, который имеет 4 атома углерода, и катализаторы для использования при получении бутадиена из нормального бутена, в основном эквивалентны по основной композиции (например, система молибден (Mo) - висмут (Bi)), по способу получения и форме, и кроме того, включают то, что для этих реакционных продуктов, тип реакции и способ в промышленном отношении являются одинаковыми. Кроме того, их примеры включают также то, что при получении акриловой кислоты из акролеина, который представляет собой ненасыщенный алифатический альдегид, метакриловой кислоты из метакролеина и малеинового ангидрида из бутена, катализаторы, имеющие одинаковую основную композицию (например, система молибден (Mo) -ванадий (V)) и одинаковую форму, используются для промышленного получения реакционных продуктов с использованием одного и того же типа реакций и одного и того же способа. Каждая из этих реакций представляет собой каталитическое газофазное окисление молекулярным кислородом и представляет собой реакцию, сопровождаемую значительным выделением тепла. Согласно знаниям, которыми обладают авторы, эти реакции имеют одинаковую природу и считается, что третий способ получения реакционного продукта может эффективно применяться к ним.
Смесь исходных материалов, которая должна вводиться в реактор пластинчатого типа, включает исходные материалы и молекулярный кислород и может дополнительно содержать газ, инертный по отношению к реакции, такой как азот или водяной пар, при необходимости. Исходные материалы могут состоять только из одного соединения или могут представлять собой смесь, полученную посредством смешивания двух или более соединений (например, смешанный газ). Смесь исходных материалов (например, газ реакционной смеси) имеет композицию, выбранную соответствующим образом в соответствии с задачами изобретения.
Содержание исходных материалов в смеси исходных материалов не ограничивается как-либо. Однако их содержание предпочтительно составляет 5-13% моль в терминах общего количества исходных материалов. Содержание молекулярного кислорода в смеси исходных материалов предпочтительно в 1-3 раза больше, чем общее количество исходных материалов.
Содержание инертного газа в смеси исходных материалов представляет собой значение, получаемое посредством вычитания общего количества исходных материалов и количества молекулярного кислорода из смеси исходных материалов в целом. В качестве инертного газа, может использоваться инертный газ, получаемый посредством рециклирования выходного газа, высвобождаемого из реакционной системы.
Известный катализатор может использоваться в соответствии с задачами изобретения в третьем способе получения реакционного продукта. Примеры композиций катализатора включают оксиды металлов, содержащие молибден, вольфрам, висмут, и тому подобное, или оксиды металлов, содержащие ванадий, и тому подобное. Порошок оксида металла, имеющий такую композицию, формуется в виде сферической формы, гранул или кольцевой формы и выжигается при высокой температуре перед использованием в качестве катализатора. По отношению к форме катализатора, могут использоваться известные формы. Соответствующие катализаторы имеют сферическую форму, имеющую диаметр 1-15 мм (миллиметров), или имеют форму гранул, иную, чем эллипсоид, имеющих эквивалентный диаметр 1-15 мм, или имеют форму кольца, которое представляет собой цилиндр, имеющий сквозное отверстие, простирающееся вдоль оси, и имеет наружный диаметр кольца 4-10 мм, внутренний диаметр кольца 1-3 мм и высоту 2-10 мм. Более предпочтительными являются катализаторы, у которых диаметр, эквивалентный диаметр, наружный диаметр кольца и высота равны 3-5 мм.
В случае, когда исходные материалы представляет собой пропилен, предпочтительные примеры оксидов металлов включают соединения, представленные следующей общей формулой (1).
Mo(a)Bi(b)Co(c)Ni(d)Fe(e)X(f)Y(g)Z(h)Q(i)Si(j)O(k)
(1)
В формуле (1), Mo представляет собой молибден; Bi представляет собой висмут; Co представляет собой кобальт; Ni представляет собой никель; Fe представляет собой железо; X представляет собой, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из натрия, калия, рубидия, цезия и таллия; Y представляет собой, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из бора, фосфора, мышьяка и вольфрама; Z представляет собой, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из магния, кальция, цинка, церия и самария; Q представляет собой элемент галоген; Si представляет собой кремний и O представляет собой кислород.
В формуле (1), приведенной выше, a, b, c, d, e, f, g, h, i, j и k, соответственно представляют собой атомные пропорции Mo, Bi, Co, Ni, Fe, X, Y, Z, Q, Si и O. Когда количество атомов молибдена (Mo) равно 12, тогда 0,5≤b≤7, 0≤c≤10, 0≤d≤10, 1≤c+d≤10, 0,05≤e≤3, 0,0005≤f≤3, 0≤g≤3, 0≤h≤1, 0≤i≤0,5 и 0≤j≤40, и k представляет собой значение, определяемое по состоянию окисления каждого элемента.
С другой стороны, в случае, когда исходный материал представляет собой акролеин, предпочтительные примеры оксидов металлов включают соединения, представленные следующей общей формулой (2).
Mo(12)V(a)X(b)Cu(c)Y(d)Sb(e)Z(f)Si(g)C(h)O(i)
(2)
В формуле (2), X представляет собой, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из Nb и W; Y представляет собой, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из Mg, Ca, Sr, Ba и Zn; Z представляет собой, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из Fe, Co, Ni, Bi и Al; где Mo, V, Nb, Cu, W, Sb, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Fe, Co, Ni, Bi, Al, Si, C и O представляют собой символы элементов.
В формуле (2), приведенной выше, a, b, c, d, e, f, g, h и i соответственно представляют собой атомные пропорции элементов. Когда количество атомов молибдена (Mo) равно 12, тогда 0≤a≤12, 0≤b≤12, 0≤c≤12, 0≤d≤8, 0≤e≤500, 0≤f≤500, 0≤g≤500 и 0≤h≤500, и i представляет собой значение, определяемое степенью окисления каждого из компонентов, исключая C.
В практических реакторах, требуется увеличить технологическую нагрузку исходных материалов на единицу количества катализатора для увеличения производительности по отношению к желаемому реакционному продукту. Однако когда технологическая нагрузка исходных материалов на единицу количества катализатора повышается, необходимо принять меры по соответствующему контролю тепла, генерируемого реакцией, и тем самым, по предотвращению возникновения горячих пятен и повреждения катализатора, и для улучшения преобразования исходных материалов и выхода желаемого реакционного продукта.
С точки зрения осуществления этого, реактор пластинчатого типа, который должен использоваться в третьем способе получения реакционного продукта, отличается следующими далее признаками (1) и (2), хотя его форма, и тому подобное, не ограничиваются как-либо.
(1) Реактор пластинчатого типа разделяется на множество реакционных зон, различающихся по средней толщине слоя катализатора, сформированного между пластинами-теплообменниками.
(2) Теплоноситель, имеющий регулируемую температуру, подается во множество реакционных зон, и при необходимости подается множество теплоносителей, имеющих независимо регулируемую температуру. Тепло, генерируемое каталитической газофазной реакцией окисления, удаляется через пластины-теплообменники. Внутренняя температура слоя катализатора может таким образом контролироваться независимо.
В качестве такого реактора пластинчатого типа, может использоваться реактор пластинчатого типа по настоящему изобретению, описанный выше. Использование реактора пластинчатого типа по настоящему изобретению в третьем способе является предпочтительным с той точки зрения, что как воздействия реактора пластинчатого типа по настоящему изобретению, так и воздействия третьего способа получения реакционного продукта получают в третьем способе для получения реакционного продукта.
Варианты осуществления реактора пластинчатого типа, который должен использоваться в третьем способе получения реакционного продукта, описываются ниже. В следующих далее формулировках, имеются случаи, когда объяснение осуществляют с использованием термина "реакционный газ", который означает одну из форм реакционной текучей среды, который представляет собой общий термин для исходных материалов, смеси исходных материалов, смеси реакционных продуктов, получаемых с помощью реакции, и тому подобное, для удобства.
Первый вариант осуществления реактора пластинчатого типа представляет собой реактор пластинчатого типа, в котором катализатор набивают в пространство между парой пластин-теплообменников с формированием реакционной зоны и который имеет на наружной стороне пластин-теплообменников проходы для теплоносителя, в которые подается теплоноситель.
Реакционная зона в реакторе пластинчатого типа может разделяться на множество областей, и толщина слоя катализатора, набитого в каждой реакционной зоне, может изменяться посредством регулировки пространства между парой пластин-теплообменников. Особенно предпочтительным является, чтобы реактор имел структуру, в которой толщина слоя катализатора в областях реакционной зоны увеличивалась от входа для смеси исходных материалов, которые должны вводиться, по направлению к выходу для них. Кроме того, наружные пространства пары пластин-теплообменников разделяется на множество проходов для теплоносителя, и в соответствующие проходы можно подавать теплоноситель, имеющий различные температуры.
Реакционный газ поступает в реактор пластинчатого типа в таком направлении, что реакционный газ протекает вдоль пластин-теплообменников, в то время как теплоноситель подается в наружное пространство пары пластин-теплообменников. Направление потока теплоносителя не ограничивается как-либо. Однако, поскольку обычно необходимо удерживать большое количество катализатора в реакционных устройствах, работающих в промышленном масштабе, и в устройствах размещается большое количество пар пластин-теплообменников, удобно, чтобы теплоноситель проходил в направлении, перпендикулярном потоку реакционного газа.
В обычных реакциях, количество реакционного газа, который взаимодействует, является наибольшим в области вокруг входа для реакционного газа, и генерирование тепла реакции, которое сопровождает реакцию, является максимальным вокруг этой области и уменьшается в направлении выхода для реакционного газа. Посредством регулировки расстояния между пластинами-теплообменниками и тем самым изменения средней толщины слоя катализатора, реакция и тепло, которое должно генерироваться под действием реакции, могут контролироваться более точно. Таким образом, может предотвращаться возникновение горячих пятен, которое сопровождает увеличение температуры слоя катализатора, и может предотвращаться повреждение катализатора.
Кроме того, для многотрубчатых реакторов встречается та проблема, что увеличение потерь давления реакционного газа и уменьшение в результате выхода желаемого реакционного продукта, происходящее при условиях, включающих высокую технологическую нагрузку реакционного газа на единицу количества катализатора, может быть устранено при использовании реактора пластинчатого типа. Кроме того, может быть уменьшена стоимость энергии для компрессора для введения реакционного газа, и тому подобное, которая необходима из-за увеличения внутреннего давления реактора.
На фиг.41 показан первый пример реактора пластинчатого типа.
Тонкие пластины-теплообменники (57), которые отделяют проходы (60-1, 60-2 и 60-3) для теплоносителя от слоя (43) катализатора, деформируются в порядке изменения толщины слоя (43) катализатора вдоль потока от входа (58) для реакционного газа к выходу (59). Термин "средняя толщина слоя катализатора" в настоящем документе означает расстояние между пластинами, как измерено в направлении, перпендикулярном направлению потока реакционного газа.
Толщина слоя (43) катализатора, сформированного между парой пластин-теплообменников (57) соответствует соответствующим проходам (60-1, 60-2 и 60-3) для теплоносителя и соответственно формирует реакционные зоны (S1, S2 и S3). Номер 61 относится к отверстию для введения теплоносителя. Хотя здесь имеются три реакционных зоны, это является только примером и количество реакционных зон не ограничивается.
В качестве пластин-теплообменников (57), могут использоваться плоские листы, листы, которые штампуются в порядке создания углублений и выступов на них, или гофрированные листы, на которых формируются гофрировка в направлении, перпендикулярном потоку реакционного газа. Листы с изгибами или гофрированная форма является пригодной для использования, когда принимается во внимание эффективность теплопроводности между реакционным газа и теплоносителем. В первом примере, в случае, когда штампованные или гофрированные листы используют в качестве пластин-теплообменников (57), средняя толщина слоя катализатора определяется с помощью следующего уравнения.
(Уравнение) [Средняя толщина слоя катализатора]=[объем слоя катализатора]÷[длина (ширина) пластин-теплообменников (длина в направлении, перпендикулярном плоскости на фиг.41)]÷[длина пластин-теплообменников в направлении потока реакционного газа]
Здесь, объем слоя катализатора определяется посредством вертикального удерживания пары пластин-теплообменников, между которыми должен формироваться слой катализатора, помещая крышку в нижней части (самый нижний участок реакционных зон), наливая жидкость, например, воду, или стеклянные шарики, имеющие диаметр 1 мм или меньше, в пространство между парой пластин-теплообменников и принимая "объем катализатора" как объем жидкости, например, воды, или стеклянных шариков, имеющих диаметр 1 мм или меньше, необходимый для заполнения пространства с их помощью.
Второй вариант осуществления реактора пластинчатого типа представляет собой реактор пластинчатого типа, который содержит расположенное в нем множество пластин-теплообменников, каждую из которых получают из двух гофрированных листов, имеющих непрерывную структуру, содержащую круговую дугу, эллиптическую дугу или часть прямоугольника или многоугольника в качестве главного составляющего элемента, посредством размещения двух гофрированных листов друг напротив друга и соединения выступов одного из гофрированных листов с выступами другого с формированием множества проходов для теплоносителя, и при этом выступы гофрированного листа одной из соседних пластин-теплообменников находятся напротив бороздок другого гофрированного листа, с формированием слоя катализатора, имеющего заданное пространство. Термин "гофрированный лист, имеющий непрерывную структуру, содержащую круговую дугу, эллиптическую дугу или часть прямоугольника или многоугольника в качестве главного составляющего элемента" в настоящем документе означает, что форма гофрировки гофрированного листа представляет собой непрерывную структуру (форму), содержащую круговую дугу, эллиптическую дугу или часть прямоугольника или многоугольника в качестве главного составляющего элемента.
В реакторе пластинчатого типа, толщина слоя катализатора может изменяться от входа для реакционного газа, который должен вводиться в слой катализатора, по направлению к выходу для него, посредством изменения формы круговой дуги, эллиптической дуги или части прямоугольника или многоугольника, придаваемой гофрированным листам. В реакторе пластинчатого типа, реакционная зона может разделяться на множество областей, и реакционная зона, разделенная на множество областей, может быть сделана соответствующий изменению толщины слоя катализатора. Кроме того, теплоноситель, имеющий регулируемую температуру, независимо подается во множество разделенных реакционных зон, и тепло, генерируемое с помощью каталитической газофазной реакции окисления, удаляется через пластины-теплообменники. Таким образом, может независимо контролироваться внутренняя температура слоя катализатора.
Реакционный газ поступает в реактор пластинчатого типа в таком направлении, что реакционный газ протекает вдоль наружного пространства пластин-теплообменников, в то время как теплоноситель подается во внутреннее пространство каждой пары пластин-теплообменников. Направление потока теплоносителя является перпендикулярным потоку реакционного газа, то есть, теплоноситель протекает в поперечном направлении.
В обычных реакциях, количество реакционного газа, который взаимодействует, больше всего в области вокруг входа для реакционного газа, и генерирование тепла реакции, которое сопровождает реакцию, является максимальным вокруг этой области и уменьшается по направлению к выходу для реакционного газа. Для эффективного удаления тепла реакции, является предпочтительным, чтобы форма гофрировки гофрированного листа, который должен использоваться в одной пластине-теплообменнике, и форма гофрированного листа, который должен использоваться в соседней пластине-теплообменнике, изменялась, и расстояние между двумя пластинами теплообменников должно регулироваться для изменения средней толщины слоя катализатора. Посредством изменения средней толщины слоя катализатора, реакция может контролироваться более точно. Таким образом, может предотвращаться возникновение горячих пятен, которое сопровождает увеличение температуры слоя катализатора, и может предотвращаться повреждение катализатора.
На фиг.42 показан второй пример реактора пластинчатого типа.
Каждую пластину-теплообменник (57) получают посредством деформирования двух листов с тем, чтобы придать им непрерывную структуру, содержащую часть круга, эллипса, прямоугольника или многоугольника в качестве главного составляющего элемента, и соединения деформированных листов в состоянии, когда они располагаются напротив друг друга (в соотношении зеркального отражения) с формированием проходов 60-1, 60-2 и 60-3) для теплоносителя, как показано на фиг.42. Пара таких пластин-теплообменников (57) располагается друг напротив друга с формированием пространства между ними, относительное положение таких пластин-теплообменников сдвинуто на расстояние, соответствующе половине проходов для теплоносителя, и катализатор набивают в полученное пространство с формированием слой (43) катализатора. Кроме того, пару пластин-теплообменников (57) снабжают входом (58) для реакционного газа, для введения через него газа реакционной смеси в слой (43) катализатора, и выходом для реакционного газа (59), для вывода через него реакционного газа.
Проходы для теплоносителя различаются по форме поперечного сечения (площади поперечного сечения) каждого прохода, и проходы для теплоносителя (60-1) имеют наибольшую ширину. В случае, когда проходы для теплоносителя (60-1) имеют наибольшую ширину, пространство (A), сформированное соседними пластинами-теплообменниками, у которых выступы гофрировки у одной пластины находятся напротив бороздок гофрировки другой (а именно, толщина слоя (43) катализатора) уже всего, поскольку расстояние между соседними пластинами-теплообменниками (57) является постоянным. Ширина проходов для теплоносителя постепенно уменьшается от проходов (60-2) для теплоносителя до проходов (60-3) для теплоносителя, и толщина слоя (43) катализатора соответствующая этим проходам для теплоносителя, увеличивается. Следовательно, области слоя (43) катализатора, которые, соответственно, соответствуют проходам (60-1, 60-2 и 60-3) для теплоносителя, отличаются по средней толщине слоя катализатора. Таким образом, может формироваться множество реакционных зон (S1, S2 и S3), отличающихся по средней толщине слоя катализатора.
Здесь, термин "средняя толщина слоя катализатора" означает среднее значение расстояния (A), как измерено в слое катализатора для каждой из реакционных зон (S1, S2 и S3), в направлении, перпендикулярном направлению потока реакционного газа. Во втором примере, средняя толщина слоя катализатора определяется с использованием следующего уравнения для вычисления.
(Уравнение) [Средняя толщина слоя катализатора]=[объем слоя катализатора]÷[длина (ширина) пластин-теплообменников (длина в направлении, перпендикулярном плоскости на фиг.42)]÷[длина пластин-теплообменников в направлении потока реакционного газа]
Здесь, объем слоя катализатора определяется посредством вертикального удерживания пары пластин-теплообменников, между которыми должен формироваться слой катализатора, помещая крышку в нижней части (самый нижний участок реакционных зон), наливая жидкость, например, воду, или стеклянные шарики, имеющие диаметр 1 мм или меньше, в пространство между парой пластин-теплообменников, и принимая "объем катализатора" как объем жидкости, например, воды, или стеклянных шариков, имеющих диаметр 1 мм или меньше, необходимый для заполнения пространства с их помощью.
Хотя здесь имеются три реакционных зоны, это всего лишь пример и в третьем способе получения реакционного продукта количество реакционных зон не ограничивается.
Конфигурация пластин-теплообменников (57), используемых во втором примере реактора пластинчатого типа, объясняется более подробно с помощью ссылки на фиг.43. Фиг.43 показывает каждую из пластин-теплообменников, полученных из двух гофрированных листов, которые деформированы так, чтобы они имели непрерывную структуру, содержащую круговую дугу, эллиптическую дугу или часть прямоугольника или многоугольника в качестве главного составляющего элемента, посредством размещения двух гофрированных листов друг напротив друга и соединения выступов одного из гофрированных листов с выступами другого, с формированием множества проходов для теплоносителя.
Размер каждого прохода для теплоносителя и средняя толщина слоя катализатора определяются как (L), что соответствует периоду гофрировки каждого гофрированного листа и высоты гофрировки (H). Здесь, период гофрировки (L) предпочтительно составляет 10-100 мм, более предпочтительно, 20-50 мм. С другой стороны, их высота (H) предпочтительно составляет 5-50 мм, более предпочтительно, 10-30 мм.
Пара таких пластин-теплообменников располагается параллельно друг другу, друг напротив друга, с формированием пространства между ними, относительные положения этих пластин-теплообменников сдвигаются на расстояние (L/2), соответствующее половине проходов для теплоносителя, и катализатор набивают в полученное пространство с формированием слоя катализатора.
Толщина слоя катализатора регулируется посредством изменения расстояния (P) между парой параллельных пластин-теплообменников и периода (L) и высоты (H) проходов для теплоносителя. Расстояние P между парой пластин-теплообменников, как правило, составляет 10-50 мм, более предпочтительно, 20-50 мм.
На фиг.43, форма каждой пластины-теплообменники изображена так, что она должна состоять из части круговых дуг. Однако форма может представлять собой непрерывную структуру, содержащую эллиптическую дугу или часть прямоугольника, треугольника или многоугольника в качестве главного составляющего элемента. Посредством изменения периода (L) и высоты (H), толщина слоя катализатора может контролироваться с удовлетворительной точностью. Является предпочтительным, чтобы толщина слоя катализатора была равномерной в направлении по длине (ширине) пластин-теплообменников (в направлении, перпендикулярном странице).
Средняя толщина слоя катализатора коррелирует с расстоянием (x), показанным на фиг.43, и расстояние (x) обычно составляет 0,7-0,9 от средней толщины слоя катализатора, определенной с помощью уравнения, приведенного выше.
В качестве листов пластин-теплообменников (57) каждого реактора, используются стальные листы, имеющие толщину листа 2 мм или меньше, предпочтительно, 1 мм или меньше.
Длина пластин-теплообменников (57), как измерено в направлении потока реакционного газа, составляет 0,5-10 м (метров), предпочтительно, 0,5-5 м, более предпочтительно, 0,5-3 м, если желательной является длина 1,5 м или больше, две пластины могут соединяться друг другу или использоваться в сочетании, с учетом размеров доступных обычно стальных листов.
Длина в направлении, перпендикулярном направлению потока реакционного газа (на фиг.41 и 42, глубина в направлении, перпендикулярном странице), не ограничивается как-либо. Их длина, которая должна использоваться, как правило, составляет 0,1-20 м, предпочтительно, 3-15 м, более предпочтительно, 6-10 м. Пластины-теплообменники (57) располагаются с такой же структурой слоя, как показано на фиг.43, и количество пластин-теплообменников, размещенных таким образом, не ограничивается. Практически, их количество определяется по количеству катализатора, необходимого для реакции, и составляет от десятков до нескольких сотен.
Средняя толщина слоя катализатора в каждой реакционной зоне не ограничивается как-либо. Однако их средняя толщина предпочтительно составляет 4-50 мм. Средняя толщина слоя катализатора в каждой реакционной зоне изменяется в зависимости также и от нагрузки исходных материалов и формы (диаметра частиц и тому подобное) катализатора. В реакторе пластинчатого типа, показанном на фиг.41, однако, является предпочтительным, например, чтобы средняя толщина слоя катализатора в реакционной зоне (S1) составляла 4-18 мм (более предпочтительно, 5-13 мм), средняя толщина слоя катализатора в реакционной зоне (S2), которая следует за реакционной зоной (S1), составляла 5-23 мм (более предпочтительно, 7-17 мм), и средняя толщина слоя катализатора в реакционной зоне (S3), которая следует за реакционной зоной (S2), составляла 8-27 мм (более предпочтительно, 10-22 мм).
С другой стороны, в реакторе пластинчатого типа, показанном на фиг.42, является предпочтительным, например, чтобы средняя толщина слоя катализатора в реакционной зоне (S1) составляла 5-20 мм (более предпочтительно, 7-15 мм), средняя толщина слоя катализатора в реакционной зоне (S2), которая следует за реакционной зоной (S1), составляла 7-25 мм (более предпочтительно, 10-20 мм), и средняя толщина слоя катализатора в реакционной зоне (S3), которая следует за реакционной зоной (S2), составляла 12-30 мм (более предпочтительно, 15-25 мм).
Вообще говоря, является предпочтительным, чтобы средняя толщина слоя катализатора для множества реакционных зон постепенно увеличивалась от входа для реакционного газа в направлении выхода.
В особенности, когда окисляется, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, и нагрузка исходных материалов составляет 150 л/час [в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа)] или более на литр катализатора, и/или когда окисляется, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, и нагрузка исходных материалов составляет 160 л/час, в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) или более на литр катализатора, тогда является более предпочтительным, чтобы средняя толщина слоя катализатора в реакционной зоне (S1), которая соединена с входом (58) для реакционного газа для введения газа реакционной смеси в слой (43) катализатора, составляла 5-15 мм (особенно предпочтительно, 7-12 мм), средняя толщина слоя катализатора в реакционной зоне (S2), которая следует за реакционной зоной (S1), составляла 7-17 мм (особенно предпочтительно, 10-15 мм), и средняя толщина слоя катализатора в реакционной зоне (S3), которая следует за реакционной зоной (S2), составляла 12-27 мм (особенно предпочтительно, 15-20 мм).
В случае, когда средняя толщина слоя катализатора меньше, чем этот диапазон, набивка катализатора в реакционную зону S1 может вызвать ту проблему, что происходит сводообразование между частицами катализатора в слое катализатора, что приводит к увеличению периода времени, необходимого для набивки, и тому подобное. Разумеется, минимальная толщина слоя катализатора должна быть больше, чем диаметр частиц для частиц катализатора. Обычно является предпочтительным, чтобы минимальная толщина слоя катализатора составляла, по меньшей мере, 1,5 от диаметра частиц катализатора. Следовательно, средние значения толщины слоя катализатора, показанные выше как примеры, являются пригодными для частиц катализатора, имеющих диаметр частиц 3-5 мм.
С другой стороны, в случае, когда средняя толщина слоя катализатора больше, чем этот диапазон, имеется вероятность того, что это вызовет возникновение горячих пятен. В особенности, когда внутренняя температура слоя катализатора в реакционной зоне, расположенной вблизи выхода для реакционного газа, например, в реакционной зоне (S3), возрастает, приводя к возникновению состояния, в котором может возникнуть явление горячих пятен или состояния, подобного горячим пятнам, в котором преобразование исходных материалов становится выше, чем оптимальное значение, тогда имеются случаи, когда получаются уменьшенные результаты реакции и выход желаемого реакционного продукта уменьшается. Когда такое состояние ухудшается в результате возникновения горячих пятен, имеются случаи, когда катализатор повреждается. В этом случае, необходимо, чтобы температура теплоносителя понижалась для ограничения количества исходных материалов, которые взаимодействуют, и для ускорения удаления тепла реакции, или чтобы для уменьшения нагрузки исходных материалов уменьшалось поступающее количество газа реакционной смеси.
Детали средней толщины слоя катализатора изменяются в зависимости от изменения количества исходных материалов, которые взаимодействуют. Однако их средняя толщина может непрерывно изменяться от входа до выхода слоя (43) катализатора, или может изменяться ступенчато. Когда принимается во внимание неоднородность химической активности, возникающая в результате производительности катализатора, предпочтительным является скорее ступенчатое изменение средней толщины слоя катализатора, поскольку может быть обеспечена некоторая степень свободы.
Количество секций, на которые разделяется реакционная зона, предпочтительно составляет 2-5. Является предпочтительным, чтобы средняя толщина слоя катализатора для реакционных зон увеличивалась от входа для реакционного газа в направлении выхода.
Длина слоя катализатора в каждой реакционной зоне, как измерено в направлении потока реакционного газа, определяется, принимая при этом во внимание преобразование исходных материалов, и тому подобное. Однако, в случае, когда реакционную зону разделяют, например, на три, является предпочтительным применять следующие значения длины слоя катализатора: пропорция для участка реакционной зоны (S1) составляет 10%-55%, для участка реакционной зоны (S2) она составляет 20%-65% и для участка реакционной зоны (S3) она составляет 25%-70%, в каждом случае, по отношению к общей длине слоя катализатора. Также является предпочтительным, чтобы длина слоя катализатора участка реакционной зоны (S3) изменялась в соответствии со степенью осуществления преобразования исходных материалов.
Как описано выше, в практических реакторах, необходимо, чтобы даже тогда, когда нагрузка исходных материалов на единицу количества катализатора увеличивается, тепло, которое генерируется реакцией, должно соответствующим образом контролироваться для предотвращения возникновение горячих пятен и повреждения катализатора и для улучшения преобразования исходных материалов и выхода желаемого реакционного продукта.
В третьем способе получения реакционного продукта, когда окисляется, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, нагрузка исходных материалов составляет 150 л/час, в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) или более на литр катализатора. Когда окисляется, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, нагрузка исходных материалов предпочтительно составляет 170-290 л/час в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа), особенно предпочтительно, 200-250 л/час, в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) на литр катализатора. Когда нагрузка исходных материалов составляет 150 л/час, в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) или более на литр катализатора, это означает, что технологическая нагрузка исходных материалов на единицу количества катализатора увеличивается.
В то же время, когда окисляется, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, нагрузка исходных материалов составляет 160 л/час, в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) или более на литр катализатора. Когда окисляется, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, нагрузка исходных материалов предпочтительно составляет 180-300 л/час в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) на литр катализатора, особенно предпочтительно, 200-250 л/час в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) на литр катализатора. Когда нагрузка исходных материалов составляет 160 л/час в терминах количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) или более на литр катализатора, это означает, что технологическая нагрузка исходных материалов на единицу количества катализатора увеличивается.
В третьем способе получения реакционного продукта, температуры теплоносителя, который должен подаваться во множество реакционных зон, независимо контролируются для улучшения преобразования исходных материалов и выхода желаемого реакционного продукта. Вообще говоря, единица температуры, используемая в третьем способе получения реакционного продукта, представляет собой градус Цельсия [°C].
В третьем способе получения реакционного продукта, с точки зрения улучшения преобразования исходных материалов и выхода желаемого реакционного продукта важно, чтобы температура T(S1) теплоносителя, который подается в реакционную зону S1, расположенную ближе всего к входу для смеси исходных материалов, была выше, чем температура T(S2) теплоносителя, который подается в реакционную зону S2, соседнюю с реакционной зоной S1 и расположенную после нее по ходу потока смеси исходных материалов.
Более предпочтительно, "T(S1)-T(S2)" равна 5°C или больше, еще более предпочтительно, 10°C или больше, особенно предпочтительно, 15°C или больше. Является предпочтительным, чтобы "T(S1)-T(S2)" составляла 40°C или меньше.
Температура теплоносителя, который подается в любую реакционную зону, расположенную после реакционной зоны S2 по ходу потока смеси исходных материалов, не ограничивается, и может быть такой же, как температура T(S2), или отличаться от нее. Однако, в особенности для реакционной зоны, содержащей область, в которой преобразование исходных материалов составляет 90% или выше, предпочтительной является температура более низкая, чем температура T(S2).
В примерах реактора пластинчатого типа, описанных на фиг.41 и 42, преобразование исходных материалов и выход желаемого реакционного продукта, могут быть улучшены, когда температура T(S1) теплоносителя, который подается в реакционную зону (S1), выше, чем температура T(S2) теплоносителя, который подается в реакционную зону (S2).
Является предпочтительным с точки зрения улучшения выхода желаемого реакционного продукта, чтобы температура теплоносителя, который подается в реакционную зону, расположенную ближе всего к выходу для смеси исходных материалов, была ниже, чем температура теплоносителя, который подается в реакционную зону, соседнюю с этой реакционной зоной и расположенную перед ней по ходу потока смеси исходных материалов. Кроме того, более предпочтительно, абсолютное значение разности температур составляет 5°C или больше, особенно предпочтительно, 10°C или больше. Является предпочтительным, чтобы абсолютное значение разности температур составляло 30°C или меньше.
В третьем способе получения реакционного продукта, является более предпочтительным, чтобы тогда, когда температура теплоносителя, который подается в любую неуказанную реакционную зону S(j), выражается как T(Sj), и температура теплоносителя, который подается в реакционную зону S(j+1), соседнюю с реакционной зоной S(j) и расположенную после нее по ходу потока смеси исходных материалов, выражается как T(Sj+1), тогда T(Sj) и T(Sj+1) должны удовлетворять соотношению T(Sj)>T(Sj+1).
А именно, в примерах реактора пластинчатого типа, описанных на фиг.41 и 42, является предпочтительным, чтобы тогда, когда температура теплоносителя, который подается в реакционную зону (S1), температура теплоносителя, который подается в реакционную зону (S2), и температура теплоносителя, который подается в реакционную зону (S3), выражаются как T(S1), T(S2) и T(S3), соответственно, тогда эти температуры должны удовлетворять соотношению T(S1)>T(S2)>T(S3).
В третьем способе получения реакционного продукта, является более предпочтительным с точки зрения дополнительного улучшения выхода желаемого реакционного продукта, чтобы тогда, когда температура теплоносителя, который подается в любую неуказанную реакционную зону S(j), выражается как T(Sj), и температура теплоносителя, который подается в реакционную зону S(j+1), соседнюю с реакционной зоной S(j) и расположенную после нее по ходу потока смеси исходных материалов, выражается как T(Sj+1), тогда T(Sj) и T(Sj+1) должны удовлетворять соотношению T(Sj)-T(Sj+1)≥5. Является еще более предпочтительным, чтобы T(Sj)-T(Sj+1)≥10, и является особенно предпочтительным, чтобы T(Sj)-T(Sj+1)≥15. Является предпочтительным, чтобы значение T(Sj)-T(Sj+1) составляло 30 или меньше.
Как описано выше, температура теплоносителя регулируется в порядке поддержания оптимального преобразования исходных материалов. В третьем способе получения реакционного продукта, когда преобразование исходных материалов желательно улучшить посредством ускорения реакции, температура теплоносителя, который подается в реакционную зону, расположенную раньше по ходу потока смеси исходных материалов, для регулирования реакции повышается. Наоборот, когда желательно уменьшить преобразование, которое стало слишком высоким, температура теплоносителя, который подается в реакционную зону, расположенную позже в направлении потока смеси исходных материалов, сначала понижается для регулирования преобразования.
В третьем способе получения реакционного продукта, преобразование исходных материалов на выходе для реакционного продукта реактора пластинчатого типа предпочтительно составляет 90% или выше, более предпочтительно, 95% или выше, особенно предпочтительно, 97% или выше.
Теплоноситель подается во множество реакционных зон при соответствующих оптимальных температурах. При этой операции является предпочтительным, чтобы направление, в котором теплоноситель заставляют протекать, было перпендикулярным направлению потока реакционного газа.
Разница между температурой на входе и температурой на выходе у теплоносителя предпочтительно составляет 0,5-10°C, более предпочтительно, 2-5°C.
В случае реактора пластинчатого типа, показанного на фиг.42, также возможно, в каждом из проходов для теплоносителя (60-1, 60-2 и 60-3), изменять скорость потока, температуру и направление потока теплоносителя по отношению к каждому проходу или каждому набору проходов. В каждой реакционной зоне, имеются случаи, когда части теплоносителя, которые имеют одинаковую температуру, заставляют независимо протекать в одном и том же направлении или в противоположных направлениях, соответственно, через индивидуальные проходы или индивидуальные наборы проходов. Кроме того, теплоноситель, который подается в проходы для теплоносителя одной реакционной зоны и высвобождается из них, может подаваться в проходы для теплоносителя в этой же или в другой реакционной зоне.
Является критически важным стабильное контролирование температуру теплоносителя, который подается в реакционные зоны для удаления тепла реакции через пластины-теплообменники, и независимое контролирование внутренних температур слоя катализатора внутри реакционных зон с более высокой определенностью. По отношению к температуре теплоносителя, является предпочтительным, чтобы реактор имел контроллеры температуры, которые работают независимо. Например, является предпочтительным, чтобы, когда теплоноситель, который проходит через реакционную зону S(j+1), должен циркулировать в расположенной до нее реакционной зоне S(j), температура этого теплоносителя T(Sj) должна регулироваться с помощью контроллера температуры перед тем, как теплоноситель подается в реакционную зону S(j). Можно также смешивать теплоноситель с теплоносителем из другой реакционной зоны или с теплоносителем, имеющим другую температуру, или с ответвлением теплоносителя, а затем регулировать его температуру, перед тем, как теплоноситель подается в реакционную зону S(j).
Является предпочтительным, чтобы температура теплоносителя, который подается в проходы для теплоносителя, составляла 200-600°C. Когда исходные материалы представляют собой, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из углеводородов, имеющих 3-4 атома углерода, и третичного бутанола, теплоноситель предпочтительно подается в каждую реакционную зону при 250-450°C, более предпочтительно, при 300-420°C. Когда исходные материалы представляют собой пропилен, температура теплоносителя, который подается во множество реакционных зон, предпочтительно составляет 250-400°C, более предпочтительно, 320-400°C.
С другой стороны, когда исходные материалы представляют собой, по меньшей мере, один исходный материал, выбранный из группы, состоящей из ненасыщенных алифатических альдегидов, имеющих 3-4 атома углерода, теплоноситель предпочтительно подается в каждую реакционную зону при 200-350°C, более предпочтительно, при 250-330°C. Когда исходные материалы представляют собой акролеин, температура теплоносителя, который подается во множество реакционных зон, предпочтительно составляет 250-320°C.
Является предпочтительным, чтобы в одной и той же реакционной зоне, температура теплоносителя была в основном одинаковой. Однако можно изменять ее температуру в пределах, где не возникает явление горячих пятен.
Скорость потока теплоносителя, который должен подаваться в проходы для теплоносителя, определяется количеством тепла реакции и сопротивлением теплопереносу. Однако сопротивление теплопереносу редко доставляет проблемы, поскольку сопротивление теплопереносу обычно выше со стороны газа, то есть, реакционного газа, чем для теплоносителя, который представляет собой жидкость. Предпочтительно, для жидкости в проходах для теплоносителя используется линейная скорость, равная 0,3 м/сек или выше. Для регулирования сопротивления теплопереносу со стороны теплоносителя, с тем, чтобы оно было более низким и доставляло меньше проблем по сравнению с сопротивлением со стороны реакционного газа, наиболее удобной является линейная скорость 0,5-1,0 м/сек. Слишком высокие скорости потока требуют большей мощности для насоса для циркуляции теплоносителя и, следовательно, являются нежелательными с точки зрения экономической эффективности. Вообще говоря, теплоноситель, который должен использоваться, может представлять собой известный теплоноситель.
В третьем способе получения реакционного продукта, давление реакции обычно составляет от обычного давления до 3000 кПа (килопаскаль), предпочтительно, от обычного давления до 1000 кПа (килопаскаль), более предпочтительно, от обычного давления до 300 кПа.
Примеры
Настоящее изобретение будет объясняться, ниже, подробно со ссылками на Примеры, но изобретение не должно рассматриваться как ограничиваемое Примерами каким-либо образом.
Пример 1
В первом реакторе пластинчатого типа, слои катализатора могут подвергаться эффективному теплопереносу. Первый реактор пластинчатого типа, следовательно, может применяться к любому исходному материалу, катализатору и реакции, постольку, поскольку реакция требует теплопереноса. Однако в качестве Примера, показана реакция, в которой пропилен окисляется с помощью кислорода, с получением акролеина и акриловой кислоты.
При приготовлении к получению акролеина посредством окисления пропилена с помощью молекулярного кислорода, катализатор получают следующим образом, с помощью способа, описанного в JP-A-63-54942, JP-B-6-13096, JP-B-6-38918 и тому подобное.
Получение катализатора
Девяносто четыре части массовых аммония парамолибдата растворяют в 400 частях массовых чистой воды при нагревании. С другой стороны, 7,2 части массовых нитрата железа, 25 частей массовых нитрата кобальта и 38 частей массовых нитрата никеля растворяют в 60 частях массовых чистой воды при нагревании. Эти растворы смешивают вместе при достаточном перемешивании, с получением раствора в состоянии суспензии.
Затем, 0,85 частей массовых боракса и 0,36 части массовых нитрата калия растворяют в 40 частях массовых чистой воды при нагревании, и этот раствор добавляют к суспензии. К ней добавляют шестьдесят четыре части массовых частиц диоксида кремния, и смесь перемешивают. Затем, к ней добавляют 58 частей массовых оксикарбоната висмута, которые объединили до этого с 0,8% масс магния, и ингредиенты смешивают вместе посредством перемешивания. Полученную в результате суспензию сушат при нагревании, а затем подвергают термической обработке при 300°C в течение 1 часа в атмосфере воздуха. Полученный твердый продукт в виде частиц таблетируют в виде таблеток, имеющих диаметр 4 мм и высоту 3 мм, с использованием машины для таблетирования, а затем выжигают при 500°C в течение 4 часов, с получением катализатора A.
Полученный катализатор A представляет собой композитный оксид, имеющий композицию, представленную Mo(12)Bi(5)Ni(3)Co(2)Fe(0,4)Na(0,2)Mg(0,4)B(0,2)K(0,1)Si(24)O(x) (пропорция x кислорода представляет собой значение, определяемое состоянием окисления каждого металла).
Реактор пластинчатого типа A, имеющий такую же конфигурацию, как и реактор пластинчатого типа, показанный на фиг.1, используют для осуществления реакции окисления пропилена. Реактор пластинчатого типа A содержит пластины-теплообменники, каждая из которых формируется посредством формования пластин из нержавеющей стали, имеющих толщину 1 мм, и соединения двух таких формованных пластин друг с другом. Трубки-теплообменники 1 имеют диаметр большой оси (L) 40 мм и диаметр малой оси (H) 20 мм, и расстояние (P) между осями пластин-теплообменников составляет 26 мм. Этот реактор имеет одну реакционную зону, и в ней удерживается катализатор A. Форма формованных пластин исследуется с помощью CCD лазерного датчика смещения (LK-G152, производится Keyence Corp.). В результате, сформированные пластины, как обнаружено, имеют отклонения от конструктивного значения для формования в пределах ±0,2 мм, исключая +0,2 мм и -0,2 мм. В реакторе пластинчатого типа A, пластины-теплообменники располагаются так, что их оси являются вертикальными.
Конструктивное значение расстояния между поверхностями пластин-теплообменников в реакторе пластинчатого типа A составляет 15 мм, в терминах расстояния между выступами, приписываемым трубкам-теплообменникам одной пластины- теплообменника и бороздками, приписываемыми соединяемым частям трубок-теплообменников другой пластины-теплообменника. Расстояние между поверхностью одной из пластин-теплообменников и поверхностью другой измеряют на 7 участках, распределенных вдоль аксиального направления пластин-теплообменников, и на 3 участках, распределенных вдоль аксиального направления трубок-теплообменников пластин-теплообменников, то есть, в целом на 21 участке. В результате, отклонение реальных значений от конструктивного значения находится в пределах 0,2 мм на 17 участках, что составляет 81% участков измерения. Расстояние между поверхностями пластин-теплообменников измеряют с помощью двух видов измерительных инструментов, каждый из них состоит из элемента стержня, имеющего длину 50 см и диаметр 4 мм, и элемента измерительного стержня, имеющего диаметр 1 мм и длину 15,2 мм или 14,8 мм, прикрепленного перпендикулярно к элементу стержня в положении, находящемся на расстоянии 30 мм от его края. Измерительные инструменты при измерении вставляют в пространство между пластинами-теплообменниками. Реактор пластинчатого типа A принимается как реактор, в котором отклонение реальных значений расстояния между поверхностями пластин-теплообменников от его конструктивного значения составляет 0 мм.
В качестве теплоносителя используют расплав смеси солей азотной кислоты (селитру). Теплоноситель регулируют так, чтобы он имел температуру, соответствующую реакционной зоне, и подают в трубки-теплообменники. Теплоноситель подают так, чтобы получить скорость потока теплоносителя 0,7 м/сек или выше.
Газ смеси исходных материалов, имеющий концентрацию пропилена как газа исходных материалов 9,5% моль, концентрацию воды 9,5% моль и концентрацию кислорода 14,2% моль и содержащий 66,8% азота, вводят в реактор пластинчатого типа при скорости 6,750 л/час (стандартное состояние) таким образом, чтобы получить давление на входе в реактор 0,07 МПа(мегапаскалей в датчике).
Диаметр большой оси и диаметр малой оси трубок-теплообменников, длина реакционной зоны и расстояние между пластинами-теплообменниками (P) в реакторе пластинчатого типа A показаны в таблице 1. В таблице 2 показана температура теплоносителя, преобразование пропилена (PP) как исходных материалов, селективность, получаемая делением общего выхода акролеина (ACR) и акриловой кислоты (AA) в качестве желаемых продуктов на преобразование пропилена (PP), и пиковую температуру слоя катализатора.
Таблица 1
Диаметр трубки-теплообменника
Длина реакцион-ной зоны (мм)
Расстояние между пластинами-теплообменни-ками, P (мм)
Большая ось L (мм)
Малая осьH (мм)
Реактор A
40
20
600
26,0
Реактор B
40
20
600
26,5
Реактор C
40
20
600
27,5
Реактор D
40
20
600
28,5
Реактор E
Первая реакционная зона
40
20
600
26,5
Вторая реакционная зона
40
16
400
27,5
Реактор F
Первая реакционная зона
40
20
600
28,5
Вторая реакционная зона
40
16
400
27,5
Пример 2
Реактор пластинчатого типа B, имеющий такую же структуру, как и реактор пластинчатого типа A, за исключением того, что расстояние между осями пластин-теплообменников (P) составляет 26,5 мм, используют для осуществления сначала реакции при таких же условиях, как в Примере 1. По отношению к реальным значениям расстояния между поверхностями пластин-теплообменников в реакторе пластинчатого типа B, расстояние между выступами одной пластины-теплообменника и бороздками другой пластины-теплообменника измеряют таким же способом, как в Примере 1. В результате, реальные значения составляют 15,5±0,2 мм на 16 участках, что составляет 76% участков измерения. Реактор пластинчатого типа B соответствует случаю, когда отклонение реальных значений от конструктивного значения составляет +0,5 мм. В этой реакции, пиковая температура слоя катализатора достигает 419°C и растет дальше. По этой причине, реакцию временно приостанавливают.
Реакцию осуществляют таким же способом, как в Примере 1, за исключением того, что температуру теплоносителя понижают до 338°C так, что пиковая температура слоя катализатора в реакторе пластинчатого типа B становится такой же, как пиковая температура слоя катализатора в Примере 1. В результате, получают результаты реакции, эквивалентные результатам Примера 1, как показано в таблице 2.
Пример 3
Реактор пластинчатого типа C, имеющий такую же структуру, как реактор пластинчатого типа A, за исключением того, что расстояние между осями пластин-теплообменников (P) составляет 27,5 мм, используют для осуществления сначала реакции при таких же условиях, как в Примере 1. По отношению к реальным значениям расстояния между поверхностями пластин-теплообменников в реакторе пластинчатого типа C, расстояния между выступами одной пластины-теплообменника и бороздкой другой пластины-теплообменника измеряют таким же способом, как в Примере 1. В результате, реальные значения составляют 16,5±0,2 мм на 18 участках, что составляет 86% участков измерения. Реактор пластинчатого типа C соответствует случаю, когда отклонение реальных значений от конструктивного значения составляет +1,5 мм. В этой реакции, пиковая температура слоя катализатора достигает 442°C и растет дальше. По этой причине, реакцию временно приостанавливают.
Реакцию осуществляют таким же способом, как в Примере 1, за исключением того, что температуру теплоносителя понижают до 330°C так, что пиковая температура слоя катализатора в реакторе пластинчатого типа C становится такой же, как пиковая температура слоя катализатора в Примере 1. В результате, получают результаты реакции, эквивалентные результатам Примера 1, как показано в таблице 2.
Сравнительный пример 1
Реактор пластинчатого типа D, имеющий такую же структуру, как реактор пластинчатого типа A, за исключением того, что расстояние между осями пластинами-теплообменниками (P) составляет 28,5 мм, используют для осуществления сначала реакции при таких же условиях, как в Примере 3. По отношению к реальным значениям расстояния между поверхностями пластин-теплообменников в реакторе пластинчатого типа D, расстояния между выступами одной пластины-теплообменника и бороздкой другой пластины-теплообменника измеряют таким же способом, как в Примере 1. В результате, реальные значения составляют 17,5+0,2 мм на 19 участках, что составляет 90% участков измерения. Реактор пластинчатого типа D соответствует случаю, когда отклонение реальных значений от конструктивного значения составляет +2,5 мм. В этой реакции, пиковая температура слоя катализатора достигает 450°C и имеется возможность резкого увеличения скорости реакции. По этой причине реакцию временно приостанавливают. Реакцию осуществляют таким же способом, как в Примере 1, за исключением того, что температуру теплоносителя понижают до 300°C. Однако преобразование не превышает 50% и реакция не осуществляется.
Пример 4
Реактор пластинчатого типа E, имеющий две реакционные зоны, используют для осуществления окисления пропилена. В реакторе пластинчатого типа E, первая реакционная зона имеет такую же структуру, как реактор пластинчатого типа B. Вторая реакционная зона, которая следует за первой реакционной зоной, имеет такую же структуру, как реактор пластинчатого типа, в котором трубки-теплообменники имеют диаметр малой оси (H) 16 мм, реакционная зона имеет длину 400 мм и расстояние между осями пластины-теплообменника составляет 27,5 мм.
В первой реакционной зоне в реакторе пластинчатого типа E, конструктивное значение расстояния между поверхностями пластин-теплообменников составляет 15,5 мм в терминах расстояния между выступами одной пластины-теплообменника и бороздками другой пластины-теплообменника. Первая реакционная зона соответствует случаю, когда отклонение реальных значений расстояния между поверхностями пластин-теплообменников от его среднего значения составляет +0,5 мм. Во второй реакционной зоне реактора пластинчатого типа E, конструктивное значение расстояния между поверхностями пластин-теплообменников составляет 18,5 мм в терминах расстояния между выступами одной пластины-теплообменника и бороздками другой пластины-теплообменника. Расстояние измеряют таким же способом, как в Примере 1, и, как результат, реальные значения составляют 18,5+0,2 мм на 13 участках, что составляет 87% участков измерения. Вторая реакционная зона соответствует случаю, когда отклонение реальных значений расстояния между поверхностями пластин-теплообменников от его среднего значения составляет +1,5 мм.
Реакцию осуществляют при таких же условиях, как в Примере 1, за исключением того, что температуру теплоносителя для первой реакционной зоны и температуру теплоносителя для второй реакционной зоны регулируют при 330°C и 328°C, соответственно, так что пиковая температура слоя катализатора в каждой реакционной зоне становится такой же, как пиковая температура слоя катализатора в Примере 1. В результате, как показано в таблице 2, получают превосходные результаты реакции, как в Примере 1.
Сравнительный пример 2
Реактор пластинчатого типа F, имеющий две реакционных зоны, используют для осуществления окисления пропилена. В реакторе пластинчатого типа F, первая реакционная зона имеет такую же структуру, как в реакторе пластинчатого типа D, и вторая реакционная зона является такой же, как вторая реакционная зона, используемая в Примере 4. Первая реакционная зона в реакторе пластинчатого типа F соответствует случаю, когда отклонение реальных значений от конструктивного значения составляет +2,5 мм, и вторая реакционная зона в реакторе пластинчатого типа F соответствует случаю, когда отклонение реальных значений от конструктивного значения составляет +1,5 мм, как в Примере 4.
Реакцию осуществляют при таких же условиях, как в Примере 1, за исключением того, что используют такие же температуры теплоносителя, как в Примере 4. В результате, пиковая температуры слоя катализатора достигает 450°C и имеется возможность резкого увеличения скорости реакции. По этой причине реакцию временно приостанавливают. Реакцию осуществляют таким же способом, как в Примере 1, за исключением того, что температуру теплоносителя в первой реакционной зоне понижают до 300°C. Однако преобразование не превышает 50% и реакции не происходит.
Пример 5
Реактор пластинчатого типа, показанный на фиг.16, изготавливают для использования при исследовании набивки. Размещают шесть пластин-теплообменников. Длина пластин-теплообменников (ширина пластин-теплообменников), как измерено в аксиальном направлении трубок-теплообменников, составляет 5 м. Замковые элементы для фиксирования газопроницаемых пластин (перфорированных пластин) располагаются в нижней части каждой из пластин-теплообменников. Высота пластин-теплообменников, как измерено в аксиальном направлении пластин-теплообменников от газопроницаемых пластин, составляет 1,88 м, и линейные части, не содержащие трубок-теплообменников, формируются вверх от газопроницаемых пластин на 150 мм. Перегородки располагаются через интервалы 50 см. Перегородки имеют форму, показанную на фиг.17, и имеют толщину пластин 5 мм.
Каждую из пластин-теплообменников изготавливают посредством формования листов нержавеющей стали (SUS304L), имеющих толщину 1 мм, с тем, чтобы придать им форму поперечного сечения, состоящего из ряда углублений в форме круговых дуг и выступающих краев, сформированных между углублениями, и сваривания выступов одного из двух таких формованных стальных листов с выступами другого. Описание трубок-теплообменников в этих пластинах-теплообменниках показано в следующей далее таблице 3. В реакторе пластинчатого типа, расстояние между линейными частями соседних пластин-теплообменников составляет 24 мм.
Таблица 3
Диаметр большой оси (мм)
Диаметр малой оси (мм)
Количество трубок-теплообменников
Первая реакционная зона 2a
50
20
12
Вторая реакционная зона 2b
40
16
11
Третья реакционная зона 2c
30
10
23
Катализатор набивают в секции, сформированные в реакторе пластинчатого типа посредством соседних пластин-теплообменников и перегородок. В качестве катализатора можно использовать катализатор, полученный посредством приготовления порошка композитного оксида металлов, имеющего композицию, представленную Mo(12)Bi(5)Co(3)Ni(2)Fe(0,4)Na(0,4)B(0,2)K(0,08)Si(24)O(x), формования порошка в виде цилиндрической формы, имеющей наружный диаметр 4 мм и высоту 3 мм, и выжигания формованного порошка. В формуле, приведенной выше, Mo, Bi, Co, Ni, Fe, Na, B, K, Si, и O представляют собой символы атомов, и (x) из O(x) представляет собой значение, определяемое состоянием окисления каждого оксида металла.
Для набивки катализатора используют вибрационное устройство для введения, имеющее такую же ширину, как интервалы сит, то есть, 50 см. Катализатор подают в секции при скорости набивки 1 л (литр)/мин или ниже (примерно 0,8-0,9 л/мин). Более конкретно, 11,6-литровые порции катализатора по отдельности помещают в соответствующие виниловые мешки, с приготовлением 33 мешков катализатора, и набивают в соответствующие секции с помощью вибрационного устройства для введения. Вычисленное теоретическое значение высоты набивки, определяемое по объему каждой секции, составляет 182,5 см.
После этого, поверхность сформированного слоя катализатора разравнивают для измерения высоты слоя катализатора, и измеряют расстояние между поверхностью слоя катализатора и верхним краем каждой пластины-теплообменника. Высоту набивки определяют по разности между этим расстоянием и высотой пластин-теплообменников от газопроницаемых пластин. Измерение этого расстояния осуществляют на 11 участках с интервалами 5 см в каждой секции. Скорость введения катализатора с помощью вибрационного устройства для введения флуктуирует, и скорость введения иногда становится высокой. Чрезмерное отклонение скорости введения приводит к увеличению высоты слоя катализатора, и случайно может приводить к случаям, когда происходит сводообразование и катализатор перетекает через край секции. В таких случаях, замковые элементы, прикрепленные к нижней части секции, снимают для удаления газопроницаемой пластины и извлечения катализатора, и набивку осуществляют повторно. Когда операцию набивки осуществляют в целом 300 раз, общее количество таких операций повторной набивки, которые становятся необходимыми, составляют самое большее три.
Результаты измерения высоты набивки показывают, что высота слоя катализатора находится в пределах ±5 см по отношению к теоретическому значению. Высота слоя катализатора имеет отклонение ±2,7% по отношению к теоретическому значению. Эти результаты показывают, что в реакторе пластинчатого типа, имеющего перегородки, катализатор может исключительно равномерно набиваться в пространства, когда катализатор набивается отдельно по секциям.
Пример 6
Способы вычисления, используемые в этом Примере, который относится к третьему способу получения реакционного продукта, для определения преобразования исходных материалов, селективности по отношению к желаемому реакционному продукту, выхода желаемого реакционного продукта и нагрузки исходных материалов, показаны ниже.
<1> Преобразование исходных материалов (пропилен, акролеин и тому подобное) [%]=(количество молей исходных материалов преобразованных в другое веществе в реакторе)/(количество молей исходных материалов, вводимых в реактор)× 100
<2> Селективность по отношению к желаемому реакционному продукту [%]=(количество молей желаемого реакционного продукта на выходе из реактора)/(количество молей исходных материалов преобразованных в другое вещество в реакторе)×100
<3> Выход желаемого реакционного продукта [%]=(количество молей желаемого реакционного продукта на выходе из реактора)/(количество молей исходных материалов, вводимых в реактор)×100
<4> Нагрузка исходных материалов [л, н.у./л·час]=(скорость введения исходных материалов в час, л [литр] [количество при нормальных условиях])/(количество катализатора, подвергающегося взаимодействию, л [литр])
Термин "стандартное состояние" в настоящем документе обозначает состояние материала, помещенного при температуре 0°C и при 101,325 кПа (абсолютное давление).
При приготовлении к получению акриловой кислоты посредством каталитического газофазного окисления пропилена молекулярным кислородом, катализатор в форме цилиндрических гранул, имеющих наружный диаметр 4 мм и высоту 3 мм, получают как катализатор для первой ступени, для преобразования пропилена в акролеин и акриловую кислоту, посредством приготовления порошка оксида металла, имеющего композицию, представленную как Mo(12)Bi(5)Co(3)Ni(2)Fe(0,4)Na(0,4)B(0,2)K(0,08)Si(24)O(x), и формования порошка. Кроме того, катализатор в форме колец, имеющих наружный диаметр 5 мм, внутренний диаметр 2 мм и высоту 3 мм, получают как катализатор для последней ступени, для преобразования акролеина в акриловую кислоту, посредством приготовления порошка оксида металла, имеющего композицию, представленную как Mo(12)V(2,4)Ni(15)Nb(1)Cu(1)Sb(59)Si(7)O(x), и формования порошка. В формулах, (x) из O(x) представляет собой значение, определяемое по состоянию окисления каждого оксида металла.
В качестве реакторов пластинчатого типа, используют реакторы, имеющие структуру, показанную на фиг.42. Две тонких пластины из нержавеющей стали (толщина, 1 мм), имеющих гофрированную форму, соединяют друг с другом с формированием проходов для теплоносителя для регулирования температуры реакции. Период (L) и высота (H) гофрировки, которые иллюстрируются на фиг.43, и количество изгибов гофрировки показаны в таблице 4.
Пара таких гофрированных пластин-теплообменников, полученных посредством соединения, в качестве реактора первой ступени, набивают катализатором для первой ступени, в то время как другую пару в качестве реактора для последней ступени набивают катализатором для последней ступени. Таким образом, формируют слои катализатора. В каждом реакторе, из реактора первой ступени и последней ступени, слой катализатора разделяют на реакционную зону (S1), реакционную зону (S2) и реакционную зону (S3), расположенные со стороны входа в направлении потока реакционного газа, как показано в таблице 4, в соответствии с описаниями формы гофрировки. Как показано на фиг.42, каждая пара гофрированных пластин-теплообменников располагается параллельно, и расстояние между ними (P на фиг.43) регулируется при 26 мм. Пластины-теплообменники имеют ширину 114 мм.
Таблица 4
Реактор первой ступени
Период гофрировки, L (мм)
Высота гофрировки, H (мм)
Количество изгибов гофрировки
Количество катализатора (литры)
Первая реакционная зона (S1)
40
20
15
Вторая реакционная зона (S2)
40
16
11
Третья реакционная зона (S3)
30
10
23
Всего
3,22
Реактор последней ступени
Период гофрировки, L (мм)
Высота гофрировки, H (мм)
Количество изгибов гофрировки
Количество катализатора (литр)
Первая реакционная зона (S1)
40
20
19
Вторая реакционная зона (S2)
40
16
10
Третья реакционная зона (S3)
30
10
19
Всего
2,91
Количества катализатора, показанные в таблице 4, представляют собой результаты измерений объема, при котором объем каждого слоя катализатора измеряют посредством удерживания реактора в вертикальном положении, присоединения пластины к самому нижнему слою катализатора и наливания воды сверху. Количества катализатора используют для вычисления нагрузки исходных материалов.
Смесь исходных материалов (далее упоминается как газ реакционной смеси), содержащая 9,5% моль пропилена, проходит, как исходные материалы, от входа (реакционная зона (S1)) реактора первой ступени. Газ реакционной смеси содержит кроме пропилена 15,2% моль кислорода, 65,9% моль азота и 9,4% моль водяного пара.
Катализатор первой ступени набивают в реактор первой ступни, показанный в таблице 4, и осуществляют реакцию окисления пропилена. В качестве теплоносителя, используют NeoSK-OIL (зарегистрированное торговое наименование 1400, производится Soken Tecnix Co., Ltd). Теплоноситель подается в реакционную зону (S1) - реакционную зону (S3) после регулировки, с тем, чтобы он имел температуры, соответствующие этим зонам. Скорость введения теплоносителя регулируется так, чтобы скорость потока теплоносителя составляла 0,7 м/сек или выше.
Газ реакционной смеси, имеющий концентрацию пропилена 9,5% моль, вводится на вход реактора при скорости 5,670 л/час [количество при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа)]. Температуры теплоносителя, подающегося в реакционные зоны (S1), (S2) и (S3), регулируют при 342°C, 329°C и 329°C, соответственно. Скорость введения пропилена составляет 539 л/час, количества при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) (далее также упоминается как л, н.у./час). Давление на входе реактора составляет 0,109 МПа (мегапаскалей в датчике), и разность давлений между входом и выходом слоя катализатора реактора (потери давления) является исключительно малой, 14 кПа.
Выходной газ анализируют с помощью газовой хроматографии. В результате, преобразование пропилена составляет 97,2%, выход акриловой кислоты составляет 10,1% и выход акролеина составляет 81,7%. Нагрузка пропилена составляет 167 л/час, количество при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) (далее упоминается также как л, н.у./час).
Пример 7
Реакцию осуществляют таким же способом, как в Примере 6, за исключением того, что температуры теплоносителя, подающегося в реакционные зоны (S1), (S2) и (S3), регулируют при 360°C, 345°C и 329°C, соответственно. Выходной газ анализируют с помощью газовой хроматографии. В результате, преобразование пропилена составляет 98,3% и общий выход акриловой кислоты и акролеина составляет 92,7%.
Пример 8
Реакцию осуществляют таким же способом, как в Примере 6, за исключением того, что скорость введения газа реакционной смеси увеличивают до 7,817 л/час, количество при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) и что температуры теплоносителя, подающегося в реакционные зоны (S1), (S2) и (S3), регулируют при 342°C, 335°C и 334°C, соответственно. Скорость введения пропилена составляет 743 л, н.у./час.
Выходной газ анализируют с помощью газовой хроматографии. В результате, преобразование пропилена составляет 95,4%, выход акриловой кислоты составляет 11,5% и выход акролеина составляет 79,2%. Нагрузка пропилена составляет 231 л, н.у./л·час. Давление на входе в реактор составляет 0,134 МПа (мегапаскалей в датчике), и потери давления в слое катализатора реактора составляют 30 кПа (килопаскаль).
Пример 9
Газ на выходе реакторе, получаемый в Примере 8, вводят в реактор последней ступени, и акролеин окисляют с получением акриловой кислоты. Воздух, в качестве источника молекулярного кислорода для реакции окисления, и азот подают при скорости 2186 л/час количество при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа) и 680 л/час [количество при нормальных условиях (температура, 0°C; 101,325 кПа)], соответственно, и смешивают с выходным газом реактора первой ступни, и эту смесь вводят в реактор последней ступени.
Температуры теплоносителя, подающегося в реакционные зоны (S1), (S2) и (S3) реактора последней ступени составляют 284°C, 278°C и 278°C, соответственно. Скорость введения теплоносителя регулируют так, что скорость потока теплоносителя в проходах для теплоносителя каждой реакционной зоны составляет 0,4 м/сек или выше. Давление на входе реактора последней ступени составляет 0,097 МПа (мегапаскалей в датчике), и потеря давления в слое катализатора реактора составляет 29 кПа (килопаскаль).
Выходной газ анализируют с помощью газовой хроматографии. В результате, преобразования акролеина составляет 99,4%, выход акриловой кислоты по отношению к пропилену, вводимому в реактор первой ступни, составляет 86,3%, и нагрузка акролеина составляет 201 л, н.у./л·час.
Примеры 10-12 и сравнительные примеры 3 и 4
Реакцию осуществляют таким же способом, как в Примере 6, за исключением того, что газ реакционной смеси, который должен подвергаться взаимодействию, заменяют газом, имеющим композицию, состоящую из 9,4% моль пропилена, 15,2% моль кислорода, 65,9% моль азота и 9,5% моль водяного пара, что газ реакционной смеси вводят так, чтобы получить нагрузку пропилена 219 л, н.у./л·час, и что температуры теплоносителя, подающегося в реакционные зоны (S1), (S2) и (S3), регулируются при температурах, показанных в таблице 2. Результаты анализа выходного газ с помощью газовой хроматографии показаны в таблице 5. Реакцию дополнительно продолжают в течение 230 часов или более. В результате, преобразование и выход являются стабильными, и не наблюдается никаких признаков повреждения катализатора.
Пример 13 и сравнительный пример 5
Используют реактор пластинчатого типа, который представляет собой реактор первой ступни и который имеет такой же период (L), высоту (H), количество изгибов гофрировки и расстояние между гофрированными листами P, как те, которые показаны в таблице 4, но имеют ширину пластины-теплообменника 96 мм. Этот тип реактора с пластинами-теплообменниками набивают катализатором для последней ступени. Высота набивки составляет 1,8 м, и количество катализатора составляет 2,5 л (литр).
Сравнительный Пример 5 осуществляют следующим образом. Трубку из нержавеющей стали, имеющую внутренний диаметр 27 мм, используют в качестве реакционной трубки, и катализатор для последней ступени набивают в реакционную трубку до высоты набивки 1,8 м, с получением трубчатого реактора. Количество катализатора составляет 1,0 л.
Реактор пластинчатого типа и трубчатый реактор фиксируют в вертикальном положении, и в них сверху подают воздух при комнатной температуре. Давление на входе и давление на выходе измеряют для определения потерь давления в каждом слое катализатора. Результаты этого измерения показаны в таблице 6.
Таблица 6
Реактор
Скорость прохождения газа
Нагрузка
Потери давления
л, н.у./л·час
м<sup>3</sup>/час
Содержание пропилена принимают как 9,5% моль(л, н.у./л·час)
кПа (килопаскаль)
Пластинчатого типа
1,000
2,5
95
2,5
Пластинчатого типа
2,000
5,0
190
7,6
Пластинчатого типа
3,000
7,5
285
16
Реактор
Скорость прохождения газа
Нагрузка
Потеря давления
л, н.у./л·час
м<sup>3</sup>/час
Пропилен, 9,5 % (л, н.у./л·час)
кПа (килопаскаль)
Трубчатый реактор
1,000
1,0
95
6
Трубчатый реактор
2,000
2,0
190
17
Трубчатый реактор
3,000
3,0
285
30
Термин "скорость прохождения газа [л, н.у./л·час]" в настоящем документе означает скорость введения газа на л (литр) катализатора в час. Объем каждого газа приводится в терминах объема в стандартном состоянии (0°C, 101,325 кПа).
Хотя настоящее изобретение описывается подробно и со ссылкой на конкретные варианты его осуществления, специалисту в данной области будет понятно, что различные изменения и модификации могут быть проделаны в нем без отклонения от его духа и рамок.
Настоящая заявка основывается на заявке на патент Японии, поданной на 31 марта 2008 года (заявка № 2008-091298), на заявке на патент Японии, поданной 31 марта 2008 года (заявка № 2008-091705), на заявке на патент Японии, поданной 31 марта 2008 года (заявка № 2008-091818), и на заявке на патент Японии, поданной 24 декабря 2008 года (заявка № 2008-327973), содержание которых включается в настоящий документ в качестве ссылок.
Реакторы пластинчатого типа имеют ту проблему, что пластины-теплообменники, во время изготовления реакторов, располагаются в положениях, отклоняющихся от конструктивного значения, и желаемые результаты реакции, которые устанавливаются, когда реакторы конструируются, не получаются с помощью реальных реакторов пластинчатого типа. Однако первый реактор пластинчатого типа и способ изготовления реактора предусматривают технологию, при которой диапазон допусков относительного расположения пластин-теплообменников конкретизируется и пластины-теплообменники фиксируются в этом диапазоне допусков. Таким образом, первый способ получения реакционного продукта, где температура теплоносителя контролируется, и нет структурных изменений реактора пластинчатого типа, может использоваться для установления технологии, для получения желаемых результатов реакции с помощью реального реактора пластинчатого типа. Ожидается, что возможность использования реакторов пластинчатого типа при промышленном получении реакционных продуктов посредством газофазных каталитических реакций сильно повышается. Следовательно, настоящее изобретение, как ожидается, приведет к дополнительным разработкам в области получения реакционных продуктов, посредством газофазных каталитических реакций.
В реакторах пластинчатого типа, имеются случаи, когда реакция контролируется посредством регулировки толщины слоя катализатора. В таком реакторе пластинчатого типа, сложнее равномерно набить катализатор по всему реактору. Однако, во втором реакторе пластинчатого типа, катализатор может соответствующим образом набиваться быстро, точно и просто. Эффективность установки реакторов пластинчатого типа и эффективность их обслуживания и периодической инспекции, как ожидается, заметно улучшится.
Второй способ получения реакционного продукта имеет следующие воздействия. При способе получения, при котором исходные материалы вводятся в реактор пластинчатого типа, набитый катализатором, и исходные материалы взаимодействуют, с получением реакционного продукта, предотвращается уменьшение результатов реакции из-за неоднородного состояния набивки катализатора. Ожидается получение желаемых результатов реакции в соответствии с рабочими характеристиками катализатора и дальнейшее улучшение результатов реакции с использованием улучшенного катализатора.
Третий способ получения реакционного продукта имеет следующие воздействия. При способе получения, при котором исходные материалы вводятся в реактор пластинчатого типа, набитый катализатором, и исходные материалы взаимодействуют, с получением реакционного продукта, предотвращается увеличение потерь давления реакционного газа, проходящего через катализатор, когда технологическая нагрузка исходных материалов на единицу количества катализатора увеличивается. Кроме того, соответствующим образом контролируется тепло, генерируемое реакцией. Таким образом, выход желаемого реакционного продукта может улучшаться, предотвращая в то же время возникновение горячих пятен и повреждение катализатора.
Следовательно, настоящее изобретение имеет большое промышленное значение.