РЕАКТОР ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ГАЗОФАЗНЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
REACTOR FOR GAS-PHASE CATALYTIC PROCESSES

Изобретение относится к области технологического оборудования для осуществления газофазных каталитических процессов и может быть использовано в химической, нефтехимической и других областях промышленности, использующих газофазные каталитические процессы, в частности каталитический риформинг.
Каталитический риформинг представляет собой один из важнейших процессов современной нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Он широко используется для повышения детонационной стойкости бензинов и производства ароматических углеводородов, главным образом бензола, толуола и ксилолов. Важную роль играет каталитический риформинг также в обеспечении водородом процессов гидроочистки нефтяных продуктов.
Каталитический риформинг - сложный химический процесс, включающий разнообразные реакции, которые позволяют коренным образом преобразовать углеводородный состав бензиновых фракций и тем самым значительно улучшить их антидетонационные свойства.
Основой процесса служат три типа реакций. Наиболее важны перечисленные, приводящие к образованию ароматических углеводородов - дегидрирование шестичленных нафтенов, дегидроизомеризация пятичленных нафтенов и ароматизация (дегидроциклизация) парафинов.
Наиболее легко и быстро протекают эндотермические реакции дегидрирования гомологов циклогексана. Помимо целевых реакций дегидрирования нафтенов (Q=-200 кДж/моль) и дегидроциклизации н-алканов (Q=-450 кДж/моль) протекает ряд побочных реакций: изомеризация, гидрирование и гидрокрекинг нафтеновых углеводородов, изомеризация и гидрокрекинг н-алканов. Тепловой эффект побочных реакций может быть как эндотермическим, так и экзотермическим.
Суммарно особенностью каталитического риформинга можно считать сопровождение основных реакций интенсивным поглощением теплоты. Так для парафинового сырья отрицательный тепловой эффект составляет 295-364 кДж/кг сырья, для нафтенового 410-670 кДж/кг сырья. Поэтому при промышленной реализации процесса катализатор размещают в нескольких реакторах и между ними подогревают газосырьевую смесь в газовой печи. В первых по ходу сырья реакторах поглощение теплоты наивысшее, так как содержание нафтенов наивысшее, в последнем реакторе в основном протекают реакции гидрокрекинга. Целесообразно повышать температуру от первого реактора к последнему: в результате снижается роль побочных реакций гидрокрекинга в первых реакторах. Кроме того, общая глубина целевых реакций дегидрирования и дегидроциклизации (т.е. глубина ароматизации) зависит от правильного распределения катализатора между реакторами. Соотношение это обычно составляет 1:(2-3):(4-6); чем больше парафиновых углеводородов в сырье, тем больше катализатора приходится размещать в последнем реакторе.
Известен (RU, патент 2278726) реактор для осуществления газофазных каталитических процессов, содержащий корпус, средства ввода исходных компонентов и средство вывода готового продукта, узел подвода или отвода тепла, выполненный в виде множества тепловых труб. Кроме того, реактор дополнительно содержит катализатор, нанесенный на тепловые трубы и/или корпус в виде покрытия, при этом тепловые трубы по объему корпуса расположены в шахматном порядке, а их суммарная площадь поверхности, находящаяся в каталитической зоне, выбрана таким образом, что обеспечивает поступление или отвод из каталитической зоны необходимого для проведения каталитического процесса количества тепловой энергии.
Недостатком известного реактора следует признать невозможность его применения для осуществления многостадийных процессов, особенно происходящих при различных температурных режимах и различных катализаторах.
Известна (RU, патент 2200731) установка для производства метанола, содержащая источник углеводородсодержащего газа с компрессором для его сжатия, последовательно установленные реакторы, каждый из которых содержит последовательно чередующиеся смесительные и реакционные зоны с использованием устройства для охлаждения реакционной смеси через стенку с трубопроводами подачи углеводородсодержащего газа в первую смесительную зону каждого реактора и кислородсодержащего газа в каждую смесительную зону, рекуперативный теплообменник и холодильник-конденсатор для окончательного охлаждения реакционной смеси перед сепарацией, сепаратор для разделения отходящих газов и жидких продуктов, трубопровод для подачи отходящих газов в исходный углеводородсодержащий газ или на сжигание, ректификационный узел для разделения метанола и других жидких продуктов. Реакционные зоны полностью или частично выполнены в виде ряда параллельных труб, являющихся частью устройства для охлаждения реакционной смеси через стенку и заключенных в общий корпус, снабженный трубопроводами для подачи водяного конденсата и вывода пара в ректификационный узел.
Недостатком известного реактора следует признать его невысокую эффективность, обусловленную несовершенством конструкции.
Техническая задача, решаемая посредством предлагаемой конструкции реактора, состоит в обеспечении возможности проведения многостадийных процессов, особенно происходящих при различных температурных режимах и различных катализаторах.
Технический результат, получаемый при реализации предлагаемой конструкции реактора, состоит в обеспечении возможности осуществления в одном реакторе многостадийных процессов, особенно происходящих при различных температурных режимах и различных катализаторах.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать реактор для осуществления газофазных каталитических процессов разработанной конструкции. Реактор содержит вертикальный корпус, в нижней части которого перпендикулярно оси корпуса установлен катализаторный стол, в верхнем торце корпуса установлен патрубок ввода исходных компонентов, на корпусе размещен патрубок отвода продуктов реакции, внутри корпуса установлен внутренний корпус, предпочтительно покрытый теплоизоляционным материалом и сообщенный с патрубком отвода продуктов реакции, между корпусами и/или во внутреннем корпусе расположена зона размещения тепловых труб, концы которых расположены под катализаторным столом, пространство между корпусами и объем внутреннего корпуса выполнен с возможностью размещения катализатора, а патрубок ввода исходных компонентов сообщен с объемом реактора, расположенным между корпусами, при этом в нижней части внутреннего реактора в зоне катализаторного стола выполнены отверстия для прохода реагирующих газов. В пространстве под катализаторным столом могут быть выделены зоны подвода тепла, причем часть тепловых труб выходит в зону подвода тепла, а часть - в зону отвода тепла. Патрубки ввода и вывода предпочтительно расположены коаксиально. Тепловые трубы могут быть выполнены коаксиальными, пластинчатыми, цилиндрическими, клиновидными или плоскорадиальными. Коаксиальная тепловая труба представляет собой тело, образованное двумя коаксиально расположенными цилиндрами и двумя герметично закрывающими объем между цилиндрами кольцами, причем объем заполнен, по меньшей мере, частично теплоносителем. Пластинчатая тепловая труба представляет собой тело, образованное четырьмя попарно параллельными пластинами, при этом образованный объем заполнен, по меньшей мере, частично теплоносителем. Они могут быть установлены как по радиальным направлениям относительно оси ректора, так и хордам. Плоские радиально расположенные тепловые трубы имеют аналогичную конструкцию, но их устанавливают по радиальным направлениям.
По радиальным направлениям устанавливают тепловые трубы, имеющие клиновидную форму. В некоторых вариантах конструкции реактора концы тепловых труб могут быть выведены в верхней части реактора с возможностью отвода тепла. Это обеспечивает протекание экзотермических реакций.
Используемые тепловые трубы могут быть выполнены с возможностью подвода/отвода тепла с различной интенсивностью. Это может быть обеспечено изменением площади поверхности тепловой трубы и различной интенсивности подвода/отвода тепла.
Конструкция реактора с одним внутренним корпусом предназначена для реализации двухстадийного процесса.
В случае реализации трех- и более стадийного процесса реактор может дополнительно содержать, по меньшей мере, еще один дополнительный внутренний корпус, причем тепловые трубы установлены между корпусами с возможностью подвода/отвода тепла с различной интенсивностью. При этом верхняя часть внутренних корпусов должна быть соединена, а организация газового потока должна обеспечивать прохождение его через катализатор, расположенный между дополнительными корпусами. В наиболее простом варианте это может быть осуществлено использованием отверстий для прохода газового потока в нечетных дополнительных корпусах в нижней части, а в четных дополнительных корпусах - в верхней части.
В предпочтительном варианте реализации тепловые трубы реактора выполнены с возможностью отвода попавшего внутрь труб водорода. Предпочтительно часть каждой тепловой трубы отделена от остального внутреннего объема тепловой трубы мембраной, выполненной из газопроводящего материала, при этом отделенный мембраной объем тепловой трубы выполнен с возможностью сообщения с вакуумным насосом. Предпочтительно мембрана выполнена в виде трубки, один из торцов которой закрыт заглушкой, а второй торец имеет отверстие, соединяющее внутренний объем мембраны с вакуумным насосом. Водородпроницаемая мембрана может быть выполнена из никеля или никельсодержащего сплава. Использование палладия или платины ограничивает их высокая стоимость. На наружную поверхность тепловых труб может быть дополнительно нанесено покрытие, создающее барьер для проникновения водорода. Указанное покрытие может быть однослойным и многослойным. В случае использования многослойных покрытий слои могут быть одинаковыми или отличаться по химическому и/или фазовому составу. Предпочтительно в состав покрытия может входить, по меньшей мере, одно вещество, выбранное из группы, содержащей следующие химические вещества: алюминий, молибден, вольфрам, оксид алюминия, нитрид титана, карбид кремния, оксид кремния, оксид бария, оксид хрома в поликристаллическом и/или монокристаллическом состояниях, как по отдельности, так и в смеси. Также покрытие может быть выполнено и из химических композиций на силикатной основе, например эмали ЭВ-300-60М. Кроме того, наружная поверхность каждой тепловой трубы может быть полирована. Для предотвращения образования отложений на тепловую трубу поверх покрытия может быть дополнительно нанесена термостойкая кремнеорганическая эмаль (например, КО-818 или 133-385 СК) или лак.
Эффективная теплопередача от тепловых трубок к катализатору достигается оребрением внешней поверхности тепловых труб, т.е. увеличением площади контакта тепловых труб с катализатором.
На чертеже приведена конструкция разработанного реактора, при этом использованы следующие обозначения: корпус 1, область 2 реактора с тепловыми трубами, область 3 реактора без тепловых труб (в области 2 и 3 засыпан катализатор), катализаторный стол 4, патрубок 5 подвода исходных компонентов, патрубок 6 отвода продуктов реакции, внутренний реактор 7, область 8 подвода тепла.
Отличие разработанного реактора для осуществления газофазных каталитических процессов, содержащего (поблочно) корпус, средства ввода исходных компонентов, средство вывода готового продукта, узел подвода или отвода тепла, область размещения катализатора, причем узел подвода или отвода тепла выполнен в виде множества тепловых труб, на которые наносится покрытие, предотвращающее диффузию водорода через стенки тепловых труб, состоит в наличии, по меньшей мере, одного дополнительного внутреннего реактора, обеспечивающего использование в одном корпусе многостадийного химического процесса, использующего различные температурные режимы.
В зависимости от вида используемого катализатора, а также от условий его применения катализатор предпочтительно размещают на катализаторном столе. Однако он может быть нанесен в виде покрытия на тепловые трубы и на стенки корпусов. В корпусе могут быть расположены датчики, позволяющие контролировать технологический процесс (датчики температуры, давления, содержания отдельных компонентов газовой смеси на входе и выходе реактора). Указанные датчики могут быть подключены к системе автоматического управления процессом, в том числе и к системе подачи тепловой энергии на тепловые трубы. Вокруг и/или внутри корпуса могут быть дополнительно расположены средства регулирования температуры процесса. Кроме газофазных каталитических процессов данный реактор может быть использован и для жидкофазных каталитических процессов.
Использование тепловых труб с заранее подобранным составом находящихся в них рабочих жидкостей позволяет точно дозировать количество тепловой энергии, подводимой в каталитическую зону, что обеспечивает проведение химического процесса в оптимальных условиях с уменьшенным содержанием побочных веществ и с максимальным выходом целевого продукта.
Предлагаемый реактор с эндотермической химической реакцией работает следующим образом. Предварительно определяют оптимальные тепловые режимы проведения процесса. Подбирают рабочую жидкость, теплофизические свойства которой соответствуют оптимальной температуре проведения реакции на каждой стадии процесса. Рассчитывают суммарную площадь тепловых труб, расположенную в каждой каталитической зоне. Создают, по меньшей мере, одну каталитическую зону путем размещения и фиксации в ней катализатора. Подводят (или отводят) тепловую энергию к концам тепловых труб. Подают в корпус исходные компоненты, пропускают их через каталитические зоны, корректируя при необходимости по показаниям датчиков режимы подачи исходных компонентов. Отводят из корпуса готовый продукт, при необходимости отделяя его от непрореагировавших исходных компонентов. При протекании в реакторе экзотермической реакции тепловые трубы по приведенной выше схеме отводят из реактора тепло. Поступающий из реакционной зоны внутрь тепловых труб нежелательный газ диффундирует через мембрану и с последующим удалением его из участка тепловой трубы, отделенного мембраной.
Использование предложенной конструкции реактора иллюстрировано на нижеприведенном примере.
Конверсия метилового спирта в углеводороды протекает с высоким тепловым эффектом - 54 кДж/моль. Для реализации такого экзотермического процесса его осуществляют в две стадии. Первая - получение из метанола диметилового эфира (ДМЭ), вторая стадия - получение из смеси метанол-ДМЭ углеводородов). Предлагаемая конструкция реактора позволяет осуществить данный процесс в одном аппарате. В область 2 загружен катализатор конверсии метанола в ДМЭ, в область 3 загружен катализатор превращения ДМЭ и остаточного метанола в углеводороды. В реактор подают метанол и при температуре 310°С, который на катализаторе, размещенном в области реактора 2, превращается в смесь ДМЭ и метанола. Избыточное тепло реакции с использованием тепловых труб поступает в реакторную область 3, где при температуре 340-400°С на размещенный там катализатор поступает смесь ДМЭ и остаточного метанола, которая превращается на катализаторе в углеводороды, а избыточное тепло отводят тепловыми трубами внутреннего контура.
Использование реактора разработанной конструкции позволяет осуществить весь двухстадийный процесс в одном корпусе с сохранением тепловой энергии.