РЕАКТОР ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ГАЗОФАЗНЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
REACTOR FOR CATALYTIC GAS-PHASE 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.
Известна (RU, патент на полезную модель 4746) установка каталитического получения высокооктанового бензина из углеводородного сырья, включающая печи, рекуперативные теплообменники, каталитические реакторы, газосепаратор, ректификационную колонну с пароподогревателем кубовой части и дефлегматором верхней части, а также теплообменники и соединительные трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой. Кроме того, она дополнительно содержит холодильник нестабильного катализата, соединенный с каталитическими реакторами и с газосепаратором, также установка может содержать блок подготовки регенерирующего газа, подключенный к каталитическим реакторам через печи и содержащий воздушный компрессор, мембранную установку разделения воздуха и ресиверы.
Недостатком известной установки следует признать ее невысокую эффективность, обусловленную несовершенством конструкции.
Известен (SU, авторское свидетельство 852341,1981) реактор, предпочтительно предназначенный для проведения реакций полимеризации и сополимеризации газообразных мономеров. Указанный реактор содержит корпус со средствами ввода и вывода циркулирующей газообразной среды, исходных компонентов и готового продукта, вал с перемешивающими лопастями, представляющими собой тепловые трубы, теплообменник и насос, причем тепловые трубы установлены вертикально и концентрично относительно вала на различных радиусах вращения, а средства ввода и вывода газообразной среды расположены диаметрально в верхней части реактора, при этом между указанными средствами расположены верхние концы указанных тепловых труб.
Недостатком известного реактора следует признать его невысокую эффективность, обусловленную несовершенством конструкции.
Наиболее близким аналогом разработанного устройства можно признать (RU, патент 2278726) реактор для осуществления газофазных каталитических процессов, содержащий корпус, средства ввода исходных компонентов и средство вывода готового продукта, узел подвода или отвода тепла, выполненный в виде множества тепловых труб. Известный реактор также содержит катализатор, нанесенный на тепловые трубы и/или корпус в виде покрытия, при этом тепловые трубы по объему корпуса расположены в шахматном порядке, а их суммарная площадь поверхности, находящаяся в каталитической зоне, выбрана таким образом, что обеспечивает поступление или отвод из каталитической зоны необходимого для проведения каталитического процесса количества тепловой энергии.
Недостатком известного устройства следует признать невозможность предотвратить диффузию водорода, который находится в реакторном газе, внутрь тепловых труб, а также невозможность эффективной теплопередачи от тепловых труб к катализатору.
Техническая задача, решаемая посредством предлагаемой конструкции реактора, состоит в повышении эффективности работы реактора и повышении качества получаемой продукции.
Технический результат, получаемый при реализации предлагаемой конструкции реактора, состоит в предотвращении диффузии водорода внутрь тепловых труб, а также обеспечении эффективной теплопередачи от тепловых труб к катализатору.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать реактор для осуществления газофазных каталитических процессов, содержащий корпус, средства ввода исходных компонентов, средство вывода готового продукта, область размещения катализатора, узел подвода или отвода тепла, выполненный в виде множества тепловых труб, проходящих через область размещения катализатора, при этом суммарная площадь поверхности тепловых труб, находящихся в каталитической зоне, обеспечивает поступление или отвод из каталитической зоны необходимого для проведения каталитического процесса количества тепловой энергии, причем часть каждой тепловой трубы отделена от остального внутреннего объема тепловой трубы мембраной, выполненной из газопроводящего (водород, азот, оксид углерода и т.д.) материала, при этом отделенный мембраной объем тепловой трубы выполнен с возможностью сообщения с вакуумным насосом. Указанная разработанная конструкция тепловой трубы позволяет удалить из ее объема поступивший в трубу нежелательный газ, наиболее предпочтительно - водород. Указанное удаление обеспечивает диффузия поступившего нежелательного газа (водорода) через газопроницаемую мембрану в выделенный объем тепловой трубы с последующим удалением нежелательного газа с использованием вакуумного насоса. 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 фиг.1 и 2 приведена конструкция разработанного реактора, а также тепловой трубы, при этом использованы следующие обозначения: корпус реактора 1, средство 2 (патрубок) ввода исходных компонентов, средство 3 (патрубок) вывода готового продукта, каталитическая область 4, теплоизоляция 5, тепловые трубы 6, область подвода тепла к тепловым трубам (горелки) 7, коллектор 8 отбора нежелательного газа из тепловых труб, вакуумная магистраль 9, отводящая нежелательный газ из коллектора 8, узел 10 отвода нежелательного газа из тепловой трубы, корпус 11 тепловой трубы, мембрана 12, канал 13, соединяющий внутренний объем тепловой трубы и коллектор.
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 конструкции самой тепловой трубы, а именно - часть каждой тепловой трубы отделена от остального внутреннего объема тепловой трубы мембраной, выполненной из газопроводящего (водород, азот, оксид углерода и т.д.) материала, при этом отделенный мембраной объем тепловой трубы выполнен с возможностью сообщения с вакуумным насосом. Также тепловая труба может быть выполнена из двух коаксиальных труб, пространство между которыми заполняется хорошо теплопроводящим веществом, не пропускающим нежелательный газ, в частности водород.
В зависимости от вида используемого катализатора, а также от условий его применения катализатор может находиться как в межтрубном пространстве, так и быть нанесен в виде покрытия на тепловые трубы и на стенки корпуса. В предпочтительном варианте реализации тепловые трубы по объему корпуса распределены концентрически. В одном из вариантов реализации катализатор может быть нанесен на тепловые трубы в виде покрытия. Однако возможен вариант, когда катализатор нанесен на носитель, расположенный в каталитической области. В преимущественном варианте реализации средства ввода исходных компонентов и средство вывода готового продукта расположены по противоположным стенам корпуса. В корпусе могут быть расположены датчики, позволяющие контролировать технологический процесс (датчики температуры, давления, содержания отдельных компонентов газовой смеси на входе и выходе реактора). Вокруг и/или внутри корпуса могут быть дополнительно расположены средства регулирования температуры процесса. Температура процесса в реакторе может быть изменена посредством изменения температуры тепловых труб.
Используемый термин «тепловая труба» соответствует значению, общепринятому в науке и технике (см., например, Большой энциклопедический словарь «Политехнический». М., Научное издание «Большая Российская энциклопедия», 1998, стр.524).
Кроме газофазных каталитических процессов данный реактор может быть использован и для жидкофазных каталитических процессов.
Использование тепловых труб с заранее подобранным составом находящихся в них 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. Концентрическое размещение по объему корпуса тепловых труб с подключением их к общему коллектору отвода нежелательного газа позволяет равномерно распределить поступающую тепловую энергию по объему каталитической зоны. В зависимости от вида используемого катализатора, а также от условий его применения катализатор может находиться как в межтрубном пространстве, так и быть нанесен в виде покрытия на тепловые трубы, на стенки корпуса и на носитель. На дополнительно размещенный в каталитической зоне носитель катализатор может быть нанесен как в виде покрытия, так и в виде твердой фазы. В преимущественном варианте реализации средства ввода исходных компонентов и средство вывода готового продукта бывают расположены по противоположным стенам корпуса, по обе стороны от каталитической зоны. Это позволяет пропустить прямотоком исходные компоненты через каталитическую зону. В корпусе могут быть расположены датчики, позволяющие контролировать технологический процесс (датчики температуры, давления, содержания отдельных компонентов газовой смеси на входе и выходе реактора). Датчики могут быть подключены к системе автоматического управления процессом, в том числе и к системе подачи тепловой энергии на тепловые трубы. Вокруг и/или внутри корпуса могут быть дополнительно расположены средства регулирования температуры процесса. Эти средства (рубашки теплоносителя, змеевики, слои электронагревателя и т.д.) облегчают поддержание необходимой температуры в корпусе, особенно при больших размерах корпуса.
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. Рассчитывают суммарную площадь тепловых труб, расположенную в каталитической зоне. Создают каталитическую зону путем размещения и фиксации в ней катализатора. При необходимости с использованием дополнительных средств регулирования температуры создают в корпусе необходимый тепловой режим. Подводят тепловую энергию к концам тепловых труб, размещенным вне корпуса реактора. Подают в корпус исходные компоненты, пропускают их через каталитическую зону, 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 с последующим удалением его из участка тепловой трубы, отделенного мембраной.
Использование предложенной конструкции реактора иллюстрировано на примере паровой конверсии метана.
2
3
Процесс паровой конверсии метана протекает на катализаторе (NiO на AlO) при температуре 650÷1000°С и давлении 5÷7 МПа. В процессе из метана образуется смесь
2
Н и СО. Водород проникает внутрь тепловых труб и ухудшает характеристики осуществляемого процесса, взаимодействуя с теплоносителем (например, с натрием) и вытесняя пар из верхней части тепловых труб. Натрий используется в качестве теплоносителя в тепловой трубе. Реакция паровой конверсии проходит с поглощением тепла на уровне 3,4 кДж на 1 кг превращенного метана. Мембрана выполнена из никеля. За счет создания разницы давления по обе стороны мембраны водород диффундирует через мембрану и удаляется посредством вакуумного насоса.
2
3
Трубы реактора представляют собой тепловые трубы, заполненные натрием, на полированную оребренную поверхность указанных труб нанесено однослойное покрытие из карбида кремния. Внутри тепловой трубы установлена никелевая мембраны, выполненная в виде трубки, один из торцов которой закрыт заглушкой, а второй торец имеет отверстие, соединяющее внутренний объем мембраны с вакуумным насосом. На поверхность дополнительно введенного носителя, расположенного в пространстве между тепловыми трубами, нанесен слой катализатора (NiO на AlO). Процесс в реакторе проводится при давлении 7 МПа и температуре 900°С.
Определение оптимальной суммарной площади поверхности тепловых труб, находящейся в каталитической зоне, проводили опытным путем, постепенно увеличивая величину указанной площади.
3
2
3
2
Таким образом, было установлено, что для реактора указанной конструкции объемом 6 м величина оптимальной суммарной площади составляет 3,3 м, а для аналогичного реактора объемом 8 м- 4,8 м.
При этом при сохранении стандартного процесса паровой конверсии метана объем катализаторного пространства уменьшен на 35÷45% при сохранении времени реакционного пробега. Резко уменьшены капитальные затраты на создание системы реактор-печь, минимум на 70-85%.
При использовании оптимальной величины площади поверхности тепловых труб разработанной конструкции в реакторе, установленных в шахматном порядке, без использования катализатора процесс фактически не происходит.
При использовании катализатора, нанесенного на поверхность тепловых труб разработанной конструкции и установленных концентрически, при использовании оптимальной величины площади поверхности тепловых труб разработанной конструкции в реакторе выход продукта увеличился примерно на 15%, а время выхода на рабочий режим уменьшается в 1,3 раза.
При использовании катализатора, нанесенного на поверхность тепловых труб разработанной конструкции и установленных в шахматном порядке, но при увеличенной площади тепловых труб разработанной конструкции, расположенной в реакторе, увеличение выхода целевого продукта составило 13%, время выхода на рабочий режим уменьшается в 1,3 раза.
При использовании катализатора, нанесенного на поверхность тепловых труб разработанной конструкции и установленных в шахматном порядке, но при расчете уменьшении площади тепловых труб, расположенной в реакторе, повышение выхода целевого продукта составило 16%, время выхода на рабочий режим уменьшается в 1,3 раза.
При использовании катализатора, нанесенного на поверхность тепловых труб разработанной конструкции и расположенных в шахматном порядке, общая площадь поверхности которых, расположенная в реакторе, рассчитана с использованием всех указанных параметров, выход целевого продукта, по сравнению с вариантом 2, увеличивается на 24%, а время выхода на рабочий режим уменьшается в 1,6 раза.
Использование реактора предложенной конструкции позволяет ускоренно достичь постоянства температуры в катализаторном пространстве по всему объему реактора, что приводит к повышению процента выхода готового продукта за счет повышения доли прореагировавших исходных компонентов, а также уменьшению времени выхода реактора на рабочий режим.