РЕАКТОР ДЛЯ ГЕТЕРОГЕННОГО СИНТЕЗА ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
REACTOR FOR HETEROGENEOUS SYNTHESIS OF CHEMICAL COMPOUNDS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к реактору для гетерогенного синтеза химических соединений, таких как метанол и аммиак. Изобретение относится, в частности, к реактору указанного выше типа, по меньшей мере, с двумя расположенными последовательно зонами реакции, в которых в присутствии соответствующего катализатора протекают необходимые химические реакции.
Предпосылки создания изобретения
Известно, что в настоящее время в промышленности при проведении гетерогенных каталитических реакций синтеза различных химических продуктов, таких как аммиак, метанол, формальдегид и стирол, ощущается постоянно растущая потребность в повышении производительности реакторов и увеличении конверсионного выхода с одновременным снижением потребляемой энергии, капиталовложений и затрат, связанных с эксплуатацией и ремонтом оборудования.
Для решения этой проблемы были предложены реакторы с несколькими расположенными последовательно адиабатическими слоями катализатора, образующими две зоны реакции. Подаваемые в реактор исходные газообразные реагенты проходят через слои катализатора, в которых при определенной температуре и определенном давлении в результате конверсии из них образуются конечные продукты. Тепло, которое выделяется при экзотермической реакции, протекающей, по существу, в адиабатических условиях, т.е. без отвода тепла, увеличивает температуру слоя катализатора и препятствует нормальному развитию реакции в направлении равновесия. Поэтому в таких реакторах для охлаждения слоя катализатора обычно используют расположенные между адиабатическими слоями катализатора теплообменные устройства, которые приводят температуру выходящей из слоя катализатора реакционной смеси в соответствие с оптимальным режимом протекания реакции, например, смешением реакционной смеси с определенным количеством "свежего" газообразного реагента.
При всех своих несомненных преимуществах такие реакторы обладают и определенным недостатком, который связан с неполным протеканием реакции и низким конверсионным выходом и поэтому ограничивает их широкое промышленное применение. Кроме того, такие реакторы обладают и сравнительно низкой производительностью.
В настоящее время известны также реакторы с одним или несколькими расположенными последовательно слоями катализатора (зонами реакции), которые благодаря наличию погруженных в них устройств для косвенного теплообмена, например плоских теплообменников пластинчатого типа, могут работать в псевдоизотермических условиях.
При работе в "псевдоизотермических" условиях температуру в зоне(-ах) реакции с помощью таких погруженных в катализатор теплообменников непрерывно регулируют и поддерживают на постоянном уровне в узком диапазоне отклонений от предварительно заданного оптимального значения (которое зависит от протекающей в слое катализатора реакции конверсии).
Реакторы, в которых реакция конверсии газообразных реагентов протекает в слое катализатора в псевдоизотермических условиях при оптимальной температуре в узком диапазоне возможных отклонений, также, кроме очевидных преимуществ, заключающихся в их высокой производительности и высоком конверсионном выходе, обладают по сравнению с упомянутыми выше реакторами с адиабатическими слоями катализатора (при использовании их в промышленных масштабах) и определенным недостатком, связанным с наличием в них дополнительного оборудования, которое усложняет конструкцию реактора, увеличивает его стоимость и требует дополнительных затрат на обслуживание и ремонт.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать реактор для гетерогенного синтеза химических соединений, который наиболее эффективно удовлетворял бы указанным выше потребностям. Иными словами, подобный реактор для гетерогенного синтеза химических соединений должен обеспечивать высокий конверсионный выход, обладать высокой производительностью и при низкой стоимости изготовления и сравнительно небольших затратах на его монтаж, обслуживание и ремонт иметь простую конструкцию.
Краткое изложение сущности изобретения
Указанная выше задача решается с помощью предлагаемого в изобретении реактора для гетерогенного синтеза химических соединений, представленного в п.1 и зависимых от него пунктах формулы изобретения.
При создании изобретения неожиданно было установлено, что в реакторе указанного выше типа можно существенно увеличить конверсионный выход газообразного реагента в конечные продукты синтеза и довести его до уровня, по существу, сравнимого с конверсионным выходом обычного реактора такой же производительности с псевдоизотермическими слоями катализатора. Одновременно с этим такой реактор оказывается конструктивно более простым, чем соответствующий реактор с псевдоизотермическими слоями катализатора, и отличается от него меньшей стоимостью изготовления и монтажа и меньшими затратами на ремонт и эксплуатацию. При этом стоимость и затраты на ремонт и эксплуатацию такого реактора оказываются не намного выше стоимости и затрат на ремонт и эксплуатацию соответствующего реактора с адиабатическими слоями катализатора.
Все отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи на примере иллюстрирующего, но не ограничивающего объем изобретения предпочтительного варианта выполнения предлагаемого в нем химического реактора, предназначенного, в частности, для получения метанола.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 в продольном разрезе схематично показан предлагаемый в изобретении химический реактор.
На фиг.2 в поперечном разрезе плоскостью В-В схематично показан химический реактор, изображенный на фиг.1.
На фиг.3 в поперечном разрезе плоскостью С-С схематично показан химический реактор, изображенный на фиг.1.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
На указанных выше чертежах предлагаемый в изобретении химический реактор, предназначенный для проведения гетерогенных каталитических реакций, в частности для получения метанола, обозначен позицией 10.
Химический реактор имеет, по существу, цилиндрический корпус 12 с вертикальной осью А-А, закрытый с противоположных сторон двумя - нижним и верхним - днищами 14 и 16 соответственно. На верхнем днище 16 расположен патрубок 17 для подачи в реактор 10 газообразных реагентов, а на нижнем днище 14 - патрубок 18 для отбора из реактора 10 образующейся в нем реакционной смеси.
В верхней части 20 предлагаемого в изобретении реактора, объем которой равен приблизительно половине объема всего реактора, расположено несколько зон 22, 23 и 24 реакции, в которых реакция протекает, по существу, в адиабатических условиях, а в его нижней части 21 расположена зона 30 реакции, в которой реакция протекает в псевдоизотермических условиях.
В показанном на чертежах варианте в верхней части 20 реактора 10 находятся три расположенные последовательно и заполненные соответствующим катализатором зоны реакции, в частности верхняя зона 22 с верхним слоем 25 катализатора, промежуточная зона 23 с промежуточным слоем 26 катализатора и нижняя зона 24 с нижним слоем 27 катализатора.
Расположенные внутри реактора слои 25, 26 и 27 катализатора имеют общую ось и, по существу, круглое поперечное сечение и обычные и поэтому не показанные на чертеже основания, которые изнутри крепятся к корпусу 12 реактора. Слои катализатора расположены на определенном расстоянии друг от друга и разделены соответствующими промежутками 41 и 42. Верхний слой 25 катализатора имеет входную сторону 25а, через которую в него попадают подаваемые в реактор через патрубок 17 газообразные реагенты, и противоположную ей выходную сторону 25b, через которую из слоя катализатора выходит образующаяся в нем реакционная смесь. Аналогичным образом промежуточный слой 26 катализатора и нижний слой 27 катализатора имеют соответствующие входные стороны 26а и 27а, через которые в них попадают реакционные смеси соответственно из верхнего и промежуточного слоев 25 и 26 катализатора, и выходные стороны 26b и 27b.
В расположенной в нижней части 21 реактора 10 зоне 30 реакции находится слой 31 соответствующего катализатора, отделенный промежутком 43 от нижнего слоя 27 катализатора, расположенного в верхней части 20 реактора 10. Расположенный внутри корпуса 12 реактора слой 31 катализатора имеет, по существу, круглое поперечное сечение и опирается на расположенный под ним слой 39 инертного материала. Инертный материал удерживается внутри реактора 10 сеткой 40, которой изнутри закрыт патрубок 18 для отбора из реактора образующейся в нем реакционной смеси.
В верхней части 20 реактора 10 в промежутке 41 между верхним слоем 25 и промежуточным слоем 26 катализатора расположено устройство 35 охлаждения, а в промежутке 42 между промежуточным слоем 26 катализатора и нижним слоем 27 катализатора расположено другое устройство 36 охлаждения. Устройства 35 и 36 охлаждения выполнены в виде труб, предпочтительно тороидальной формы, с отверстиями для подачи в промежутки между слоями катализатора быстро охлаждающей жидкости, подаваемой в трубы снаружи через подводящие патрубки 35а и 36а соответственно. Тороидальные трубы устройств охлаждения крепятся к корпусу 12 реактора обычным и поэтому не показанным на чертеже образом.
В предпочтительном варианте для охлаждения реакционной смеси на выходе из расположенного до устройства охлаждения соответствующего слоя 25 и 26 катализатора используют "свежие" газообразные реагенты, которые в виде множества вытекающих из не показанных на чертеже и установленных на тороидальных трубах устройств 35 и 36 быстрого охлаждения сопел смешиваются с реакционной смесью и охлаждают ее в процессе прямого теплообмена.
Реактор 10 имеет также еще одно обозначенное позицией 44 устройство охлаждения, погруженное в слой 31 катализатора. В предпочтительном варианте это устройство охлаждения состоит из множества теплообменников 45 для косвенного теплообмена обычного типа, соответствующим образом закрепленных в корпусе реактора и равномерно распределенных по окружности в слое 31 катализатора. В качестве теплообменников 45 предпочтительно использовать расположенные в радиальных плоскостях полые плоские прямоугольные теплообменники пластинчатого типа с вытянутыми параллельно оси А-А корпуса 12 реактора длинными сторонами 45а.
Такие теплообменники 45 изготавливают из двух уложенных друг на друга металлических листов, которые по периметру сваривают друг с другом таким образом, что между ними внутри теплообменника остается свободное пространство определенной ширины, через которое проходит текучий теплоноситель.
В предлагаемом в изобретении реакторе сверху над теплообменниками 45 расположена распределительная труба 46 с отводами для подачи в теплообменники текучего теплоносителя, а снизу - отводящие трубы 47 для выхода нагретого текучего теплоносителя.
В показанном на фиг.1 варианте отводящие трубы 47 соединены с расположенным на оси корпуса 12 и выполненным в виде трубы коллектором 48, который проходит снизу вверх через расположенный в нижней части 21 реактора слой 31 катализатора и расположенные в верхней части 20 реактора слои 27, 26 и 25 катализатора и заканчивается над верхним слоем 25 катализатора распределителем 50.
Распределительные трубы 46 соединены с расположенным на внешней стороне корпуса 12 реактора патрубком 51 для подачи в теплообменники текучего теплоносителя.
В другом варианте осуществления изобретения коллектор 48 может быть также расположен вне корпуса реактора 10.
В предпочтительном варианте в качестве подаваемого в теплообменники текучего теплоносителя используют часть "свежих" газообразных регентов. Нагревающиеся в процессе косвенного теплообмена проходящей через слой 31 катализатора реакционной смесью свежие газообразные реагенты попадают по трубам 47 в коллектор 48 и смешиваются в расположенной над слоями катализатора верхней части реактора с основным потоком подаваемых в реактор газообразных реагентов. Такой подогрев части газообразных реагентов снижает расход энергии, необходимой для их конверсии в конечные продукты синтеза.
Описанный выше реактор 10, предназначенный для гетерогенного синтеза химических соединений, в частности для синтеза метанола, работает следующим образом.
Одну часть газообразных реагентов, представляющих собой при синтезе метанола смесь моноксида углерода и водорода, подают в реактор 10 через патрубок 17 и при необходимости равномерно распределяют в верхней части реактора расположенным над верхним слоем 25 катализатора не показанным на чертеже распределительным устройством. В процессе протекания газообразных реагентов через верхний слой катализатора, по существу, в осевом направлении и в слое катализатора, по существу, в адиабатических условиях происходит частичная конверсия метанола.
Выходящую из верхнего слоя 25 катализатора реакционную смесь, состоящую из метанола и не вступивших в реакцию газов, быстро охлаждают в процессе прямого теплообмена, т.е. смешением с определенным количеством "свежих" газообразных реагентов, выходящих из отверстий тороидальной трубы 35. Смешанная со свежими газообразными реагентами охлажденная реакционная смесь проходит через промежуточный слой 26 катализатора, на выходе из которого в результате происходящей в нем конверсии метанола получают обогащенную метанолом реакционную смесь. Эту реакционную смесь охлаждают смешиваемыми с нею "свежими" газообразными реагентами, выходящими из отверстий тороидальной трубы 36. Смешанная со свежими газообразными реагентами охлажденная реакционная смесь проходит через нижний слой 27 катализатора, на выходе из которого в результате также происходящей в нем конверсии метанола получают еще более богатую метанолом реакционную смесь.
Выходящая из нижнего слоя 27 катализатора обогащенная метанолом реакционная смесь проходит через свободное пространство 43 и попадает в расположенный в нижней части 21 реактора слой 31 катализатора, в котором вследствие косвенного теплообмена с теплообменниками 45 поддерживаются псевдоизотермические условия. В результате достигается возможность эффективно регулировать тепловой режим протекающей в слое катализатора реакции синтеза и обеспечивать оптимальное окончание конверсии метанола.
Используемые для поддержания в нижнем слое катализатора псевдоизотермических условий "свежие" газообразные реагенты нагреваются в теплообменниках 45 и проходят по трубам 47 и коллектору 48 в расположенный над верхним слоем 25 катализатора распределитель 50, на выходе из которого они смешиваются с основным потоком газообразных реагентов, подаваемых в верхнюю часть реактора 10 через патрубок 17.
Выходящая из слоя 31 катализатора реакционная смесь проходит через инертный материал 39 и направляется из реактора 10 через патрубок 18 на дальнейшую переработку (например, в секцию выделения метанола).
Необходимо отметить, что кроме перечисленных выше преимуществ предлагаемые в изобретении решения можно использовать для модернизации существующих химических реакторов и, в частности, обычных реакторов с адиабатическими слоями катализатора.
Для модернизации таких реакторов вполне достаточно просто заменить в них часть адиабатических слоев катализатора или, иными словами, заменить расположенные в нижней части реактора адиабатические слои катализатора соответствующими псевдоизотермическими слоями катализатора с соответствующими устройствами охлаждения. Такая модернизация существующих реакторов стоит намного дешевле, чем замена всех адиабатических слоев катализатора псевдоизотермическими слоями катализатора, и одновременно обеспечивает возможность создания реактора, который по выходу реакции и производительности практически не отличается от соответствующего реактора с псевдоизотермическими слоями катализатора.
Пример
В приведенном ниже примере производительность предлагаемого в изобретении реактора при синтезе метанола сравнивается с производительностью соответствующего обычного реактора с адиабатическими слоями катализатора и соответствующего реактора с псевдоизотермическими слоями катализатора.
В каждом из этих реакторов метанол синтезировали при одних и тех же указанных ниже условиях.
Состав исходного (свежего) газа, используемого в качестве сырья для синтеза метанола:
4
СН3,2 мол.%
2
N1,14 мол.%
2
H73,09 мол.%
2
CO7,98 мол.%
CO 14,67 мол.%
3
Количество свежего газа, подаваемого в реактор синтеза: 370700 м/ч при нормальных условиях.
Давление в реакторе: 80 бар.
3
Суммарный объем катализатора: 200 м.
Температура конденсации: 29°С.
Сравнение проводили для двух случаев, в первом из которых подаваемые в реактор синтеза свежие газы получали на установке конверсии с водяным паром, а во втором для увеличения производительности к газам, полученным на установке конверсии с водяным паром, добавляли диоксид углерода в количестве 500 метрических тонн в сутки (т/сут).
3
В обоих случаях количество газа, подаваемого в реактор, было практически одинаковым и составляло 1800000 м/ч при нормальных условиях.
Полученные результаты приведены ниже в табл.1 и 2.
Таблица 1
Без добавления СО<sub>2</sub>
Реактор с адиабатическими слоями катализатора
Реактор с охлаждаемым слоем катализатора
Предлагаемый в изобретении реактор
Производительность по метанолу (т/сут)
2573
2653
2644
Увеличение производительности по сравнению с реактором с адиабатическим слоем катализатора (т/сут)
-
80
71
Таблица 2
С добавлением СО<sub>2</sub> в количестве 500 т/сут
Реактор с адиабатическими слоями катализатора
Реактор с охлаждаемым слоем катализатора
Предлагаемый в изобретении реактор
Производительность по метанолу (т/сут)
2771
2955
2946
Увеличение производительности по сравнению с реактором с адиабатическим слоем катализатора (т/сут)
-
184
175
Приведенные в табл.1 и 2 данные свидетельствуют о том, что производительность предлагаемого в изобретении реактора и в том и в другом случаях превышает производительность соответствующего реактора с адиабатическим слоем катализатора и лишь не намного меньше производительности реактора с охлаждаемым псевдоизотермическим слоем катализатора.
Однако по сравнению с последним реактором предлагаемый в изобретении реактор проще в изготовлении и требует меньших затрат на монтаж и обслуживание.
Очевидно, что в описанную выше конструкцию предлагаемого в изобретении реактора для гетерогенного синтеза химических соединений можно с учетом конкретных обстоятельств и требований вносить различные изменения и усовершенствования, не выходя при этом за объем изобретения, определяемый его формулой.