ПЛАСТИНЧАТАЯ КАТАЛИЗАТОРНАЯ НАСАДКА
PLATE-LIKE CATALYST NOZZLE

Изобретение относится к катализаторной насадке, содержащей несколько слоев пластинчатого катализаторного материала.
Катализаторная насадка такого типа, в принципе, известна и её обычно размещают в реакторе, в котором через катализаторную насадку в поперечном направлении, в частности, перпендикулярно слоям катализаторного материала протекает каталитически превращаемое вещество. При этом решающим для управления активностью и селективностью каталитического процесса в случае многих гетерогенно-каталитических превращений является контролируемое распределение времени нахождения. Это имеет значение, в частности, в реакторах особенно больших габаритов и в случае реакций с очень коротким временем нахождения реагентов в катализаторной насадке, т.е. в случае любой кинетической контролируемой реакции, например при превращении метанола в формальдегид, в случае процесса Оствальда или Андрусова. Кроме того, равномерное течение реагентов может быть предпочтительным, в частности, при гидрировании газообразных или жидких реагентов.
В целом, для всех гетерогенно-каталитических реакций предпочтительны уменьшение пустых пространств в реакторе и за счет этого увеличение количества активного материала в нем, поскольку это способствует повышению эффективности всего процесса на единицу объема используемого реактора и, тем самым, выходу продукта в единицу времени при данном объеме реактора. Это особенно предпочтительно, например, при гетерогенно-каталитическом превращении природного газа (преимущественно метана) в длинноцепные углеводороды (газожидкостная конверсия).
Далее реакторная насадка оказывает решающее влияние на контроль температуры во время гетерогенно-каталитического превращения. В частности, подвод и отвод тепла могут быть заметно улучшены за счет уменьшения пустых пространств внутри катализаторной засыпки. В случае сильно экзотермических реакций это приводит, в частности, к уменьшению «горячих точек» и повышению стабильности процесса.
В реакторах меньших габаритов для этой цели отдельные слои могут быть выполнены в виде сплошных пластин из катализаторного материала, т.е. каждая пластина полностью заполняет площадь внутреннего сечения реактора. Кроме того, здесь подходят монолитные реакторные насадки. Однако более проблематичным оказывается заполнение реактора катализаторным материалом тогда, когда габариты реактора заметно больше габаритов отдельных пластин катализаторного материала, так что один слой катализаторного материала приходится составлять из нескольких пластин, в связи с чем возникает опасность, что за счет стыковых кромок между смежными пластинами образуются проточные каналы, которые, если смотреть в направлении течения, проходят, по меньшей мере, по большой части катализаторной насадки, и значительно сокращают время нахождения превращаемого вещества и, тем самым, значительно снижают эффективность катализатора.
В основе изобретения лежит задача создания катализаторной насадки, которая даже в реакторах больших габаритов обеспечивала бы оптимальную эффективность катализатора.
Эта задача решается посредством катализаторной насадки с признаками, указанными в п. 1 формулы.
Предложенная катализаторная насадка включает в себя первый слой пластинчатого катализаторного материала и находящийся над ним второй слой пластинчатого катализаторного материала, причем катализаторный материал первого слоя включает в себя, по меньшей мере, две пластины, которые примыкают друг к другу, образуя стыковые кромки, и катализаторный материал второго слоя включает в себя, по меньшей мере, две пластины, которые примыкают друг к другу, образуя стыковые кромки, причем пластины второго слоя выполнены и/или расположены относительно пластин первого слоя таким образом, что на проекции стыковой кромки (стыковых кромок) первого и второго слоев на общую плоскость стыковая кромка первого слоя имеет не более одной общей точки со стыковой кромкой второго слоя. Например, пластины первого и второго слоев могут иметь разные размеры и/или они могут быть расположены со смещением и/или поворотом по отношению друг к другу таким образом, что стыковые кромки смежных слоев не образуют прямой угол.
Другими словами, в основе изобретения лежит общая идея, заключающаяся в том, что за счет целенаправленного выполнения и/или расположения пластин в виде смежных слоев обеспечить, чтобы стыковые кромки смежных слоев проходили на расстоянии друг от друга или в крайнем случае пересекались, но ни в коем случае конгруэнтно не лежали друг над другом, т.е. не перекрывались. Это предотвращает образование через стыковые кромки проточных каналов, которые привели бы к тому, что превращаемое катализаторным материалом вещество текло бы не через пластины, а мимо них. В результате, согласно изобретению, предотвращается образование критических проточных каналов и обеспечивается оптимальное и регулируемое время нахождения превращаемого вещества в катализаторной насадке и тем самым – оптимальное использование катализаторного материала и, следовательно, максимальная эффективность катализатора.
Предложенная катализаторная насадка может использоваться в гетерогенно-каталитической реакции. При этом реагенты и продукты гетерогенно-каталитической реакции могут присутствовать в газообразном и/или жидком виде. Кроме того, предложенная катализаторная насадка может найти применение при превращении природного газа в углеводороды с длинной цепочкой, при гидрировании/дегидрировании углеводородов, при окислительных реакциях, в частности при частичных окислительных реакциях, при превращении метанола в формальдегид, в способе Оствальда или Андрусова.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы, в описании и на фиг.
Катализаторный материал может содержать пену, в частности металлическую пену, ткань, сетку или металлическую сетку.
Согласно одному варианту, над вторым слоем пластинчатого катализаторного материала расположен третий слой пластинчатого катализаторного материала, причем катализаторный материал третьего слоя включает в себя, по меньшей мере, две пластины, которые примыкают друг к другу, образуя стыковые кромки, причем пластины третьего слоя выполнены и/или расположены по отношению к пластинам первого слоя, например, со смещением и/или поворотом, таким образом, что на проекции стыковой кромки (стыковых кромок) второго и третьего слоев на общую плоскость стыковая кромка второго слоя имеет не более одной общей точки со стыковой кромкой третьего слоя.
Кроме того, стыковая кромка (стыковые кромки) третьего слоя может (могут) совпадать со стыковой кромкой (стыковыми кромками) первого слоя. Например, возможно, чтобы четные и нечетные слои были выполнены одинаковыми, в результате чего имеет место чередование двух типов слоев, т.е., другими словами, система А-В-А-В… слоев.
В качестве альтернативы стыковая кромка (стыковые кромки) третьего слоя может (могут) не совпадать со стыковой кромкой (стыковыми кромками) первого слоя, так что на проекции стыковой кромки (стыковых кромок) первого и третьего слоев на общую плоскость стыковая кромка первого слоя имеет не более одной общей точки со стыковой кромкой третьего слоя. Кроме того, третий слой может содержать пластины иного размера, нежели первый слой, и/или возможно смещение и/или поворот третьего слоя как относительно второго, так и относительно первого слоя, что выражается системой А-В-С слоев.
Такая трехслойная система А-В-С может либо повторяться в катализаторной насадке, например в виде общей системы А-В-С-А-В-С…, либо также продолжаться, например в виде общей системы А-В-С-D-Е… В последнем случае имело бы место множество лежащих друг над другом слоев пластинчатого катализаторного материала, включающих в себя, по меньшей мере, по две пластины, которые примыкают друг к другу, образуя стыковую кромку, причем пластины всех слоев выполнены различно и/или расположены со смещением и/или с поворотом по отношению друг к другу таким образом, что на проекции стыковых кромок всех слоев на общую плоскость любые две стыковые кромки разных слоев имеют не более одной общей точки.
В целях упрощения и удешевления изготовления пластины каждого слоя имеют приблизительно одинаковые габариты. Соответственно пластины первого и второго слоев и, в частности, каждого следующего, вышележащего слоя имеют, по меньшей мере, приблизительно одинаковые габариты. Предпочтительно все пластины имеют, в основном, одинаковые габариты. Толщина пластин может составлять 1-200 мм.
Согласно одному варианту, пластины первого и второго слоев и, в частности, каждого следующего вышележащего слоя выполнены прямоугольными. Применение прямоугольных пластин подходит, в частности, для катализаторной насадки, предназначенной для реактора с плоским днищем.
Например, пластины могут иметь ширину в интервале 20-3000 мм, предпочтительно 400-1100 мм, и длину 200-3500 мм, предпочтительно 800-1000 мм. Толщина пластин может составлять 1-200 мм.
Понятно, что форма пластин, в принципе, не ограничена прямоугольной формой. Могут быть рассмотрены и другие формы, например, любые многоугольники, а также частично или полностью круглая форма.
Катализаторная насадка изготавливается особенно экономичным образом, если несколько пластин одного слоя соединены в пластинчатую полосу и две примыкающие друг к другу пластинчатые полосы образуют стыковую кромку. При этом смежные пластины одного слоя полосы могут располагаться внахлест. Особенно простое соединение двух пластин полосы достигается в этом случае тогда, когда пластины прокатывают, по меньшей мере, в зоне нахлеста. В качестве альтернативы или дополнительно также возможно соединение двух смежных пластин между собой по принципу гребень/паз или паз/паз. Кроме того, смежные пластины могут быть между собой сшиты, сварены, спрессованы, соединены скобками или соединены иным образом.
Если катализаторная насадка должна быть расположена в реакторе с колпачковыми тарелками, предпочтительно, чтобы пластины первого и второго слоев и, в частности, каждого следующего вышележащего слоя были выполнены в форме трапеции или кругового сектора. В принципе, пластины такой формы подходят также для катализаторной насадки реактора с плоским днищем, в частности, если реактор имеет внутренний контур с круглым поперечным сечением.
Предпочтительно пластины первого и второго слоев и, в частности, каждого следующего вышележащего слоя расположены таким образом, что образуют кольцо. Понятно, что кольцеобразно расположенные пластины следующих друг за другом слоев имеют угловое смещение по отношению друг к другу во избежание того, чтобы стыковые кромки между двумя смежными пластинами одного слоя не совпадали со стыковыми кромками вышележащего слоя. Следовательно, кольца пластин, следующих друг за другом слоев, в некоторой степени повернуты по отношению друг к другу вокруг своего центра.
Предпочтительно каждое кольцо пластин образует внутреннее кольцо. Следовательно, кольцеобразно расположенные пластины не соприкасаются в центре. В результате создается центральная зона, которая может быть заполнена отдельно, например, по меньшей мере, одной из примыкающих к кольцу пластин или расположенной внахлест с ним центральной пластиной, благодаря чему предотвращается образование центрального проточного канала. Чтобы стыковые кромки между, по меньшей мере, одной центральной пластиной и кольцеобразно расположенными пластинами следующих друг за другом слоев не были конгруэнтно ориентированы, предпочтительно, если внутренние диаметры колец пластин или диаметр, по меньшей мере, одной центральной пластины следующих друг за другом слоев отличаются.
Однако в качестве альтернативы возможно также выполнить внутренние диаметры колец пластин всех слоев, по меньшей мере, приблизительно одинаковыми. В этом случае образованная кольцами пластин центральная зона может быть закрыта замыкающим элементом, в частности удерживающим пластины замыкающим элементом, чтобы предотвратить образование центрального проточного канала.
При этом замыкающий элемент необязательно должен быть изготовлен из катализаторного материала. Например, замыкающий элемент может быть позиционным датчиком, который задает правильное положение кольцеобразно расположенных пластин, и/или позиционным держателем, который удерживает, например, сжимает пластины в их правильном положении.
В принципе, такой позиционный датчик и/или позиционный держатель может быть предусмотрен также в другом месте, например на стенке реактора, в который помещена катализаторная насадка. В частности, такой позиционный датчик и/или позиционный держатель может использоваться также для ориентирования по отношению друг к другу слоев, выполненных из прямоугольных пластин.
Независимо от того, какую форму имеют пластины, в частности, независимо от того, выполнены ли они прямоугольными, трапецеидальными, в форме иного многоугольника, круглыми или в форме кругового сектора, изготовление катализаторной насадки упрощается также за счет того, что множество лежащих друг над другом пластин сложены в стопку, сдвинутую наискось, по меньшей мере, в одном направлении, т.е. каждая последующая пластина расположена со смещением на определенную величину относительно предыдущей пластины в одном направлении, причем величина смещения в одном направлении может быть одинаковой для всех пластин одной стопки. Все пластины одной стопки (штабеля) могут быть выполнены одинаковой формы, например, прямоугольными. В частности, все пластины одного штабеля могут иметь одинаковые габариты. В качестве альтернативы, если смотреть в направлении штабеля, пластины могут также уменьшаться, например, иметь уменьшающуюся ширину и/или длину. Пластины одного штабеля могут быть между собой сшиты, сварены, спрессованы, соединены скобками или соединены иным образом.
Для образования катализаторной насадки требуется расположить несколько штабелей пластин рядом друг с другом таким образом, чтобы скошенные стороны смежных штабелей перекрывались. Смежные штабели могут быть, в свою очередь, между собой сшиты, сварены, спрессованы, соединены скобками или соединены иным образом.
Другим объектом изобретения является реактор с катализаторной насадкой описанного выше типа.
Изобретение описано ниже путем примера, иллюстрирующего возможные варианты осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображены:
фиг. 1 - первый вариант одного слоя катализаторной насадки;
фиг. 2 - первое расположение двух слоев первого варианта;
фиг. 3 - второе расположение двух слоев первого варианта;
фиг. 4 - второй вариант одного слоя катализаторной насадки;
фиг. 5 - расположение одного слоя первого варианта и одного слоя второго варианта;
фиг. 6 - первое расположение трех слоев катализаторной насадки;
фиг. 7 - второе расположение трех слоев катализаторной насадки;
фиг. 8 - третий вариант одного слоя катализаторной насадки;
фиг. 9 - расположение трех слоев катализаторной насадки;
фиг. 10А - первый вариант сформованной части, выполненной из тринадцати пластин;
фиг. 10В - катализаторная насадка, составленная из нескольких сформованных частей варианта на фиг. 10А;
фиг. 10С - вид сверху на отдельные слои катализаторной насадки;
фиг. 11А - второй вариант сформованной части, выполненной из тринадцати пластин;
фиг. 11В - катализаторная насадка, составленная из нескольких сформованных частей варианта на фиг. 11А;
фиг. 11С - вид сверху на отдельные слои катализаторной насадки;
фиг. 12 - первый вариант полосы сформованных частей с тринадцатью слоями;
фиг. 13 - второй вариант полосы сформованных частей с тринадцатью слоями;
фиг. 14 - третий вариант полосы сформованных частей с тринадцатью слоями;
фиг. 15 - четвертый вариант полосы сформованных частей с тринадцатью слоями;
фиг. 16 - вид сверху на тринадцать слоев катализаторной насадки, составленной из нескольких полос сформованных частей варианта на фиг. 15;
фиг. 17А - перспективный вид катализаторной насадки, образованной несколькими слоями четвертого варианта;
фиг. 17В - вид сверху на катализаторную насадку фиг. 17А;
фиг. 17С - позиционный держатель катализаторной насадки фиг. 17А;
фиг. 18 - два слоя в пятом варианте;
фиг. 19А - вид сверху на два слоя в шестом варианте;
фиг. 19В - сечение слоев из фиг. 19А.
На фиг. 1 изображен первый вариант слоя 10 катализаторной насадки, которая выполнена из нескольких слоев катализаторного материала и предназначена для расположения в реакторе, внутренний объем которого обозначен круговой линией 12. В данном примере реактор имеет внутренний диаметр 190 мм.
Катализаторный материал может быть, например, металлической пеной, которая в зависимости от применения может быть покрыта дополнительным реактивным веществом. В качестве альтернативы катализаторный материал может содержать также ткань, сетку или металлическую сетку.
Слой 10 составлен из нескольких пластин 14 катализаторного материала, которые в данном примере выполнены прямоугольными. Большинство пластин 14 имеют длину 100 мм и ширину 50 мм, причем используются также половины пластин 14 в виде квадратов. Толщина пластины 14 может составлять 1-200 мм. Для получения соответствующей реактору круговой формы слоя 10 составленные пластины 14 обрезают по круговой линии 12.
Пластины 14 расположены рядом друг с другом таким образом, что каждые две смежные пластины 14 примыкают друг к другу, образуя стыковую кромку 16. По длине примыкающие друг к другу пластины 14 образуют полосу 18. При этом смежные пластинчатые полосы 18 расположены со смещением по отношению друг к другу таким образом, что стыковые кромки 16’ между смежными пластинами 14 в пределах одной полосы 18 из пластин не совпадают со стыковыми кромками 16’ между примыкающими друг к другу пластинами 14 смежной полосы 18 из пластин. Крайняя левая полоса 18 из пластин совпадает с круговой линией 12 своей левой стороной, а две средние полосы 18 из пластин совпадают с круговой линией 12 своим верхним концом.
Отдельные полосы 18 из пластин могут быть предварительно изготовлены путем соединения между собой пластин 14 образующих соответствующую полосу 18. Если катализаторный материал содержит, например, металлическую пену, то для соединения смежных пластин 14 достаточно расположить их внахлест в несколько миллиметров, например, по длине и прокатать зоны нахлеста. В качестве альтернативы нахлесту смежные пластины 14 полосы 18 могут входить друг в друга на своих стыковых кромках 16 по типу гребень/гребень или гребень/паз. Также в этом случае полосы 18 из пластин могут быть дополнительно прокатаны, однако это не обязательно и зависит от конкретного выполнения стыковых кромок 16 смежных пластин 14. В качестве альтернативы пластины 14 могут быть между собой сшиты, сварены, спрессованы или соединены скобками.
В зависимости от требуемой толщины катализаторной насадки и в зависимости от толщины отдельных пластин катализаторная насадка содержит, по меньшей мере, один слой катализаторного материала, расположенный на первом слое 10а. Второй слой 10b может быть выполнен, как первый слой 10а. Однако при расположении второго слоя 10b на первом слое 10а во избежание нежелательных проточных каналов следует обратить внимание на то, чтобы стыковые кромки 16b второго слоя 10b не совпадали со стыковыми кромками 16а первого слоя 10а. Для этой цели второй слой 10b может быть повернут по часовой стрелке относительно первого слоя 10а, например на угол 240º (фиг. 2). Центром для поворота является центр реактора или круговой линии 12. В качестве альтернативы возможен также поворот второго слоя 10b относительно первого слоя 10а по часовой стрелке на угол 125º (фиг. 3). За счет обоих поворотов достигается то, что стыковые кромки 16а первого слоя 10а и стыковые кромки 16b второго слоя 10b могут, правда, пересекаться под определенным углом, однако ни в коем случае конгруэнтно не лежат друг над другом.
Тот же эффект достигается тогда, когда второй слой 10b, как показано на фиг. 4, выполнен немного иначе, нежели первый слой 10а на фиг. 1, и образует второй вариант слоя. Конкретно второй слой 10b на фиг. 4 совпадает правой стороной с круговой линией 12. Кроме того, отдельные полосы 18b из пластин второго слоя 10b сдвинуты в продольном направлении относительно полос 18а из пластин первого слоя 10а, а именно таким образом, что две средние полосы 18b из пластин совпадают нижней стороной с круговой линией 12. Кроме того, при расположении второго слоя 10b на первом слое 10а, последний находится не в положении, указанном на фиг. 1, а дополнительно повернут по часовой стрелке на 90º (фиг. 5).
В зависимости от требуемой толщины катализаторной насадки и от толщины отдельных пластин, катализаторная насадка может дополнительно содержать составленный из нескольких пластин 14с третий слой 10с. При этом во избежание образования нежелательных проточных каналов следует обратить внимание на то, чтобы стыковые кромки 16 третьего слоя 10с, по меньшей мере, также не совпадали со стыковыми кромками 16b второго слоя 10b. Как показано на фиг. 6, этого можно достичь, например, за счет того, что на первом слое 10а из фиг. 1 второй слой 10b располагается без поворота, т.е. здесь пластины 14b второго слоя 10b лишь смещены относительно пластин 14а первого слоя 10а, и на втором слое 10b в качестве третьего слоя 10с располагается первый слой 10а из фиг. 1 с поворотом по часовой стрелке на 90º. В этом варианте гарантировано, что стыковые кромки 16а, 16b первого 10а и второго 10b слоев и стыковые кромки 16b, 16с второго 10b и третьего 10с слоев соответственно не будут совпадать между собой. В равной мере стыковые кромки 16с третьего слоя 10с лежат частично конгруэнтно над стыковыми кромками 16а первого слоя 10а, т.е. здесь имеет место определенная ориентация стыковых кромок 16а, 16с первого 10а и третьего 10с слоев. Однако это не особенно критично, поскольку в любом случае одна пластина 14b второго слоя 10b полностью расположена между ними, тем самым предотвращая образование сквозного проточного канала.
Как показано на фиг. 7, выравнивания всех стыковых кромок 16а, 16b, 16с всех трех слоев 10а, 10b, 10с можно полностью избежать, если первый слой 10а повернуть относительно расположения показанного на фиг. 1 по часовой стрелке на 270º, расположить на нем второй слой 10b из фиг. 4, а выше в качестве третьего слоя 10с – второй слой 10b, повернув его относительно расположения, показанного на фиг. 4 по часовой стрелке на 65º. Как видно на фиг. 7, стыковые кромки 16а, 16b, 16с всех трех слоев 10а, 10b, 10с пересекаются, однако отсутствуют какие-либо наложения стыковых кромок 16а, 16b, 16с слоев 10а, 10b, 10с.
На фиг. 8 изображен третий вариант слоя 10 катализаторной насадки для цилиндрического реактора диаметром 190 мм. Этот вариант отличается от варианта, показанного на фиг. 1 только габаритами отдельных пластин 14, которые имеют здесь длину 40 мм и ширину 20 мм.
Начиная со слоя, показанного на фиг. 8 в качестве первого слоя 10а, катализаторная насадка может быть выполнена трехслойной (фиг. 9) путем поворота первого слоя 10а на фиг. 8 по часовой стрелке на 120º с образованием второго слоя 10b, а затем с поворотом по часовой стрелке на 180º первый слой 10а из фиг. 8 располагают в качестве третьего слоя 10с. В этой системе слоев также гарантируется, что стыковые кромки 16 смежных слоев 10а, 10b и 10b, 10с пересекаются, однако не совпадают друг с другом. Правда, некоторые из стыковых кромок 16с третьего слоя 10с конгруэнтно лежат над стыковыми кромками 16а первого слоя 10а. Однако, как уже было сказано, это не особенно критично, поскольку в любом случае одна пластина 14b второго слоя 10b полностью расположена между ними, предотвращая образование сквозного проточного канала.
Вместо выполнения катализаторной насадки слой за слоем из отдельных пластин 14 или из предварительно изготовленных пластинчатых полос 18 возможно также составить катализаторную насадку из нескольких предварительно изготовленных сформованных частей 20, которые состоят соответственно из нескольких сложенных и соединенных друг с другом пластин 14. При этом число пластин 14 одной сформованной части 20 может быть выбрано таким, чтобы ее толщина соответствовала требуемой толщине катализаторной насадки. Если требуемая толщина катализаторной насадки должна быть больше толщины отдельных сформованных частей 20, то возможно расположить два или более слоев сформованных частей 20 один над другим.
Чтобы стыковые кромки 16 между пластинами 14 смежных сформованных частей 20 не находились друг над другом и не образовали нежелательный проточный канал, боковая поверхность 22 сформованной части 20, примыкающая к смежной сформованной части 20, не должна проходить под прямым углом к плоскости, образованной пластинами 14 сформованной части 20. Напротив, граничные поверхности между смежными сформованными частями 20 и соответственно стыкующиеся боковые поверхности 22 смежных сформованных частей 20 должны проходить всегда наклонно к плоскостям, образованным пластинами 14 сформованных частей 20. Для этого сформованные части 20 могут быть соответственно наклонены или боковые поверхности 22 могут быть образованы ступенчато выступающими пластинами 14.
На фиг. 10А изображен первый вариант сформованной части 20, отвечающей этому условию. Конкретно сформованная часть составлена из тринадцати уложенных друг на друга пластин 14 катализаторного материала, имеющих ширину 80 мм и длину 200 мм. При этом пластины 14 не образуют прямоугольный параллелепипед (кубоид). Их укладывают не с образованием прямоугольного штабеля (стопки), а располагают со смещением каждой на 5 мм в двух направлениях, а именно в направлениях их длины и их ширины, в результате чего сформованная часть 20 имеет форму параллелепипеда.
Для образования катализаторной насадки достаточное число сформованных частей 20 располагают рядом друг с другом и обрезают по форме реактора, в котором должна использоваться катализаторная насадка. На фиг. 10В в качестве примера изображена катализаторная насадка, которая составлена из восьми сформованных частей, показанных на фиг. 10А, обрезанных в форме круга для цилиндрического реактора с внутренним диаметром 200 мм.
На верхней стороне катализаторной насадки на фиг. 10В видны стыковые кромки 16 первого слоя 10, образующего самый верхний слой. Как показано на фиг. 10С, вследствие смещения пластин 14 в сформованных частях 20 стыковые кромки 16 перемещаются от самого верхнего слоя 10а по катализаторной насадке вниз до самого нижнего слоя 10m от слоя к слою, влево, как показано на фиг., в результате чего никакие две стыковые кромки 16 разных слоев не лежат конгруэнтно друг над другом, т.е. не совпадают между собой.
Понятно, что форма сформованных частей 20 не ограничена параллелепипедами. Напротив, сформованные части 20 могут быть выполнены также в форме усеченной пирамиды или иметь форму трапецеидальной призмы или другую подходящую форму.
На фиг. 11А в качестве примера изображена сформованная часть 20, составленная из тринадцати сложенных друг на друга прямоугольных пластин 14, причем длина всех пластин 14 одинаковая, а их ширина увеличивается сверху вниз. Конкретно ширина самой верхней пластины 14’ составляет 44 мм, а нижележащая пластина имеет ширину 47 мм, причем ширина каждой последующей пластины возрастает на 3 мм вплоть до самой нижней пластины 14’’, имеющей ширину 80 мм. Следовательно, сечение сформованной части 20 схоже по форме с трапецией, точнее, с трапецией со ступенчатыми косыми сторонами. Длина пластин 14 одинаковая и составляет 200 мм. Однако пластины 14 расположены со смещением каждая на 5 мм в продольном направлении относительно нижележащей пластины 14, так что контур сформованной части 20, на продольном разрезе, схож с параллелограммом, точнее, с параллелограммом со ступенчатыми косыми сторонами.
Для образования катализаторной насадки несколько сформованных частей 20, показанных на фиг. 11А, располагают рядом друг с другом и обрезают до нужной формы, показанной на фиг. 11В, здесь до цилиндрической формы диаметром 200 мм. При этом несколько сформованных частей 20 располагают рядами друг за другом по длине, причем сформованные части 20 смежных рядов располагают таким образом, что в пределах одного ряда самые узкие пластины 14’ были направлены вверх, а самые широкие пластины 14’’ лежат внизу. Если смотреть в сечении, то смежные ряды сформованных частей 20 имеют, следовательно, трапецеидальный контур из трапеций с лежащим попеременно внизу и вверху основанием.
На фиг. 11С показано, как стыковые кромки 16е между смежными пластинами 14 от слоя 10 к слою 10 изменяют свое положение по катализаторной насадке. Также в этом варианте скошенные боковые поверхности 22 сформованных частей 20 гарантируют, что, если смотреть сквозь катализаторную насадку, никакие две стыковые кромки 16 не лежат конгруэнтно друг над другом или не совпадают между собой.
Изготовление катализаторной насадки можно упростить, если несколько сформованных частей 20 уже соединены между собой в полосу 24 из сформованных частей, причем отдельные пластины 14 смежных сформованных частей 20 идеальным образом перекрываются.
Например, на фиг. 12 изображен первый вариант полосы 24, составленной из нескольких однородных сформованных частей 20, каждая из которых имеет форму параллелепипеда, аналогичную сформованной части 20, показанной на фиг. 10А. Это значит, что пластины 14 одной сформованной части 20 имеют одинаковые длину и ширину, здесь конкретно 400 мм и 200 мм соответственно, и пластины 14 каждой сформованной части 20 расположены со смещением относительно нижележащей пластины в двух перпендикулярных друг другу направлениях, а именно в направлениях их длины и их ширины. Кроме того, пластины 14 смежных сформованных частей 20 перекрываются в зонах 26 нахлеста. Хотя на фиг. 12 показаны только две сформованные части 20, понятно, что, если требуется более длинная полоса 24, к ним могут примыкать другие однородные сформованные части 20.
На фиг. 13 изображен второй вариант полосы 24, составленной из двух сформованных частей 20, которые имеют в сечении трапецеидальную форму, а в продольном разрезе – форму параллелограмма. Следовательно, эти сформованные части 20 выполнены аналогично сформованной части 20, показанной на фиг. 11А. При этом длина каждой пластины 14 одной сформованной части 20 уменьшается от самой нижней пластины 14 в направлении вверх, так что полоса 24, если смотреть в продольном разрезе, имеет трапецеидальную форму. Конкретно самая нижняя пластина 14 имеет длину 400 мм, а самая верхняя пластина 14 – длину всего 200 мм. Ширина всех пластин 14 одной сформованной части 20 одинаковая, а продольные края пластин 14 одной сформованной части 20 совпадают таким образом, что сформованная часть 20 в сечении имеет форму прямоугольника. Пластины 14 смежных сформованных частей 20 перекрываются в зонах 26 нахлеста.
На фиг. 15 изображен четвертый вариант полосы 24, составленной из нескольких однородных сформованных частей 20, причем каждая сформованная часть 20 выполнена из нескольких расположенных друг на друге прямоугольных пластин 14. Длина и ширина всех пластин 14 одной сформованной части 20 одинакова. Кроме того, пластины 14 каждой сформованной части 20 расположены со смещением относительно нижележащей пластины в направлении ее длины, что придает сформованной части 20, если смотреть в продольном разрезе, форму параллелограмма. В перпендикулярном направлении пластины 14 каждой сформованной части 20 расположены заподлицо, т.е., если смотреть в сечении, каждая сформованная часть 20 имеет прямоугольную форму. Пластины 14 смежных сформованных частей 20 перекрываются в зонах 26 нахлеста.
На фиг. 16 изображены отдельные слои 10а-10m тринадцатислойной катализаторной насадки, составленной из шести расположенных рядом друг с другом полос 24 сформованных частей из фиг. 15. Как видно на фиг. 16, вследствие смещения пластин 14 в пределах одной полосы 24 стыковые кромки 16 между смежными полосами 24 перемещаются от слоя к слою вправо, в результате чего никакие стыковые кромки 16 не лежат конгруэнтно друг над другом, причем это относится не только к следующим друг за другом, но и ко всем слоям 10а-10m.
Описанная выше катализаторная насадка, состоящая из прямоугольных пластин 14, подходят, в частности, для применения в реакторах с плоскими днищами. Если же днище выполнено криволинейным или сферическим, как, например, в реакторе с колпачковыми тарелками, то более оптимальными оказываются пластины 14 в форме трапеции или кругового сектора.
Так, на фиг. 17А изображена катализаторная насадка для реактора с колпачковыми тарелками диаметром, например, 2800 мм, имеющая, по меньшей мере, два слоя, составленных соответственно из нескольких, в данном примере двадцати пластин 14 одинаковой величины, имеющих форму кругового сектора, причем пластины расположены друг с другом в один кругообразный слой, и вершины пластин 14 сходятся в центре круга. Смежные пластины 14 примыкают друг к другу, образуя радиально проходящие стыковые кромки 16.
Как видно на фиг. 17В, на первом слое (не показан) располагается соответствующий второй слой 10b, который повернут относительно первого слоя на определенный угол, например 9º, по отношению к центру круга, так что стыковые кромки 16b (сплошные линии) второго слоя 10b не совпадают со стыковыми кромками 16а (штриховые линии) первого слоя, т.е. не лежат точно над ними. Понятно, что для дополнения катализаторной насадки могут быть предусмотрены дополнительные слои, которые также повернуты относительно соответствующего нижележащего слоя, так что, по меньшей мере, стыковые кромки непосредственно лежащих друг на друге слоев не совпадают между собой. Идеальным образом угловое смещение от слоя к слою осуществляется в одном направлении на величину угла, которая гарантирует, что по всей катализаторной насадке, никакие две стыковые кромки не будут совпадать между собой.
Чтобы предотвратить образование нежелательного проточного канала в центре катализаторной насадки, направленные радиально внутрь концы пластин 14 зажимают расположенным по центру позиционным держателем 28, подробно изображенным на фиг. 17С. Позиционный держатель 28 включает в себя цилиндрический корпус 30, на нижнем конце которого неподвижно закреплен радиально выступающий первый бортик 32, а на верхнем конце радиально выступающий второй бортик 34 прикреплен таким образом, что направленные радиально внутрь концы пластин 14 зажимаются между бортиками 32, 34. Цилиндрический корпус 30 имеет на своей боковой поверхности угловые метки, которые указывают заданные положения пластин 14, благодаря чему позиционный держатель 28 не только фиксирует размещенные пластины 14, но и облегчает размещение пластин 14, задавая их правильное расположение.
Вместо позиционного держателя 28 центральная зона каждого слоя 10, как показано на фиг. 18, может быть заполнена также несколькими расположенными рядом друг с другом и кругообразно обрезанными центральными пластинами 36, которые перекрывают внахлест пластины 14 в форме кругового сектора. Чтобы образовавшиеся между соседними центральными пластинами 36а стыковые кромки 16а слоя 10а и образовавшиеся между соседними центральными пластинами 36b стыковые кромки 16b вышележащего слоя 10b не совпадали между собой, центральные пластины 36 расположены со смещением от слоя к слою по отношению друг к другу. В качестве альтернативы или дополнительно центральные пластины 36 следующих друг за другом слоев 10 могут быть расположены также со смещением по отношению друг к другу.
Понятно, что в зависимости от величины центральной зоны, заполненной центральными пластинами 36, кольцеобразно расположенные пластины 14 необязательно должны быть выполнены в форме кругового сектора, а вместо этого могут быть выполнены короче, т.е., скорее, трапецеидальными.
Кроме того, понятно, что в случае достаточно маленькой центральной зоны она может быть заполнена также одной, в частности кругообразно обрезанной, центральной
пластиной 36.
Поскольку в пределах одного слоя 10 центральная пластина (центральные пластины) 36 и кольцеобразно расположенные пластины 14 расположены не внахлест, а примыкают друг к другу, образуя стыковую кромку в форме круговой линии, во избежание образования нежелательного проточного канала соответствующая центральная пластина (соответствующие центральные пластины) 36 вышележащего слоя 10 должна (должны) иметь другой диаметр, нежели нижележащая (нижележащие) центральная пластина (центральные пластины) 36. При этом возможны типы слоев как А-В-А-В…, А-В-С-А-В-С…, так и А-В-С-D-Е… Предпочтительно диаметр центральной пластины (центральных пластин) 36 изменяется от слоя к слою по всей катализаторной насадке. Например, диаметр центральной пластины (центральных пластин) 36 может от слоя к слою непрерывно возрастать или убывать.
Далее может быть предпочтительным, чтобы диаметр центральной пластины (центральных пластин) 36 возрастал или убывал в виде рисунка. За счет этого можно точно определить положение слоя по высоте катализаторной насадки. При этом следует также обратить внимание на то, чтобы стыковые кромки двух следующих друг за другом слоев не перекрывали друг друга. Предпочтительно центральная пластина каждого слоя имеет отличающийся от всех других слоев диаметр.
На фиг. 19 изображен вариант, в котором круглая центральная пластина 36 окружена только двумя примыкающими к ней радиально снаружи пластинами 14 в форме кольцевого сегмента, которые дополняют друг друга, образуя пластину в виде замкнутого кольца. В данном примере обе пластины 14 в форме кольцевого сегмента находятся в угловом диапазоне 180º, т.е. каждая такая пластина 14 образует полукольцо. В принципе, пластины 14 в форме кольцевого сегмента могут находиться также в разных угловых диапазонах, или более двух таких пластин 14, могут дополнять друг друга, образуя, например, три пластины 14, которые находятся в угловом диапазоне 120º. Кроме того, система слоев не ограничена одной центральной пластиной 36 и одним кольцом пластин. Так, например, вокруг центральной пластины 36 могут быть расположены также более двух колец пластин, каждое из которых составлено из двух или более пластин 14 в форме кольцевого сегмента.
Слой 10, показанный на фиг. 19, имеет проходящие в направлении периферии стыковые кромки 16’ и проходящие радиально стыковые кромки 16’’. Во избежание образования нежелательных проточных каналов, как в описанных выше вариантах, следует обратить внимание на то, чтобы стыковые кромки 16 двух следующих друг за другом слоев 10 не располагались внахлест, т.е. не перекрывали друг друга.
Как уже пояснялось со ссылкой на фиг. 18, центральные пластины 36а, 36b и относящиеся к ним кольца пластин следующих друг за другом слоев 10а, 10b имеют, во-первых, разные диаметры. Во-вторых, пластины 14а в форме кольцевого сегмента слоя 10а расположены вокруг центра центральных пластин 36а, 36b с поворотом относительно пластин 14b в форме кольцевого сегмента вышележащего слоя 10b.
Следует также указать, что катализаторная насадка, выполненная из пластин 14 в форме кругового сектора, трапеции или кольцевого сегмента, может использоваться не только в реакторах с фасонными днищами, но и в реакторах с плоскими днищами.
Перечень ссылочных позиций
10 – слой
10а – первый слой
10b – второй слой
10с – третий слой
12 – круговая линия
14 – пластина
16 – стыковая кромка
18 – полоса из пластин
20 – сформованная часть
22 – боковая поверхность
24 – полоса сформованных частей
26 – зона нахлеста (перекрытия)
28 – позиционный держатель
30 – корпус
32 – бортик
34 – бортик
36 – центральная пластина