РЕАКТОР

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Предлагаемое изобретение относится к реакторам, предназначенным для гетерогенного катализа при повышенных температурах, в частности для проведения процессов каталитической конверсии углеводородов, оксигенатов и их смесей. В качестве примера подобных процессов можно привести риформинг с использованием цеолитных или платиновых катализаторов, совместную переработку углеводородов и алифатических спиртов/простых эфиров, дегидрирование алифатических спиртов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Процессы гетерогенного катализа часто протекают при повышенных температурах в слое катализатора. Активный перенос тепла между слоем катализатора и корпусом реактора может привести к существенным потерям тепла в окружающую среду.
В то же время возможности внешней теплоизоляции реакторов для гетерогенного катализа ограничены. Среди известных в промышленности эффектов можно выделить существование критического диаметра теплоизоляции, возможность повреждения реактора в результате протекания побочных процессов при соприкосновении изоляционного материала и корпуса реактора при высокой температуре, сложность обслуживания.
Из уровня техники известен ряд подходов к снижению теплопотерь через стенки реактора.
Известен реактор US2004115106 A1, опубл. 17.06.2004, который включает газонепроницаемую корзину для катализатора, окруженную изолирующим материалом, где изолирующий материал окружен корпусом реактора. При этом корзина для катализатора включает входной канал, герметично соединенный с корпусом реактора и стенки, окружающие неподвижный слой катализатора. В качестве недостатка описанного решения можно указать необходимость покрытия внутренней поверхности корпуса реактора изолирующим материалом, и в частности, сложность выполнения подобных защитных покрытий. В промышленности известны методы нанесения защитных покрытий на внутренние стенки корпуса реактора, в частности футеровка, а также недостатки этих методов. Закрепление зашитных слоев приклеиванием пригодно только для химических процессов, проходящих при мягких температурных условиях. Изготовление свободных сварных вкладышей, а также формирование защитного слоя путем нанесения на подложку активного слоя, и его последующей термической обработки с формированием защитного слоя (к примеру, известно из RU 2439200 С2 опубл. 10.0.2012) выполняются для ограниченного круга стандартного оборудования, преимущественно для свободно открывающихся емкостей. Наличие слоя изолирующего материала также может привести к механическому загрязнению, химическому отравлению катализатора или реакционного потока частицами изолирующих материалов или продуктами их разложения при высокой температура, к примеру оксидами алюминия/кремния/циркония, соединениями натрия.
Известен реактор RU 2554008 С1, опубл. 20.06.2015, который включает внешний корпус со средствами ввода сырья и вывода продуктов реакции из реактора, и размещенную внутри реактора с зазором с внешним корпусом катализаторную гильзу, заполненную катализатором. При этом катализаторная гильза снабжена рубашкой, которая выполнена со сквозными отверстиями, реактор снабжен средством ввода в рубашку хладагента (водяной пар и/или инертный в условиях реакции газ или смесью таких газов). При этом хладагент охлаждает катализаторную гильзу и через отверстия в ее цилиндрической стенке поступает в катализаторную гильзу. Недостатком подобного решения является то что используемый хладагент поступает в слой катализатора, что по крайней мере разбавляет реагенты и препятствует эффективной конверсии за счет снижения времени нахождения реагентов на катализаторе.
Наиболее близким к предлагаемому решению является реактор для проведения каталитических процессов RU 2283174 С1, опубл. 10.09.2006. Известный реактор включает корпус, крышку и днище, штуцеры для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта, газопроницаемую горизонтальную перегородку, на которой расположен неподвижный слой гранулированных частиц катализатора. Внутри реактора с зазором к корпусу установлена дополнительная внутренняя стенка, выполненная из листового металла, верхняя часть которой соединена с корпусом, а нижняя часть - с газопроницаемой перегородкой, при этом дополнительная внутренняя стенка имеет высоту выше верхней границы слоя катализатора и имеет ряд отверстий, расположенных выше верхней границы слоя катализатора, и ряд отверстий, расположенных в нижней ее части, для обеспечения прохождения доли реакционногопотока через зазор между корпусом реактора и дополнительной внутренней стенкой. В качестве недостатка известного решения может рассматриваться необходимость производства реактора с дополнительной внутренней стенкой: двух-стеночные реакторы сложнее в изготовлении по сравнению с одностеночными по крайней мере за счет необходимости соосной установки и неразъемного соединения двух стенок. В качестве недостатка также может рассматриваться необходимость жесткого соединения дополнительной внутренней стенки, соприкасающейся с катализатором, с корпусом реактора как в верхней, как и в нижней части через газопроницаемую перегородку. Подобное решение может привести к перегреву реактора, воздействию на корпус реактора перепада температур, механическому разрушению материала корпуса реактора в ходе длительных высокотемпературных воздействий, вплоть до появления трещин на корпусе реактора. Также среди недостатков можно отметить то, что дополнительная внутренняя стенка, удерживающая слой катализатора, не может быть извлечена из реактора вместе с катализатором без разрушения реактора, что затрудняет обслуживание катализатора, в том числе его замену. Дополнительно, в качестве недостатка может рассматриваться то, что известное решение вынуждено снижать эффективность конверсии сырья и качество получаемого продукта за счет того, что часть газообразного сырья не перерабатывается, а минует основную часть катализатора через отверстия в верхней части дополнительной стенки реактора.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническая проблема, решаемая с помощью предлагаемой полезной модели, заключается в преодолении недостатков известных реакторов гетерогенного катализа, обеспечивающих снижение теплопотерь через стенки реактора. Среди таких недостатков можно выделить сложность конструкции и технического обслуживания реактора, снижение времени контакта реагентов с катализатором из-за разбавления реакционной смеси хладагентами или из-за отведения части сырья из слоя катализатора, возможность прохождения побочных химических реакций на изолирующем материале.
Предложенная конструкция реактора позволяет снизить потери тепла через стенку реактора без использования многокорпусной конструкции реактора, без слоя изолирующего материала между катализатором и корпусом реактора и без снижения времени контакта реагентов с катализатором.
Как следствие достижения технического результата, снижается перепад температур между центральным и пристеночными слоями катализатора. В условиях прохождения всей реакционной смеси через весь доступный слой катализатора, это может приводить к более равномерному и полному прохождению каталитических реакций в слое катализатора.
Требуемый технический результат достигается за счет нового реактора для гетерогенного катализа, содержащего цилиндрический корпус, корзину для катализатора, установленную соосно с корпусом и содержащую боковые и нижнюю стенки, съемную крышку, в которой размещен впускной элемент для подвода реакционной смеси, и нижнее днище, в котором размещен выпускной элемент для отвода продуктов реакции, отличающегося тем что:
- в верхней части корпуса реактора выполнена цилиндрическая впадина;
- в верхней части корзины для катализатора выполнен верхний цилиндрический выступ, выступающий по направлению от оси к корпусу реактора;
- соединение корпуса реактора и корзины для катализатора выполнено разъёмным, путем установки верхнего цилиндрического выступа корзины в цилиндрическую впадину корпуса реактора;
- боковые стенки корзины для катализатора выполнены непроницаемыми для реакционной смеси и продуктов реакции, а нижняя стенка корзины выполнена проницаемой для реакционной смеси и продуктов реакции;
- в нижней части корзины для катализатора выполнен нижний цилиндрический выступ корзины, выступающий по направлению от оси к корпусу реактора;
- между корпусом реактора и боковыми стенками корзины выполнен газовый зазор, ограниченный сверху верхним цилиндрическим выступом корзины и частично ограниченный снизу нижним цилиндрическим выступом корзины.
В верхней части реактора может быть выполнена трубка подачи изолирующего газа в газовый зазор. В качестве изолирующего газа применяется газ, выбранный из группы: инертные газы, воздух, азот или их смеси.
В реакторе может быть размещена по крайней мере одна корпусная термопара, нижняя часть которой закреплена на днище реактора, и по крайней мере верхняя часть которой расположена внутри корзины для катализатора.
В частности, в реакторе могут быть размещены две корпусные термопары - центральная и боковая, нижние части которых закреплены на днище реактора и где по крайней мере верхние части корпусных термопар расположены внутри корзины для катализатора.
В верхней части корзины для катализатора может быть выполнена ручка, содержащая сквозные отверстия для удерживания корпусных термопар, где количество сквозных отверстий соответствует количеству корпусных термопар реактора.
Боковые стенки корзины выполнены из материала, непроницаемого для реакционной смеси и продуктов реакции, предпочтительно металлическими. В частности, боковые стенки корзины могут быть выполнены из стали.
Нижняя стенка корзины выполнена из материала, проницаемого для реакционной смеси и продуктов реакции, пористого или перфорированного, предпочтительно из стальной сетки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ha прилагаемых к описанию чертежах показано:
на Фиг. 1 - схематичное изображение в продольном разрезе предлагаемого реактора для гетерогенного катализа, с вынесением увеличенного изображения области газового зазора;
на Фиг. 2 - схематичное изображение в продольном разрезе варианта выполнения реактора с трубкой подачи изолирующего газа, с вынесением увеличенного изображения области трубки подачи изолирующего газа.
на Фиг. 3 - схематичное изображение в продольном разрезе варианта выполнения реактора с двумя корпусными термопарами, закрепленными на нижнем днище реактора и с ручкой корзины для катализатора.
на Фиг. 4 - аксонометрическая проекция показанного на Фиг.3 реактора, в частично разобранном виде, с вынесенной катализаторной корзиной.
Показанные на Фиг. 1 - Фиг. 4 разрывы в высоте исполнений реакторов показывают, что высота корпуса реактора и корзины для катализатора может подбираться исходя из нужд проходящего каталитического процесса.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Как видно из Фиг.1, предлагаемый реактор в верхней части содержит съёмную крышку 1 и впускной элемент 2, расположенный в крышке 1. Реактор имеет цилиндрический корпус 3 (далее корпус 3 реактора) и корзину 4 для катализатора.
Корзина 4 для катализатора заполняется катализатором (не показан), и устанавливается в корпус 3 реактора соосно с ним, путем наложения на цилиндрическую впадину 5 верхнего цилиндрического выступа 6. Для этого цилиндрическая впадина 5 выполнена в верхней части корпуса 3 реактора, и верхний цилиндрический выступ 6 выполнен в верхней части корзины 4 для катализатора, причем цилиндрический выступ 6 корзины 4 для катализатора выступает по направлению от оси к корпусу 3 реактора.
Сверху на верхний цилиндрический выступ 6 корзины 4 для катализатора накладывается съемная крышка 1. Крышка 1 закрепляется сверху относительно цилиндрического выступа 6 и корпуса 3 реактора при помощи болтового соединения (болтовые отверстия в верхней части корпуса 3 реактора и съемной крышки 1 не показаны).
Описанное соединение корзины 4 для катализатора с корпусом 3 реактора путем установки верхнего цилиндрического выступа 6 в цилиндрическую впадину 5, в присутствии закрепленной сверху съемной крышки 1, обеспечивает герметичное и разъемное соединение корпуса 3 реактора и корзины 4 для катализатора, причем корзина 4 для катализатора жестко закреплена только в верхней части цилиндрического корпуса 3 реактора. Подобное соединение очевидно может быть выполнено с использованием различных прокладок, изолирующих колец и других материалов, улучшающих герметичность соединения (не показаны). Катализатор подбирается исходя из нужд проводимого химического процесса.
Корзина 4 для катализатора содержит боковые стенки 7 корзины, окружающие катализатор и выполненные непроницаемыми для реакционной смеси и продуктов реакции, предпочтительно металлическими. В частности, боковые стенки 7 корзины могут быть выполнены из стали.
Корзина 4 для катализатора также содержит нижнюю стенку 8, удерживающую слой катализатора снизу и выполненную проницаемой для реакционной смеси и продуктов реакции. В частности, нижняя стенка 8 корзины 4 для катализатора может быть выполнена из перфорированного или пористого материала, предпочтительно из стальной сетки. Форма и размер отверстий перфорации подбирается так чтобы исключить просыпание катализатора из корзины 4 для катализатора через нижнюю стенку 8 корзины.
Корзина 4 для катализатора также имеет нижний цилиндрический выступ 9, выступающий по направлению от оси к корпусу 3 реактора.
Корпус 3 реактора, боковые стенок 7 корзины 4 для катализатора и нижний цилиндрический выступ 9 корзины формируют газовый зазор 10. Газовый зазор 10 ограничен по бокам боковыми стенками 7 корзины 4 для катализатора и корпусом 3 реактора, т.е. между стенками корзины и корпусом реактора образуется кольцевое пространство (зазор), наполненное газом. Газовый зазор сверху ограничен верхним цилиндрическим выступом 6 корзины 4 для катализатора, а снизу частично ограничен нижним цилиндрическим выступом 9 корзины 4 для катализатора, т.е. нижний цилиндрический выступ 9 выполнен таким образом, что между торцевой поверхностью нижнего цилиндрического выступа 9 и внутренней стенкой цилиндрического корпуса 3 реактора образована щель, меньшая по размерам чем газовый зазор между боковыми стенками 7 корзины и корпусом 3 реактора.
Размеры газового зазора 10 (расстояние между боковыми стенками 7 корзины и корпусом 3 реактора) подбираются исходя из нужд проводимого химического процесса. В частности, размеры газового зазора могут составлять от 2 до 50 мм.
Размеры газового зазора 10 менее 2 мм приводят к неудовлетворительной эффективности снижения теплопередачи между корпусом реактора и слоем катализатора.
Размеры газового зазора 10 более 50 мм приводят к увеличению конвекции, увеличению металлоемкости конструкции.
Размеры щели (расстояние между торцевой частью нижнего цилиндрического выступа 9 и корпусом 3 реактора) подбираются исходя из нужд проводимого химического процесса и очевидно меньше чем размеры газового зазора.
В частности, размеры щели выбираются из диапазона 0,1-0,5 мм, предпочтительно, 0,2-0,4 мм.
Размеры щели менее 0.1 мм увеличивает вероятность заклинивания корзины для катализатора при эксплуатации реактора.
Размеры щели более 0.5 мм приводят к неудовлетворительному подавлению диффузии продуктов реакции в газовый зазор 10.
Размеры щели более 0.2 мм обычно позволяет исключить заклинивание корзины для катализатора при эксплуатации.
Размеры щели менее 0.4 мм обычно позволяют подавить диффузию газообразных продуктов реакции в газовый зазор.
При установке корзины 4 для катализатора в корпус 3 реактора газовый зазор 10 заполняется воздухом (пример изолирующего газа), в частности воздухом рабочего помещения без применения дополнительных средств.
В частности, воздух может применятся в качестве изолирующего газа при проведении процессов гетерогенного катализа, нечувствительных к присутствию кислорода воздуха, в том числе окислительная регенерация, окислительные процессы. В случае необходимости исключения присутствия кислорода воздуха в реакции гетерогенного катализа, в качестве изолирующего газа могут применяться инертные газы, выбранные из группы: благородные газы, азот или их смеси.
Конструкция в нижней части содержит днище 11. Днище 11 может быть соединено с корпусом 3 реактора сваркой или с помощью болтового соединения (не показано).
Днище 11 содержит выпускной элемент 12 для отвода продуктов реакции.
В некоторых вариантах реактора, как видно из Фиг.2, выполнена трубка 13 подачи изолирующего газа в газовый зазор 10. В качестве изолирующего газа применяется газ, выбранный из группы: инертные газы, воздух, азот или их смеси.
В некоторых вариантах реактора, как видно из Фиг. 3 и 4, внутри корпуса 3 размещены две корпусные термопары - центральная 14 и боковая 15. Нижние части корпусных термопар закреплены на днище 11 реактора резьбовым соединением или сваркой, и по крайней мере верхние части корпусных термопар расположены внутри корзины 4 для катализатора.
В некоторых вариантах реактора, как видно из Фиг. 3 и 4, в верхней части корзины 4 для катализатора может быть выполнена ручка 16 корзины для катализатора, содержащая сквозные отверстия для удерживания корпусных термопар, где количество сквозных отверстий соответствует количеству корпусных термопар реактора.
Реактор работает следующим образом.
Реакционная смесь подается в реактор в газообразном виде, и содержит по меньшей мере один газообразный реагент. При необходимости, жидкие сырьевые компоненты могут быть переведены в газообразное состояние путем предварительного нагревания, в частности в пред-нагревателе, печи или другими стандартными методами.
Предпочтительно реакционная смесь содержит углеводороды, оксигенаты или их смеси. В качестве примеров газообразных реагентов можно выделить метан, пропан-бутановые смеси, пары метанола/этанола, диметиловый эфир, предварительно испаренную нафту. Продукты реакции зависят от конкретного процесса и обычно содержат различные углеводороды, в частности низшие олефины (этилен, пропилен), углеводороды бензинового ряда (температуры кипения до 215°С), простые эфиры (к примеру, диметиловый эфир).
Подобные газообразные реагенты и продукты реакции, в особенности углеводороды, обычно обладают более высокими коэффициентами теплопроводности по сравнению с воздухом, азотом или инертными газами в сопоставимых условиях.
Газовый зазор 10 заполнен воздухом. В некоторых вариантах исполнения газовый зазор 10 заполняется изолирующим газом (воздух/азот/инертные газы или их смеси) через трубку 13 для подачи изолирующего газа.
Нагретая реакционная смесь подается в реактор через впускной элемент 2. При подаче через впускной элемент 2 нагретая реакционная смесь попадает непосредственно в корзину 4 для катализатора, не поступая в газовый зазор 10, и, как следствие, не соприкасаясь с корпусом 3 реактора.
Это достигается за счет того, что соединение корзины 4 для катализатора с корпусом 3 реактора выполнено путем установки верхнего цилиндрического выступа 6 корзины в цилиндрическую впадину 5 корпуса реактора, что, в присутствии съемной крышки 1, обеспечивает герметичное и разъемное соединение корпуса 3 реактора и корзины 4 для катализатора.
После попадания в корзину 4 для катализатора, реакционная смесь проходит через катализатор по направлению вдоль боковых стенок 7 корзины, не проникая через них. Сырьевая смесь контактирует с размещенным в корзине 4 катализатором с образованием продуктов реакции.
,
В ходе прохождения реакционной смеси через катализатор, реакционная смесь не поступает в газовый зазор 10, и, как следствие, не соприкасается с корпусом 3 реактора за счет выполнения боковых стенок 7 корзины из материала, непроницаемого для реакционной смеси и продуктов реакции.
Благодаря сочетанию описанных выше признаков при попадании реакционной смеси в реактор, и по мере прохождения её по катализатору, отсутствует прямой контакт реакционной смеси с корпусом 3 реактора, и исключается попадание реакционной смеси в газовый зазор 10.
Это позволяет достичь снижения теплопотерь через стенки реактора за счет того, что газообразные компоненты реакционной смеси обычно обладают повышенными коэффициентами теплопроводности по сравнению с воздухом или инертными газами в сопоставимых условиях. Так как газовый зазор 10 разделяет корпус 3 реактора и боковые стенки 7 корзины 4 для катализатора, повышение теплопроводности газов, заполняющего газовый зазор 10, приводит к усилению переноса тепла (потерь тепла) через газовый зазор.
В ходе прохождения реакционной смеси через катализатор по направлению вдоль боковых стенок 7 корзины, сырьевая смесь контактирует с размещенным в корзине 4 катализатором с образованием продуктов.
По мере прохождения реакционной смеси, в слое катализатора может выделяться или поглощаться тепло в результате прохождения химических реакций. Причем общий тепловой эффект реакции может меняться по мере прохождения реакционной смеси по слою катализатора. Температура корзины 4 для катализатора изменяется в соответствии с температурой слоя катализатора. Таким образом, температура корзины 4 для катализатора изменяется по сравнению с температурой корпуса 3 реактора.
Снижение переноса тепла между корпусом реактора и слоем катализатора, вызванного разницей температур между корпусом 3 реактора и корзиной 4 для катализатора, снижается за счет наличия между ними газового зазора 10.
Наличие описанного газового зазора (в частности, воздушного зазора) позволяет достичь технического результата за счет снижения теплопереноса от слоя катализатора к стенкам реактора без необходимости создания стенок реактора из теплоизолирующих материалов, покрытия внутренних стенок реактора дополнительными изолирующими материалами, создания внутренних патронов (дополнительных стенок) реактора.
Продукты, образовавшиеся при контакте сырьевой смеси с катализатором, покидают корзину 4 для катализатора через нижнюю стенку 8 корзины для катализатора за счет того, что нижняя стенка 7 корзины выполнена из материала, проницаемого для реакционной смеси и продуктов реакции.
Диффузия газообразных продуктов реакции, выходящих через нижнюю стенку 8 корзины, подавляется за счет наличия нижнего цилиндрического выступа 9 на корзине 4 для катализатора. Нижний цилиндрический выступ 9 корзины выступает по направлению от оси к корпусу 3 реактора, сужая расстояние между корпусом 3 реактора и реакторной корзиной и физически препятствуя диффузии газов. Сужение газового зазора в области нижнего цилиндрического выступа, обеспечивает достижение технического результата, за счет подавления диффузии газообразных продуктов реакции с высоким коэффициентом теплопроводности в газовый зазор, например, подавляется диффузия паров бензина или низших углеводородных газов С1-С4 в газовый зазор.
Таким образом взаимодействие описанных элементов позволяет снизить потери тепла через стенки реактора счет подавления диффузии в газовый зазор 10 продуктов реакции с повышенной теплопроводностью относительно изолирующего газа (предпочтительно воздуха), заполняющего газовый зазор.
Продукты реакции покидают реактор через выпускной элемент 12, расположенный в днище 11.
Как следствие снижения переноса тепла между катализатором и корпусом реактора, достигается снижение теплопотерь через стенки корпуса в окружающую среду.
Как следствие достижения технического результата при отсутствии в конструкции слоя теплоизолирующего материала между катализатором и корпусом реактора, избегается прохождение побочных химических реакций, проходящих в присутствии теплоизолирующего материала при повышенных температурах.
Конструкция реактора обеспечивает жесткое закрепление корзины 4 для катализатора относительно корпуса 3 реактора только с одной стороны. Нижняя часть корзины 4 для катализатора жестко не закреплена относительно корпуса 3 реактора, благодаря тому, что цилиндрический выступ 9 корзины не соприкасается с корпусом реактора 3. Жесткое разъемное закрепление корзины 4 для катализатора с корпусом 3 реактора достигается путем установки верхнего цилиндрического выступа 6 в цилиндрическую впадину 5, в присутствии закрепленной сверху съемной крышки 1.
Как следствие достижения технического результата при жестком закреплении корзины 4 для катализатора относительно корпуса 3 реактора только с верхней стороны позволяет избежать механических напряжений, механических деформации корпуса реактора, возникающих из-за перепада температур между корпусом реактора и корзиной для катализатора, вызванных нагревом катализатора. В частности, подобные механические повреждения могут проявляться в виде микротрещин трещин, в особенности в местах сварки, пучений реактора, возникающих в процессе эксплуатации.
Подобный перегрев возможен, в частности, при проведении регенерации катализатора в реакторе при окислительном нагреве катализатора до температур 650-700°C. Описанное сочетание признаком также упрощает обслуживание реактора, т.к. позволяет изымать корзину 4 для катализатора из реактора, для технического обслуживания или замены катализатора.
Существует вариант исполнения, в котором в газовый зазор 10 через трубку 13 подачи изолирующего газа осуществляют подачу изолирующего газа. Изолирующий газ может выбираться из газов или газовых смесей, обладающих относительно низкой теплопроводностью, к примеру азот, воздух, инертные газы, такие как аргон, и их смеси.
Скорость подачи изолирующего газа подбирается исходя из конкретной задачи в зависимости от давления процесса, уровня обратной диффузии газообразных продуктов реакции, теплопроводности продуктов реакции. Скорость подачи изолирующего газа предпочтительно выбирается минимально возможной, вплоть до нескольких мл/ч. В данном варианте исполнения изолирующий газ смешивается с продуктами реакции в малых контролируемых количествах после их выхода из корзины для катализатора через нижнюю стенку корзины 8.
Наличие в конструкции реактора трубки подачи изолирующего газа позволяет достичь заявленного технического результата за счет того, что изолирующий газ дополнительно подавляет теплопередачу между слоем катализатора и стенкой реактора.
В одном из исполнений, показанном на Фиг. 3 и 4, в днище 11 реактора закреплены две корпусные термопары, центральная 14 и боковая 15, расположенные по направлению оси реактора и по крайней мере частично находящееся внутри корзины 4 для катализатора. Возможно осуществление исполнений, где вместо двух термопар устанавливается одна или более двух термопар.
В одном из исполнений, также показанном на Фиг. 3 и 4, корзина 4 для катализатора дополнительно имеет ручку 16 корзины 4 для катализатора, содержащую сквозные отверстия для удерживания корпусных термопар 14, 15. Количество сквозных отверстий зависит от количества используемых корпусных термопар. Наличие ручки 16 также облегчает процесс изъятия корзины 4 для катализатора из цилиндрического корпуса 3 реактора после снятия крышки 1.
Очевидно, что в зависимости от конкретных требований химического процесса, один реактор с корзиной для катализатора и газовым зазором, можно заменить двумя или более подобными реакторами, расположенными последовательно или параллельно.
Возможно дополнительное выполнение внешней теплоизоляции стенок реактора, путем окружения корпуса реактора снаружи слоем теплоизоляционного материала (к примеру минеральная вата). Возможно дополнительное применение устройств внешнего обогрева стенок реактора (к примеру электронагреватели, теплообменные устройства).
Примеры реализации.
Предложенная конструкция реактора позволяет снизить потери тепла через стенку реактора, что вызывает снижение перепада температур между центральным и пристеночными слоями катализатора. Для дальнейшей иллюстрации снижения теплопотерь в результате осуществления предлагаемой полезной модели, ниже приводятся температуры центрального и пристеночного слоев катализатора в условиях конкретных процессов гетерогенного катализа согласно Таблицам 1 и 2.
Боковые стенки 7 корзины для катализатора выполнены из стали, нижняя стенка 8 корзины выполнена из стальной сетки.
Таблица 1. Условия каталитических процессов
Параметр
Пример 1. Дегидратация метанола
Пример 2. Совместная переработка
Пример 3. Окислительнаярегенерация
Толщинагазового зазора 10, мм
5(воздух; пары бензина)
3,5(воздух; азот; пары бензина)
10; 0(воздух; отсутствие газового зазора)
Толщина щели между корпусом 3 реактора и нижним цилиндрическим выступом 9 корзины, мм
0,4
0,25
0,2
Тип катализатора
γ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
ZSM-5
HZSM-5, отработанный
Загрузкакатализатора, л
3
3
3
Время, ч. после выхода на стабильный режим
4
4
4
Точка измерения температуры, мм. от верха корзины для катализатора
630
630
630
Высота рабочей зоны реактора, мм.
1084
1084
1084
Сырьё/реактивы регенерации
метанол
смесь нафты(н.к.-200°С)и метанола
азот-воздушная смесь
Расход, л/ч
10(жидк.)
3,66; 1,22(жидк.)
300(газ.)
Температура предварительного прогрева катализатора*,°С
350
350
350
* Слой катализатора прогревается от температуры окружающей среды до выбранной температуры с помощью нагревательных элементов, к примеру, с помощью электронагревателей, теплообменных устройств.
Таблица 2. Температурные показатели
Показатель
T центральная термопара<sup>**</sup>, °С
T боковаятермопара<sup>***</sup>, °С
Пример 1. Дегидратация метанола, газовый зазор - воздух
376
362
Пример 1. Дегидратация метанола, газовый зазор - пары бензина
364
330
Пример 2. Совместная переработка, газовый зазор - воздух
410
387
Пример 2. Совместная переработка, газовый зазор - азот
407
383
Пример 2. Совместная переработка, газовый зазор - пары бензина
405
360
Пример 3. Окислительная регенерация, газовый зазор - воздух
669
615
Пример 3. Окислительная регенерация, в отсутствии газового зазора
667
575
**
Центральная термопара установлена соосно с корзиной для катализатора.
***
Боковая термопара установлена на расстоянии 5 мм от боковой стенки корзины для катализатора.
Пример 1. Процесс дегидратации метанола с получением диметилового эфира. Как показывает Таблица 2, наличие воздушного зазора позволяет снизить перепад температуры между центром каталитического слоя и пристеночным слоем катализатора с 34 до 14ºС по сравнению с газовым зазором, заполненным углеводородными продуктами с высоким коэффициентом теплопроводности (пары бензина использованы как модель продуктовой смеси превращения метанола в диметиловый эфир). Данный результат показывает, что при отсутствии подавления диффузии газообразных продуктов реакции в газовый зазор, по крайней мере за счет наличия щели малых размеров между торцевой поверхностью нижнего цилиндрического выступа 9 и внутренней стенкой цилиндрического корпуса 3 реактора, увеличиваются теплопотери через стенку реактора. В частности, это выражается более интенсивным охлаждением пристеночного слоя катализатора по сравнению с центральным слоем.
Пример 2. Процесс совместной переработки нафты (углеводороды бензинового диапазона, диапазон кипения н.к.-200°С).
Как показывает Таблица 2, наличие воздушного зазора между корзиной для катализатора и корпусом реактора дает эффект сравнимый с наличием газового зазора, заполненного азотом. В то же время заполнение газового зазора парами бензина увеличивает градиент температур с 23-24 до 45°С.
Пример 3. Процесс окислительной регенерации отработанного цеолитного катализатора азот-воздушной смесью.
В качестве примера функционирования газового зазора при более высоких температурах, показаны значения температуры для окислительной регенерации цеолитного катализатора. Как видно из Таблицы 2, наличие газового зазора при температурах реакции выше 650°С позволило снизить перепад температуры по слою катализатора с 92 до 54°С по сравнению со случаем прямого контакта катализатора с корпусом реактора.
Пример 4. Процесс по Примеру 2, однако после заполнения газового зазора парами бензина, в газовый зазор по трубке 13 подачи изолирующего газа поступает азот со скоростью 10 мл/ч. Подаваемый азот постепенно вытесняет пары бензина из газового зазора, что отражается в постепенном уменьшении перепада температур между центральным и пристеночным слоем катализатора вплоть до значений, показанных в примере 2 для газового зазора заполненного азотом (с 45°С до 23-24°С), и далее градиент температур не показывает значительных изменений. Это показывает, что в случае заполнения газового зазора газообразными продуктами реакции с повышенной теплопроводностью, поддавливание изолирующего газа через трубку для подачи изолирующего газа позволяет восстановить функцию газового зазора по снижению теплопотерь через стенку реактора. В случае необходимости вытеснения большого количества газообразного продукта, заполнившего газовый зазор, к примеру, в результате аварийной ситуации, скорость подачи может быть увеличена.
Хотя настоящая полезная модель была подробно описана на примерах вариантов, которые представляются предпочтительными, необходимо помнить, что эти примеры осуществления полезной модели приведены только в целях иллюстрации полезной модели. Данное описание не должно рассматриваться как ограничивающее объем полезной модели, поскольку в конструкцию предлагаемого реактора специалистами в области химии, химического машиностроения, и др. могут быть внесены изменения, направленные на то, чтобы адаптировать реактор к конкретным материалам или ситуациям, и не выходящие за рамки прилагаемой формулы полезной модели. Специалисту в данной области понятно, что в пределах сферы действия полезной модели, которая определяется пунктами предлагаемой формулы, возможны различные варианты и модификации, включая эквивалентные решения. Все подобные вариации, которые очевидны специалистам в данной области техники, считаются входящими в объем настоящей полезной модели, который определен в прилагаемой формуле.