КОНВЕКТОР ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ГАЗОФАЗНЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕМЕНТ КОНВЕКТОРА ГАЗОФАЗНЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
CONVECTOR FOR GAS PHASE CATALYTIC PROCESSES AND GAS PHASE CATALYTIC PROCESS CONVECTOR THERMAL ELEMENT

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.
Известен (RU, патент №2278726) реактор для осуществления газофазных каталитических процессов, содержащий корпус, средства ввода исходных компонентов и средство вывода готового продукта, узел подвода или отвода тепла, выполненный в виде множества тепловых труб. 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 неэффективность передачи тепловой энергии реагирующим веществам и катализатору, приводящую к уменьшению выхода целевого продукта.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент №2359748) 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 кругового поперечного сечения, 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. 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.
Недостатком известного технического решения следует признать неравномерность прогрева катализатора, расположенного между цилиндрическими трубами, т.к. расстояние между поверхностями труб не является величиной постоянной, что приводит к нарушению оптимальных условий протекания процесса и, соответственно, уменьшению процента выхода целевого продукта.
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 повышении процента выхода целевого продукта за счет равномерного прогрева катализатора и использования минимальной и постоянной разности температуры стенки между тепловым элементом и катализатором при одновременном увеличении времени работы конвектора между остановами на регенерацию катализатора.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный конвектор для осуществления газофазных каталитических процессов. Разработанный конвектор содержит корпус с входным и выходными патрубками, внутри которого расположены тепловые элементы, по меньшей мере, две поверхности которых расположены параллельно друг другу, концы тепловых элементов расположены в зоне подвода/отвода тепловой энергии, над зоной подвода/отвода тепловой энергии расположен катализаторный стол, выполненный в виде пластины с отверстиями, обеспечивающими прохождение через стол тепловых элементов, при этом в пространстве между тепловыми элементами расположен катализатор. Предпочтительно корпус выполнен цилиндрическим, причем торцевые поверхности корпуса установлены параллельно поверхности земли. Преимущественно расстояние между тепловыми элементами составляет от 3 мм до 500 мм. Это обеспечивает более равномерное распределение тепловой энергии по объему катализатора, а также объему реагирующих газообразных веществ. Поверхность тепловых элементов может быть выполнена гофрированной, что увеличивает площадь контакта теплопроводящей поверхности теплового элемента с катализатором и/или реакционной средой. В зоне подвода или отвода тепла тепловые элементы могут быть выполнены цилиндрической формы, что позволяет упростить переход плоских тепловых элементов через катализаторный стол. Тепловые элементы могут быть расположены параллельно друг другу, в случае использования цилиндрического корпуса, проходя по его хорде. Это обеспечивает постоянное расстояние в зоне катализатора между тепловыми элементами. Однако в некоторых случаях тепловые элементы могут быть расположены под углом друг к другу, что позволяет использовать радиальный вариант выполнения конвектора. Тепловой элемент предпочтительно представляет собой теплообменник или тепловую трубу в значении, общепринятом в науке и технике (см., например, Большой энциклопедический словарь «Политехнический». М., Научное издание «Большая Российская энциклопедия», 1998, стр.524).
Тепловой элемент реактора газофазных каталитических процессов представляет собой корпус с внутренней полостью, внутри которой размещен теплоноситель, причем, по меньшей мере, две стороны корпуса расположены параллельно друг другу. При этом тепловой элемент имеет плоскую конфигурацию, когда две противоположно расположенные стороны будут значительно больше двух других сторон. Стенки корпуса могут быть расположены попарно параллельно с образованием параллелограмма в поперечном сечении. Для увеличения площади контакта с катализатором поверхность корпуса может быть выполнена гофрированной. Для упрощения перехода плоского теплового элемента через катализаторный стол вблизи одной из торцевых поверхностей корпус может быть выполнен цилиндрической формы. Тепловой элемент представляет собой теплообменник или тепловую трубу.
В случае использования теплообменника в виде тепловой трубы часть каждой тепловой трубы может быть 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.
Отличие разработанного конвектора 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 элементов, состоит в конструкции самого теплового элемента, а именно - по крайней мере, часть каждого теплового элемента, расположенная в зоне осуществления реакции, выполнена в виде корпуса, по меньшей мере, две противоположных стороны которого расположены взаимно параллельно.
Кроме газофазных каталитических процессов данный конвектор может быть использован и для жидкофазных каталитических процессов.
Конструкция конвектора иллюстрирована на фиг.1 и фиг.2, при этом использованы следующие обозначения: входной патрубок 1, катализатор 2, плоские тепловые элементы 3, корпус конвертора 4, перфорация 5, выходной патрубок 6, коллектор 7, теплоизоляция 8, катализаторный стол 9.
Исходные компоненты поступают в конвертор через входной патрубок 1, далее они поступают на катализатор 2, который находится внутри между плоскими тепловыми элементами 3, расположенными, предпочтительно, параллельно друг другу. Внутри тепловых элементов находится теплоноситель, который позволяет подводить (или отводить) тепло к катализатору. Продукты реакции поступают в выходной патрубок 6 через перфорацию 5 в корпус конвертора 4 и коллектор 7. На корпус конвертора 4 нанесена теплоизоляция 8. В случае эндотермической реакции к нижней части конвертора подводится тепло. Зона реакции с катализатором отделена от зоны подвода тепла катализаторным столом 9.
В преимущественном варианте реализации средства ввода исходных компонентов и средство вывода готового продукта расположены по противоположным стенам корпуса конвектора. В корпусе могут быть расположены датчики, позволяющие контролировать технологический процесс (датчики температуры, давления, содержания отдельных компонентов газовой смеси на входе и выходе конвектора). Вокруг и/или внутри корпуса могут быть дополнительно расположены средства регулирования температуры процесса. Температура процесса в реакторе может быть изменена посредством изменения температуры тепловых элементов.
Предлагаемый конвектор, содержащий тепловые трубы указанной выше формы с газоотделительной мембраной, в случае эндотермической химической реакции 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
2
Процесс паровой конверсии метана протекает на катализаторе (NiO на AlO) при температуре 650÷1000°C и давлении 5÷7 МПа. В процессе из метана образуется смесь H и CO. 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 использован 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
Тепловые трубы выше приведенной конструкции заполнены натрием, на полированную поверхность указанных труб нанесено однослойное покрытие из карбида кремния. Внутри тепловой трубы установлена никелевая мембрана, 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°C.
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.
Использование тепловых элементов указанной формы приводит к тому, что выход продуктов реакции увеличивается на 7%, а время работы конвектора между остановом на регенерацию катализатора - в 1,15 раза.