РАДИАЛЬНЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ДЕГИДРИРОВАНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ Российский патент 1997 года по МПК B01J8/04 

Изобретение относится к устройствам, применяемым при каталитическом дегидрировании углеводородов, и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности, например, при дегидрировании этилбензола в стирол.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для каталитического дегидрирования углеводородов, включающее цилиндрический корпус, коаксиально установленную цилиндрическую корзину с катализатором, внутри которой размещено центральное тело вращения [1]
Центральное тело вращения, представляющее собой обтекатель, совместно с внутренней поверхностью корзины образуют входной канал, а выходным каналом является полость, образованная наружной поверхностью корзины и цилиндрическим корпусом.

Недостаток этого устройства заключается в том, что выходной канал имеет постоянное поперечное сечение. Поэтому статистическое давление в потоке оказывается переменным по длине входного и выходного каналов, в результате чего возникают местные обратные перемешивания, отрицательно сказывающиеся на эффективность процесса, протекающего в реакторе.

Цель изобретения повышение эффективности процесса, протекающего в реакторе, за счет равномерного распределения потока реакционной смеси по объему катализатора при постоянном статическом давлении в каналах реактора.

Поставленная цель достигается тем, что в выходном канале радиального реактора установлен обтекатель и что обтекателям входного и выходного каналов придана специальная форма, так что их радиусы определяются соотношениями:

где относительная площадь поперечного сечения выходного канала;
r_вх текущий радиус обтекателя входного канала;
r₁ внутренний радиус кольцевой корзины;
y x/l относительная координата;
x расстояние от вершины обтекателя входного канала до произвольного сечения реактора;
l длина каналов;
λ₁ коэффициент гидравлического сопротивления входного канала;
относительная площадь выходного канала;
r_вых текущий радиус обтекателя выходного канала;
r₂ внешний радиус кольцевой корзины;
r₃ внутренний радиус корпуса реактора;
λ₂ коэффициент гидравлического сопротивления выходного канала.

На чертеже представлена конструктивная схема радиального реактора для каталитического дегидрирования углеводородов.

Реактор содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого соосно установлена кольцевая цилиндрическая корзина с катализатором 2, закрытая сверху непроницаемой крышкой 3. Крышка 3 и внутренняя поверхность корзины образуют входной канал 4, внутри которого установлен обтекатель 5, представляющий собой непроницаемое тело вращения. Внешняя поверхность корзины совместно с корпусом образуют выходной канал 6, внутри которого установлен обтекатель 7, также представляющий собой непроницаемое тело вращения.

Реактор работает следующим образом.

Реакционная смесь, поступающая во входной канал 4, отклоняется обтекателем 5 и, проходя через кольцевую корзину с катализатором 2, поступает в виде готового продукта в выходной канал 6, в котором отклоняется обтекателем 7 и движется вдоль выходного канала.

То, что предложенная форма обтекателей обеспечивает равномерное распределение потока реакционной смеси по всему объему катализатора при постоянном статическом давлении вдоль по каналам радиального реактора, следует из рассмотрения динамики движения потока реакционной смеси и готового продукта в реакторе.

Действительно, уравнение энергии газового потока, протекающего по входному каналу радиального реактора, можно представить в следующем виде (Пентюхов В.И. Уравнение энергии для потока переменной массы. Воронеж. 1977, с. 11. Рукопись представлена ВПИ. Деп. в ВИНИТИ 14 июля 1977, N 2866, доп.)

где F₁ площадь поперечного сечения входного канала;
r_вх текущий радиус обтекателя входного канала;
r₁ внутренний радиус кольцевой корзины;
W₁ осевая скорость потока во входном канале;
V₁ радиальная скорость потока во входном канале;
P₁ статическое давление потока во входном канале;
ρ плотность потока;
v₁ относительная площадь перфорации внутренней поверхности кольцевой корзины;
λ₁ коэффициент гидравлического сопротивления входного канала.

При невысоких давлениях, что имеет место, например, при производстве стирола, изменением плотности реакционной смеси в радиальном реакторе можно пренебречь.

Как видно из чертежа, текущий радиус обтекателя входного канала можно представить в виде:

где ψ₁= F₁/πr21

относительная площадь сечений входного канала.

Осевой расход реакционной смеси во входном канале можно представить в виде:
Q_x Q_of(x),
где Q_о осевой расход реакционной смеси через начальное сечение входного канала;
f(x) функция, характеризующая изменение относительного осевого расхода по длине входного канала.

Из условия неразрывности потока во входном канале следует, что

где W_о осевая скорость потока в начальном сечении входного канала.

Используя полученные соотношения, введя относительную координату y x/l, где l длина канала, уравнение энергии потока во входном канале можно представить в виде:

где q₁= P₁/ρw2o

.
Из условия неразрывности потока в реакторе следует, что

где W₂ осевая скорость потока в выходном канале;
ψ₂ относительная площадь сечения выходного канала;
r₂ внешний радиус кольцевой корзины;
r₃ внутренний радиус корпуса.

Произведя выкладки, аналогичные вышеприведенным, получим следующее уравнение энергии потока, движущегося в выходном канале радиального реактора:

где λ₂ гидравлическое сопротивление выходного канала,
q₂= P₂/ρw2o

Для равномерного распределения потока по всему объему катализатора необходимо, чтобы осевой расход потока во входном канале убывал по линейному закону, т.е. чтобы имело место равенство
f 1 y
Чтобы статическое давление в каналах реактора было постоянным, необходимо, чтобы

С учетом этих соотношений из уравнений энергии потоков, протекающих во входном и выходном каналах, следует, что форма обтекателей входного и выходного каналов, обеспечивающих равномерное распределение потока реакционной смеси по всему объему катализатора при постоянном статическом давлении в каналах радиального реактора, определяется следующими соотношениями.

Использование радиального реактора с обтекателями предложенной формы, обеспечивающими равномерное распределение потока по всему объему катализатора при постоянном статическом давлении в каналах, позволяет устранить вредные обратные перемешивания реакционной смеси, возникающие в катализаторном слое радиального реактора-прототипа из-за того, что в его каналах не выдерживается постоянное статическое давление.

Устранение обратных перемешиваний реакционной смеси в катализаторном слое позволяет повысить эффективность процесса, протекающего в радиальном реакторе, и улучшить качество получаемого продукта.

Предложенная форма обтекателей позволяет равномерно распределить реакционную смесь по всему объему катализатора и устранить вредные обратные перемешивания реакционной смеси в катализаторном слое независимо от размеров радиального реактора, т.е. позволяет создавать эффективно работающие радиальные реакторы большой единичной мощности, себестоимость продукции которых будет ниже за счет снижения удельных эксплуатационных расходов и повышения качества выпускаемого продукта.

Использование: в химической и нефтехимической промышленности в области каталитического дегидрирования углеводородов, например, при дегидрировании этилбензола в стирол. Цель - повышение эффективности процесса, протекающего в реакторе, за счет равномерного распределения потока реакционной смеси по объему катализатора при постоянном статическом давлении в каналах реактора. Сущность изобретения: использование радиального реактора с обтекателями входного и выходного каналов, находящихся в кольцевой корзине с катализатором, которым придана особая форма так, что их радиусы определяются соотношениями:

где - относительная площадь поперечного сечения входного канала; r_вх - текущий радиус обтекателя входного канала; r₁ - внутренний радиус кольцевой корзины; y = x/l - относительная координата; x - расстояние от вершины обтекателя входного канала до произвольного сечения реактора; l - длина входного и выходного каналов; λ₁ - коэффициент гидравлического сопротивления входного канала; - относительная площадь поперечного сечения выходного канала; r_вых - текущий радиус обтекателя выходного канала; r₂ - внешний радиус кольцевой корзины; r₃ - внутренний радиус корпуса реактора; λ₂ - коэффициент гидравлического сопротивления выходного канала. 1 ил.

Радиальный реактор для дегидрирования углеводородов, включающий цилиндрический корпус, коаксиально установленную кольцевую корзину с катализатором, образующую с корпусом выходной канал и внутри которой размещен обтекатель в виде тела вращения, образующий с корзиной входной канал, отличающийся тем, что реактор снабжен дополнительным обтекателем, выполненным в виде тела вращения и размещенным во входном канале, а радиусы обтекателей определяются соотношениями


где относительная площадь поперечного сечения входного канала;
r_в х текущий радиус обтекателя входного канала, м;
r₁ внутренний радиус кольцевой корзины, м;
y x/l относительная координата;
х расстояние от вершины обтекателя входного канала до произвольного сечения реактора, м;
l длина входного и выходного каналов, м;
λ₁- коэффициент гидравлического сопротивления входного канала;
относительная площадь поперечного сечения выходного канала;
r_в ы х текущий радиус обтекателя выходного канала, м;
r₂ внешний радиус кольцевой корзины, м;
r₃ внутренний радиус корпуса реактора, м;
λ₂- коэффициент гидравлического сопротивления выходного канала.