РЕАКТОР ДЛЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В ТРЕХФАЗНЫХ СИСТЕМАХ Российский патент 2000 года по МПК B01J8/22 

Настоящее изобретение относится к реактору для химических реакций, которые проводятся в трехфазных системах (жидкость, газ, твердое вещество).

Более конкретно, настоящее изобретение относится к реактору для химических реакций, которые проводятся в трехфазных системах, в которых газообразная фаза барботирует для суспендирования твердого вещества в жидкости.

Еще более конкретно, настоящее изобретение относится к реактору для синтеза Фишера-Тропша, который проводится при температуре от 150 до 380^oC под давлением 5-50 бар.

Как известно, при реакции Фишера-Тропша газообразная фаза представляет собой смесь водорода и моноокиси углерода при молекулярном соотношении H₂/CO от 1 до 3, дисперсионная жидкая фаза представляет продукт реакции, то есть линейные углеводороды с высоким числом атомов углерода, а твердая фаза представлена катализатором.

Известен реактор для химических реакций в трехфазной системе, содержащий соединенные фланцевыми соединениями нижнюю часть, головку и секции, включающие цилиндрический кожух, двухстеночный цилиндрический кожух, пучок труб и впускные и выпускные сопла (WO 94/16807 A1, кл. B 01 J 8/22, 04.08.94).

Экзотермичность реакции Фишера-Тропша (35-40 ккал/моль) делает незаменимым наличие в сочетании с реактором для синтеза теплообменного устройства для контроля температуры в рабочих пределах и для предотвращения возможных местных "горячих точек", приводящих к ухудшению качества катализатора и качества продукта.

Предложен реактор для синтеза Фишера-Тропша, в котором контроль температуры эффективно осуществляется с помощью одной или более совмещенных секций теплообмена, причем каждая из этих секций погружена в соответствующую секцию синтеза.

Реактор позволяет предотвратить возможные местные "горячие точки", приводящие к ухудшению качества катализатора и качества продукта.

Указанный технический результат достигается тем, что реактор для химических реакций, которые проводятся в трехфазных системах (жидкость, газ, твердое вещество), включает со ссылкой на фиг. 1 и 2 представляющие соответственно нижнюю и верхнюю части реактора:
i) нижнюю часть реактора 1, в которую подается газ-реагент A1 через впускное сопло (а);
ii) секцию, включающую:
ii₁) перфорированную пластину 2, соединенную с нижней частью реактора 1 с помощью фланцевого соединения, в отверстиях которого закреплены трубы 3 для передачи газа к распределителю 7;
ii₂) цилиндрический кожух 4, прикрепленный к пластине 2 с помощью фланцевого соединения, который имеет одно или более впускных сопел (b) для подачи охлаждающей жидкости B1 внутрь труб пучка труб 6;
ii₃) перфорированную пластину 5, соединенную с кожухом 4 с помощью фланцевого соединения, в отверстиях которого закреплены трубы 3, расположенные в нижней части и передающие газ к распределителям, причем трубы пучка труб 6 и распределители 7 закреплены в верхней части;
ii₄) цилиндрический кожух 8, соединенный с пластиной 5 с помощью фланцевого соединения, имеющий высоту, по существу равную высоте пучка труб 6, который в нижней части имеет одно или более впускных сопел (c), расположенных симметрично для подачи рециркулируемой суспензии G1 (получаемая жидкость и катализатор);
ii₅) перфорированную пластину 9, имеющую группу пазов 11, расположенных по периметру, которые симметрично размещены для прохождения суспензии и непрореагировавших газов, соединенную с кожухом 8 с помощью фланцевого соединения, в отверстиях которой закреплены трубы пучка труб 6, расположенные в нижней части, и трубопроводы 10 для передачи непрореагировавших газов и суспензии, расположенные в верхней части;
ii₆) двухстеночный цилиндрический кожух 12, прикрепленный к пластине 9 с помощью фланцевого соединения, имеющий на внутренней стенке одно или более пропускающих выпускных сопел (d) для отвода охлаждающей жидкости B2, причем кольцеобразная камера 13 между двойной стенкой размещена в соответствии с группой пазов 11, расположенных по периметру, которые имеются на пластине 9;
ii₇) перфорированную пластину 14, имеющую пазы 15, расположенные по периметру, для прохождения суспензии и непрореагировавших газов, расположенных симметрично и совпадающих с кольцеобразной камерой 13, соединенной с двухстеночным кожухом 12 с помощью фланцевого соединения, в отверстиях которой закреплены трубопроводы 10;
iii) головку 16, прикрепленную к пластине 14 с помощью фланцевого соединения, содержащую выпускные сопла (е) для отвода полученной жидкости G2 и выпускные сопла (f) для отвода непрореагировавших газов A2 и дополнительно группу наклонных поперечных перегородок 17 для разделения частиц жидкости и/или твердого вещества.

В соответствии с настоящим изобретением реактор включает по меньшей мере одну из секций теплообмена (ii₃) + (ii₄) + (ii₅), как проиллюстрировано на фиг. 1 и 2. Однако можно использовать ряд секций теплообмена от 2 до 6, расположенных вертикально одна на другой.

На фиг. 3 и 4 представлен узел реактора, включающий две секции теплообмена, установленные одна на другой.

Следовательно, в соответствии с фиг. 1-4 реактор, являющийся предметом настоящего изобретения, включает нижнюю часть реактора 1, в которую подается газ-реагент через впускное сопло (а); перфорированную пластину 2; трубы 3 для передачи газа на распределители 7; цилиндрический кожух 4; перфорированную пластину 5; трубы пучка труб 6; цилиндрический кожух 8 и перфорированную пластину 9, имеющую расположенные по периметру пазы 11 и в отверстиях которой закреплены трубы пучка труб 6, а также трубопроводы 10, обеспечивающие прохождение непрореагировавших газов и суспензии.

В соответствии с вариантом настоящего изобретения, относящимся к реактору, который включает две секции теплообмена (фиг. 3 и 4), двухстеночный цилиндрический кожух 12' прикреплен к пластине 9 с помощью фланцевого соединения, внутренний корпус которого разделен на два, по существу равных объема с помощью перфорированной диафрагмы 13, в которую проходят трубопроводы 10, имеющие длину, по существу равную высоте цилиндрического кожуха 12' и которые транспортируют как непрореагировавший газ, так и суспензию в кольцеобразную камеру 15'.

Нижний объем кожуха 12', расположенный ниже диафрагмы 13' соединен с наружной стороной с помощью одного или нескольких выпускных сопел (d'), через которые отводится охлаждающая жидкость B2 из зоны реакции/теплообмена 8. Верхний объем кожуха 12', расположенный выше диафрагмы 13', соединен с наружной стороной реактора с помощью одного или нескольких впускных сопел (e'), через которые подается охлаждающая жидкость B1' из зоны реакции/теплообмена выше кожуха 12'.

Перфорированная пластина 16', имеющая расположенные по периметру пазы 18, которые симметричны кольцеобразной камере 15' и совпадают с ней, соединена с двухстеночным кожухом 12' с помощью фланцевого соединения, в отверстиях которой закреплены трубы пучка труб 17' и распределители 7, расположенные в верхней части.

Реактор с двумя секциями теплообмена, являющийся предметом настоящего изобретения, следовательно, включает цилиндрический кожух 19, имеющий высоту, равную высоте пучка труб 17', и следующие граничные узлы:
- перфорированную пластину 20, прикрепленную к кожуху 19 с помощью фланцевого соединения, имеющую расположенные по периметру симметричные пазы 21, в отверстиях которой в нижней части закреплены трубы пучка труб 17', и трубопроводы 22 для прохождения непрореагировавших газов и суспензии в верхней части;
- двухстеночный цилиндрический кожух 23, прикрепленный к пластине 20 с помощью фланцевого соединения, в котором кольцеобразная секция 24 совпадает с расположенными по периметру пазами 21 пластины 20, а внутренняя стенка цилиндрического кожуха 23 имеет одно или несколько пропускающее выпускное сопло (f') для отвода охлаждающей жидкости B2';
- перфорированную пластину 25, соединенную с двухстеночным кожухом 23 с помощью фланцевого соединения, имеющую расположенные по периметру пазы 26, которые размещены симметрично и совпадают с кольцеобразной камерой 24, и в отверстиях которой закреплены трубопроводы 22.

Реактор, включающий две секции теплообмена, являющийся предметом настоящего изобретения, заканчивается головкой 16, прикрепленной к пластине с помощью фланцевого соединения, содержащей выпускные сопла (е) для отвода суспензии G2 и выпускные сопла (f) для отвода непрореагировавшего газа A2, а также группу наклонных перегородок 17 для разделения частиц жидкости и/или твердого вещества.

В соответствии с фиг. 1, 3 и 4 реактор содержит две секции теплообмена, установленные вертикально и имеющие длину 30 см и диаметр 11 см соответственно.

Два реакторных объема загружаются 800 г катализатора, средний размер зерен которого равен 20-100 мкм, содержащего подложку из окиси алюминия, имеющую площадь поверхности 175 м²/г, при этом на указанной подложке размещено 14 вес.% кобальта и 0,5 вес.% тантала. Реактор испытывается при температуре 230^oC и давлении 3 МПа.

Синтез-газ со скоростью потока 600 н.л/ч и отношением H₂/CO, равным 2/1, подается в основание реактора через сопло (а). Достигается превращение CO, равное 60%, и производительность углеводорода, равная 75 г/ч.

Реактор для химических реакций в трехфазных системах (жидкость, газ, твердое вещество), включает нижнюю часть реактора, в которую через впускное сопло подается газ-реагент, одну или несколько совмещенных секций теплового обмена, причем каждая из этих секций погружена в соответствующую секцию синтеза, головку, содержащую выпускные сопла для отвода суспензии, выходные сопла для отвода непрореагировавшего газа и группу наклонных поперечных перегородок для разделения втянутых частиц жидкости и/или твердого вещества. Реактор позволяет предотвратить возможные местные "горячие точки", приводящие к ухудшению качества катализатора и качества продукта, а контроль температуры эффективно осуществлять с помощью одной или более совмещенных секций теплообмена, каждая из которых погружена в соответствующую секцию синтеза. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Реактор для химических реакций в трехфазной системе (жидкость, газ, твердое вещество), включающий i) нижнюю часть реактора, в которую через впускное сопло (а) подается газ-реагент (А1); ii) секцию, содержащую ii₁) перфорированную пластину (2), соединенную с нижней частью реактора (1) с помощью фланцевого соединения, в отверстиях которой закреплены трубы (3) для передачи газа к распределителю (7); ii₂) цилиндрический кожух (4), прикрепленный к пластине (2) с помощью фланцевого соединения, который имеет одно или более впускных сопел (b) для подачи охлаждающей жидкости (В1) внутрь труб пучка труб (6); ii₃) перфорированную пластину (5), соединенную с кожухом (4) с помощью фланцевого соединения, в отверстиях которой закреплены трубы (3), расположенные в нижней части и передающие газ к распределителям, причем трубы пучка труб (6) и распределители (7) закреплены в верхней части; ii₄) цилиндрический кожух (8), соединенный с пластиной (5) с помощью фланцевого соединения, имеющий высоту, по существу равную высоте пучка труб (6), который в нижней части имеет одно или более впускных сопел (с), расположенных симметрично для подачи рециркулируемой суспензии (G1) (полученная жидкость и катализатор); ii₅) перфорированную пластину (9), имеющую по периметру группу пазов (11), расположенных симметрично для прохождения суспензии и непрореагировавших газов, соединенную с кожухом (8) с помощью фланцевого соединения, в отверстиях которой закреплены трубы пучка труб (6), расположенные в нижней части, и трубопроводы (10) для передачи непрореагировавших газов и суспензии, расположенные в верхней части; ii₆) двухстеночный цилиндрический кожух (12), прикрепленный к пластине (9) с помощью фланцевого соединения, имеющий на внутренней стенке одно или более пропускающих выпускных сопел (d) для отвода охлаждающей жидкости (В2), причем кольцеобразная камера (13) между двойной стенкой размещена в соответствии с группой расположенных по периметру пазов (11), которые имеются на пластине (9); ii₇) перфорированную пластину (14), по периметру которой выполнены пазы (15) для прохождения суспензии и непрореагировавших газов, расположенные симметрично кольцеобразной камере (13) и совпадающие с ней, соединенную с двухстеночным кожухом (12) с помощью фланцевого соединения, в отверстиях которой закреплены трубопроводы (10); iii) головку (16), прикрепленную к пластине (14) с помощью фланцевого соединения, содержащую выпускные сопла (е) для отвода полученной жидкости (G2) и выпускные сопла (f) для отвода непрореагировавших газов (А2), и дополнительно группу наклонных поперечных перегородок (17) для разделения частиц жидкости и/или твердого вещества. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что включает одну или более секций (ii₃), (ii₄) и (ii₅) теплообмена. 3. Реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что включает две секции теплообмена. 4. Реактор по п.3, отличающийся тем, что дополнительно включает к секциям (i), (ii₁) - (ii₅): двухстеночный цилиндрический кожух (12'), прикрепленный к пластине (9) с помощью фланцевого соединения, внутренний корпус которого разделен на два, по существу, равных объема с помощью перфорированной диафрагмы (13'), в которую проходят трубопроводы (10), имеющие длину, по существу, равную высоте цилиндрического кожуха (12'), которые транспортируют непрореагировавший газ и суспензию в кольцеобразную камеру (15'), причем нижний объем кожуха (12'), расположенный ниже диафрагмы (13'), соединен с наружной стороной с помощью одного или нескольких выпускных сопел (d'), через которые отводится охлаждающая жидкость (В2) из зоны реакции/теплообмена (8), а верхний объем кожуха (12'), расположенный выше диафрагмы (13'), соединен с наружной стороной реактора с помощью одного или нескольких впускных сопел (е'), через которые подается охлаждающая жидкость (В1') из зоны реакции/теплообмена выше кожуха (12'); перфорированную пластину (16'), имеющую расположенные по периметру пазы (18), которые симметричны кольцеобразной камере (15') и совпадают с ней, соединенную с двухстеночным кожухом (12') с помощью фланцевого соединения, в отверстиях которой закреплены трубы пучка труб (17') и распределители (7'), расположенные в верхней части; цилиндрический кожух (19), имеющий высоту, равную высоте пучка труб (17'), и следующие граничные узлы; перфорированную пластину (20), прикрепленную к кожуху (19) с помощью фланцевого соединения, имеющую симметричные расположенные по периметру пазы (21), в отверстиях которой в нижней части закреплены трубы пучка труб (17'), и трубопроводы (22) для прохождения непрореагировавшего газа и суспензии, расположенные в верхней части; двухстеночный цилиндрический кожух (23), прикрепленный к пластине (20) с помощью фланцевого соединения, в котором кольцеобразная секция (24) совпадает с расположенными по периметру пазами (21) пластины (20), причем внутренняя стенка цилиндрического кожуха (23) имеет одно или несколько пропускающих выпускных сопел (f') для отвода охлаждающей жидкости (В2'); перфорированную пластину (25), соединенную с двухстеночным кожухом с помощью фланцевого соединения, имеющую расположенные по периметру пазы (26), которые размещены симметрично кольцеобразной камере (24) и совпадают с ней, и в отверстиях которой закреплены трубопроводы (22); головку (16), прикрепленную к пластине (25) с помощью фланцевого соединения, содержащую выпускные сопла (е) для отвода суспензии (G2), и выпускные сопла (f) для отвода непрореагировавшего газа (А2), а также группу наклонных поперечных перегородок (17) для разделения частиц жидкости и/или твердого вещества.