РЕАКТОР Российский патент 2005 года по МПК B01J8/04 B01J19/24 

Изобретение относится к конструкциям шахтных каталитических реакторов, применяемых в химической и смежных отраслях промышленности.

Известен реактор для проведения экзотермических каталитических реакций, содержащий слой катализатора с расположенными по его высоте в двух горизонтальных плоскостях смесительными тарелками, представляющими собой набор полых радиально расположенных газопроницаемых кассет, каждая из которых имеет перфорированную газораспределительную трубу с непроницаемым торцом, присоединенную к групповому коллектору для ввода дополнительных количеств реакционной смеси, а также встроенное технологическое оборудование (авт. св. ЧССР №150463, D 01 J 9/04, 3. 23.04.69 г., oп. 15.09.73 г.).

Недостатками известного реактора являются большой разброс температур в поперечных сечениях слоя катализатора из-за неравномерного смешения основного потока горячей и дополнительного потока холодной реакционной смеси, что обусловлено неравномерным истечением холодной реакционной смеси по длине газораспределительных труб, и большой объем, занимаемый полыми газопроницаемыми кассетами и встроенным технологическим оборудованием.

Наиболее близким по технической сути является каталитический конвертер, содержащий слой катализатора с расположенными по его высоте в одной или нескольких горизонтальных плоскостях группами параллельных полых газопроницаемых камер, каждая из которых имеет перфорированную газораспределительную трубу с непроницаемым торцом, присоединенную вне конвертера к групповому коллектору для ввода дополнительных количеств реакционной смеси (Патент Англии №1105614, В 01 J 9/04, 3. 22.04.64 г., оп. 06.03.68 г., прототип).

Недостатками известного конвертера являются большой разброс температур в поперечных сечениях слоя катализатора из-за неравномерного смешения основного потока горячей и дополнительного потока холодной реакционной смеси, что обусловлено неравномерным истечением холодной реакционной смеси по длине газораспределительных труб, и большой объем, занимаемый полыми газопроницаемыми камерами.

Кроме того, расположение группового коллектора вне конвертера сопряжено с большим количеством входных штуцеров, что нетехнологично и снижает прочностные характеристики последнего.

В основу изобретения поставлена задача создания такого реактора, в котором за счет новой группировки и нового расположения газораспределительных труб повышается равномерность и полнота смешения основного потока горячей и дополнительного потока холодной реакционной смеси, что обеспечивает меньший разброс температур в поперечных сечениях слоя катализатора по сравнению с прототипом.

Поставленная задача решается тем, что в реакторе, содержащем корпус, узлы ввода и вывода реакционной смеси и продуктов реакции, загрузки и выгрузки катализатора, слой катализатора с расположенными по его высоте в одной или нескольких горизонтальных плоскостях группами параллельных полых газопроницаемых камер, каждая из которых имеет перфорированную газораспределительную трубу с непроницаемым торцом, присоединенную к групповому коллектору для ввода дополнительных количеств реакционной смеси, согласно изобретению каждая из полых газопроницаемых камер снабжена второй перфорированной газораспределительной трубой с непроницаемым торцом, причем непроницаемые торцы труб расположены с противоположных сторон.

Газораспределительные трубы в каждой газопроницаемой камере расположены одна над другой.

Отверстия на верхней и нижней газораспределительных трубах расположены соответственно на их нижней и верхней половинах под углом 45°.

На соседних газораспределительных трубах отверстия выполнены с горизонтальным смещением друг относительно друга.

Кроме того, каждый групповой коллектор выполнен в виде кольца, или кольца и полукольца, или двух полуколец, расположенных горизонтально по периферии поперечного сечения реактора.

Отличительной особенностью предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом является попарная группировка перфорированных газораспределительных труб и расположение их непроницаемых торцов с противоположных сторон, что автоматически приводит к равномерному распределению дополнительного потока холодной реакционной смеси по длине газопроницаемых камер, так как на неравномерность истечения смеси из одной трубы накладывается противоположная неравномерность ее истечения из другой, а минимальное расстояние между параллельными газопроницаемыми камерами, которое определяется из условия свободного просыпания совокупности катализаторных зерен определенного размера, обеспечивает повышение равномерности и полноты смешения дополнительного потока холодной и основного потока горячей реакционной смеси, что сводит к минимуму разброс температур в поперечных сечениях слоя катализатора.

Расположение газораспределительных труб одна над другой при их попарной группировке обеспечивает минимальное загромождение поперечного сечения слоя катализатора, то есть создает минимальное гидравлическое сопротивление основному потоку реакционной смеси при прочих равных условиях.

Расположение отверстий на верхней и нижней газораспределительных трубах - соответственно на их нижней и верхней половинах под углом 45° обусловливает наличие у истекающих струй равновеликих разнонаправленных горизонтальной и вертикальной составляющих скорости, что позволяет охватить процессом смешения все околотрубное пространство.

Выполнение отверстий на соседних газораспределительных трубах с горизонтальным смещением друг относительно друга рассредоточивает истекающие струи, что способствует их более равномерному и полному смешению с основным потоком реакционной смеси.

Каждый групповой коллектор целесообразно выполнять в виде кольца, или кольца и полукольца, или двух полуколец, расположенных горизонтально по периферии поперечного сечения реактора, что позволяет просто решать вопрос “питания” труб трубных пар с противоположных сторон.

На фигуре 1 схематично изображен реактор, продольный разрез; на фигуре 2 - разрез А-А на фигуре 1; на фигуре 3 - разрез Б-Б на фигуре 1; на фигуре 4 - разрез В-В на фигурах 2 и 3.

Реактор состоит из корпуса 1, узлов ввода 2 и вывода 3 реакционной смеси, узлов загрузки 4 и выгрузки 5 катализатора, слоя катализатора 6 с расположенными по его высоте в одной или нескольких горизонтальных плоскостях группами параллельных полых газопроницаемых камер 7, каждая из которых содержит две перфорированные газораспределительные трубы 8 и 9 с противоположным расположением непроницаемых торцов 10 и 11, причем труба 8 расположена над трубой 9, а отверстия 12 и 13 выполнены соответственно на их нижней и верхней половинах под углом 45° со смещением по горизонтали как между ними, так и отверстиями других соседних труб, подсоединенных к групповому коллектору 14 с узлом ввода 15 дополнительных количеств реакционной смеси.

Реактор работает следующим образом.

Основной поток реакционной смеси подают в реактор через узел 2 ввода на слой катализатора 6, в котором осуществляется, например, экзотермическая реакция. Для управления температурой процесса в одной или нескольких горизонтальных плоскостях по его высоте через узел 15 вводят дополнительное количество реакционной смеси, которая посредством группового коллектора 14 раздается с противоположных сторон по перфорированным газораспределительным трубам 8 и 9 и истекает через отверстия 12 и 13 в газопроницаемую камеру 7, где неравномерность истечения вдоль одной трубы автоматически компенсируется противоположной неравномерностью истечения вдоль другой и, таким образом, равномерно распределенный по длине газопроницаемых камер дополнительный поток холодной реакционной смеси слева и справа пронизывает межкамерное катализаторное пространство минимально возможной ширины, а значит и нисходящий основной поток горячей реакционной смеси.

Итогом такого взаимодействия является наиболее равномерное смешение горячего и холодного потоков с установлением температуры, близкой к балансовой по всему поперечному сечению слоя катализатора.

Описанный процесс газораспределения и смешения, повторяясь при необходимости по высоте слоя катализатора несколько раз, обеспечивает проведение той или иной целевой реакции в оптимальном диапазоне температур.

Эффективность нового технического решения подтверждена в ходе экспериментальной оценки газораспределения и смешения разнотемпературных потоков на прямоугольном стенде со сторонами 800х400 мм, через который хвостовым вентилятором просасывают воздух из окружающей среды в количестве 480 м³/час и температурой 20°С, а в расположенную горизонтально и по центру продольную газопроницаемую камеру длиной 800 мм и максимальной шириной 300 мм через одну (по прототипу) и две перфорированные газораспределительные трубы с противоположным расположением непроницаемых торцов (по изобретению) нагнетают воздух в количестве 60 м³/час и температурой 40°С. В первом случае замеры температур под газопроницаемой камерой фиксируют продольный градиент температур в 2,5°С/м, а во втором хаотический разброс температур не превысил 0,5°С.

Таким образом, предлагаемый реактор минимизирует разброс температур в поперечных сечениях и, как следствие, повышает выход целевого продукта при прочих равных условиях.

Использование реактора рекомендуется, в первую очередь, при создании новых и реконструкции действующих производств метанола, в частности, таких как М-100, М-300 и М-750.

Реактор относится к химической промышленности и может быть использован для каталитических процессов. Содержит корпус, узлы ввода и вывода реакционной смеси и продуктов реакции, загрузки и выгрузки катализатора, слой катализатора с расположенными по его высоте в одной или нескольких горизонтальных плоскостях группами параллельных полых газопроницаемых камер, каждая из которых имеет перфорированную газораспределительную трубу с непроницаемым торцом, присоединенную к групповому коллектору для ввода дополнительных количеств реакционной смеси. Каждая из полых газопроницаемых камер снабжена второй перфорированной газораспределительной трубой с непроницаемым торцом, причем непроницаемые торцы труб расположены с противоположных сторон. Данное техническое решение обеспечивает равномерность и полноту смешения реакционных смесей. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Реактор, содержащий корпус, узлы ввода и вывода реакционной смеси и продуктов реакции, загрузки и выгрузки катализатора, слой катализатора с расположенными по его высоте в одной или нескольких горизонтальных плоскостях группами параллельных полых газопроницаемых камер, каждая из которых имеет перфорированную газораспределительную трубу с непроницаемым торцом, присоединенную к групповому коллектору для ввода дополнительных количеств реакционной смеси, отличающийся тем, что каждая из полых газопроницаемых камер снабжена второй перфорированной газораспределительной трубой с непроницаемым торцом, причем непроницаемые торцы труб расположены с противоположных сторон.2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что газораспределительные трубы в каждой газопроницаемой камере расположены одна над другой.3. Реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстия на верхней и нижней газораспределительных трубах расположены соответственно на их нижней и верхней половинах под углом 45°.4. Реактор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что на соседних газораспределительных трубах отверстия выполнены с горизонтальным смещением друг относительно друга.5. Реактор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что каждый групповой коллектор выполнен в виде кольца или кольца и полукольца, или двух полуколец, расположенных горизонтально по периферии поперечного сечения реактора.