КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОЛОЧНОЙ НАСАДКОЙ ДЛЯ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА Российский патент 2005 года по МПК B01J8/02 

Изобретение относится к области химического машиностроения, а конкретно к реакторам (колоннам) каталитического синтеза. Его рекомендуется использовать при создании вновь или модернизации действующих реакторов с вертикальной полочной насадкой для получения из синтез-газа различных углеводородов, спиртов, эфиров, аммиака и других веществ при давлениях до 35,0 МПа и температурах до 450°С. Область предпочтительного использования изобретения - реакторы с высоким тепловыделением и с высокими температурами синтеза. К ним можно отнести, например, реакторы:

- одноступенчатого синтеза диметилового эфира (ДМЭ) при давлениях от 5,0 до 12,0 МПа и температурах от 250 до 300°С;

- синтеза бензина из парогазовых смесей, содержащих ДМЭ, при давлениях от 3,0 до 10,0 МПа и температурах от 320 до 400°С.

Для указанной области параметров синтеза наиболее пригодны газофазные многополочные реакторы вертикального (колонны) и горизонтального типа с неподвижным катализатором. Катализатор загружается в виде насыпки зерен, гранул, таблеток на полки или в коробки. Реакционные газы (непрореагировавший синтез-газ вместе с газофазными продуктами синтеза) охлаждаются между полками в теплообменниках. В качестве первичного теплоносителя в этих теплообменниках может использоваться холодный синтез-газ, посторонний газ, но преимущественно вода (дистиллят) или высокотемпературные теплоносители. Первичный теплоноситель обычно циркулирует по замкнутому контуру, отдавая полученное тепло вторичному теплоносителю во внешних теплообменных устройствах (котлах - утилизаторах тепла и др.).

Типичное схемное решение конструкции вертикальной колонны синтеза со встроенными между полками водяными теплообменниками представлено, в частности, в кн.: Караев М.М. и др. Технология синтетического метанола, Москва, Химия, 1984, с.118.

Недостатками данного реактора являются существенно более низкие коэффициенты теплоотдачи от реакционных газов к стенке теплообменника, чем коэффициенты теплоотдачи от стенки теплообменника к теплоносителю, в силу чего возникают проблемы в регулировании режима теплообмена, в отработке и наладке и т.д.

Наиболее близким к предложенному каталитическому реактору является каталитический реактор с вертикальной полочной насадкой для теплонапряженных процессов химического синтеза, содержащий корпус высокого давления, опорную плиту, крышку, элементы обвязки, на колосниковые решетки полочной насадки которого насыпают твердый катализатор, а после каждой решетки по ходу реакционных газов располагают теплообменник, работающий на постороннем теплоносителе и размещенном внутри полочной насадки (SU 662134 А1, 15.05.1971).

К недостаткам данного реактора можно отнести низкие характеристики теплообмена, а также трудности, возникающие при сборке и демонтаже устройства.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, заключается в улучшении характеристик теплообмена, в обеспечении возможности его регулирования за счет наличия съемного штыря и изменения расхода постороннего теплоносителя, а также в упрощении операций сборки и демонтажа реактора.

Указанный технический результат достигается тем, что в каталитическом реакторе с вертикальной полочной насадкой для теплонапряженных процессов химического синтеза, содержащем корпус высокого давления, опорную плиту, крышку, элементы обвязки, на колосниковые решетки полочной насадки которого насыпают твердый катализатор, а после каждой решетки по ходу реакционных газов располагают теплообменник, работающий на постороннем теплоносителе и размещенном внутри полочной насадки, согласно изобретению полочная насадка выполнена из однотипных секций, герметично скрепленных друг с другом и включающих в себя опорную плиту, корпус, полку, состоящую из колосниковой решетки и стакана с крышкой, при этом в качестве теплообменника используют модульное теплообменное устройство, состоящее из трех оболочек - внешней, внутренней и разделительной, с зазором последовательно вставленных друг в друга и герметично скрепленных с опорной плитой секций, и крышки, с которой герметично скреплены внутренняя и внешняя оболочки, а во внутреннюю оболочку вставлен штырь, выполняющий роль элемента крепления полки и одновременно интенсификатора процесса теплообмена, при этом на боковой поверхности штыря выполнена искусственная макрошероховатость.

Предпочтительно, полочная насадка установлена на опорную плиту реактора, через которую осуществляют все подводы и отводы, кроме подвода основного расхода синтез-газа, выполненного в крышке реактора.

Указанный технический результат достигается также тем, что в каталитическом реакторе с вертикальной полочной насадкой для теплонапряженных процессов химического синтеза, содержащем корпус высокого давления, опорную плиту, крышку, элементы обвязки, на колосниковые решетки полочной насадки которого насыпают твердый катализатор, а после каждой решетки по ходу реакционных газов располагают несколько теплообменников, работающих на постороннем теплоносителе и размещенных внутри полочной насадки, согласно изобретению полочная насадка выполнена из однотипных секций, герметично скрепленных друг с другом и включающих в себя опорную плиту, корпус, полку, состоящую из колосниковой решетки и стакана с крышкой, при этом в качестве теплообменников используют однотипные модульные теплообменные устройства с индивидуальными элементами настройки, состоящие из внутренней и разделительной оболочек, с зазором последовательно вставленных друг в друга и герметично скрепленных с опорной плитой секций, во внутреннюю оболочку вставлен штырь, выполняющий роль элемента крепления полки и одновременно интенсификатора процесса теплообмена, а на боковой поверхности штыря выполнена искусственная макрошероховатость, при этом теплообменники имеют общую наружную оболочку и крышку.

Предпочтительно, полочная насадка установлена на опорную плиту реактора, через которую осуществляют все подводы и отводы, кроме подвода основного расхода синтез-газа, выполненного в крышке реактора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен главный вид реактора с одним МТУ в секции; на фиг.2 - главный вид типовой секции полочной насадки; на фиг.3 - выносной элемент А фрагмента типовой секции; на фиг.4 - выносной элемент Б фрагмента типовой секции; на фиг.5 - вариант секции реактора большой производительности с несколькими МТУ.

Каталитический реактор (фиг.1) состоит из корпуса высокого давления 1, герметично скрепленного с опорной плитой 2 и крышкой 3. Внутренний объем корпуса занят насадкой, состоящей из однотипных секций 4, последовательно и герметично пристыкованных друг к другу. Нижняя секция установлена на плите 2, для чего к плите приварена приставка-переходник 5. К верхней секции пристыкована крышка 6, на которой закреплен съемный стакан 7, с помощью которого осуществляют стыковку с крышкой 3.

В плите 2 выполнены сквозные отверстия, соосно с которыми к ней приварены штуцеры, трубопроводы, патрубки для подвода и отвода теплоносителя к каждой секции, подвода холодного синтез-газа, отвода продуктов синтеза, вывода различных кабелей и трубопроводов от датчиков системы управления и др.

В крышке 3 выполнено сквозное центральное отверстие, соосно с которым к ней приварены патрубок подвода синтез-газ и стыковочный стакан 8.

Последовательность сборки реактора следующая:

(1) к плите 2 через проставку-переходник 5 герметично пристыковывают нижнюю секцию с помощью фланцевого разъема;

(2) к нижней секции последовательно пристыковывают следующие секции, монтируют соответствующую обвязку, а именно трубопроводы подвода и отвода теплоносителя, кабели измерительных датчиков, сами датчики и т.п. (количество секций может достигать 10 шт. и более);

(3) к самой верхней секции пристыковывают крышку 6;

(4) на плиту 2 устанавливают корпус 1 и герметично с ней скрепляют;

(5) с помощью специального приспособления стакан 7 выставляют соосно с корпусом 1 и закрепляют на крышке 6;

(6) к корпусу 1 герметично пристыковывают крышку 3, при этом стакан 8 с гарантированным зазором входит внутрь стакана 7.

Герметизация разъемных соединений осуществляется с помощью уплотнений. Разборка проводится в обратном порядке. Для надежности эксплуатации все трубопроводы, расположенные внутри корпуса 1, монтируют с помощью сварки. При разборке применяют резку, а при повторной сборке используют монтажные втулки-переходники.

Каждая секция полочной насадки 4 состоит (см.фиг.2) из опорной плиты 9, к которой приварен корпус 10, МТУ, полки, катализаторной насыпки 11, перфорированной верхней крышки 12, элементов крепления полки. МТУ состоит из трех цилиндрических оболочек - внешней 13, внутренней 14, разделительной 15, вставленных с зазором друг в друга. Зазор может выдерживаться с помощью лапшин, проволоки, оребрения и т.п. Внутрь оболочки 14 вставлен штырь крепежный 16, входящий в сборку секции, а функционально и в МТУ, выполняющий роль заполнителя и турбулизатора газового потока и формирующий зону интенсивного теплообмена. Оболочки 13, 14 и 15 приварены к плите 9, кроме этого, к оболочкам 13 и 14 приварена крышка 17.

Полка состоит из колосниковой решетки 18, сетки 19, стакана 20 с донышком 21. Решетка 18 и донышко 21 приварены к стакану 20, а сетка 19 опирается на решетку 18 и прихвачена к ней точечной сваркой или пайкой. Корпус 10 имеет наружную теплоизоляцию 22, закрытую чехлом 23.

Элементами крепления полки являются штырь 16, гайка 24, контргайка 25, колпак 26, выполняющий роль газораспределительной решетки и компенсатора. Между перфорированной крышкой 12 и катализаторной насыпкой 11 установлена сетка 19. Крышка 12 и сетка 19 предотвращают высыпание катализатора (особенно мелкого) при транспортировке и монтаже секции. В отдельных случаях эти детали в конструкции можно не применять.

В плите 9 выполнены каналы подвода и отвода теплоносителя, совместно с деталями МТУ элементы плиты 9 образуют коллекторы сбора и раздачи теплоносителя. Соосно с каналами перепуска к плите через угольники приварены трубопроводы, необходимые для монтажа обвязки МТУ. Плита 9 используется также для монтажа различных датчиков системы контроля и управления реактором (термопар, датчиков давления и т.п.).

В процессе работы реактора основной расход синтез-газа поступает в него через патрубок в крышке 3.

Небольшая часть расхода синтез-газа (до 10%), предварительно охлажденного вне реактора до 50...100°С, поступает в реактор через штуцер в плите 2. Холодный синтез-газ заполняет зазор между насадкой и корпусом высокого давления 1, обеспечивая его охлаждение и наддув внутренней полости реактора до рабочего давления, в т.ч. и с целью разгрузки конструкции полки от большого перепада давления. В дальнейшем через зазор между стаканами 7 и 8 этот поток холодного синтез-газа подмешивается к основному расходу синтез-газа (горячего), который через отверстия в стакане 7, крышке 6 и колпаке 26 и поступает вместе с ним на вход в верхнюю секцию реактора. Синтез-газ последовательно проходит все секции от верхней до нижней и через патрубок в плите 2 продукты синтеза выводятся из реактора. Реакционные газы предыдущей секции являются синтез-газом последующей. Полочная насадка имеет более высокую температуру, чем корпус. Чтобы исключить возможность появления в элементах конструкции реактора больших термических напряжений, корпус и насадка скреплены между собой только с одного торца, через опорную плиту. Трубопроводы подвода и отвода теплоносителя каждой секции выполнены с компенсаторами. Таким образом, в процессе работы полочная насадка может свободно расширяться.

В пределах каждой секции газ последовательно проходит перфорированную крышку 12, сетку 19, катализаторную насыпку 11, в которой он нагревается в допустимых пределах (на 30...60°С). Реакционные газы через сетку 19 и колосниковую решетку 18 попадают в коллектор 27. Перед подачей реакционных газов в следующую секцию их необходимо охладить до той же исходной температуры или несколько более высокой. Охлаждение газа осуществляется в МТУ.

Из коллектора 27, через отверстия в оболочке 13, синтез-газ попадает в зазор между ней и стаканом 20 (см. фиг.3 и 4), проходит по нему вверх, разворачивается и по зазору между оболочкой 14 и штырем 16 возвращается вниз, попадая вначале в коллектор 28, а затем через отверстия в колпаке 26 на вход в следующую секцию. Теплоноситель по каналу подвода в плите 9 попадает в раздающий коллектор 29, а затем в зазор между внутренней оболочкой 14 и разделительной оболочкой 15. Теплоноситель проходит вверх по зазору, разворачивается под крышкой и по зазору между разделительной оболочкой 15 и внешней оболочкой 13 возвращается вниз в сборный коллектор 30. Из коллектора 30 теплоноситель по каналу отвода в плите 9 выводится из секции. Процесс теплообмена происходит в основном при движении реакционных газов в зазоре между штырем 16 и оболочкой 14, а теплоносителя - в зазоре между оболочками 14 и 15. Основной тепловой поток проходит через стенку оболочки 14 на участке В. Тепловой поток через стенку оболочки 13 существенно меньше из-за большей ее толщины и существенно меньших скоростей реакционных газов и теплоносителя, омывающих ее.

Реализованный в теплообменнике принцип движения теплоносителя и реакционных газов, т.н. противоток, весьма эффективен. Он обеспечивает примерное постоянство теплового потока по длине внутренней оболочки за счет незначительного изменения разности температур реакционных газов и теплоносителя.

В случае необходимости возможна реализация и другой схемы движения - прямотока. При этом нужно поменять местами вход и выход теплоносителя. Как уже отмечалось, штырь 16 одновременно является элементом крепления катализаторной полки и турбулизатором газового потока. Он позволяет существенно повысить эффективность теплообмена за счет повышения коэффициента теплоотдачи α_г, который зависит от скорости потока и искусственной макрошероховатости штыря - турбулизатора. Следует отметить, что оба эти параметра влияют на потери давления по тракту, их рост не беспределен. На участке В (см. фиг.2) образован необходимый зазор между штырем 16 и оболочкой 14, в котором, за счет материала штыря, выполнены элементы макрошероховатости, турбулизирующие поток. Такими элементами могут быть;

(1) винтовые выступы однозаходной или многозаходной резьбы, наружный диаметр которой меньше внутреннего диаметра оболочки 14;

(2) фрагменты, получаемые при последовательном выполнении на штыре 16 левой и правой резьб, т.н. «иглы», при этом остальные параметры резьбы одинаковые, а их наружный диаметр меньше внутреннего диаметра оболочки 14;

(3) продольные ребра, высота которых не превышает зазора между штырем 16 и оболочкой 14;

(4) кольцевые выступы, высота которых не превышает половины зазора между штырем 16 и оболочкой 14;

(5) комбинация решений по п.п. (3) и (4) и т.п.

Максимальную скорость потока газа рекомендуется ограничивать величиной 50 м/с.

Возможно применение турбулизирующих элементов и на наружной поверхностях оболочки 14, особенно в случае использования газообразного теплоносителя.

Отличительной особенностью предлагаемого реактора является применение эффективного, компактного теплообменника модульного типа, который помещают внутри стакана катализаторной полки, исключая его контакт с катализатором. Данное техническое решение позволяет, по сравнению с прототипом, сократить высоту реактора. Синтез-газ последовательно проходит насыпку и МТУ. Турбулизация потока газа, при разумном росте перепада давления, повышает α_г, приближая его к α_т. Это обстоятельство позволяет, кроме повышения интенсивности теплообмена, расширить диапазон регулирования по температуре газа. Регулирование проводится, как правило, изменением расхода теплоносителя. Тепловыделение в каждой из секций реактора различно. Обычно, верхние секции работают с большим выделением тепла в катализаторной насыпке, чем нижние. Для оптимизации теплообмена в нижних секциях возможна установка штыря 16 с меньшим размером В (см.фиг.2), определяющим эффективную площадь теплообмена.

При перепрофилировании реактора на другой тип синтеза, имеющим другие режимные параметры, возможно использование штыря 16 с другими турбулизирующими элементами или размером В.

Для обеспечения надежности эксплуатации предложенной конструкции реактора давление в контуре жидкофазного теплоносителя (воды) рекомендуется на всех режимах работы задавать и обеспечивать автоматикой несколько ниже давления синтез-газа.

МТУ может быть отработан на опытно-промышленной установке. При переходе к коммерческим реакторам больших размеров и мощности количество МТУ, необходимое для обеспечения заданного теплосъема, может быть увеличено до нужного по результатам проектных расчетов. Оно может достигать нескольких десятков, но оптимальное их количество - от 3 до 37.

Использование МТУ уменьшает объем доводки и пуско-наладки новых реакторов. Вариант секции реактора с несколькими МТУ представлен на фиг.5. Здесь полочная насадка также выполнена из однотипных секций, герметично скрепленных друг с другом и включающих в себя опорную плиту, корпус, полку, состоящую из колосниковой решетки и стакана с крышкой. В качестве теплообменников используют несколько однотипных модульных теплообменных устройств с индивидуальными элементами настройки, состоящие из внутренней и разделительной оболочек, с зазором последовательно вставленных друг в друга и герметично скрепленных с опорной плитой секций. Во внутреннюю оболочку каждого МТУ вставлен штырь, выполняющий роль элемента крепления полки и одновременно интенсификатора процесса теплообмена. На боковой поверхности штыря выполнена искусственная макрошероховатость. При этом несколько однотипных, отработанных МТУ имеют общую наружную оболочку 31 и крышку 32.

Предложенное устройство относится к химической промышленности и применяется для теплонапряженных процессов химического синтеза. Реактор содержит корпус высокого давления, опорную плиту, крышку, элементы обвязки, на колосниковые решетки полочной насадки которого насыпают твердый катализатор, а после каждой решетки по ходу реакционных газов располагают теплообменник, работающий на постороннем теплоносителе и размещенном внутри полочной насадки. Согласно первому варианту в качестве теплообменника используют модульное теплообменное устройство, состоящее из трех оболочек - внешней, внутренней и разделительной, с зазором последовательно вставленных друг в друга и герметично скрепленных с опорной плитой секций, и крышки. Внутренняя и внешняя оболочки герметично скреплены с крышкой. Во внутреннюю оболочку вставлен штырь, выполняющий роль элемента крепления полки и одновременно интенсификатора процесса теплообмена, при этом на боковой поверхности штыря выполнена искусственная макрошероховатость. Согласно второму варианту в качестве теплообменников используют несколько однотипных модульных теплообменных устройств с индивидуальными элементами настройки. Данное техническое решение позволяет улучшать характеристики теплообмена. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Каталитический реактор с вертикальной полочной насадкой для теплонапряженных процессов химического синтеза, содержащий корпус высокого давления, опорную плиту, крышку, элементы обвязки, на колосниковые решетки полочной насадки которого насыпают твердый катализатор, а после каждой решетки по ходу реакционных газов располагают теплообменник, работающий на постороннем теплоносителе и размещенный внутри полочной насадки, отличающийся тем, что полочная насадка выполнена из однотипных секций, герметично скрепленных друг с другом и включающих в себя опорную плиту, корпус, полку, состоящую из колосниковой решетки и стакана с крышкой, при этом в качестве теплообменника используют модульное теплообменное устройство, состоящее из трех оболочек - внешней, внутренней и разделительной, с зазором последовательно вставленных друг в друга и герметично скрепленных с опорной плитой секции, и крышки, с которой герметично скреплены внутренняя и внешняя оболочки, а во внутреннюю оболочку вставлен штырь, выполняющий роль элемента крепления полки и одновременно интенсификатора процесса теплообмена, при этом на боковой поверхности штыря выполнена искусственная макрошероховатость.2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что полочная насадка установлена на опорную плиту реактора, через которую осуществляют все подводы и отводы, кроме подвода основного расхода синтез-газа, выполненного в крышке реактора.3. Каталитический реактор с вертикальной полочной насадкой для теплонапряженных процессов химического синтеза, содержащий корпус высокого давления, опорную плиту, крышку, элементы обвязки, на колосниковые решетки полочной насадки которого насыпают твердый катализатор, а после каждой решетки по ходу реакционных газов располагают несколько теплообменников, работающих на постороннем теплоносителе и размещенных внутри полочной насадки, отличающийся тем, что полочная насадка выполнена из однотипных секций, герметично скрепленных друг с другом и включающих в себя опорную плиту, корпус, полку, состоящую из колосниковой решетки и стакана с крышкой, при этом в качестве теплообменников используют однотипные модульные теплообменные устройства с индивидуальными элементами настройки, состоящие из внутренней и разделительной оболочек, с зазором последовательно вставленных друг в друга и герметично скрепленных с опорной плитой секции, во внутреннюю оболочку вставлен штырь, выполняющий роль элемента крепления полки и одновременно интенсификатора процесса теплообмена, а на боковой поверхности штыря выполнена искусственная макрошероховатость, при этом теплообменники имеют общую наружную оболочку и крышку.4. Реактор по п.3, отличающийся тем, что полочная насадка установлена на опорную плиту реактора, через которую осуществляют все подводы и отводы, кроме подвода основного расхода синтез-газа, выполненного в крышке реактора.