СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ВЫСОКОЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ В ПСЕВДОИЗОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ Российский патент 2008 года по МПК B01J19/00 B01J8/02 F28D9/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу проведения экзотермических химических реакций в псевдоизотермических условиях. В последующей части описания и в формуле изобретения под псевдоизотермическими условиями подразумеваются условия, при которых температуру реакции поддерживают в узком диапазоне с небольшими отклонениями от заданной оптимальной величины. Изобретение относится, в частности, к способу проведения в псевдоизотермических условиях высокоэкзотермических каталитических реакций типа окислительных реакций, например реакции окисления аммиака с получением азотной кислоты и реакции окисления метанола с получением формальдегида. Настоящее изобретение относится также к химическому аппарату, предназначенному для осуществления указанного выше способа.

Уровень техники

Хорошо известно, что при проведении высокоэкзотермических окислительных реакций во избежание возникновения в реакторе опасных для работы условий необходимо постоянно контролировать и регулировать один или несколько рабочих параметров протекающего в реакторе процесса, таких как температура реакции и концентрация по меньшей мере одного из участвующих в реакции реагентов. Так, например, при получении формальдегида путем окисления метанола при высокой концентрации реагентов и высокой экзотермичности реакции в реакторе быстро возникают взрывоопасные условия, требующие точного контроля и поддержания концентрации реагентов и температуры реакции на уровне, меньшем определенных предельно допустимых значений. Кроме того, когда температура реакции и концентрация реагентов становятся выше этих предельно допустимых значений, в реакторе может произойти "отравление" и потеря каталитической активности катализатора и неизбежное снижение выхода реакции. Такое явление характерно, в частности, для реакции окисления аммиака с получением азотной кислоты, когда при заданной температуре и концентрации реагентов больше определенной пороговой величины катализатор на основе Со₃O₄ в результате быстрого восстановления превращается в СоО, который обладает меньшей в сравнении с Со₃O₄ каталитической активностью.

Для контроля температуры и концентрации реагентов при проведении подобных реакций было предложено использовать реакторы с псевдоожиженным слоем. Такие реакторы, однако, обладают многими весьма существенными недостатками, связанными, в частности, с очень высоким потреблением энергии, необходимой для подачи в реактор большого количества воздуха и поддержания концентрации аммиака ниже порога взрываемости, с более сложной конструкцией, чем у реакторов с неподвижным слоем катализатора, и с проблемами пылеулавливания.

Кроме того, движение катализатора в реакторах с псевдоожиженным слоем ускоряет процесс коррозии стенок реактора.

Краткое изложение сущности изобретения

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ проведения высокоэкзотермических окислительных реакций в псевдоизотермических условиях между реагентами, непрерывно подаваемыми в потоке в слой катализатора, который не имел бы указанных выше недостатков, присущих известным способам, или, иными словами, обеспечивал бы возможность работы в условиях, исключающих возможность возникновения взрыва в смеси реагентов и в смеси реагентов с продуктами реакции, и позволял бы увеличить срок службы катализатора.

Указанная выше задача решается согласно изобретению с помощью предлагаемого в нем способа, отличающегося тем, что по меньшей мере часть непрерывного потока реагентов подают в реактор с разной, заданной температурой и с разным расходом в разные, соответствующие разным стадиям реакции точки слоя катализатора, в которых реагенты имеют низкую концентрацию.

В не ограничивающем объем изобретения случае использования псевдоизотермического реактора с вертикальной осью и проходящими через катализатор в осевом направлении реагентами разные стадии реакции протекают в разных по высоте участках слоя катализатора, в которые с заданным расходом и заданной температурой подают реагенты.

Более подробно отличительные особенности и преимущества предлагаемого в настоящем изобретении способа рассмотрены ниже на примере одного из вариантов его возможного осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию иллюстрирующие, но не ограничивающие объем изобретения чертежи.

Краткое описание чертежей

На прилагаемых к описанию чертежах показано:

на фиг.1 - схема химического реактора, предназначенного для осуществления предлагаемого в изобретении способа, и

на фиг.2 - схема в увеличенном масштабе одного из элементов реактора, показанного на фиг.1.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

На фиг.1 схематично показан обозначенный позицией 1 химический реактор с вертикальной осью, предназначенный для проведения высокоэкзотермических реакций, например, окислительных реакций типа реакции окисления аммиака с получением азотной кислоты.

Реактор 1 имеет цилиндрический корпус 2, закрытый с противоположных концов нижним и верхним днищами 3 и 4. На верхнем днище 4 расположен люк 5, а в нижнем днище 3 выполнено отверстие 6 для выгрузки из реактора продуктов реакции.

Корпус 2 образует расположенную между нижней и верхней плоскостями 8 и 9 зону 7 реакции, в которой находится слой (L) катализатора, через который в осевом направлении проходят газообразные реагенты и продукты реакции.

Несущие слой (L) катализатора элементы хорошо известны и поэтому не показаны на чертеже и не требуют подробного описания.

В слое (L) катализатора расположено несколько соответствующим образом закрепленных в реакторе теплообменников 10 и распределителей 12 реагентов, при этом теплообменники 10 имеют плоскую прямоугольную форму и расположены предпочтительно концентрично в нескольких радиальных плоскостях вокруг оси корпуса с параллельными оси длинными сторонами 11.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения каждый теплообменник 10 неподвижно соединен с двумя распределителями 12 реагентов и служит для них, как подробнее описано ниже, соответствующей опорой.

Так, в частности, как показано на фиг.2, каждый теплообменник 10 имеет две прилегающие друг к другу своими краями стенки 27 и 28, которые соединены между собой по периметру, например, сваркой и образуют первую, расположенную между ними камеру 18.

Рядом с боковой стороной 11 теплообменника 10 выполнен сварной шов 25 с параллельным и перпендикулярным боковой стороне 11 теплообменника участками 32 и 33, которые образуют внутри теплообменника между сторонами 27 и 28 вторую камеру 19, герметично отделенную от первой камеры 18.

Камера 18 имеет входной патрубок 29 и выходной патрубок 31, а камера 19 имеет только один входной патрубок 34.

На стенке 27 теплообменника 10 закреплены две пластины 20 и 22 коробчатой формы, которые проходят перпендикулярно боковой стороне 11 теплообменника по всей его ширине.

Пластины 20 и 22 вместе со стенкой 27 образуют каналы 21 и 23, которые с одной стороны через выполненные в стенке 27 отверстия 36 и 37 соединены со второй камерой 18, а с другой стороны выходят из теплообменника 10 наружу в слой (L) катализатора через выполненные в пластинах отверстия 26.

Отверстия 26 в пластинах (20, 22) предпочтительно должны быть расположены на одной линии в направлении продольной оси пластины.

Закрепленные на теплообменниках 10 пластины 20 и 22 коробчатой формы образуют распределители 12 жидкости, которая попадает в них из камеры 18.

Теплообменники 10 вместе с соответствующими распределителями 12 образуют предлагаемое в настоящем изобретении устройство, позволяющее регулировать температуру и концентрацию реагентов в слое (L) катализатора, о чем подробнее сказано ниже.

Реактор 1 имеет также трубопроводы 13 и 14 для подачи соответствующих реагентов, соединенные с камерами 18 и 19 каждого теплообменника 10 трубами 15 и 16 и соответствующими патрубками 30 и 35, и коллекторы 17 для продуктов реакции, которые соединены с одной стороны с выходными патрубками 31 теплообменников, а с другой стороны - с расположенным на оси реактора центральным каналом 24.

Ниже рассмотрен предлагаемый в изобретении способ проведения в описанном выше реакторе высокоэкзотермических химических реакций в псевдоизотермических условиях с одновременным регулированием и поддержанием температуры реакции и концентрации реагентов в определенных пределах с небольшими отклонениями от заданных значений.

Непрерывно подаваемый в реактор 1 поток реагентов, например аммиака и кислорода, из которых в реакторе получают азотную кислоту, разделяют на входе в реактор на две части.

Первую или основную часть потока реагентов предварительно нагревают до температуры, при которой в результате теплообмена со слоем (L) катализатора начинается необходимая реакция (окисление аммиака), для чего, в частности, основную часть потока реагентов через распределитель 12 и трубы 15 и патрубки 30 подают в камеры 18 всех теплообменников 10.

Выходящие из теплообменников 10 предварительно нагретые реагенты собираются в коллекторе 20 и проходят к нижнему концу центрального канала 24. Выходящие из верхнего конца центрального канала 24 предварительно нагретые реагенты распределяются и проходят через слой (L) катализатора, в котором при этом начинается необходимая высокоэкзотермическая окислительная реакция.

Вторую часть потока реагентов, которой регулируют температуру реакции и концентрацию реагентов, разделяют между всеми камерами 18 теплообменников 10, из которых этот поток реагентов попадает в соответствующие пары распределителей 19, 20.

Как уже было сказано выше, распределители 19, 20 расположены в массе слоя (L) катализатора на разных по высоте уровнях в соответствии с разными стадиями протекающей в слое катализатора реакции и позволяют регулировать концентрацию и температуру реагентов на соответствующих стадиях реакции.

В настоящем изобретении такое регулирование концентрации реагентов и температуры реакции осуществляется регулированием расхода второй части реагентов обычными и хорошо известными способами и подачей свежих реагентов в определенные точки слоя катализатора.

Продукты реакции отбирают из реактора 1 через отверстие 6.

Настоящее изобретение не ограничено описанным выше вариантом его осуществления и не исключает возможности внесения в него различных изменений и усовершенствований в объеме формулы изобретения.

Изобретение предназначено для проведения экзотермических химических реакций в псевдоизотермических условиях. Для их проведения часть непрерывного потока реагентов подводят в каталитическую массу слоя катализатора с разными заданными температурой и расходом и в разные точки этой каталитической массы, соответствующие разным последовательным стадиям протекающей в слое катализатора реакции. Аппарат для осуществления способа содержит несколько теплообменников. При этом каждый теплообменник связан, по меньшей мере, с одним распределителем непрерывного потока реагентов, подаваемых в слой катализатора при определенной температуре с определенным расходом. Изобретение позволяет предотвратить возможность возникновения взрыва в смеси реагентов и позволяет увеличить срок службы катализатора. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ проведения высокоэкзотермических окислительных реакций в псевдоизотермических условиях между реагентами, непрерывно подаваемыми в потоке в слой катализатора, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть непрерывного потока реагентов подводят в каталитическую массу слоя катализатора с разными заданными температурой и расходом и в разные точки этой каталитической массы, соответствующие разным последовательным стадиям протекающей в слое катализатора реакции.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реагенты подают в слой катализатора через распределители, расположенные в разных точках, непосредственно соответствующих разным стадиям реакции окисления, непрерывный поток реагентов разделяют на первую часть или основной поток, и вторую часть или регулирующий поток с определенной температурой и расходом, первую часть или основной поток реагентов предварительно нагревают путем теплообмена со слоем катализатора, направляя его через несколько теплообменников, погруженных и закрепленных в слое катализатора, непрерывно подают основной поток предварительно нагретых реагентов в слой катализатора, а вторую часть потока или регулирующий поток подают в распределители и инжектируют из них потоки реагентов при определенной температуре и с определенным расходом в слой катализатора.3. Аппарат для проведения высокоэкзотермических окислительных реакций в псевдоизотермических условиях способом по п.1 или 2, содержащий несколько теплообменников, отличающийся тем, что каждый теплообменник связан, по меньшей мере, с одним распределителем непрерывного потока реагентов, подаваемых в слой катализатора при определенной температуре с определенным расходом.4. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один распределитель неподвижно закреплен на соответствующем теплообменнике.5. Аппарат по п.4, отличающийся тем, что теплообменник имеет плоскую, по существу, прямоугольную форму с первой внутренней камерой, через которую проходит поток предварительно нагреваемых реагентов, и второй внутренней камерой, которая герметично отделена от первой внутренней камеры и сообщается, по меньшей мере, с одним распределителем.6. Аппарат по п.5, отличающийся тем, что распределитель выполнен в виде закрепленной на стенке соответствующего плоского теплообменника пластины коробчатой формы, которая вместе со стенкой образует канал, с одной стороны сообщающийся со второй внутренней камерой теплообменника, а с другой стороны через множество выполненных в пластине отверстий выходит из теплообменника наружу.