Настоящее изобретение, в общем, имеет отношение к созданию нового реакторного устройства, полезного для проведения химических реакций. Более конкретно настоящее изобретение имеет отношение к созданию нового реакторного устройства, которое может быть использовано для проведения химических реакций в псевдоожиженном слое катализатора. Кроме того, настоящее изобретение имеет отношение к созданию нового реакторного устройства, которое может быть использовано для проведения химических реакций в псевдоожиженном слое катализатора при высоких температурах и в газовой фазе, с пониженным выгоранием или другими нежелательными побочными реакциями продуктов и остаточных реагентов, которые имеют место ниже по течению.
Предпосылки к созданию изобретения
Акрилонитрил представляет собой важный химический продукт, который используют главным образом в качестве мономера для приготовления самых различных полимерных материалов, таких как полимеры для производства акриловых волокон, используемых, например, в текстильной промышленности, и для производства полимеров, таких как сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола и сополимер стирола и акрилонитрила. Производство акрилонитрила в мире превышает 4 млн метрических тонн в год. Одним из способов приготовления акрилонитрила является окисление пропилена в присутствии аммиака, с использованием воздуха или другого источника молекулярного кислорода в качестве окислителя. В таких реакциях окисления, называемых также реакциями аммоксидирования, обычно используют твердый порошковый гетерогенный катализатор, находящийся в псевдоожиженном слое катализатора, чтобы катализировать реакцию аммоксидирования и получить желательный акрилонитрил с приемлемым преобразованием и выходом. Кроме получения акрилонитрила, такие реакции аммоксидирования обычно также позволяют получать цианид водорода и другие ценные побочные продукты.
Несмотря на то что пропилен представляет собой желательный исходный материал для проведения таких реакций аммоксидирования, позволяющих получать акрилонитрил, было бы желательно использовать менее дорогой исходный материал, такой как пропан. Уже разработаны гетерогенные материалы катализатора, которые могут быть использованы для конверсии пропана в акрилонитрил, с использованием реактора с псевдоожиженным слоем и газообразного кислорода, например, в качестве окислителя. Однако в таких реакциях, в которых пропан смешивают с аммиаком и воздухом, газообразным кислородом или другим источником молекулярного кислорода, и проводят реакцию при повышенной температуре в присутствии псевдоожиженного слоя порошкового катализатора, горячие газообразные продукты продолжают окисляться после того, как газообразные продукты выходят из слоя катализатора. Такое неконтролируемое окисление ниже по течению от псевдоожиженного слоя катализатора, известное также как выгорание, приводит к потере ценного питающего материала, такого как пропан, который в противном случае мог бы быть использован повторно, а также к потере ценных продуктов, таких как акрилонитрил. Таким образом, было бы желательно иметь реакторное устройство и способ, которые могли бы быть использованы для снижения степени такого неконтролируемого окисления или других нежелательных побочных реакций, а также для снижения потери продуктов и исходных материалов. В соответствии с настоящим изобретением предлагается такое реакторное устройство и такой способ.
Краткое изложение изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается реакторное устройство, содержащее реакционный сосуд, содержащий первую зону, по меньшей мере, одну вторую зону и устройство для отделения катализатора, причем первая зона содержит по меньшей мере один впуск для реагента, а вторая зона содержит газовый холодильник, расположенный по меньшей мере частично внутри реакционного сосуда, подходящий для охлаждения газов, проходящих через газовый холодильник. Реакторное устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть использовано, например, для аммоксидирования пропана в акрилонитрил.
Настоящее изобретение также имеет отношение к созданию способа проведения реакции в реакционном сосуде по меньшей мере одного компонента фазы газообразного реагента в присутствии твердого, каталитического материала, чтобы образовать по меньшей мере один компонент фазы газообразного продукта, причем способ предусматривает введение в контакт по меньшей мере одного компонента фазы газообразного реагента в присутствии материала порошкового катализатора в условиях, которые позволяют образовать псевдоожиженный слой порошкового катализатора и по меньшей мере один компонент фазы газообразного продукта, направление смеси, содержащей по меньшей мере часть компонента фазы газообразного продукта и порошкового катализатора, из псевдоожиженного слоя катализатора, взвешенного в нем, в холодильник, расположенный по меньшей мере частично внутри реакционного сосуда, охлаждение смеси, выделение взвешенного катализатора из смеси после охлаждения, чтобы образовать отделенный катализатор и газовую фазу, содержащую по меньшей мере один компонент продукта газовой фазы, и возврат по меньшей мере части отделенного катализатора в псевдоожиженный слой катализатора.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано поперечное сечение предпочтительного реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показан вид сверху предпочтительной решетки, предназначенной для использования в предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.3 показано трехмерное изображение предпочтительной системы распределения газообразного реагента, предназначенной для использования в предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.4 показано поперечное сечение предпочтительного газового холодильника, предназначенного для использования в предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.5 показано трехмерное изображение предпочтительного газового холодильника и последовательно установленных циклонов для разделения газа, предназначенных для использования в предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.6-11 схематично показаны примеры вариантов реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Описание предпочтительного варианта (вариантов)
Реакторное устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит реакционный сосуд, изготовленный из материала, который выдерживает температуры и давления, возникающие при проведении в нем желательной химической реакции. Этот реакционный сосуд преимущественно имеет внутреннюю облицовку, изготовленную из материала, который выдерживает химическую активность химических соединений или других содержащихся в нем материалов, особенно при повышенных реакционных температурах и давлениях. При этом выбранный материал не должен коррелировать или по меньшей мере быстро корродировать при использовании. Материал, который используют для изготовления реакционного сосуда или его облицовки, преимущественно должен быть стойким к абразивному износу, так что он может выдерживать абразию, вызванную твердым, порошковым катализатором, который используют, например, в псевдоожиженном слое катализатора. Например, реакционный сосуд может быть изготовлен из стали, такой как низколегированная сталь, нержавеющая сталь или углеродистая сталь. Форма реакционного сосуда преимущественно должна быть главным образом цилиндрической, то есть горизонтальное сечение вертикально расположенного реакционного сосуда является круговым. Так как химические реакции, протекающие в реакционном сосуде, обычно проводят при повышенном давлении, желательно, чтобы концы реакционного сосуда были закрыты с использованием, например, конических или куполовидных крышек. Куполовидная крышка может быть, например, полусферической или эллиптической. Однако следует иметь в виду, что крышки для концов реакционного сосуда могут иметь любую подходящую форму. Несмотря на то что реакционный сосуд может иметь одинаковую ширину или диаметр вдоль его полной длины, он преимущественно имеет ширину или диаметр, которые изменяются вдоль его полной длины, как это обсуждается далее более подробно. Например, сосуд главным образом цилиндрической формы может иметь больший диаметр на одном конце и меньший диаметр на другом конце. В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения реактор имеет среднюю секцию или зону с большим диаметром, чем диаметр нижней секции или зоны, и верхнюю секцию или зону с меньшим диаметром, чем диаметр нижней секции или зоны. В случае цилиндрической формы реакторное устройство в соответствии с настоящим изобретением, в зависимости от области его использования, может иметь самый большой диаметр, составляющий ориентировочно от 5 до 100 футов, а преимущественно ориентировочно от 8 до 50 футов.
Реакторное устройство в соответствии с настоящим изобретением имеет по меньшей мере две, а преимущественно по меньшей мере три зоны или секции. Когда реакторное устройство расположено вертикально, что является предпочтительной ориентацией, первую или нижнюю зону называют зоной плотного слоя, вторую или среднюю зону называют зоной выделения, а третью или верхнюю зону называют зоной разбавленной фазы. Под вертикальным расположением здесь понимают вертикальное положение оси, например оси главным образом цилиндрического реакционного сосуда. Зона плотного слоя расположена в том месте в реакторном устройстве, где порошковый катализатор контактирует с газообразным реагентом или реагентами, входящими в реакторное устройство, чтобы образовать псевдоожиженный слой катализатора. Зона выделения расположена в том месте в реакторном устройстве, где порошковый катализатор из псевдоожиженного слоя в основном выделен из (отделен от) газовой смеси, содержащей газообразный продукт или продукты, выходящей из псевдоожиженного слоя катализатора. В зоне выделения газообразный продукт или продукты, выходящие из зоны плотного слоя, движутся в направлении вверх в вертикально расположенном реакторе, и, за счет силы тяжести, большинство частиц катализатора, увлеченных или взвешенных в продукте, и, если они есть, непрореагировавший газообразный реагент или реагенты, выходящие из псевдоожиженного слоя катализатора, падают вниз и возвращаются в плотную часть псевдоожиженного слоя катализатора, где газообразный продукт или продукты, содержащие остаточное количество взвешенных или увлеченных частиц катализатора, продолжают подниматься вверх в зону разбавленной фазы. В зоне разбавленной фазы газообразный продукт или продукты, содержащие взвешенные или увлеченные частицы катализатора, охлаждаются при помощи газового холодильника, после чего взвешенные или увлеченные частицы катализатора отделяются от газообразного продукта или продуктов за счет использования устройства для отделения катализатора, такого как циклон газ-твердое тело или ряд циклонов газ-твердое тело, причем отделенные частицы катализатора преимущественно возвращаются в псевдоожиженный слой катализатора в зоне плотного слоя. В способе в соответствии с настоящим изобретением взвешенные или увлеченные частицы катализатора в газе или в газах, выходящих из зоны выделения, могут быть использованы для снижения или исключения выгорания или других нежелательных побочных реакций, которые в противном случае происходят при отсутствии частиц катализатора. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения взвешенные частицы катализатора отделяют от такого газа или газов только после того, как смесь, содержащая газ или газы и взвешенные или увлеченные частицы катализатора, будет охлаждена до температуры ниже той, при которой исключено или по меньшей мере снижено до приемлемого уровня выгорание или другие нежелательные побочные реакции.
Зона плотного слоя реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением преимущественно содержит металлическую пластину, которая может быть использована для поддержки частиц катализатора псевдоожиженного слоя, например, во время таких интервалов, как запуск или выключение, когда слой катализатора находится в неподвижном, то есть не псевдоожиженном состоянии. Эта пластина преимущественно идет вдоль всего диаметра реакционного сосуда. В предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением пластина имеет форму решетки. Под решеткой здесь понимают пластину, имеющую множество перфораций или отверстий, а преимущественно круглых отверстий, которые позволяют проходить газу с одной стороны решетки на другую. Когда реактор преимущественно находится в вертикальном положении, то решетка преимущественно расположена в непосредственной близости от основания реакционного сосуда, при этом имеется пространство или полость под решеткой, но внутри реакционного сосуда. Это пространство может быть использовано для введения газообразного реагента в реактор, такого как, например, пропан. Это может быть свежий пропан, рецикловый пропан или то и другое, если реактор используют для проведения реакции пропана с аммиаком и источником молекулярного кислорода, чтобы образовать акрилонитрил. Толщина решетки и число и диаметр или размер отверстий могут варьировать. Однако обычно имеется ориентировочно от 0.1 до 3 отверстий на квадратный фут площади решетки. Толщина решетки может составлять ориентировочно до 1.25 дюйма, например, ориентировочно от 0.5 дюйма до 1.25 дюйма. Отверстия в решетке преимущественно располагаются в виде параллельных, равномерно распределенных рядов. Отверстия в одном ряду преимущественно смещены таким образом, что они находятся между отверстиями в соседних рядах. В отверстия в решетке могут быть вставлены сопла или трубчатые газовые впуски, которые идут вниз от верхней поверхности пластины и заканчиваются под пластиной. Каждое из сопел преимущественно имеют отверстие меньшего диаметра на конце, удаленном от решетки. Отверстия в решетке и в соплах преимущественно имеют такой размер, который позволяет обеспечить равномерное распределение газа по горизонтальному сечению реакторного устройства, и скорость газового потока, достаточную для исключения или снижения обратного течения любого из газообразных реагентов или частиц катализатора в пространство под решеткой. Решетка может быть изготовлена из такого же материала, что и реакционный сосуд. Как это обсуждается далее более подробно, преимущественно имеется слой огнеупорного изоляционного материала на той стороне решетки, которая обращена к тому участку реакционного сосуда, где расположен псевдоожиженный слой катализатора. Наличие огнеупорного изоляционного материала не позволяет решетке нагреваться до таких высоких температур, которые вызывают чрезмерное разложение или сгорание под решеткой газообразных реагентов, таких как пропан, особенно если присутствует молекулярный газообразный кислород. Толщина огнеупорного изоляционного материала может достигать 6 дюймов, например, составлять ориентировочно от 2 дюймов до 6 дюймов. В качестве огнеупорного изоляционного материала может быть использован любой подходящий материал, который главным образом является инертным в условиях реакции, использованных в реакторе. Например, это может быть одно или несколько керамических волокон или алюмосиликат, или же другой материал, который обладает высокой термостабильностью, хорошими изоляционными свойствами, высокой стойкостью к химическому воздействию и термостойкостью. Слой огнеупорного изоляционного материала преимущественно имеет отверстия такого же размера, что и отверстия в решетке. Отверстия в слое огнеупорного изоляционного материала расположены над отверстиями в решетке. Сопла в решетке, если они есть, идут до верхней поверхности слоя огнеупорного изоляционного материала.
Зона плотного слоя предпочтительного реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением преимущественно содержит систему распределения газообразного реагента или барботер для подачи газообразных реагентов, таких как, например, аммиак и газ, содержащий молекулярный кислород, в реакторное устройство. В предпочтительном реакторном устройстве газообразный реагент распределяется при помощи совокупности или множества распределительных труб, расположенных вблизи от решетки. Размер и число труб могут варьировать и могут быть выбраны, например, в зависимости от объема распределяемого газа и желательной скорости распределения. Трубы преимущественно расположены параллельно вблизи от поверхности решетки, которая обращена к псевдоожиженному слою катализатора. С распределительными трубами соединено множество выпускных труб, преимущественно идущих в направлении к решетке, которые преимущественно имеют меньшую длину и диаметр, чем распределительные трубы. Выпускные трубы преимущественно идут в направлении вниз от распределительных труб, под углом к вертикали. Газообразный реагент, который протекает через распределительные трубы, направляется при помощи указанных выпускных труб в местоположение, находящееся на поверхности решетки или в непосредственной близости от нее. Выпускной конец выпускной трубы, то есть конец выпускной трубы, который удален от конца соединения с распределительной трубой, может находиться на расстоянии ориентировочно до 18 дюймов, например, ориентировочно от 3 дюймов до 18 дюймов от поверхности решетки. Каждая из распределительных труб соединена с одной или несколькими коллекторными трубами. Коллекторные трубы преимущественно имеют больший диаметр, чем распределительные трубы. В предпочтительном режиме работы системы распределения газообразного реагента газообразные реагенты, входящие в коллекторные трубы, втекают затем в распределительные трубы, из распределительных труб в выпускные трубы и из выпускных труб в реакционный сосуд в местоположении вблизи от отверстий в решетке. Распределительные трубы могут быть расположены таким образом, что они находятся над пространствами между рядами отверстий в решетке. Могут быть использованы одна или несколько независимых систем распределения газообразного реагента, каждая из которых содержит коллекторную трубу или трубы, распределительные трубы и выпускные трубы, для каждого газообразного реагента. Например, могут быть использованы одна или несколько таких систем распределения газообразного реагента для газообразного аммиака и содержащего кислород газа, такого как воздух или газообразный молекулярный кислород, для реакторного устройства, использованного для аммоксидирования пропана. Преимущественно, по меньшей мере, один конец каждой коллекторной трубы проходит через стенку реактора, в результате чего образуется соединение для подачи газообразного реагента в коллектор, находящийся снаружи от реактора. Коллекторные трубы преимущественно изолированы при помощи подходящего изоляционного материала. Распределительные трубы также преимущественно изолированы при помощи подходящего изоляционного материала. Выпускные трубы также преимущественно изолированы при помощи подходящего изоляционного материала. Таким образом, коллекторные трубы, распределительные и выпускные трубы преимущественно изолированы при помощи подходящего изоляционного материала. Изоляционным материалом преимущественно является материал, который выдерживает высокие температуры в псевдоожиженном слое катализатора и обладает соответствующими изоляционными свойствами, химической стойкостью и термостойкостью Этот материал преимущественно имеет волокнистую форму. Изоляционный материал вводят для того, чтобы исключить повышение внутренней температуры коллекторных, распределительных и выпускных труб до температур, достаточно высоких для того, чтобы вызвать чрезмерное разложение газа внутри труб или разрушение материала, использованного для изготовления труб. В свою очередь изоляционный материал может находиться во внешней оболочке, изготовленной из такого материала, как сталь, способствующей стабилизации и защите изоляции. В патенте США No. 6,385,483, который полностью включен в данное описание в качестве ссылки, раскрыты изолированные и имеющие оболочку барботеры, полезные для барботажа кислорода и других газов в реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением. Несмотря на то что они описаны здесь ранее как простые трубы, следует иметь в виду, что коллекторные, распределительные и выпускные трубы могут быть фасонными трубопроводами.
В предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением, например, в таком, которое используют для аммоксидирования пропана с аммиаком и источником молекулярного кислорода, имеется по меньшей мере одна отдельная система распределения газообразного реагента или система барботажа, или системы для содержащего молекулярный кислород газа и для газообразного аммиака. В таком реакторном устройстве выпускные трубы системы или систем распределения газа для газообразного аммиака преимущественно расположены таким образом, что концы выпускных труб, из которых вытекает газообразный аммиак, расположены непосредственно над отверстиями в решетке или в непосредственной близости от них, а выпускные трубы системы или систем распределения газа для содержащего молекулярный кислород газа преимущественно расположены таким образом, что концы выпускных труб, из которых вытекает содержащий молекулярный кислород газ, расположены на удалении от отверстий в решетке, например, непосредственно между отверстиями в решетке. При таком расположении, когда газообразный реагент, такой как пропан, направляют через отверстия в решетке и далее в псевдоожиженный слой катализатора, газообразный пропан сначала контактирует с аммиаком, а не с содержащим молекулярный кислород газом, и по меньшей мере частично разбавляется аммиаком. При таком расположении обеспечивается сгорание только пониженного количества подводимого пропана.
Зона плотного слоя предпочтительного реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением преимущественно содержит одно или несколько устройств теплопередачи, которые могут быть использованы для введения теплоты или преимущественно для отвода теплоты от псевдоожиженного слоя катализатора. В качестве устройства теплопередачи может быть использовано любое подходящее средство для введения теплоты или для отвода теплоты от псевдоожиженного слоя катализатора. Устройство теплопередачи содержит по меньшей мере одну трубу, а преимущественно совокупность труб, преимущественно свернутых в виде змеевика или петли, содержащих подходящую среду теплопередачи, такую как, например, вода, пар, расплавленная соль или соли, которая циркулируют через трубы. Другим устройством теплопередачи может быть, например, испаритель жидкости. Под испарителем жидкости понимают устройство, которое использует теплоту, получаемую за счет экзотермической химической реакции в псевдоожиженном слое катализатора, для испарения одной или нескольких жидкостей, таких как жидкий аммиак или пропан, для аммоксидирования пропана, чтобы образовать акрилонитрил. Таким образом, в испарителе жидкости теплота из псевдоожиженного слоя катализатора передается в испаряемую жидкость, например, за счет пропускания жидкости через одну или несколько труб, расположенных в псевдоожиженном слое катализатора. Теплота реакции в псевдоожиженном слое катализатора испаряет жидкость.
Устройство теплопередачи может быть использовано для регулирования температуры псевдоожиженного слоя катализатора, используемого для проведения экзотермических реакций, таких как аммоксидирование пропана с использованием аммиака и источника молекулярного кислорода. Регулирование может быть осуществлено путем управления скоростью протекания среды теплопередачи через устройство теплопередачи или за счет использования множества устройств теплопередачи, заданное число которых включают для достижения желательных температурных условий в псевдоожиженном слое катализатора. Устройство теплопередачи преимущественно изготавливают из такого материала, который, аналогично материалу реакционного сосуда, выдерживает воздействие высоких температур и давлений, воздействие абразивных порошковых катализаторов и, возможно, воздействие коррозионных питающих компонентов или компонентов продукта. Таким образом, аналогично реакционному сосуду устройство теплопередачи преимущественно изготавливают из таких материалов, как, например, низколегированная сталь, нержавеющая сталь или углеродистая сталь.
Вторая зона, или зона выделения, в предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением представляет собой секцию реакторного устройства, где частицы катализатора из псевдоожиженного слоя катализатора, которые взвешены в смеси или увлечены в смесь, содержащую продукт и, если они есть, газообразные реагенты, выходящие из псевдоожиженного слоя катализатора, частично выделяют из такого продукта и, если они есть, из газообразных реагентов. При предпочтительном вертикальном расположении реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением псевдоожиженный слой катализатора находится главным образом или, преимущественно, полностью в нижней зоне плотного слоя реакторного устройства. В псевдоожиженном слое частицы катализатора перемешиваются с газообразным реагентом или газами, причем катализатор в псевдоожиженном слое катализирует химическую реакцию газообразного реагента или газов, чтобы образовать продукт или продукты. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения газообразный реагент или газы входят в реакционный сосуд в точке ниже слоя катализатора или вблизи от основания этого слоя, причем поток газа или газов преимущественно вызывает перемешивание частиц катализатора в слое и их флюидизацию. Например, когда газовая смесь, содержащая продукт и, если они есть, газообразные реагенты, движется через псевдоожиженный слой катализатора главным образом в направлении вверх и выходит из псевдоожиженного слоя катализатора, то часть частиц катализатора из слоя будет взвешена в смеси или увлечена в смесь, содержащую продукт и, если они есть, газообразные реагенты. Эта смесь, содержащая газ или газы и взвешенные или увлеченные частицы катализатора, входит в зону выделения, откуда большая часть, но не все взвешенные или увлеченные частицы катализатора, возвращается в слой катализатора под действием силы тяжести.
В предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением зона выделения содержит открытое пространство или объем в реакционном сосуде, расположенные главным образом в центральной или средней секции вертикально расположенного реакционного сосуда. Размер зоны выделения может быть выбран на основании типа реакции, проводимой в реакторном устройство. Для предпочтительной реакции пропана с аммиаком и источником молекулярного кислорода, чтобы получить акрилонитрил, так же как и для ряда других химических реакций, желательно, чтобы некоторое количество порошкового катализатора оставалось взвешенным в смеси или увлеченным смесью продукта и, если они есть, газообразных реагентов, выходящих из зоны выделения, до тех пор, пока такая смесь взвешенных или увлеченных частиц катализатора, продукта и, если они есть, газообразных реагентов не будет охлаждена до подходящей температуры. Увлеченные частицы катализатора исключают или уменьшают степень нежелательного деструктивного выгорания или других нежелательных побочных реакций, которые в противном случае могут происходить. Количество взвешенного или увлеченного катализатора может составлять ориентировочно от 0.05 до 2.0 фунтов на фунт газовой смеси, содержащей продукт и, если они есть, газообразные реагенты. Таким образом, если недостаточное количество катализатора содержится в смеси, содержащей продукт и, если они есть, газообразные реагенты, выходящей из зона выделения, то может происходить чрезмерное выгорание или другие нежелательные побочные реакции, что снижает выход желательного продукта или продуктов, таких как акрилонитрил, и расход питающего газа, такого как пропан, который может быть в противном случае отделен и использован повторно для конверсии в желательный продукт. Если количество увлеченного катализатора является чрезмерным, то такой катализатор, который охлаждают вместе со смесью продукта и, если они есть, газообразных реагентов, так что он может быть возвращен в псевдоожиженный слой катализатора, может вызывать чрезмерное охлаждение псевдоожиженного слоя катализатора. Следовательно, необходимо контролировать количество взвешенного катализатора в газе, выходящем из зоны выделения, так чтобы имелось его количество в смеси на приемлемом уровне, достаточном для контроля выгорания или других нежелательных побочных реакций, но не такое количество, которое, после охлаждения и его возврата в псевдоожиженный слой катализатора, вызывало бы чрезмерное охлаждение псевдоожиженного слоя катализатора. Количество катализатора, присутствующего в продукте и, если они есть, в газообразных реагентах, выходящих из зоны выделения, можно контролировать, принимая во внимание размер и плотность частиц катализатора, использованных в реакторе с псевдоожиженным слоем, скорость втекания газообразного реагента в псевдоожиженный слой катализатора, а также длину и в особенности диаметр зоны выделения. Под длиной в вертикально расположенном реакторе понимают вертикальную длину зоны выделения. В предпочтительном реакторе в соответствии с настоящим изобретением зона выделения преимущественно составляет ориентировочно от 100 до 150 процентов длины зоны плотного слоя. В то время как зона выделения реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением может иметь такой же диаметр, что и зона плотного слоя, зона выделения преимущественно может иметь увеличенный диаметр по сравнению с самым большим диаметром зоны плотного слоя. Например, самый большой диаметр зоны выделения может превосходить на величину ориентировочно от 5 до 100 процентов диаметр зоны плотного слоя, а преимущественно превосходить на величину ориентировочно от 15 до 20 процентов. Таким образом, реакционный сосуд реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением, когда он находится в вертикальном положении, может иметь конусное сечение, начиная с верхнего конца зоны плотного слоя, расширяющееся до большего диаметра зоны выделения.
Конструкция реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением, в котором средняя секция, или зона выделения, имеет больший диаметр, чем зона плотного слоя, позволяет получить более компактное реакторное устройство и, по сравнению с реакторным устройством, имеющим зону плотного слоя и зону выделения одинакового диаметра, такое реакторное устройство позволяет получать более высокие скорости газа в зоне плотного слоя, что позволяет улучшить контакт между газообразным реагентом или реагентами и твердым, порошковым катализатором, содержащимся в этой зоне, в результате чего повышается эффективность каталитической реакции.
Как это обсуждается далее более подробно со ссылкой на фиг.11, другой подходящий способ управления количеством или регулирования количества частиц катализатора, имеющихся в смеси, содержащей продукт и, если они есть, газообразные реагенты, выходящей из зоны выделения, заключается в использовании одного или нескольких устройств для отделения катализатора, таких как фильтр или, преимущественно, устройство разделения газ-твердое тело, такое как циклон газ-твердое тело, для отделения катализатора и преимущественно для возврата порции взвешенного или увлеченного катализатора в псевдоожиженный слой. В случае циклона смесь газов, содержащих продукт и, если они есть, газообразные реагенты, выходящую из псевдоожиженного слоя катализатора и содержащую взвешенные или увлеченные частицы катализатора, пропускают на вход одного или нескольких циклонов, чтобы удалить желательное количество катализатора из газовой смеси и возвратить катализатор в псевдоожиженный слой катализатора. Такое устройство для отделения катализатора может быть расположено вне реакционного сосуда или преимущественно внутри него.
Третья зона, или зона разбавленной фазы, в предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением представляет собой секцию реакторного устройства, в которой, преимущественно, смесь, содержащая продукт и, если они есть, газообразные реагенты и взвешенные или увлеченные частицы катализатора, выходящая из зоны выделения, охлаждается при помощи одного или нескольких подходящих устройств для охлаждения газа. Охлаждение может быть осуществлено, например, за счет пропускания смеси через другой слой катализатора, имеющий такой же катализатор, как использованный в псевдоожиженном слое катализатора, или катализатор с другой композицией. Преимущественно используют слой катализатора с такой же композицией, как композиция псевдоожиженного слоя катализатора. Такой охлаждающий слой катализатора должен иметь достаточные размеры для обеспечения желательного охлаждения. Охлаждающий слой катализатора может также содержать одно или несколько устройств теплопередачи, таких как описанное выше устройство теплопередачи, предназначенное для использования в псевдоожиженном слое катализатора. Такое устройство теплопередачи может быть использовано для регулирования температуры охлаждающего слоя катализатора и обеспечения желательной температуры во время работы реакторного устройства.
Преимущественно устройство для охлаждения газа представляет собой кожухотрубный газовый холодильник и расположено по меньшей мере частично, а преимущественно полностью внутри реакционного сосуда, и по меньшей мере частично, а преимущественно в основном, а еще лучше, полностью внутри зоны или секции разбавленной фазы реакторного устройства. В таком кожухотрубном газовом холодильнике смесь, содержащая продукт, и, если они есть, газообразные реагенты, и взвешенные частиц катализатора, пропускают через множество труб, причем эти трубы заключены в закрытые рубашки (оболочки). Внутри рубашек, но снаружи от труб циркулирует подходящая среда или флюид теплопередачи, чтобы отводить теплоту от труб, в результате чего происходит охлаждение газа и частиц катализатора, протекающих через трубы. Флюидом, протекающим через кожухотрубный холодильник, может быть, например, вода, соль с низкой температурой плавления или солевая эвтектика, металл с низкой температурой плавления и т.п. Преимущественно кожух имеет множество дефлекторов или других аналогичных устройств, чтобы создать турбулентный поток флюида внутри кожуха так, чтобы флюид доходил до всех расположенных в нем труб охлаждения и отводил от них теплоту.
В предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением устройство для охлаждения газа расположено в верхней части реакторного устройства, когда реакторное устройство имеет преимущественную вертикальную ориентацию. Смесь, выходящая из зоны выделения реактора и содержащая продукт и, если они есть, газообразные реагенты, а также взвешенные или увлеченные частицы катализатора, может проходить через устройство охлаждения, такое как кожухотрубный газовый холодильник, по мере того, как смесь проходит вертикально через реакторное устройство. Смесь может проходить минуя устройство для охлаждения газа, когда она протекает вертикально вверх через реакторное устройство, после чего она направляется вниз при помощи крышки на верхнем конце реакционного сосуда и затем проходит через устройство охлаждения по пути вниз через устройство для охлаждения газа. Альтернативно смесь может проходить через устройство охлаждения как в направлении вверх, так и в направлении вниз. В предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением устройство для охлаждения газа, преимущественно в виде кожухотрубного газового холодильника, расположено внутри реакционного сосуда, так что смесь, содержащая продукт, и, если они есть, газообразные реагенты, и увлеченные частицы катализатора, проходит вокруг устройства охлаждения, когда смесь проходит вертикально вверх через реакционный сосуд, после чего смесь поворачивает в обратном направлении, после того, как она доходит до крышки на конце реакционного сосуда, и затем проходит через устройство охлаждения, когда она движется вниз через устройство охлаждения. Таким образом, в реакторном устройство в соответствии с настоящим изобретением газовым холодильником может быть одноходный кожухотрубный газовый холодильник с восходящим потоком, при этом газы, содержащие взвешенные частицы катализатора, проходят через холодильник по пути вверх в реакторном устройство, или одноходный кожухотрубный холодильник с нисходящим потоком, при этом газы, содержащие взвешенные частицы катализатора, проходят через газовый холодильник по пути вниз в реакторном устройстве, или же двухходовой кожухотрубный газовый холодильник, при этом газы, содержащие взвешенные частицы катализатора, проходят через кожухотрубный холодильник по пути вверх, а затем вновь проходят через кожухотрубный холодильник по пути вниз в реакторе. Другое устройство для охлаждения газа предусматривает использование одного или нескольких змеевиков охлаждения, расположенных внутри реактора по пути протекания газа, преимущественно в верхней зоне реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением. Змеевик или змеевики охлаждения содержат среду или флюид теплопередачи, такие как жидкость или газ, которые циркулируют и отводят теплоту от смеси реагента, и газообразных продуктов, и взвешенных частиц катализатора. Змеевик или змеевики охлаждения могут быть использованы изолированно или в сочетании с другим устройством для охлаждения газа, таким как описанные выше одноходные кожухотрубные газовые холодильники или двухходовой кожухотрубный газовый холодильник.
В предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением верхняя зона реакционного сосуда, или по меньшей мере ее часть, имеет меньший диаметр, чем зона выделения. Преимущественно верхняя зона, или зона разбавленной фазы, реакторного устройства, или по меньшей мере ее часть, имеет меньший диаметр, чем зона плотного слоя. Например, секция или зона разбавленной фазы реакторного устройства, или по меньшей мере ее часть, может иметь диаметр, который составляет ориентировочно от 5 до 100 процентов, а преимущественно ориентировочно от 25 до 75 процентов диаметра зоны плотного слоя реакционного сосуда. Меньший диаметр верхней части реактора позволяет повысить скорость газа, в результате чего уменьшается продолжительность обработки (время нахождения) газа и снижается степень любых нежелательных химических реакций, таких как выгорание, которые могут возникать при высоких температурах.
Как уже было упомянуто здесь выше, устройство охлаждения может быть использовано для понижения температуры смеси, содержащей продукт, взвешенные частицы катализатора и, если они есть, газообразные реагенты. После понижения температуры такой смеси до подходящей температуры, при которой не происходит заметное выгорание или другие нежелательные побочные реакции, катализатор может быть отделен от смеси. Если катализатор не отделять от смеси, то он будет выводиться из реакторного устройства вместе с продуктом и, если они есть, вместе с газообразными реагентами, что приводит к нежелательной потере катализатора, что впоследствии может создавать проблемы, связанные с обработкой и сбросом в отходы. Поэтому в предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением используют одно или несколько устройств для отделения катализатора, чтобы отделять увлеченный катализатор от смеси продукта и, если они есть, газообразных реагентов, выходящей из устройства охлаждения. Для осуществления такого отделения может быть использовано любое подходящее устройство, такое как фильтры, мембраны, сита и другие аналогичные устройства, которые позволяют газам проходить через слой катализатора, но не позволяют проходить или по меньшей мере замедляют прохождение частиц катализатора, так что происходит разделение твердых веществ от газов. Устройство для отделения или множество таких устройств обычно расположено по меньшей мере частично, а преимущественно полностью, внутри реакционного сосуда. Предпочтительное устройство для отделения катализатора, которое используют в реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой циклон для разделения твердых веществ от газов, а преимущественно ряд последовательно соединенных циклонов или ступеней циклонов, что позволяет эффективно выделять частицы катализатора из смеси. Подходящие циклоны имеются в продаже. В предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением используют множество таких циклонов, а преимущественно три соединенных последовательно циклона. При таком последовательном подключении, ориентировочно свыше 99 процентов, например, ориентировочно от 99.9 до 99.999 вес.% порошкового катализатора, присутствующего в смеси, содержащей продукт, взвешенные частицы катализатора и, если они есть, газообразные реагенты, входящей в последовательно соединенные циклоны, отделяется от такой смеси, в результате чего получают вытекающий поток газа, который содержит ориентировочно меньше, чем 0.1, преимущественно, ориентировочно меньше, чем 0.01, а еще лучше, ориентировочно меньше, чем 0.002 вес.% частиц катализатора.
Число групп таких последовательно соединенных циклонов и размер и специфическую форму таких циклонов выбирают таким образом, чтобы обеспечить желательную степень отделения частиц катализатора от смеси продукта и, если они есть, газообразных реагентов. Например, могут быть использованы ориентировочно от 2 до 20 групп, содержащих ориентировочно 2, 3 или больше последовательно соединенных циклонов.
После выделения частиц катализатора из смеси, содержащей продукт, частицы катализатора и, если они есть, газообразные реагенты, отделенные частицы катализатора преимущественно возвращают в псевдоожиженный слой катализатора реактора. В предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением такой возврат осуществляют при помощи погружной ветви (dipleg), идущей от газовых циклонов в псевдоожиженный слой катализатора.
После выхода из устройства охлаждения, но раньше входа в устройство для отделения, смесь, содержащая продукт и, если они есть, газообразные реагенты, а также взвешенные или увлеченные частицы катализатора, преимущественно поступает в ресивер, чтобы распределить смесь газов и взвешенных частиц катализатора в устройстве для отделения, а преимущественно во множестве устройств для отделения, так чтобы произвести отделение взвешенных частиц катализатора от газа. Ресивер преимущественно представляет собой камеру, закрепленную на устройстве охлаждения или расположенную рядом с ним.
После выхода из устройства для отделения газ или смесь газов направляют по трубе или по другому подходящему трубопроводу через стенку реакционного сосуда, так чтобы газовая смесь могла быть обработана для извлечения желательного продукта или продуктов и, преимущественно, компонентов реагентов, если они есть. Любой из отделенных компонентов реагента по желанию может быть повторно направлен в работающее реакторное устройство для преобразования в продукты.
Реакторное устройство в соответствии с настоящим изобретением особенно хорошо подходит для проведения реакций химического превращения с использованием псевдоожиженного слоя катализатора для катализации желательной химической реакции. Реакторное устройство в соответствии с настоящим изобретением преимущественно используют для аммоксидирования пропана с использованием газообразного аммиака и воздуха, газообразного молекулярного кислорода или другого источника содержащего кислород газа, катализированного при помощи псевдоожиженного слоя катализатора. Такие реакции аммоксидирования обычно проводят при температуре ориентировочно от 350 до 700°С, а преимущественно ориентировочно от 400 до 550°С, и под давлением ориентировочно не более 75 psia (фунтов на квадратный дюйм), а преимущественно ориентировочно не более 50 psia. Газообразный кислород является предпочтительным источником молекулярного кислорода. Может быть также добавлен инертный газообразный разбавитель, такой как азот. Молярное отношение пропана к аммиаку преимущественно составляет ориентировочно от 2.5 до 16, а молярное отношение молекулярного кислорода к пропану преимущественно составляет ориентировочно от 1 до 10. Средняя продолжительность контакта с катализатором преимущественно составляет ориентировочно от 0.01 до 10 сек, преимущественно, ориентировочно от 0.02 до 10 сек, а еще лучше ориентировочно от 0.1 до 5 сек. Катализатор, который используют для аммоксидирования, преимущественно представляет собой твердый, порошковый катализатор, который катализирует аммоксидирование пропана, чтобы образовать акрилонитрил. Катализаторами могут быть, например, катализаторы, раскрытые в патентах США Nos. 6,083,869; 5,866,502; 5,498,588; 5,332,855; 5,258,543; 5,214,016; 5,008,427; 4,788,317; 4,784,979; 4,746,641; 3,860,534 и 3,681,421, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки. Также могут быть использованы катализаторы, раскрытые в патентах США Nos. 6,143,916; 6,143,690 и 5,750,760, которые полностью включены в данное описание в качестве ссылки.
Композиция газов, выходящих из псевдоожиженного слоя катализатора во время аммоксидирования пропана с аммиаком и источником кислорода, типично содержит смесь акрилонитрила, непрореагировавший аммиак, непрореагировавший пропан, оксиды углерода, цианид водорода и различные побочные продукты, такие как уксусная кислота, ацетонитрил, акролеин, акриловая кислота и оксазоль. Температура смеси продукта, и газообразных реагентов, и взвешенных частиц катализатора, выходящих из псевдоожиженного слоя катализатора, типично составляет ориентировочно от 350 до 700°С, то есть ориентировочно соответствует температуре псевдоожиженного слоя катализатора. Как уже обсуждалось здесь выше и по указанным здесь выше причинам, желательно иметь заданное количество частиц катализатора, которые остаются в смеси, содержащей продукт и газообразные реагенты, при этой повышенной температуре, чтобы понизить уровни возможного выгорания после выхода этой смеси из псевдоожиженного слоя катализатора. Как уже обсуждалось здесь выше, из зоны выделения, непосредственно над псевдоожиженным слоем катализатора, часть, а преимущественно большая часть частиц катализатора, которые взвешены в смеси, содержащей продукт и газообразные реагенты, возвращается в псевдоожиженный слой катализатора. Желательно, чтобы смесь продукта и газообразных реагентов, выходящая из зоны выделения, которая обычно имеет температуру ориентировочно от 470 до 510°С и давление ориентировочно от 10 psig до 30 psig, все еще содержала некоторую долю взвешенных или увлеченных частиц катализатора, чтобы уменьшить или исключить выгорание. Например, ориентировочно от 5 до 67 вес.% такой смеси, содержащей реагент, и газообразные продукты, и взвешенные частицы катализатора, представляют собой частицы катализатора. Смесь реагента, газообразных продуктов и взвешенных частиц катализатора охлаждают с использованием подходящего газового холодильника, преимущественно до температуры ориентировочно от 250 до 350°С, как уже было описано здесь выше, ранее выделения взвешенных частиц катализатора из смеси. При таких температурах снижается до приемлемых уровней выгорание, например выгорание пропана, акрилонитрила и других продуктов, содержащихся в газах.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ изготовления акрилонитрила, который предусматривает введение в реакцию смеси, содержащей пропан, аммиак и источник молекулярного кислорода, в псевдоожиженном слое порошкового катализатора, чтобы образовать газообразную смесь, содержащую акрилонитрил и увлеченный порошковый катализатор, охлаждение газообразной смеси, содержащей акрилонитрил и увлеченный порошковый катализатор, чтобы образовать охлажденную смесь, разделение порошкового катализатора от охлажденной смеси и возврат порошкового катализатора, отделенного от охлажденной смеси, в псевдоожиженный слой порошкового катализатора, причем в предложенном способе могут быть использованы, например, описанные выше режимы и другие параметры, такие как температуры, давления, катализаторы и псевдоожиженный слой катализатора, реагенты, такие как аммиак, пропан, газообразный кислород или другой источник молекулярного кислорода, разбавители, молярные отношения реагентов, продолжительности контакта с катализатором, композиция газообразных продуктов, выделение частиц катализатора в зоне выделения реактора из смеси, содержащей продукт и газообразные реагенты, выходящей из псевдоожиженного слоя катализатора, возврат отделенных частиц катализатора в псевдоожиженный слой катализатора, температура, давление и количество катализатора, остающегося взвешенным в смеси или увлеченным смесью, содержащей продукт и газообразные реагенты, выходящей из зоны выделения реактора, чтобы снизить или исключить выгорание, и температуры, до которых такую смесь охлаждают ранее отделения взвешенных или увлеченных частиц катализатора из смеси газов, содержащей продукт и газообразные реагенты.
Такой способ может быть осуществлен в описанном здесь выше реакторном устройстве. Однако следует иметь в виду, что в таком способе охлаждение газовой смеси, содержащей акрилонитрил и увлеченный порошковый катализатор, чтобы образовать охлажденную смесь, может быть осуществлено в устройстве для охлаждения газа, таком, как описанное здесь выше, устройств для охлаждения газа, расположенном внутри, по меньшей мере частично внутри, или расположенном вне реакционного сосуда. Если устройство для охлаждения расположено снаружи от реакционного сосуда, то смесь, содержащая акрилонитрил и увлеченный порошковый катализатор, может быть направлена в расположенное снаружи устройство для охлаждения газа при помощи трубы или другого подходящего трубопровода, а затем, после охлаждения, охлажденная смесь может быть направлена при помощи трубы или другого подходящего трубопровода в устройство для отделения катализатора, такое, как описанное здесь выше, устройство для отделения катализатора, чтобы отделить порошковый катализатор от охлажденной смеси и затем возвратить катализатор в псевдоожиженный слой катализатора. Преимущественно такое устройство для отделения катализатора расположено внутри реакционного сосуда. Альтернативно внешнее устройство для охлаждения газа может быть установлено рядом с реакционным сосудом или над реакционным сосудом, а смесь, содержащая акрилонитрил и увлеченный порошковый катализатор, может быть направлена в расположенное снаружи устройство для охлаждения газа без необходимости в использовании трубы или трубопровода. Например, смесь может проходить через отверстие или отверстия в реакционном сосуде и затем непосредственно в устройство для охлаждения газа. Охлажденная смесь затем может быть направлена в устройство для отделения катализатора при помощи труб или других подходящих трубопроводов.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан предпочтительный вариант реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.1 приведено поперечное сечение реакторного устройства 1. Реакторное устройство 1 содержит оболочку 10, изготовленную, как уже было упомянуто здесь выше, из такого материала, который может выдерживать температуры и давления, использованные для проведения желательной химической реакции. Оболочка 10 преимущественно изготовлена из материала, который может выдерживать химическую активность химических соединений или других материалов, таких как катализатор, контактирующий с ней, или по меньшей мере облицована таким материалом, который может выдерживать указанную химическую активность. Например, если химические реагенты или химические продукты, имеющиеся в реакторе во время его использования, особенно при повышенных температурах, являются коррозионными, то должен быть выбран материал, который не коррелирует или который не корродирует быстро в условиях реакции. Оболочку реактора преимущественно изготавливают из таких материалов, как сталь, например низколегированная, углеродистая или нержавеющая сталь. Реактор 1 также содержит решетку 12 катализатора, устройство 20 для охлаждения газа, средство для выделения увлеченных или взвешенных частиц катализатора из газа, такое как последовательно расположенные газовые циклоны 30, и, возможно, устройство 40 теплопередачи для псевдоожиженного слоя катализатора. Преимущественно поперечное сечение реакторного устройства 1, перпендикулярное к вертикальной оси реакторного устройства 1, является круговым. Нижняя часть реактора, обозначенная как DB или зона плотного слоя на фиг.1, главным образом является цилиндрической. Средняя часть реактора, обозначенная как DZ или зона выделения на фиг.1, содержит нижний конический участок и цилиндрический участок, которые образуют соответственно отмеченные секции А и В. Конический участок А имеет меньший диаметр в том месте, где он соединяется с зоной DB, и затем расширяется до места соединения с цилиндрической секцией В, как это показано на фиг.1. Верхняя часть реактора DP или зона разбавленной фазы на фиг.1, содержит конический участок С и куполовидный, с полусферической или эллиптической крышкой, верхний участок D. Конический участок С имеет больший диаметр в том месте, где он соединяется с цилиндрическим участком В, и постепенно сужается до места, где он соединяется с куполовидным участком D. В основании реактора имеется коническая секция 50.
Реактор 1 имеет средство для введения в него газа или других реагентов. Как это показано на фиг.1, впуски 60 и 70 могут быть использованы, например, для введения соответственно аммиака и содержащего молекулярный кислород газа. В зависимости от специфической химической реакции, проводимой в реакторном устройство 1, могут быть предусмотрены дополнительные впуски для других реагентов. Впуски 60 и 70 подключены, как это показано на фиг.1, к соответствующим средствам 80 и 90 для диспергирования или распределения реагентов. Средствами для диспергирования или распределения реагентов, например газообразных реагентов, которые также называются здесь как система распределения газообразного реагента, могут быть любые подходящие средства, позволяющие производить диспергирование или распределение газообразного реагента или реагентов. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения системы распределения газообразного реагента используют для диспергирования газообразного реагента или реагентов, причем это могут быть барботеры, или же указанные системы могут содержать совокупность или сеть труб или других трубопроводов, имеющих одно или несколько отверстий или сопел, или же указанные системы могут содержать другие средства для диспергирования газообразного реагента или реагентов через участок реактора 1 над решеткой 12. Предпочтительная система распределения газообразного реагента для реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением, показанная на фиг.1 и более детально на фиг.2 и 3, содержит множество газораспределительных труб 82 и 92 и коллекторных труб 80 и 90. Каждая из коллекторных труб 80 и 90 соединена с соответствующими распределительными трубами 82 и 92, причем указанные распределительные трубы имеют множество газовыпускных труб 85 и 95, идущих от них соответственно вниз к верхней поверхности решетки 12. В соответствии с предпочтительным вариантом газовыпускные трубы, идущие от распределительных труб для одного из газообразных реагентов, например для газообразного аммиака, заканчиваются преимущественно над отверстиями в решетке или в непосредственной близости от них, при этом газовыпускные трубы, идущие от распределительных труб для другого из газообразных реагентов, например для газообразного молекулярного кислорода, заканчиваются над решеткой на удалении от отверстий в решетке. Такая схема расположения показана в виде сверху на фиг.2 и в трехмерном изображении на фиг.3. Предпочтительная решетка, показанная на фиг.2, и показанная детально в трехмерном изображении на фиг.3 предпочтительная система распределения газообразного реагента будут описаны далее более подробно.
Газообразный реагент или реагенты могут также входить в реакторное устройство 1 через впуск 96. Газообразный реагент, а преимущественно реагент, содержащий пропан, может входить в реактор 1 через впуск 96 и проходить в зону DB реакторного устройства 1 над решеткой 12, проходя через отверстия или другие перфорации в решетке 12. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения решетка 12 главным образом представляет собой пластину в реакторном устройстве, которая доходит до внутреннего периметра реакционного сосуда, как это показано на фиг.1, и содержит совокупность отверстий или перфораций, преимущественно равномерно распределенных по площади пластины, что позволяет газу или другому реагенту проходить через пластину из участка реакторного устройства под пластиной в участок реакторного устройства над пластиной, когда реакторное устройство находится в предпочтительном вертикальном положении. Отверстия могут содержать трубчатые сопла 11, которые выступают под решетчатой пластиной. Как это обсуждается далее более подробно, участок реакторного устройства над пластиной может содержать твердый, порошковый катализатор. Во время работы реакторного устройства газ, проходящий через отверстия или перфорации в решетчатой пластине 12, входит в слой частиц катализатора и флюидизирует частицы катализатора, расположенные над решеткой. Таким образом, отверстия или перфорации в пластине, образующие решетку, должны иметь достаточный размер для прохождения газообразного реагента или реагентов, однако не слишком большой размер, чтобы не позволить заметному количеству порошкового катализатора падать через отверстия. В соответствии с предпочтительным вариантом сопла 11 имеют отверстия с диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр сопла, преимущественно на конце сопла, удаленном от места соединения сопла с решеткой. Эти отверстия имеют такой размер или диаметр, который обеспечивает желательное падение давления между газом в реакторе под решеткой и газом над решеткой и обеспечивает желательную скорость протекания газа через сопло и в пространство реактора над решеткой. Такое сопло с отверстием внутри сопла показано детально на фиг.3.
Газовым холодильником 20 может быть любое средство, позволяющее охлаждать газ. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения газовый холодильник 20 представляет собой холодильник кожухотрубного типа, в котором, например, газы, содержащие продукт и, если они есть, газообразные реагенты, а также содержащие взвешенные или увлеченные частицы катализатора, могут проходить через газовый холодильник, поступая в него сверху, то есть в верхнюю часть газового холодильника 20, показанного на фиг.1, и проходить вниз через холодильник и выходить из холодильника у его основания, то есть в нижней части газового холодильника 20, показанного на фиг.1, и поступать в расположенные последовательно газовые циклоны 30 или другие средства для разделения охлажденного газа от взвешенных или увлеченных частиц, таких как частицы катализатора. Охлаждающая среда, такая как вода, пар или другой подходящий флюид, предназначенная для охлаждения газа, проходящего по трубам в таком холодильнике кожухотрубного типа, может входить в холодильник и выходить из него через соответствующие фланцевые трубопроводы 22 и 23. Охлажденный газ, выходящий из холодильника, проходит в средство распределения или ресивер 24, расположенный в нижней части газового холодильника 20, ранее поступления в циклоны 30 или другие средства для отделения взвешенных частиц катализатора от охлажденного газа. Средство 20 для охлаждения газа, так же как и другие компоненты внутри реакторного устройства 1, должно быть изготовлено из материала, который выдерживает условия реакции и химическую активность реагентов и продуктов внутри реактора. Для изготовления такого средства 20 могут быть использованы такие материалы, как сталь, а преимущественно низколегированная, углеродистая или нержавеющая сталь. Предпочтительный холодильник 20, который показан более подробно на фиг.4 и 5, далее будет описан более подробно.
Газовые циклоны 30 служат для разделения газообразного продукта или продуктов, выходящих из газового холодильника, от взвешенных или увлеченных частиц, таких как частицы катализатора. Как это показано на фиг.1, могут быть использованы несколько циклонов. На фиг.1 показаны три циклона 100, 110 и 120, расположенные последовательно. Охлажденный газ, выходящий из газового холодильника 20, содержащий газообразный продукт и любые увлеченные или взвешенные частицы катализатора, входит в циклон 100 первой ступени через трубопровод 101. Газообразный вытекающий поток из циклона 100 входит в циклон 110 второй ступени через трубопровод 111, а газообразный вытекающий поток из газового циклона 110 второй ступени входит в газовый циклон 120 третьей ступени через трубопровод 121. Газообразный вытекающий поток из газового циклона 120 третьей ступени выходит из реактора через трубу 130 с фланцами и может быть направлен в систему разделения и очистки для отделения продукта, такого как акрилонитрил, от газообразного вытекающего потока.
Каждый из циклонов 100, 110 и 120 имеет соединенную с ним соответствующую погружные ветви 105, 115 и 125, которые представляют собой трубопроводы, например, трубы, которые преимущественно идут вниз в зону DB в непосредственной близости от решетки. Несмотря на то что это и не показано на фиг.1, каждая из погружных ветвей преимущественно заканчивается при помощи таких средств, как отражательная пластина или дроссельная заслонка, для предотвращения протекания вверх потока газа через погружную ветвь. Погружные ветви служат для направления любого катализатора, рекуперированного при помощи газовых циклонов, в нижнюю часть реактора, где находится основная порция катализатора. Несмотря на то что на фиг.1 показан только один комплект из трех включенных последовательно циклонов, следует иметь в виду, что каждый такой комплект может содержать меньшее или большее число циклонов, например 2 или 4 циклона, причем может быть использовано множество таких комплектов таких последовательно включенных циклонов, например от 2 до 10 комплектов таких последовательно включенных циклонов. На фиг.5 показан более детально внутренний участок предпочтительного газового холодильника и построение циклонов. Фиг.5 будет описана далее более подробно. Следует иметь в виду, что вместо циклонов могут быть использованы и другие средства для разделения частиц катализатора от газа, такие как, например, система фильтра или аппарат для осаждения.
Несмотря на то что это и не показано на фиг.1, такие компоненты, как решетка, газовый холодильник и циклоны, могут надежно удерживаться на месте при помощи подходящих средств поддержки, таких как опорные балки или другие аналогичных устройства.
На фиг.2 показан вид сверху предпочтительной решетки и системы распределения газа, которые могут быть использованы в реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением. Дан вид на решетку сверху, когда решетка помещена в реакторном устройство, а реакторное устройство занимает предпочтительное вертикальное положение. Аналогичные элементы на фиг.1 и 2 имеют одинаковые позиционные обозначения. Несмотря на то что система 220 распределения газа и решетка 211 с опорными балками показаны в четвертой части сечения, а решетка 200 показана на половине сечения, следует иметь в виду, что каждое сечение идет по всей области решетки круговой формы, показанной на фиг.2.
На фиг.2 показано сечение решетки 200 с множеством сквозных отверстий 210, позволяющих газу проходить из области под решеткой в псевдоожиженный слой частиц катализатора, расположенный над решеткой. Отверстия равномерно смещены друг от друга и расположены в равномерно распределенных рядах. Отверстия в одном ряду расположены между отверстиями в соседних рядах. Секция 211, которая расположена под секцией решетки 200, содержит решетку перпендикулярных опорных балок 212 и 215, которые обеспечивают поддержку решетки 200. Секция 220 показывает систему распределения газообразного реагента, имеющую коллекторные трубы 80 и 90, газораспределительные трубы 82 и 92 и газовыпускные трубы 85 и 95. Как это показано на фиг.2, газовыпускные трубы 85, идущие от газораспределительных труб 82, расположены таким образом, что концы газовыпускных труб 85, где выходит газ, расположены над отверстиями в секции решетки 200, а газовыпускные трубы 95, идущие от газораспределительных труб 92, расположены таким образом, что концы газовыпускных труб 95, где выходит газ, расположены на удалении от отверстий в решетке 200.
На фиг.3 показано трехмерное изображение секции предпочтительной решетки и системы распределения газообразного реагента для использования в реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением, а также трехмерное изображение секции системы распределения газа, показанной на фиг.1 и 2. Элементы, показанные на фиг.3, которые аналогичны элементам, показанным на фиг.1 и 2, имеют одинаковые позиционные обозначения.
На фиг.3 показана решетка 12, имеющая слой 300 огнеупорного изоляционного материала поверх металлической решетчатой пластины 310 с отверстиями.
Решетка 12 имеет множество отверстий 210 и сопел 11, введенных в отверстия 210. На фиг.3 показано, что коллекторные трубы 80 и 90 соединены при помощи множества соответствующих соединительных труб 321 и 322 с множеством соответствующих газораспределительных труб 82 и 92. Распределительные трубы 82 и 92 соединены с множеством соответствующих газовыпускных труб 85 и 95. Дистальные концы газовыпускных труб 85 расположены над отверстиями в решетке. Газовыпускные трубы 95 расположены таким образом, что газ, выходящий из этих труб, как это показано стрелками 330, направляется в местоположения, расположенные на расстоянии от отверстий 210 в решетке 12. Стрелками 340 показано направление движения газа, такого как газ, содержащий пропан, который протекает в направлении вверх через отверстия 210. Как это показано в качестве примера на фиг.3, содержащий молекулярный кислород газ входит в коллекторную трубу 90 и направляется через соединительные трубы 322 в газораспределительные трубы 92, а затем через газовыпускные трубы 95, и поступает в местоположения на решетке, удаленные, например, от местоположений, где пропан выходит через отверстия 210. Аналогичным образом, в соответствии с этим примером, газообразный аммиак входит в коллекторную трубу 80 и направляется через соединительные трубы 321 в газораспределительные трубы 82, а затем через газовыпускные трубы 85, и поступает в местоположения на решетке непосредственно над теми местоположениями, где газ, содержащий, например, пропан выходит через отверстия 210. На фиг.3 показано сопло 11а, которое имеет отверстие 11b в колпачке 11с, на конце сопла, удаленном от того конца, где сопло закреплено в решетке 12. Несмотря на то что это и не показано на фиг.3, выпускные трубы 85 и 95 могут быть прикреплены, например, приварены к соответствующим распределительным трубам 82 и 92, вокруг отверстий в распределительных трубах 82 и 92, которые имеют меньший диаметр, чем внутренний диаметр выпускных труб 85 и 95, в результате чего создается отверстие для прохождения газообразных реагентов ранее входа в выпускные трубы из распределительных труб.
На фиг.4 показано поперечное сечение части D верхней секции и участка части С предпочтительного вертикально расположенного реакторного устройства фиг.1, где можно видеть предпочтительную внутреннюю конструкцию газового холодильника 20 и оболочку 10 реакционного сосуда. В газовом холодильнике 20 имеется множество труб 400 для охлаждения газа, которые проходят через закрытую кожухом область 405. Закрытая кожухом область 405 ограничена внешней стенкой 410 газового холодильника 20. Газовый холодильник 20 содержит множество дефлекторов 420, которые обеспечивают, чтобы охлаждающий флюид, проходящий через закрытую кожухом область 405, доходил до всех поверхностей труб 400 для охлаждения газа. Охлаждающий флюид входит в закрытую кожухом область 405 через трубу с фланцами 22 и выходит через трубу с фланцами 23. Стрелками 430 показан путь прохождения охлаждающего флюида через закрытую кожухом область газового холодильника 20. Широкими стрелками 440 показан путь протекания смеси, например, содержащей продукт и, если они есть, газообразные реагенты, а также увлеченные или взвешенные частицы катализатора, сначала вверх снаружи вдоль боковой стенки газового холодильника 20, а затем вниз через трубы 400 и наружу через основание труб 400 в ресивер 460. Стрелками 450 показан путь прохождения этой смеси через трубы охлаждения 400. Трубы 22 и 23 имеют фланцы 460 для их соединения с системой охлаждающего флюида, чтобы подавать и принимать охлаждающий флюид, циркулирующий через газовый холодильник 20. Показанные на фиг.4 элементы, соответствующие показанным на фиг.1-3, имеют одинаковые позиционные обозначения.
На фиг.5 показано трехмерное изображение с вырывом предпочтительного газового холодильника 20, ресивера 24 и газовых циклонов 100, 110 и 120, предназначенных для использования в предпочтительном реакторном устройстве в соответствии с настоящим изобретением. Показанные на фиг.5 элементы, соответствующие показанным на фиг.1-4, имеют одинаковые позиционные обозначения. На фиг.5 детально показано, в частности, внутреннее построение газового холодильника 20. Можно видеть множество труб 400 для охлаждения газа, проходящих через закрытую кожухом область 405. На фиг.5 также показано, в частности, последовательное подключение трех газовых циклонов 100, 110 и 120, предназначенных для выделения увлеченных частиц катализатора из смеси, например, продукта, и газообразных реагентов, и увлеченных частиц катализатора, что показано стрелкой 510 на фиг.5, выходящих из ресивера 24 и входящих в трубопровод 101.
Далее будет описана работа показанного на фиг.1 реакторного устройства в случае аммоксидирования пропана с содержащим молекулярный кислород газом и газообразным аммиаком, чтобы образовать акрилонитрил. Твердый порошковый катализатор, такой как один или несколько известных катализаторов, которые применяют для конверсии пропана в акрилонитрил, при нагревании в присутствии молекулярного кислорода и аммиака, например, один или несколько катализаторов, описанных в приведенных выше патентах, содержится в нижней части или в части плотного слоя (DB) реакторного устройства 1. Количество имеющегося катализатора преимущественно выбирают таким образом, чтобы он заполнял секцию DB работающего реактора, когда катализатор находится в псевдоожиженном состоянии. Газообразные реагенты, такие как аммиак и источник молекулярного кислорода, входят в реактор через соответствующие впуски 60 и 70 и распределяются в нижней части реактора при помощи средства для распределения газа, которое содержит коллекторные трубы 80 и 90, распределительные трубы 82 и 92 и газовыпускные трубы 85 и 95. Реагент пропан и любые рецикловые газы, такие как рецикловый пропан, входят в реакторное устройство 1 через впускную трубу 96. Под рецикловыми газами следует понимать газ, который рекуперирован с выхода реактора, например пропан, и который возвращается в реактор для повторного использования в процессе конверсии пропана в акрилонитрил. Другими рецикловыми газами могут быть молекулярный кислород, оксид углерода, диоксид углерода и азот. Реагент пропан и любые рецикловые газы протекают через сопла 11 в решетке 12 и флюидизируют порошковый катализатор в DB секции реактора. В плотном, псевдоожиженном слое катализатора происходит большинство желательных каталитических реакций, в ходе которых пропан преобразуется в акрилонитрил и полезные побочные продукты, такие как цианид водорода и ацетонитрил. Реакция аммоксидирования является экзотермической. Змеевик охлаждения 40 используют для регулирования температуры псевдоожиженного слоя катализатора за счет отвода избытка тепла от псевдоожиженного слоя катализатора. Продукт и любые оставшиеся газообразные реагенты проходят через плотный слой и входят в зону выделения (DZ) реактора на фиг.1. В газах имеются частицы катализатора из псевдоожиженного слоя катализатора, взвешенные в них или увлеченные ими. В зоне выделения большинство взвешенных или увлеченных частиц катализатора отделяется от реагента и газообразных продуктов и возвращается в зону плотного слоя под действием силы тяжести. Расширенный диаметр DZ секции реакторного устройства на фиг.1 позволяет понижать скорость газов, проходящих вверх в реакторном устройстве, в результате чего снижается скорость таких газов в зоне выделения и поэтому облегчается отделение от них части частиц катализатора, взвешенных в них или увлеченных ими. Продукт, и газообразные реагенты, и оставшиеся увлеченные или взвешенные частицы катализатора поднимаются в верхнюю часть реактора, в зону разбавленной фазы (DP) реактора, и втекают вниз в верхнюю часть газового холодильника 20, где газы охлаждаются. Охлажденный газ, который все еще содержит взвешенные или увлеченные частицы катализатора, выходит через основание или нижнюю часть холодильника 20, проходит через ресивер 24 и поступает в циклон 100 первой ступени. На фиг.1, для упрощения, показана только одна группа из трех последовательно включенных циклонов. Однако следует иметь в виду, что ресивер 24 может иметь множество таких циклонов или соединенных с ним последовательно включенных циклонов. Частицы катализатора, отделенные при помощи циклона 100, возвращаются в участок плотного слоя реактора через погружную ветвь 105. Отходящий газ, который содержит акрилонитрил в виде продукта и другие продукты и газообразные реагенты, выходит из циклона 100 и входит в циклон 110 второй ступени через трубопровод 111. Частицы катализатора, отделенные при помощи циклона 110, возвращаются в участок плотного слоя реактора через погружную ветвь 115. Отходящий газ, который содержит акрилонитрил в виде продукта и другие продукты и газообразные реагенты, выходит из циклона 110 и входит в циклон 120 третьей ступени через трубопровод 121. В циклоне 120 третьей ступени все или главным образом все оставшиеся частицы катализатора, увлеченные смесью или взвешенные в смеси, содержащей продукт и газообразные реагенты, отделяются и возвращаются в участок плотного слоя реактора через погружную ветвь 125. Газы, которые содержат акрилонитрил в виде продукта и другие продукты и газообразные реагенты, выходят из циклона 120 третьей ступени и поступают на выпуск 130 продукта. Несмотря на то что плотный слой катализатора и не показан на фиг.1, стрелками показано протекание реагента и газообразных продуктов сначала с увлеченными частицами катализатора, а затем без них. Так, например, стрелкой 140 показано движение вверх реагента и газообразных продуктов через зону DB реактора, а стрелками 142 и 144 показано движение вверх реагента и газообразных продуктов, содержащих взвешенные или увлеченные частицы катализатора, через зоны DZ и DP выделения и разбавленной фазы соответственно и прохождение наружу из газового холодильника 20. В зоне выделения DZ реагент и газообразные продукты, которые содержат взвешенные или увлеченные частицы катализатора, снижают скорость, что позволяет отделять часть частиц катализатора от газа. Стрелками 146 показан поворот направления реагента и продуктовой газовой смеси, все еще содержащей некоторую долю взвешенных или увлеченных частиц катализатора, так что после поворота газ течет вниз. Стрелками 148 и 150 показано соответственно протекание смеси реагента, и газообразных продуктов, и взвешенных или увлеченных частиц катализатора через газовый холодильник 20 и в ресивер 24. Горизонтальные стрелки в трубопроводах 101, 111 и 121 показывают протекание реагента и газообразных продуктов через циклоны 100, 110 и 120, а стрелкой 160 показано направление протекания смеси реагента и газообразных продуктов после отделения взвешенных частиц катализатора от газов, выходящей из реакторного устройства 1 через выпускную трубу 130 с фланцами. Направленные вниз стрелки в циклонах 100, 110 и 120 показывают направление прохождения частиц катализатора, отделенных в газовых циклонах 100, 110 и 120. Стрелками 161, 162 и 164 показано движение вниз отделенных частиц катализатора в погружных ветвях 105, 115 и 125. Циклон 100 первой ступени в ряду последовательно включенных циклонов преимущественно имеет больший размер, чем другие циклоны в ряду последовательно включенных циклонов, таких как циклоны 110 и 120. Циклон 100 первой ступени в ряду последовательно включенных циклонов преимущественно имеет больший размер для того, чтобы он мог осуществлять основную часть операции отделения катализатора. Аналогично погружная ветвь первого циклона преимущественно имеет больший размер поперечного сечения, например больший диаметр, чем погружные ветви других циклонов в ряду последовательно включенных циклонов, чтобы пропускать большее количество частиц катализатора. Стрелкой 170 показано направление течения среды теплопередачи или охлаждающего флюида, поступающего в трубу 22 с фланцами и в оболочку газового холодильника 20. Стрелками 122 показан предпочтительный путь в виде витков охлаждающего флюида, когда он проходит внутри кожуха газового холодильника 20, а стрелкой 174 показано направление течения охлаждающего флюида, когда он выходит из газового холодильника через трубу 23 с фланцами.
На фиг.6-11 схематично показаны упрощенные примеры вариантов реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.6 схематично показан упрощенный реактор фиг.1 за исключением того, что показаны две группы последовательно включенных циклонов и отдельный газовый выпуск продукта для второго комплекта последовательно включенных циклонов. На фиг.6 показан реактор 600, который имеет оболочку 610, зону плотного псевдоожиженного слоя катализатора, показанную скобкой 615 (для ясности слой катализатор не показан), устройство 618 теплопередачи, предназначенное для регулирования температуры псевдоожиженного слоя катализатора, впуски 620 и 625 газообразного реагента, предназначенные, например, для подачи содержащего кислород газа и аммиака в реактор, систему распределения газов 622 и 627, предназначенную, например, для распределения содержащего кислород газа и аммиака, впуск 630 газообразного реагента, предназначенный, например, для добавления пропана в реактор, устройство 635 для отделения катализатора, например, в виде циклонов, газовый холодильник 640, например, одноходный, кожухотрубный холодильник, имеющий впускную трубу 612 и выпускную трубу 614 для обеспечения циркуляции охлаждающего флюида через газовый холодильник, ресивер 642, причем стрелками 645 показан путь протекания смеси продукта и, если они есть, газообразных реагентов с взвешенными или увлеченными частицами катализатора и, после прохождения через устройство для отделения катализатора, без взвешенных или увлеченных частиц катализатора, причем газообразный продукт или продукты выходят через трубы 650, при этом реактор имеет также решетку 660 и погружные ветви 670 для возврата частиц катализатора в псевдоожиженный слой катализатора.
Элементы реакторного устройства, показанные на фиг.7-11, несмотря на то что они не имеют позиционных обозначений, соответствуют показанным на фиг.6. Все реакторные устройства, показанные на фиг.6-11, имеют вертикальное положение.
На фиг.7 показан вариант реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением, аналогичный реактору, показанному на фиг.6, за исключением того, что показанный на фиг.7 реактор не имеет расширения в средней секции 705 относительно нижней секции или зоны DB. Для такой же химической реакции и условий реакции, таких как давление, температура и скорости протекания реагента и газообразных продуктов, реакторное устройство, показанное на фиг.7, может иметь диаметр зоны плотной фазы и зоны выделения, который ориентировочно равен диаметру расширенной средней секции или зоны выделения реакторного устройства, показанного на фиг.6. Для таких реакторов скорости смеси, содержащей продукт и, если они есть, газообразные реагенты, а также увлеченные частицы катализатора, входящей в зону разбавленной фазы, будут близкими друг к другу, так же как и количество взвешенных или увлеченных частиц катализатора.
На фиг.8 показан вариант реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением, аналогичный реакторному устройству, показанному на фиг.7, за исключением того, что показанный на фиг.8 реактор имеет верхнюю секцию 802 оболочки с большей пропорцией диаметра относительно диаметра средней секции 805, причем реактор содержит змеевик 810 охлаждения, такой как, например, змеевик охлаждения с луженой трубой, имеющей впускную трубу 812 и выпускную трубу 814 для охлаждающего флюида, циркулирующего по змеевику. Змеевик охлаждения используют как газовый холодильник, например, в дополнение к кожухотрубному газовому холодильнику, который используют для охлаждения смеси продукта и, если они есть, газообразных реагентов, содержащих взвешенные или увлеченные частицы катализатора, ранее выделения частиц катализатора из смеси газа или газов и частиц катализатора.
На фиг.9 показан вариант реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением, аналогичный реакторному устройству, показанному на фиг.8, за исключением того, что змеевик охлаждения и одноходный газовый холодильник заменены двухходовым газовым холодильником 910, таким как двухходовой кожухотрубный холодильник. В двухходовом холодильнике смесь, содержащая продукт и, если они есть, газообразные реагенты, содержащие взвешенные или увлеченные частицы катализатора, проходит через двухходовой холодильник, когда смесь поднимается вертикально вверх в реакторе, и затем проходит через холодильник еще раз, когда она опускается вниз, как это показано стрелками на фиг.9. Двухходовой холодильник 910 имеет впускную трубу 912 и выпускную трубу 914 для охлаждающего флюида, циркулирующего через холодильник.
На фиг.10 показан еще один вариант реакторного устройства в соответствии с настоящим изобретением, имеющего одноходный, с восходящим потоком газовый холодильник 1010, такой как, например, одноходный, с восходящим потоком кожухотрубный газовый холодильник. В этом варианте смесь, содержащая продукт и, если они есть, газообразные реагенты, а также взвешенные или увлеченные частицы катализатора, проходит через газовый холодильник 1010 с восходящим потоком, когда смесь движется в направлении вверх внутри реактора. После выхода из холодильника смесь входит в устройство для отделения катализатора, такое как последовательно включенные циклоны 1015, через отверстия 1020 в циклоне первой ступени ряда последовательно включенных циклонов. После прохождения через последовательно включенные циклоны смесь продукта и, если они есть, газообразные реагенты, входит в ресивер 1025 ранее выхода из реактора через трубу 1030. Одноходный, с восходящим потоком холодильник 1010 имеет впускную трубу 1012 и выпускную трубу 1014 для охлаждающей жидкости или другого подходящего флюида, циркулирующих через холодильник.
На фиг.11 показан вариант реактора в соответствии с настоящим изобретением, аналогичный реактору, показанному на фиг.8, за исключением того, что он не имеет змеевика охлаждения 810 и содержит "черновое (rough-cut)" устройство 1010 для отделения катализатора, такое как, например, циклоны. Черновое устройство для отделения используют для выделения части катализатора из смеси, содержащей продукт и, если они есть, газообразные реагенты, а также содержащей взвешенные или увлеченные частицы катализаторы. Таким образом, черновое устройство для отделения катализатора может осуществлять такое же или аналогичное выделение частиц катализатора из такой смеси газов, что и расширенная зона выделения в реакторах, показанных на фиг.1 и 6. В реакторе фиг.11 смесь, содержащая продукт и, если они есть, газообразные реагенты, а также содержащая взвешенные или увлеченные частицы катализатора, поступает на впуск 1115 циклонов 1110. Отделенные частицы катализатора возвращаются в слой или зону плотной фазы катализатора через погружную ветвь, соединенную с циклонами 1110. Смесь, содержащая продукт и, если они есть, газообразные реагенты, которая теперь содержит пониженное количество взвешенных или увлеченных частиц катализатора, входит в верхнюю секцию 1102 реактора через пластину 1120. Пластина 1120 изолирует верхнюю секцию 1102 реактора от остальной части реактора и не позволяет смеси, содержащей продукт и, если они есть, газообразные реагенты, а также взвешенные или увлеченные частицы катализатора, входить в верхнюю секцию реактора кроме как через циклоны 1110 или через перепускной клапан 1130, если он находится в открытом положении. Перепускной клапан 1130 может быть использован для регулирования количества смеси продукта и, если они есть, газообразных реагентов, а также взвешенных или увлеченных частиц катализатора, когда смесь проходит через циклоны 1110.
Несмотря на то что реакторное устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть использовано для аммоксидирования пропана, чтобы образовать акрилонитрил, и было описано со ссылкой на такое использование, следует иметь в виду, что такое использование не является ограничительным, причем предложенное реакторное устройство может быть использовано для проведения и других химических реакций конверсии. Например, оно может быть использовано для конверсии других углеводородов как насыщенных, таких как пропан, n-бутан или изобутан, так и не насыщенных, таких как пропилен или изобутилен, в соответствующие насыщенные нитрилы, то есть в акрилонитрил или метакрилонитрил. Оно также может быть использовано, например, для окисления бензола или бутана в малеиновый ангидрид, для каталитического крекинга сырой нефти, чтобы получить бензин и другие углеводороды, для коксования шлама, газификации коксового остатка, а также для проведения других подобных катализированных химических реакций конверсии.
Несмотря на то что были описаны только некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что специалистами в данной области могут быть внесены в него изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки формулы изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| РЕАКТОР С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ КАТАЛИЗАТОРА, РЕАКТОРНО-РЕГЕНЕРАТОРНЫЙ БЛОК, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОЛЕФИНОВ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ | 2015 |
|
RU2695656C2 |
| СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ РЕАКЦИЙ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ И АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2001 |
|
RU2257374C2 |
| РЕАКТОР С ЦИРКУЛИРУЮЩИМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ С УЛУЧШЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ | 2011 |
|
RU2520487C2 |
| АППАРАТ И ПРОЦЕСС ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ ОТ КАТАЛИЗАТОРА | 2020 |
|
RU2782503C1 |
| РАЗБРЫЗГИВАТЕЛЬ ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ КИСЛОРОДА В РЕАКТОР С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ | 2000 |
|
RU2238139C2 |
| СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ ИЗ ГАЗООБРАЗНЫХ РЕАГЕНТОВ | 1998 |
|
RU2190588C2 |
| УПРАВЛЕНИЕ УСТАНОВКОЙ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ОТХОДОВ | 2017 |
|
RU2732137C2 |
| СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ДЕГИДРИРОВАНИЯ | 2014 |
|
RU2665480C1 |
| СЕПАРАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАКТОРА С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ КАТАЛИЗАТОРА, РЕАКТОРНО-РЕГЕНЕРАТОРНЫЙ БЛОК, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОЛЕФИНОВ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ | 2015 |
|
RU2696775C2 |
| УПРАВЛЕНИЕ РЕАКТОРОМ АММОКСИДИРОВАНИЯ | 2017 |
|
RU2732570C2 |
Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для проведения химических реакций в псевдоожиженном слое катализатора при высоких температурах и в газовой фазе с пониженным выгоранием или иными нежелательными побочными реакциями. В зоне плотного слоя реакторного устройства на решетке реакторного устройства находится слой порошкового катализатора. Над решеткой расположена система распределения газа. Зона выделения катализатора расположена над зоной плотного слоя. Зона разбавленной фазы расположена над зоной выделения. Внутри зоны разбавленной фазы размещен газовый холодильник. Внутри реакционного сосуда расположено устройство для отделения катализатора и средство для возврата отделенного катализатора в зону плотного слоя. Изобретение обеспечивает снижение степени неконтролируемого окисления и уменьшение потерь продуктов и исходных материалов. 17 з.п. ф-лы, 11 ил.
1. Реакторное устройство, которое содержит
реакционный сосуд с куполовидной, полусферической или эллиптической крышкой, верхним участком,
зону плотного слоя внутри реакционного сосуда, содержащую псевдоожиженный слой порошкового катализатора, решетку под псевдоожиженным слоем катализатора и систему распределения газа, расположенную над решеткой,
зону выделения катализатора внутри реакционного сосуда, расположенную над зоной плотного слоя,
зону разбавленной фазы внутри реакционного сосуда, расположенную над зоной выделения,
газовый холодильник, расположенный, по меньшей мере, частично внутри зоны разбавленной фазы,
устройство для отделения катализатора, расположенное внутри реакционного сосуда,
средство для возврата катализатора, отделенного в устройстве для отделения катализатора, в зону плотного слоя,
по меньшей мере, один газовый впуск для газообразного реагента, расположенный под решеткой, расположенной внутри конического основания реакционного сосуда,
по меньшей мере, один газовый впуск для подачи газообразного реагента,
по меньшей мере, одну систему распределения газа, расположенную над решеткой, и
по меньшей мере, один газовый выпуск, по меньшей мере, для одного газообразного продукта, расположенный около зоны разбавленной фазы.
2. Реакторное устройство по п.1, в котором реакционный сосуд имеет круговое горизонтальное поперечное сечение.
3. Реакторное устройство по п.2, в котором верхняя часть реакционного сосуда имеет меньший диаметр нижней части.
4. Реакторное устройство по п.3, в котором зона выделения катализатора имеет больший диаметр, чем зона плотного слоя.
5. Реакторное устройство по п.1, в котором газовый холодильник представляет собой кожухотрубный газовый холодильник.
6. Реакторное устройство по п.5, в котором газовый холодильник выбран из группы, в которую входят одноходный, с восходящим потоком кожухотрубный газовый холодильник; одноходный, с нисходящим потоком кожухотрубный газовый холодильник; двухходовой кожухотрубный газовый холодильник, или любая их комбинация.
7. Реакторное устройство по п.6, в котором газовый холодильник является двухходовым.
8. Реакторное устройство по п.1, в котором устройство для отделения катализатора выбрано из группы, в которую входят фильтр, мембрана, сито, циклон, или любая их комбинация.
9. Реакторное устройство по п.1, в котором устройство для отделения катализатора содержит циклон.
10. Реакторное устройство по п.1, в котором устройство для отделения катализатора содержит, по меньшей мере, одну группу установленных последовательно циклонов, расположенных внутри реакционного сосуда.
11. Реакторное устройство по п.1, в котором решетка содержит слой изоляционного материала.
12. Реакторное устройство по п.1, в котором система распределения газа содержит, по меньшей мере, одну коллекторную трубу, множество распределительных труб, соединенных, по меньшей мере, с одной коллекторной трубой, и множество выпускных труб, соединенных, соответственно, с каждой из распределительных труб, причем газ, направляемый в коллекторную трубу, протекает в распределительные трубы, а затем в выпускные трубы и вытекает из них.
13. Реакторное устройство по п.9, в котором, по меньшей мере, одна коллекторная труба является изолированной.
14. Реакторное устройство по п.1, в котором система распределения газообразного реагента содержит, по меньшей мере, одну коллекторную трубу, множество распределительных труб, соединенных, по меньшей мере, с одной коллекторной трубой, и множество выпускных труб, соединенных, соответственно, с каждой из распределительных труб, причем газ, направляемый в коллекторную трубу, будет протекать в распределительные трубы, а затем в выпускные трубы и вытекать из них, при этом выпускные трубы имеют первый конец, соединенный с распределительной трубой, и второй, противоположный, конец, причем, по меньшей мере, часть вторых концов выпускных труб расположена над отверстиями в решетке и, по меньшей мере, часть вторых концов выпускных труб расположена на удалении от отверстий в решетке.
15. Реакторное устройство по п.14, в котором выпускные трубы, которые имеют вторые концы, расположенные над отверстиями, и выпускные трубы, которые имеют вторые концы, расположенные на удалении от отверстий, соединены с раздельными распределительными трубами.
16. Реакторное устройство по п.15, в котором раздельные распределительные трубы соединены с раздельными коллекторными трубами.
17. Реакторное устройство по п.1, которое дополнительно имеет пространство внутри реакционного сосуда, расположенное под решеткой, и газовый впуск для подачи газа в указанное пространство.
18. Реакторное устройство по п.1, в котором зона плотного слоя и псевдоожиженный слой катализатора в ней, решетка, система распределения газа, зона выделения, зона разбавленной фазы, газовый холодильник, устройство для отделения катализатора, газовый впуск под решеткой и газовый выпуск, расположены внутри реакционного сосуда таким образом, что газ, содержащий, по меньшей мере, один газообразный реагент, который входит в реакционный сосуд из местоположения под решеткой, может проходить вверх через отверстия в решетке и вызывать флюидизацию слоя катализатора, причем указанный газ содержит, по меньшей мере, один компонент газообразного реагента, который поступает в реакционный сосуд через систему распределения газа, и может вызывать флюидизацию слоя катализатора, при этом первая смесь, содержащая, по меньшей мере, один компонент газообразного продукта и увлеченные частицы катализатора, образованная в псевдоожиженном слое, может подниматься вверх из псевдоожиженного слоя и поступать в зону выделения, откуда часть содержащихся в смеси увлеченных частиц катализатора может возвращаться в псевдоожиженный слой, в результате чего образуется вторая смесь, содержащая, по меньшей мере, один компонент газообразного продукта и увлеченный катализатор, в количестве, меньшем чем в первой смеси, причем вторая смесь может проходить через газовый холодильник для ее охлаждения до более низкой температуры, при этом вторая смесь может проходить затем в устройство для отделения катализатора, где увлеченный катализатор может быть отделен для возврата в псевдоожиженный слой катализатора, в результате чего образуется третья смесь, содержащая, по меньшей мере, один газообразный продукт, причем третья смесь может выходить из реакторного устройства через газовый выпуск.
| US 4158036 А, 12.06.1979 | |||
| Способ распределения подачи низкокалорийного топлива между тепловыми агрегатами | 1980 |
|
SU937899A1 |
| GB 2075360 А, 18.11.1981 | |||
| Устройство для автоматической сварки вертикальных швов | 1969 |
|
SU446379A2 |
| GB 1121909 A, 31.07.1968 | |||
| Фазовый детектор | 1983 |
|
SU1202017A1 |
| Состав для защиты поверхности бетонных сооружений от коррозии | 1973 |
|
SU546677A1 |
| SU 1554202 A1, 20.06.1996. | |||
