ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР Российский патент 2011 года по МПК B01J8/02 

Область техники

В общем, изобретение относится к изотермическому реактору для проведения экзотермических или эндотермических гетерогенных реакций, содержащему:

- по существу цилиндрический наружный корпус (обечайку), имеющий продольную ось,

- по меньшей мере один слой катализатора, размещенный в корпусе и снабженный противолежащими перфорированными боковыми стенками, соответственно, для ввода газового потока реагентов и вывода газового потока, содержащего продукты реакции,

- теплообменный блок, который погружен в слой катализатора и через который проходит теплоноситель.

Реактор такого типа особенно подходит для проведения экзотермических или эндотермических химических реакций, проходящих, по существу, при постоянной температуре, то есть в условиях, когда температура реакции поддерживается в достаточно узком интервале вокруг заранее заданной величины.

В приведенном ниже описании и следующей далее формуле реактор этого типа описывается в терминах: псевдоизотермический реактор, или кратко, изотермический реактор.

Известно, что в технологии проведения экзотермического или эндотермического гетерогенного синтеза существует все возрастающая потребность в создании высокопроизводительных изотермических реакторов, которые, с одной стороны, просты в изготовлении, надежны и не требуют больших капитальных и эксплуатационных затрат, а с другой стороны, обеспечивают работу с малыми нагрузочными потерями, малым энергопотреблением и высокой эффективностью теплообмена между реагентами и теплоносителем.

Уровень техники

Для того чтобы удовлетворить эту потребность, в промышленности были предложены изотермические реакторы с радиальным слоем катализатора, содержащие, в качестве теплообменного блока для подвода или отвода тепла, большое число теплообменников пластинчатой или трубчатой конструкции, расположенных по радиусу относительно оси корпуса реактора, в один или более коаксиальных рядов.

Несмотря на определенные преимущества, упомянутые изотермические реакторы с радиальной конфигурацией обладают рядом недостатков, включая и то, что площадь катализатора между теплообменниками оказывается неоднородной из-за их радиального расположения.

В результате обмен теплом между газовым потоком, пересекающим слой катализатора, и теплоносителем в теплообменниках, не всегда оказывается оптимальным, особенно в той области слоя катализатора, где расстояние между смежными теплообменниками больше, а скорость пересечения слоя катализатора газовым потоком также оказывается неоднородной, поскольку скорость этого потока меняется в зависимости от того, меньше или больше сечение, по которому поток проходит сквозь слой катализатора.

Кроме того, в известных изотермических реакторах радиальная конфигурация теплообменников отличается сложностью конструкции и сборки.

Краткое изложение сущности изобретения

Таким образом, в основу настоящего изобретения положена задача создания изотермического реактора для проведения экзотермической или эндотермической гетерогенных реакций, в котором преодолены упомянутые выше недостатки известных изотермических реакторов с радиальной конфигурацией.

Эта задача решается изотермическим реактором, предназначенным для проведения экзотермических или эндотермических гетерогенных реакций, содержащим:

- по существу цилиндрический наружный корпус, имеющий продольную ось,

- по меньшей мере один слой катализатора, размещенный в корпусе и снабженный противолежащиими перфорированными боковыми стенками, соответственно, для ввода газового потока реагентов и вывода газового потока, содержащего продукты реакции, и

- теплообменный блок, который погружен в по меньшей мере один слой катализатора и через который проходит теплоноситель,

отличающийся тем, что теплообменный блок содержит по меньшей мере один ряд теплообменников, расположенных по существу параллельно друг другу и по существу параллельно направлению, в котором по меньшей мере один слой катализатора пересекается газовым потоком реагентов.

В предпочтительном варианте каждый теплообменник из по меньшей мере одного ряда теплообменников проходит в по меньшей мере одном слое катализатора вдоль направления, по существу параллельного оси корпуса.

В соответствии с одной особенностью настоящего изобретения теплообменники имеют по существу коробчатую конструкцию в основном удлиненной и плоской прямоугольной формы, у которой противолежащие длинные стенки параллельны оси корпуса, а противолежащие короткие стенки расположены перпендикулярно этой оси, при этом теплообменники также включают внутреннюю камеру, через которую должен проходить рабочий теплоноситель.

В соответствии с другой особенностью настоящего изобретения каждый теплообменник имеет по существу трубчатую конструкцию, причем каждая трубка вытянута в направлении, по существу перпендикулярном оси корпуса.

Преимущество настоящего изобретения состоит в простоте и эффективности создания изотермического реактора с высоким коэффициентом теплообмена, что обеспечивает высокие показатели в отношении продуктивности химической реакции и затрат энергии.

Действительно, в отличие от радиальной конфигурации известных изотермических реакторов в настоящем изобретении теплообменники расположены по существу параллельно друг другу, а это обеспечивает возможность создания однородных каталитических областей (т.е. с по существу постоянным сечением) между смежными теплообменниками для пересечения их газовым потоком с реагентами и с продуктами реакции в направлении, перпендикулярном оси корпуса, и частями, по существу параллельными друг другу.

Благодаря этому каждая часть газового потока, содержащего реагенты и продукты реакции, может осуществлять эффективный обмен теплом с соответствующим теплообменником по всему соответствующему сечению катализатора при пересечении слоя катализатора, что обеспечивает оптимальное распределение температуры внутри слоя катализатора даже в случае реакций с высоким выделением или поглощением тепла, в результате чего достигаются высокие показатели продуктивности химической реакции в слое катализатора и относительного энергопотребления.

Следует отметить, что параллельное расположение теплообменников, вместо радиального, позволяет частям упомянутого выше газового потока пересекать слой катализатора с практически одинаковой скоростью.

Более того, сечения, через которые в слое катализатора проходит газовый поток, содержащий реагенты и продукты реакции, могут быть сделаны меньше, чем в случае аналогичных радиальных конфигураций. В результате этот газовый поток пересекает слой катализатора с большей скоростью и с меньшими нагрузочными потерями, что позволяет сократить число и/или размер слоев катализатора, что упрощает конструкцию и процесс сборки изотермических реакторов, предложенных в изобретении, а также снижает стоимость обслуживания по сравнению с известными изотермическими реакторами.

Таким образом, благодаря настоящему изобретению возможно, например, вырабатывать аммиак, используя только один слой катализатора и не имея проблем, обусловленных слишком низкой скоростью прохождения слоя катализатора газами-реагентами, в то время как в известных изотермических реакторах с радиальной конфигурацией необходимо использовать несколько перекрывающихся слоев катализатора с тем, чтобы не допустить слишком низкой скорости пересечения газом-реагентом слоя катализатора с соответствующим низким коэффициентом теплообмена между газами-реагентами и теплообменниками. Таким образом, изотермический реактор для производства аммиака, предложенный в изобретении, имеет значительно более простую конструкцию по сравнению с аналогичным известным реактором, поскольку имеется возможность значительно сократить число соединений (например, с коллектором, с распределителем, и др.), необходимых для соединения различных слоев катализатора, а также для распределения теплоносителя по разным теплообменникам, погруженным в эти слои катализатора.

Другие свойства и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из приведенного ниже, со ссылками на приложенные чертежи, описания некоторых вариантов осуществления реактора, предложенного в изобретении, которые представлены для иллюстрации изобретения, не ограничивая его.

Краткое описание чертежей

на фиг.1 представлено схематическое изображение продольного сечения изотермического реактора для проведения экзотермических или эндотермических гетерогенных реакций в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.2 представлено схематическое изображение продольного сечения по линиям II-II изотермического реактора, показанного на фиг.1, и

на фиг.3 представлено схематическое изображение поперечного сечения по линиям III-III изотермического реактора, показанного на фиг.1.

Подробное описание изобретения

На упомянутых выше чертежах обозначение 1 относится в целом к предложенному в настоящем изобретении псевдоизотермическому химическому реактору, предназначенному для синтеза химических веществ, в частности аммиака.

Реактор 1 содержит цилиндрический корпус (обечайку) 2, имеющий продольную ось X, определенную с противоположных концов нижним и верхним днищами 3, 4. В приведенном на чертежах примере продольная ось Х расположена вертикально.

Внутри цилиндрического корпуса 2 расположен слой катализатора, имеющий, в целом, обозначение 6, закрепленный обычным способом, причем слой 6 катализатора ограничен с боков противолежащими перфорированными стенками 7 и 8, предназначенными для подведения газового потока реагентов и для отведения газового потока, содержащего реагенты и продукты реакции. Слой 6 катализатора также открыт сверху, то есть оборудован решетками, удерживающими катализатор и проницаемыми для газа, которые имеют обычную конструкцию и здесь не описываются. Уровень заполнения катализатором (не показан) слоя 6 катализатора условно обозначен линией 32.

В реакторе 1 также предусмотрены первый промежуток 9 между наружным корпусом 2 и перфорированной боковой стенкой 7 для распределения реагентов внутри слоя 6 катализатора, и второй промежуток 10 между цилиндрическим корпусом 2 и перфорированной боковой стенкой 8, выполняющий роль коллектора для смеси реагентов/продуктов реакции, выходящей из слоя 6 катализатора. Второй промежуток 10 также сообщается с выпускным каналом 25, а в верхнем основании 4 предусмотрен соответствующий проход (выходной патрубок 26) для отведения из реактора 1 смеси реагентов/продуктов реакции.

В соответствии с приведенным вариантом осуществления изобретения внутри слоя 6 катализатора предусмотрено размещение теплообменного блока, обозначенного в целом цифрой 12, содержащего большое число теплообменников 13, распределенных по трем последовательно установленным рядам, причем теплообменники каждого ряда в основном параллельны друг другу и расположены по существу параллельно направлению, в котором слой 6 катализатора пересекается газовым потоком реагентов.

В частности, в соответствии с данным вариантом осуществления изобретения, теплообменники 13 имеют по существу коробчатую конструкцию в основном удлиненной и плоской прямоугольной формы (форму пластин), у которой противолежащие длинные стенки 13а параллельны оси Х корпуса, а противолежащие короткие стенки 13b и 13с, соответственно верхняя и нижняя, расположены перпендикулярно оси X.

Хотя это и не показано, однако очевидно, что теплообменники 13 могут иметь и трубчатую конструкцию, вместо описанной выше пластинчатой конструкции, для удовлетворения конкретным условиям и требованиям.

В этом случае каждая трубка, образующая теплообменник 13, в предпочтительном варианте проходит в направлении, по существу перпендикулярном оси Х корпуса 2.

Более того, число рядов теплообменников 13, при необходимости, может быть изменено в соответствии с конкретными условиями и требованиями.

Возвращаясь к описанным выше теплообменникам 13 пластинчатой конструкции, следует отметить, что каждый из них включает внутреннюю камеру, предназначенную для прохождения сквозь нее рабочего теплоносителя, а также впускной штуцер 15 и выпускной штуцер 16 для рабочего теплоносителя, причем эти штуцеры расположены, в приведенном на чертеже примере, на одной короткой стороне (верхняя короткая сторона 13b) теплообменников 13.

Теплообменники 13 ряда, ближайшего к перфорированной стенке 7, предназначенной для введения газов в слой 6 катализатора, сообщаются через впускные штуцеры 15 с распределителем 19 теплоносителя, а через выпускные штуцеры 16 с коллектором-распределителем 20 теплоносителя. Теплообменники 13 ряда, ближайшего к перфорированной стенке 8, предназначенной для отведения газов от слоя 6 катализатора, сообщаются через впускные штуцеры 15 с коллектором-распределителем 20 теплоносителя, а через выпускные штуцеры 16 - с коллектором 21 теплоносителя. Теплообменники 13 промежуточного ряда, в свою очередь, сообщаются через впускные и выпускные штуцеры 15 и 16, соответственно, с коллектором-распределителем 20.

Более конкретно, каждый коллектор-распределитель 20 через посредство соответствующих штуцеров 16 собирает теплоноситель от теплообменников 13 какого-либо ряда с тем, чтобы ввести его через соответствующие штуцеры 15 в теплообменники 13 следующего ряда.

Распределитель 19, коллекторы-распределители 20 и коллектор 21, каждый в свою очередь, сообщаются с соответствующими каналами 22, 23 и 24 для введения в них потока газов-реагентов, вводимых в реактор 1 через соответствующие проходы (патрубки 27, 28 и 29 соответственно), предусмотренные в верхнем днище 4. Кроме того, коллектор 21 сообщается со слоем 6 катализатора посредством выпускного канала 30.

В представленном варианте осуществления эти потоки газов-реагентов выполняют функцию рабочего теплоносителя внутри теплообменников 13.

В соответствии с альтернативными вариантами осуществления настоящего изобретения, не приведенными в настоящем описании, штуцеры 15, 16 и соответствующие коллекторы 19, 20 и 21 могут иметь другое расположение, с разных сторон теплообменников 13 с тем, чтобы рабочий теплоноситель протекал через них в противоток с потоком газов-реагентов внутри слоя 6 катализатора либо в некоторых теплообменниках 13 протекал в одном направлении (как показано на чертежах), а в других теплообменниках - в противоток. Более того, можно предусмотреть большое число независимых линий подвода рабочего теплоносителя к теплообменникам 13, которые будут, таким образом, запитываться параллельно.

Также следует отметить, что в настоящем изобретении можно выделить область 26 в слое 6 катализатора без теплообменников 13, расположенную вблизи перфорированной стенки 7 для впуска газов-реагентов. Наличие вблизи перфорированной стенки 7 адиабатической области 26 без теплообмена, в которой реакция между газами-реагентами по существу возникает при их входе в слой 6 катализатора, может оказаться важным в некоторых ситуациях, например, когда теплообмен между газами-реагентами, между которыми начинается реакция в слое катализатора, и теплоносителем в теплообменниках может нарушить правильное развитие начавшейся реакции.

Газовые потоки, протекающие внутри реактора 1 на фиг.1-3, имеет общее обозначение fg.

Что касается работы изотермического реактора 1, то поток газов-реагентов непрерывно подается в реактор 1 через патрубок 27 в верхнем днище 4, откуда он поступает к теплообменникам 13 ряда, ближайшего к перфорированной впускной стенке 7 слоя 6 катализатора по подводящему каналу 22, распределителю 19 и штуцерам 15 теплообменников 13.

Поток газов-реагентов далее пересекает теплообменники 13 ряда, ближайшего к перфорированной впускной стенке 7 слоя 6 катализатора, где он выполняет роль теплоносителя для потока газов-реагентов, входящих в слой 6 катализатора, и далее подлежит сбору через штуцеры 16 теплообменников 13 и отведению в коллектор-распределитель 20.

В коллекторе-распределителе 20 поток газов-реагентов, собранных теплообменниками 13 ряда, ближайшего к перфорированной впускной стенке 7, смешивается с новым "свежим" потоком газов-реагентов, поступающим из подводящего канала 23, причем этот "свежий" поток реагентов непрерывно вводится в реактор 1 через входной патрубок 28 в верхнем днище 4.

Полученная в результате смесь газов-реагентов далее подается в теплообменники 13 следующего ряда (промежуточный ряд) сквозь соответствующие штуцеры 15 для осуществления обмена теплом, а оттуда, тем же способом, что был описан выше, в следующий ряд теплообменников 13, то есть в ряд, ближайший к перфорированной выпускной стенке 8 слоя 6 катализатора.

Как показано в на фиг.1, представляющей предпочтительный вариант осуществления, в каждом проходе от ряда теплообменников 13 к следующему ряду поток газов-реагентов, выходящий из ряда теплообменников 13, смешивается (охлаждается в случае экзотермической реакции или нагревается в случае эндотермической реакции) в соответствующем коллекторе-распределителе 20 со "свежим" потоком газов-реагентов, подаваемых в этот коллектор-распределитель 20 по подводящему каналу 23.

Поток газов-реагентов, выходящий из последнего ряда теплообменников 13 через соответствующие штуцеры 16, собирается коллектором 21, где он, в предпочтительном варианте, дополнительно смешивается со "свежим" потоком газов-реагентов, поступающих из подводящего канала 24, причем этот дополнительный "свежий" поток реагентов вводится в реактор 1 через входной патрубок 29, предусмотренный в верхнем днище 4,

Полученная таким образом смесь выходит из коллектора 21 через выпускной канал 30 (стрелки fg) и вводится в пространство 31 внутри реактора 1, расположенное над слоем 6 катализатора, и отсюда диффундирует (меньшая часть) непосредственно в слой 6 катализатора или поднимается (большая часть) по промежутку 9 и, проходя сквозь перфорированную стенку 7, диффундирует в слой 6 катализатора. Учитывая это, согласно показанному на чертежах примеру, слой 6 катализатора открыт сверху, а у перфорированных боковых стенок 7 и 8 верхние части непроницаемы для газа с тем, чтобы газы-реагенты пересекали слой 6 катализатора, двигаясь по существу в осевом-радиальном направлении.

В соответствии с настоящим изобретением благодаря по существу параллельному расположению теплообменников 13 в соответствующих рядах газовый поток газов-реагентов пересекает слой 6 катализатора в направлении, перпендикулярном продольной оси Х корпуса 2, и, частично, по существу параллельными друг другу. Иллюстрацией служит траектория движения газов-реагентов внутри слоя 6 катализатора, показанная на фиг.1 и 3.

В частности, каждая параллельная часть газового потока газов-реагентов, после того, как она пересекла область 26 начала реакции в по существу адиабатических условиях, продолжает движение в слое 6 катализатора вдоль каталитического слоя с неизменной площадью сечения между смежными теплообменниками соответствующего ряда, что обеспечивает высокую эффективность теплообмена с теплоносителем (поток газов-реагентов), находящимся внутри теплообменников 13 без излишних нагрузочных потерь. В результате достигается более высокая продуктивность преобразования реагентов в продукты реакции, а также снижение относительного энергопотребления.

Таким образом, образуется газовая смесь, содержащая реагенты и продукты реакции, которая, выходя из слоя 6 катализатора сквозь перфорированную стенку 8, собирается в зазоре 10, выполняющем функцию коллектора, а отсюда отводится из реактора 1 через выпускной канал 25 и соответствующий выходной патрубок 26 на верхнем днище 4.

В представленном таким образом изобретении специалистом могут быть без труда сделаны модификации и изменения, которые охватываются областью притязаний, определяемой приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к изотермическому реактору для проведения экзотермических или эндотермических гетерогенных реакций. Изотермический реактор содержит цилиндрический наружный корпус, имеющий продольную ось, слой катализатора, размещенный в корпусе и снабженный противолежащими перфорированными боковыми стенками для ввода газового потока реагентов и вывода газового потока продуктов реакции и теплообменный блок, погруженный в слой катализатора и предназначенный для пропуска через него теплоносителя. Слой катализатора ограничен по краям противолежащими перфорированными боковыми стенками, причем между корпусом и этими боковыми стенками образованы первый и второй промежутки. Теплообменный блок содержит ряд теплообменников, расположенных параллельно друг другу и параллельно направлению, в котором слой катализатора пересекается газовым потоком реагентов. Преимущество изобретения состоит в простоте и эффективности создания изотермического реактора с высоким коэффициентом теплообмена, что обеспечивает высокие показатели продуктивности химической реакции и затрат энергии. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Изотермический реактор (1) для проведения экзотермических или эндотермических гетерогенных реакций, содержащий, по существу, цилиндрический наружный корпус (2), имеющий продольную ось (X), по меньшей мере один слой (6) катализатора, размещенный в корпусе (2) и снабженный противолежащими перфорированными боковыми стенками (7, 8), соответственно для ввода газового потока реагентов и вывода газового потока, содержащего продукты реакции, и теплообменный блок (12), погруженный в указанный по меньшей мере один слой (6) катализатора и предназначенный для пропуска через него теплоносителя, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один слой (6) катализатора ограничен по краям противолежащими перфорированными боковыми стенками (7, 8), причем между корпусом (2) и этими перфорированными боковыми стенками (7, 8) образованы первый и второй промежутки (9, 10), а теплообменный блок (12) содержит по меньшей мере один ряд теплообменников (13), расположенных, по существу, параллельно друг другу и, по существу, параллельно направлению, в котором указанный по меньшей мере один слой (6) катализатора пересекается газовым потоком реагентов.

2. Изотермический реактор (1) по п.1, отличающийся тем, что каждый из указанного по меньшей мере одного ряда теплообменников (13) проходит в по меньшей мере одном слое (6) катализатора вдоль направления, по существу параллельного продольной оси (X) корпуса.

3. Изотермический реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что теплообменники (13) имеют, по существу, коробчатую конструкцию в основном удлиненной и плоской прямоугольной формы, у которой противолежащие длинные стенки (13а) параллельны продольной оси (X) корпуса, а противолежащие короткие стенки (13b, 13с) расположены перпендикулярно этой оси, при этом теплообменники (13) также имеют внутреннюю камеру, предназначенную для направления через нее рабочего теплоносителя.

4. Изотермический реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что теплообменники (13) имеют, по существу, трубчатую конструкцию, причем каждая трубка вытянута в направлении, по существу, перпендикулярном продольной оси (X) корпуса.