Способ проведения химической реакции и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК B01J19/12 

Изобретение относится к технике псевдоожижения зернистых слоев и может найти применение в химической промышленности, в частности для проведения реакции синтеза СО + Hj на железном., никелевом или кобальтовом катсшизаторах, а также в сушильном деле.

Известен способ магнитной стабилизации псевдоожиженного слоя ферромагнитных частиц, заключающийся в наложении на такой слой непрерывного магнитного поля, переменного или постоянного Cl 3Недостаток данного способа состоит в том, что в нем по сравнению собычным псевдоожиженным слоем многократно снижается температуропроводность, что снижает интенсивность проведения реакции синтеза СО .+ 2, сопровождаемое значительным выделением тепла, поскольку при полном или;, частичном торможений частиц слоя уменьшается как подвод к нему, так и отвод |ИЭ него тепла. Причем при значительной неоднородности магнитного поля по мере увеличения его напряженности сопротивление слоя уменьшается и структура его неодинакова по объему: там, где напряженность выше час1иц,сцепливаясь между собой образуют конгломераты (,крупные флокулы ), а где она ниже процесс магнитной флокуляции может лишь только начинаться ИЛИ отсутствовать. Кроме того, в случае бинарного слоя ферромагнитных и немагнитных частиц через некоторое время после вклю-чения магнитного поля начинается процесс сепарации фер10ромагнитных флокул конгломератов ) из сцепленных между собой ферромагнитных частиц.

Известен аппарат с ферромагнитным псевдоожиженным слоем, в котором

15 реализуется предлагаемый cnocOi6, содержащий корпус со слоем ферромагнитной насадки и соленоид, охватываюдий корпус; газ подается в слой через Полые пластины с щелями, соединен20ные в нижней части корпуса с общим коллектором, между которыми размещены патрубки, отводящие насадку на регенерацию, охваченные в нижней части соленоидом с расположенной

25 под ним наклонной ферромагнитной плас тиной, выполненной в виде элемента наружного магнитопровода данного ; соленоида .21,

Недостаток этого аппарата в том,

30 что он снабжен специальным устройстBOM для изменения скорости фильтрации по заданной программе, в то же время при наличии такого устройства необходимо реишть, каким образом обеспечить непрерывно.сть работы аппа рата в оптимальном режиме при заданной производительности, без снижения- ее во времени. Цель изобретения - интенсификация процесса за счет увеличения скорости фильтрации газового потока через псевдоожиженный слой ферромагнитных частиц при его электромагнитной стабилизации.. Поставленная цель достигается тем что согласно способу проведения химической реакции путем подачи газа в виде восходящего потока в слой фер ромагнитных частиц до его псевдоожижения и наложения на псевдоожиженный слой ферромагнитных частиц периодически прерываемого однородного посто янного или переменного электромагнит ного поля, в интервалах между наложением электромагнитного поля подачу газа снижают до скорости начала псев доожи кения, которую увеличивают до начальной одновременно с наложением электромагнитного поля. . Известно.устройство для осуществления способа, содержащее реактор, выполненный в виде вертикального кор пуса с помещенным в него слоем фёррф магнитных частиц, электромагнитную катушку, охватывающую корпус, газораспределительное приспособление, размещенное в нижней части корпуса и выполненное в виде полых пластин со щелями, патрубки для отвода газа и ферромагнитных частиц, снабжено дополнительным реактором, уста.новленны параллельно основному, газоходами, соединенными своими верхними концами с газораспределительными приспо.соблениями реакторов, газораспределительными решетками, установленными в газоходах, дополнительными электро магнитными катушками, расположенными снаружи газораспределительных решето на газоходах, слоями ферромагнитных частиц, помещенных внутрь газоходов на газораспределительные решетки, и коллектором, соединяющим йижние конц газоходов. Дополнительно оно снабжено электронагревателями, размещенными внутри дополнительных электро.магнитных катушек. На чертеже изображен продольный разрез аппарата, в котором реализован способ получения псевдоожиженного слоя.. Аппарат состоит из параллельных вертикальных цилиндрических корпусов 1 и 2, охваченных соленоидами 3 и 4 с. внешними магнитопроводами 5 и 6. В нижней части корпусов 1 и 2 размещ ны газораспределительные решетки 7 и 8 в виде концентрических полых ребер iпластин ), связанных с коллекторами § и 10, Между ребрами решеток 7 и 8. имеются каналы для отвода частиц слоя на регенерацию. Скорость .отвода ферромагнитных частиц (катализатора ) 11 управляется электромагнитами 12 с токопроводящим листом 13, .напри-, мер,, выполненным из алюминиевого сплава, с. отверстиями, смещенными относительно каналов, отводящих катализатор 11. Под электромагнита.ми 12 размещены бункеры 14 для сброса катализатора с патрубками 15 для отвода его на регенерацию. Газ и коллекторы 9 .и 10. поступают из коллектора 16, газоходы 17 и 18, секционирован-, ные решетками 19, на которых размеще,на шаровая насадка 20., выполненная из 1агнитомягкого материала, слои которой о.хвачены электромагнитными обмотками 21 .с. магнитопроводами 22. Газоходы 17 и 18 снабжены также элек.тронагре:вателями 23 для дополнительного подогрева газа, представляющимикороткозамкнутые токопроводящие контуры., . -.. . Аппарат работает следующим обра3 ом. . При псевдоожижении слоев ферромагнитных частиц 11 в корпусах 1 и 2 восходящим потоком газа, подаваемым через коллектор 16/ газоходы 17 и 18,. коллекторы 9 и 10, газораспределительные решетки. 7 и 8 и наложении на эти слои постоянных магнитных полей соленоидов 3 и 4, достигается матнитная стабилизация псевдоожижения, характеризующаяся полным отсутствием в слое газовых пузырей. Соленоиды 3 и 4 создают однородное магнитное поле, для чего -число витков их у нижHei:o и верхнего оснований повышенное; чтобы компенсировать падение напряженности магнитного поля, вследствие повышенного там рассеивания магнитного потока. В качестве газа используергся . смесь газов СО и- H . Э.та смесь получае:тся в результате пропускания через раскаленный уголь водяного пара, на предшедствующей стадии технологического процесса. При этом поглощается значительное количество тепла и газовая смесь нагревается до 250°С. В предлагаемом аппарате идет реакция синтеза 2СО + 2 СО2 + + 59 ккал. Благодаря тому, что в слое нет газовых пузырей 100%-ная конверсия получается уже при высоте всевдоожиженного слоя 20 см. Однако в связи со значительным выделением тепла слой может перегреваться, а это ведет к термической деструкции с уменьшением выхода целевых продуктов. Например, при возрастании температуры газов до 1000°С имеет место полная обратимость реакции: СО2+ 59 ккал 2СО + Hg; при температурах, меньших 1000°С реакция будет частично обратимой, но при Т 250-300°С реакция уже необратима. Для поддержания заданной температуры () необходимо отводить тепло из слоя, но внешний теплообме слоя с магнитной стабилизацией всев доожижения вследствие неподвижности ферромагнитных частиц имеет очень низкую интенсивность. Поэтому для интенсификации отвода тепла из слоя магнитов поле прерывают,слой кратк временно перемешивается, но из-за кратности промежутка времени между импульс.ами не успевают развиться крупные газовые пузыри - неоднородность сдоя. Слой при этом дополнительно расширяется, контакты между частицами разрушаются. При повторном наложении магнитного поля упоря доченная структура слоя формируется при гораздо более низких скоростях фильтрации по сравнению со случаем, ;когда магнитное поле действует постоянно,. а скорость фильтрации расте Поскольку при перемешивании в те.чение 2-Зс высота слоя колеблется, магнитное поле фактически фиксирует структуру слоя в момент его наложения, .когда высота этого.слоя может. быть максимальной,.средней или минимальной, то и гидравлическое сопр тивление слоя и-его.структура будут неоднородными, т. .е.будут зависить от момента наложения магнитного пол Например, в зависимости от степени расширения псевдоожиженного слоя в мент включения постоянного однородного магнитного поля кА./м скорость фильтрации W 0,5 м/с, гидравлическое сопротивление слоя частиц восстановленного железа размером О,2 мм было после включения магнитного поля вод. 4Р2 220 мм вод.ст. и . ЛР 260 мм вод. ст. При меньшей напряженности магнитного поля порядка Н 4-5 кА/м после его прерывания магнитной стабилизации вообще не по лучалось , хотя .при одновременном на ложе.нии этого поля и подачи газа в слой имела, место магнитная стабилизация псевдоожижения. Если случайно ка.к в. предыдущем примере, момент на ложения.магнитного поля совпал с мо ментом оседания слоя, то при .последующем его расширении достигалась магнитная стабилизгщия псевдоожижени с характерным гидравлическим сопротивлением ДРз 260 мм вод.ст. При несовпадении этих моментов и более низком гидравлическом сопротивлении слоя в нем всегда обнаруживалось кан лообразование и проскок газа через эти каналы. При более низкой напряженности Н 4-5 кА/м после прерывания и повторного наложения магнит.кого поля остановить процесс интенсивного перемешивания слоя было невозможно. Это объясняется тем, что основу магнитной стабилизации псевдоожижения составляет сила S:/2 где В - индукция, $ - площадь контактов между частицами. У плотного слоя S максимальное. В ходе псевдоожижения газом слой расширяется по мере роста скорости фильтрации. .Это расширение идет за счет уменьшения числа контактов между частицами , с одновременным возрастанием в контактах индукции.В. При прерывании магнитного поля упорядоченное контактирование частиц друг с другом разрушается, между ними, имеется какое то среднее расстояние tмагнитные зазоры ), и сила взаимодействия между. частицами определяется . F2 , где. зе - магнитная вЬсприимчивость , V - ,объем частиц; Н - напряженность магнитного поля между частицами -напряженность, наведенного в них собственного магнитного поля под действием внешнего магнитного поля, Н д -градиеат напряжённости собственного магнитного поля. Но отнор ение сил . Р Ю; поэтому для торможения слоя при 0,5 м/с после его перемешивания ПРИХОДИТСЯ налагать магнитное поле напряженностью 30 кА/м как в предыдущем примере. Но,тогда структура слоя зависит от момента в.ключения магнитного поля. После сцепления частиц между собой в магнитном поле,Н 30 кА/м его можно понизить до Н 4-5 кА/м, поскольку удержание частиц в контакте друг с. другом достигается силой F. При меньших скоростях фильтрации структур ра слоя обратима, т. е. после прерывания магнитного поля, перемешивания слоя и повторного наложения этого поля имеет место устойчивая магнитная стаб.илизация псевдоожижения. Следует чэтметить, что тепло из слоя отводится через двойные стенки корпусов 1 и 2, между которыми циркулирует охлаждающая жидкость и пар. В случае проведения эндотермичес кой реакции или поддержания температуры слоя не ниже заданной двойные стенки выполняют роль теплоизолзтора, если между ними создать вакуум, в этом случае между ними можно разместить подогреватели. Уменьшение скорости фильтрации после перемешивания слоя до скорое-. ти начала псевдоожижения с наложением при этой скорости магнитного поля с одновременным увеличением скорости фильтрации до заданной обеспечивает увеличение предельной для осуществления магнитной стабилизации псевдоожижения скорости фильтрации. Выполнение аппарата в виде двух параллельных ступеней с двумя патрубка ли для подвода газа в каждую ступень с общим коллекторомтак, что

эти патрубки секционированы газораспределит1зльными решетками с размещенными в них слоями ферромагнитных шаров, охваченных электромагнитными обмотками, обеспечивает простое переключение газовых потоков без сокраще ния общего расхода газа через общий коллектор, что, в свою очередь, сокр щает количество секций с шаровой насадкой по сравнению с подобным устройством, но работающим в качестве запорного вентиля, так как в режиме переключения газовых потоков потребуется создание значительно меньшего гидравлического сопротивления, чем в режиме запора газового потока.

Размещение электронагревателей внутри электромагнитных обмоток в патрубках для подвода газа обеспечивает дополнительный подогрев обрабатываемого газа, например, в диапазоне 200-300С, что расширяет возможность.аппарата.

Включение электромагнитных катушек каждой ступени в электросеть таким образом, что когда в первой ступени создают уменьшение скорости фильтрации до скорости начала псевдоожижения в другой ступени создают увеличение скорости фильтрации и перемешивания слоя, обеспечивает осуществление предлагаемого способа без прерывания работы аппарата при постоянном расходе Обрабатываемого газа

, Предлагаемый способ всевдоожиже1ния может быть применен не только дл магнитной стабилизации ферромагнитны слоев, но и для электростатической стабилизации, например в электрическом поле коронного разряда, пс вдоожиженного слоя диэлектрических частиц.

Данное изобретение найдет примеение в различных процессах, осуществляемых в псевдбожиженных слоях

, 45

катализатора, имеющего ферромагнит ные свойства таких., как каталитичес- . ких крекинг, каталитическое дегидриование нефтепродуктов, изомеризация, коксование, полимеризация, алкирование, неполное окисление, хлорирование50 дегидрирование, обессеривание, восстановление, газификация угля, сжигание угля в дсевдоожиженном слое и перегонка горючих сланцев, в фильтрах для улавливания пыли из потока 55 газа, а также для утилизации тепла отходящих газов металлургических

предприятий с одновременным химическим превращением их, например, синтезом углеводородов,

Формула изобретения

1.Способ проведения химической реакции путем подачи газа в виде восходящего потока в слой ферромагнитных частиц до его псевдоожижения и наложения на псевдоожиженный слой ферромагнитных частиц периодически прерываемого однородного постоянного или переменного электромагнитного поля, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса за счет увеличения скорости фильтрации газового потока через псевдоожижениый слой ферромагнитных частиц

при его электромагнитной стабилизаци в интервалах между наложением электрмагнитного поля подачу газа снижают до скорости начала псевдоожижения, которую увеличивают до начальной одновременно с наложением электромагнитного поля.

2.Устройство для проведения химической реакции, содержащее реактор выполненный в виде ёертикального корпуса с помещенным в него слоем ферромагнитных частиц, электромагнитную катушку, охватывающую корпус, газораспределительное приспособление, рамещенное в нижней части корпуса и выполненное в виде полых пластин со щелями, патрубки для отвода ферромагнитных частиц, размещенные между полыми пластинами, и патрубки для подвода газа и ферромагнитных частиц, отличающееся тем, что, с целью интенсификации процесса оно снабжено дополнительным реактором, установленным-параллельно основному, газоходами, соединенными своими верхними концами с газораспределительными приспособлениями реакторов, газораспределительными решетками, установленными в газоходах, дополнительными электромагнитными катушкаiMH, расположенными снаружи газораспр делительных решеток на газоходах, слоями ферромагнитных частиц, помещенных внутрь газоходов на газораспределительные решетки, и коллектором, соединяющим нижние концы газоходов.

3.Устройство по п. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оно снабжено электронагревателями, размещенными внутри дополнительных электромагнитных катушек.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3440731, кл. 34-1, опублик. 1971.

2.Авторское свидетельство СССР № 768427, кл. В 01 D 35/00, 1979.