Реактор для проведения гетерогенного катализа реакций газообразных реагентов под давлением Советский патент 1983 года по МПК B01J8/04 

Изобретение относится к конструк ции реактгора для гетерогенного ката за и может быть использовано для каталитического синтеза аммиака и метанола. Известен реактор для гетерогенного катализа, содержащий один слой катализатора, через Который продувается газ в радиальном направлении l . Недостаток данного устройства низкая производительность. Известен реактор для проведения гетерогенного катализа реакций газо образных реагентов под давлением, содержащий внешний контейнер с впус ным отверстием для введения реактивов и выпускным отверстием для выведения продуктов реакции и с катализатором, состоящую из внешн -I внутренней перфорированных цилинд рических стенок и днища, размещаемую в контейнере в виде обоймы и со общающуюся с впускным и выпускным, отверстиями 2J . Недостатками известного реактора являются большие энергоемкость и ме таллоемкость и сложность Обслуживания. Цель изобретения - снижение потребляемой электроэнергии. Указанная цель достигается тем, чтср в реакторе для проведения гетерогенного катализа реакций газообразных реагентов под давлением, содержащем внешний контейнер с впускным отверстием для введения реактиВОВ и выпускным отверстием для выведения продуктов реакции и корзину с катализатором,, состоящую из внешней и ;внутренн1ей перфорированных цилиндрических стенок и днища, размещаемую в контейнере в виде обоймы и сообщающуюся с впускным и выпускным отверстиями, по крайней мере одна из стенок корзины снабжена размещенной в верхней части глухой цилиндрической перегородкой. Причем обойма образована по мень шей мере двумя или несколькими корзинами с катализатором. На фиг.1 изображен реактрр, продольный разрез; на фиг.2 - реактор метанола, частичный продольный разрез на фиг.З - вариант выполнения реактора; на фиг.4 - реактор, части ный разрез; на фиг.5 - вариант выполнения реактора с обратным ходом газового потока; на фиг.6 - 10 варианты выполнения модульных реакторов , Реактор состоит из корпуса 1 с крышкой 2, внутри которого расположены две каталитических корзины 3 и 4. Каждая корзина содержит соот ветственно днища 5 и 6 и две цилиндрические перфорированные обечайки 7 8 я 9, 10 для равномерного распределения газа в каталитическом слое. Внутренняя труба 11 по «1имо функ- ции направления газа от дна к вершине реактора образует поперечную поддержку для верхней зоны каждого каталитического слоя, причем такая зона образует изолирующую пробку, которая приводит к равномерному распределению газа в Каждом слое. Теплообменник 12 дает возможность предварительно нагревать свежий газ для синтеза, входящего в реактор, путем отбора тепла от прореагировавшего газа. Реактор также снабжен внутренней стенкой 13, которая образует воздушное пространство с внутренней поверхностью корпуса 1. Через это воздушное пространство холодный газ подается в реактор через впускное отверстие 14 в корпус 1 и таким образом поддерживается при низкой температуре, вследствие чего избегает контакта с горячими прореагировавшими газшчи. Свободные зоны в верхней части каждой каталитической корзины 3 и 4 обеспечивают легкий доступ к каталитическому слою 15 для эксплуатации, загрузки и вьшгрузки катализатора через, отверстие в крышке 2. Реакторработает следующим образом. Свежий газ, подаваемый в реактор, входит через входное отверстие 1 и распространяется в воздушном пространстве от вершины ко дну, достигая теплообменника 12 в нижней -части реактора, проходит через теплообменник 12 в направлении от дна к верхней части реактора во внешней зоне теплообменных трубок и собирается внутри центральной трубы 11, которая переправляет газ (предварительно нагретый в теплообменнике-. 12) к верхней корзине 1, содер:;;ащей катализатор (предпочтительно в форме гранул) . Часть газа проходит через зону первого кг1талитического слоя с преимущественным осевым потоком, а оставшийся газ проходит через зону этого же слоя с преимущественным радиальным потоком. Горячий газ, прореагировавший в первом каталитическом слое, собирается в воздушном пространстве и после смеашвания со свежим газом, охлажденным до низкой температуры, который вводится через тороидальный распределитель 16, собирается в верхней части второго каталитического слоя. Аналогично первому случаю газ проходит через две зоны каталитического слоя - первую зону с преимущественным потоком и вторую зону с преимущественным радиальным потоком. Объем двух слоев в двух каталити ческих барабанах и таким образом количество газа, проходящего через слои, зависят от характеристик испо катализатора (размер и форм Объем первой зоны равен 5-40% общег объема каталитической корзины. Горячий газ/ прореагировавший во втором каталитическом слое, собирае ся в воздушном пространстве и прохо дит через теплообменник 12 от верхней его части ко. днУ внутри теплообмен ных трубок, которые передают тепло входящему газу, Газ удаляется от реактора через выход 17, На фиг.3-Представлен частичный фронтальный разрез реактора метанолй низкого давления. Внутри реактора расположены различные каталитические корзины. Корзина состоит из подложки 5 и двух цилиндрических стенок 7 и 8, перфорированных соответствующим образом для равномерного распределения газа в каталитическом слое. Верхняя часть 18 внутренней цилиндрической стенки 6 является сплош ной (неперфорированной) на протяжении высоты, соответствующей верхней зоне каталитического слоя, действующей в качестве изолирующей пробки, с преимущертвенным осевым потоком га за. Свободная зона указанной корзины обеспечивает легкий доступ к каталитическому слою для эксплуатации, загрузки и выгрузки катализатора через крышку 2. Каждая каталитическая корзин 1 работает аналогично. Реактор .(фиг.5) построен как цилиндр с низким отношением диаметра к высоте (очень тонкое оборудование типа колонны заполнения) созначительньам конструкционными и эксплуатационными преимуществами (простая конструкция, низкая стоимость, легкая эксплуатация и замена катализатораУ. Реактор содержит четыре ката литических корзины 3 с тремя промежуточными охлаждающимися пространст вами. На фиг. 4 и 5 показаны такие же реакторы метанола фиг.2 и 3} с обратньм газовым потоком (реактор с газовым потоком, направленным вверх вместо с газовым потоке, направленным вниз). Пример 1. Реактор для производства 1000 т/день аммнака, работающий при давлении 250 атм, имее два каталитических слоя с радиальн осевым потоком (реактор с потоком, направленным вверх) и с общим объемом 30 м катализатора с высоким выходом, образуемого частицами малого размера (1,.2-2 мм) . В каждом слое объем катализатора (работа с i преимущественно осевым потоком) равен 20% от объема каталитического слоя с промежуточным охлаждакяцим пространством между двумя слоями и внутренним обменом газ-газ (Фиг.1). Указанный реактор построен в виде Iцилиндра, имеющего отношение внутреннего диаметра к высоте менее 0,08 и с общим падением давления менее 2,5 атм. Кроме того, катализатор заменяют без удаления внутренних частей реактора менее, чем за два дня. Пример 2. Реактор производительностью 1500 т/день метанола, работающий при давлении 150 атм с четырьмя каталитическими слоями с радиально-осевым потоком (реактор с потоком, направленным вниз) с общим объемом катализатора для синтеза метанола при низком давлении, равным 170 м. Причем в каждом слое объем катализатора,, работающего в режиме Преимущественно осевого потока, составляет 15% от общего объема слоя с тремя промезкуточными охлаждающими пространствами (фиг.2 и 3) и построен в виде одного цилиндра с отно;шением внутреннего диаметра к высоте менее 0,06 и с общим падением давления в реакторе менее 5 атм. -Кроме того. Катализатор заменяют без удаЛения внутренних частей реактора менее чем за 3 дня. В радясшьно-осевых реакторах внутренняя кассета может преимущественно .состоять из модулей,-в то время как их внешний корпус 1 и крьиика 2 остаются в виде одного образца. Модульная кассета, которая в указанном реакторе была в одном образце 1, образуется из отдельных кассетных модулей 19,. из -которых (фиг. 6-8) показаны модули 19. Отдельный модуль (фиг.б) является цилиндрическим телом, включающим (следуя снаружи внутрь) первую сплошную стенку 18, т.е. неперфорированную стенку, которая образует воздушное пространство с внутренней поверхностью корпуса 1 оболочки; вторую стенку 7, перфорированную; третью стенку 8, частично перфорированную и дно 5. Внешняя стенка 13 выше, чем две стенки 7 и 8, и т.акр}м образом в верхней части образуется кольцевая щель 20, а в нижней - протектор 21. Кольцевая щель 20 обеспечивает подложку и соединение для протектора 21 верх-него модуля, в тоже обеспечивая . соединение протектора 21 с кольцевой щелью 20 нижнего модуля. Две перфорированные стенки 7 и 8 образуют границы корзины 3, в которой находится слой гранулированного слоя катализатора, внутренняя стенка 8 всегда отделена от трубы 11 и присоединена к последней свяэывс ющим кольцом 22, которое смонтировано на фланце 23, соединенном с трубой 11. Внутренняя стенка 18 не перфорирована в верхней части трубы 11 (сплошная часть), чтобы получить первую зону с преимущественно осевым потоком, и непосредственно ниже,т.е от начала перфорированной части, зону с радиальным потоком. Центральная труба 11 такж§ снабжена подвижным сгибом. Дно корзины 3 связано с двумя стенками 7 и 8, в то время как стенки 13 связаны одна с другой нижним протектором или кольцом 24. Сплошная внешняя стенка 13 (которая образует воздушное пространство) ограничена в верхней части протектором или кольцом 22, в котором образуется кольцевой зазор, служащий для присоединения верхнего протектора 21. На фиг.б показана сплошная стенка 13 со слоем изолирующего материала 25, который уменьшает теплопередачу. На фиг. 9 схематически представлены полный реактор с оболочкой 1 в виде одного образца, но с кассетой, образуемой тремя модулями 19, и кольцевой протектор 21 нижнего модуля 19 с прорезью 26, образуемой на нижнем уступе днища 27. Прорезь 26 в верхнем конце нижнего модуля 19 соединяется с кольцевым протекто ром 21 .в основании среднего модуля 19, верхняя часть которого с прорезь 26 соединяется с протектором 21 верх него модуля 19. Верхний конец модуля 19 соединен с крышкой 27, котора закрывает верхнюю часть кассеты, образуемой модулями. Устройство содержит также патрубок 28 ДЛЯ входа охлажденного газа, патрубок 29 для входа основного потока (вход основного потока) и выход газа через патрубок 30, тороиДсшьные распределители 16 охлажденного газа, выходящего из патрубка 28, В каждом модуле помещен гранулированный катализатор 15. На фиг, 7 показан упрощенный модуль 19, образующий кассету реактор низкого давления без воздушного пространства для охлаждения внутрен ней части корпуса 1 реактора, В этом случае отдегьные модули 19 отличают ся от модулей, изображенных на фиг. и 9, отсутствием внешней стенки 13. Модули 19 не имеют верхних колец 20 которые заменены кольцами подложки 30, закрепленными на внутренней стенке корпуса 1, которая снабжена кры1аками 2 и 27, расположенными в верхнем конце каждого модуля для облегчения доступа при эксплуатации, загрузке и разгрузке катализато ра. На фиг. 8 показан модуль в случае косвенного теплообмена (с помощь теплообменника, а не с помощью охлажденного газа) между питающим и горячим газами после каталитического слоя. В этом случае модуль 19 включает также сплошную внутреннюю стенку 31 для направления горячего газа из каталитического слоя 15 между трубками теплообменника 32, через который проходит питающий газ. Модуль 19 снабжен связывающей трубкой 33, которая введена в расширение 24. Внутри указанной трубки через газовый распределитель 16 вводится свежий питающий газ, так что можно легче контролировать температуру. Можно получить различные типы реакторов с модулями, согласно требованиям установок синтеза, например реакторы для аммиака и метанола, работающие при различных уровнях давления (высокое, среднее и низкое давления), Считается технически очень слож-. ным получить кассету в несколько модулей в связи с проблемами изоляции между модулями, которая могла бы пропускать газ с приемлемой эффективностью реактора. Благодаря уменьшению падения давления за счет определенной циркуляции газа можно практически преодолеть эти сложности, когда различные модули просто соединены с помощью кольцевых пазов. Модульная кассета имеет преимущество по отношению к проблемам (вызвсшным техническим распространением кассет), которые могут возникнуть при работе с одним образце. Газовый поток может быть направлен от верхней части книзу, так что центральная труба 11 и фланцы 23 удаляются, а связывающие кольца становятся сплошным диском. Модуль.(фиг.8) может не иметь стенку 13, которая образует воздушное пространство, как в модуле, показанном на фиг, 7. Использование предлагаемого устройства обеспечивает уменьшение потребления энергии путем уменьшения падения давления в результате определенной циркуляции газа внутри реактора; уменьшение капиталовложений и стоимости эксплуатации (при необходимости ,,отдельные модули кассеты. могут быть легко заменены), а также легкость сборки модульной кассеты, загрузки и выгрузки катализатора. Более легкий вес индивидуальных модулей по сравнению с весом целой стандартной кассеты не требует применения специальных подъемных устройств на установках и уменьшает стоимость перевозки. Конструирование мрнолитных кассет реакторов обусловливает увеличение расхода метеьлла для сборки. Они менее дорогостоящие и легче.

.Для конструирования отдельных модулей требуется меньше усилий, чем для кассеты в виде одного об разца.

.Недостатком стандартных реакторов является то, что благодаря усадке каталитического слоя образуется полость между дном экрана и верхней частью каталитического слоя, что вызывает значительный обвод газа. Зона с преимущественным осевым потоком (определенная неперфорированной стенкой 18 барабана) действует так же, как изолирующая пробка, что позволяет удалить не только стандартный экран, а также преодолеть неэффективность верхнего слоя катализатора, который в стандартных ре. акторах теряет свою эффективность за счет усадки и не принимает участия в конверсии, что увеличивает стоимость за счет отходов.

(pU2.Z

фиг.З

Cput.f

(Риг. 7

Р

1. РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННОГО КАТАЛИЗА РЕАКЦИЙ ГАЗООБРАЗНЫХ РЕАГЕНТОВ ПОД ДАВЛЕНИЕМ, содержащий внешний контейнер р впускным отверстием для введения реактивов и выпускным отверстием для выведения продуктов реакции и корзину с катализатором, состоящую из вноиней и внутренней перфорированных цилинд- рических стенок и днища, размещаемую в контейнере в обоймы и сообщающуюся с впускным и выпускным отвер-. .стиями, отличающийся тем, что, с целью снижения потребляемой электроэнергии, по крайней мере одна из стенок корзины снабжена размещенной в верхней части глухой цилиндрической перегородкой. 2. Реактор по п. 1, отличающ и и с я тем, что обойма образова- р на по меньшей мере двумя или- несколь- S кими корзинами с катализатором. СО ел 00 4 ЭР 1