Способ проведения химической реакции и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(22) Заявлено 12. 05. 81 (21) 3285846/23-26 Д М. Кд.з В 01 У 19/12 с присоединением заявки Нов Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийОпубликовано 280283. Бюллетень Йо 8 Дата опубликования описания 2832,83 4Ю.И; Тамбовцев.(ч авМ ар.Ордена Трудового Красного Знамени институттепло- и массообмена им. А.В. Лыкова(71) Заявитель 541 СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к технике псевдоожижения зернистых слоев и может найти применение в химической промышленности, в частности для проведения реакции синтеза СО + Н на железном, никелевом или кобальтовом катализаторах, а также в сушильном деле.Известен способ магнитной стабилизации псевдоожиженного слоя ферромагнитных частиц, заключающийся в наложении на такой слой непрерывного магнитного поля, переменногоили постоянного 1 .Недостаток данного способа состоит в том, что в нем по сравнению с обычным нсевдоожиженным слоем многократно снижается температуропроводность, что снижает интенсивность проведенияреакции синтеза СО .+ Н 2, сопровождаемое значительным выделением тепла, поскольку при полном или.,частичном торможении частиц слоя уменьшается как подвод к нему, так и отвод иэ него тепла. Причем при значитель. ной неоднородности магнитного ноля .по мере увеличения его напряженности сопротивление слоя уменьшается и структура его неодинакова по объему: там, где напряженность выше час 1 иц,сцепливаясь между собой образуютконгломераты крупные Флокулы ), агде она ниже процесс магнитной фло куляции может лишь только начинатьсйилиотсутствовать. Кроме того, вслучае бинарного слоя Ферромагнитными немагнитных частиц черезнекотороевремя после включения магнитного по 19 ля начинается процесс сепарацйи ферромагнитных Флокул 1 конгломератов )из сцепленных между собой ферромагнитных частиц.Известен аппарат с Ферромагнит ным псевдоожиженным слоем, в которомреализуется предлагаемый способ, содержащий корпус со слоем ферромагнитной насадки и соленоид, охватывающийкорпус; газ подается в слой через 2 О полые пластины с целями, соединен"ные в нижней части корпуса с общимколлектором, между которыми размещены патрубки, отводящие. насадкуна регенерацию, охваченные в нижнейчасти соленоидом с расположеннойпод ним наклонной ферромагнитной пластиной, выполненной в виде элементанаружного магнитопровода данногосоленоида Т.Недостаток этого аппарата в том, 30 что он снабжен специальным устройст1000098 3вом для изменения скорости фильтрации по заданной программе,.в то жевремя при наличии такого устройстванеобходимо решить, каким образомобеспечить непрерывность работы аппарата в оптимальном режиме при заданной производительности, без снижения ее во времени.Цель изобретения - интенсификацияпроцесса за счет увеличения скорости фильтрации газового потока черезпсевдоожиженный слой ферромагнитныхчастиц при его электромагнитной стабилизации.,Поставленная цель достигается тем,что согласно способу проведения химической реакции путем подачи газав 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; в интервалах между нало. жением электромагнитного поля подачу.газа снижают до скорости начала псевдоожижения, которую увеличивают до 25начальной одновременНо с наложениемэлектромагнитного поля.Излестно.устройство для осуществления способа, содержащее реактор,выполненный в виде вертикального кор-.З 0пуса с помещенным в него слоем ферромагнитных частиц, электромагнитную "катушку, охватывающую. корпус, газораспределительное приспособление,размещенное В нижней части корпусаи выполненное в виде полых пластинсо щелями, патрубки для отвода газаи ферромагнитных частиц, снабжено дополнительным реактором, установленнымпараллельно основному, газоходами,соединенными своими верхними конца-40ми с газораспределительными приспо.соблениями реакторов, гаэораспределительными решетками, установленнымив газоходах, дополнительными электромагнитными катушками, расположенными 45снаружи газораспределительных решетокна газоходах, слоями ферромагнитныхчастиц, помещенных внутрь газоходовна газораспределительные решетки, иколлектором, соединяющим нижние концы 50газоходов. Дополнительно оно снабжено электронагревателями, размещенными внутри дополнительных электро.магнитных катушек.На чертеже изображен продольныйразрезаппарата, в котором реализованспособ получения псевдоожиженногослоя.Аппарат состоит из параллельныхвертикальных цилиндрических корпусов1 и 2, охваченных соленоидами 3 и 4с. внешними магнитопроводами 5 и 6.В нижней частикорпусов 1 и 2 размещевы газораспределительные решетки 7 и8 в виде концентрических полых реберпластин ), связанных с коллекторами 65 и 10.Между ребрами решеток 7 и 8.имеются каналы для отвода частицслоя на регенерацию. Скорость .отводаферромагнитных частиц катализатора )11 управляется электромагнитами 12с токопроводящим листом 13 напри-.мер, выполненным из алюминиевогосплава, с отверстиями, смещеннымиотносительно каналов, отводящих катализатор 11. Под электромагнитами 12размещены бункеры 14 для сброса катализатора с патрубками 15 для отвода его на регенерацию. Газ и коллекторы 9 .и 10. поступают из коллектора16, газоходы 17 и 18, секционирован- .ные решетками 19, на которых .размеще,на шаровая насадка 20, выполненная изиагнитомягкого материала, слои которой охвачены элЕктромагнитными обмотками 21 .с магнитопроводами 22. Газоходы 17 и 18 снабжены также электронагревателями 23 для дополнительного подогрева газа, представляющимикороткозамкнутые токопроводящие контуры,Аппарат работает следующим образом.При псевдоожижении слоев ферромагнитных частиц 11 в корпусах 1 и 2восходящим потоком газа, подаваемымчерез коллектор 16, газоходы 1.7 и 18,.коллекторы 9 и 10, газораспределитель.ные решетки. 7 и 8 и наложении наэти слои постоянных магнитных полейсоленоидов 3 и 4, достигается магнитная стабилизация псевдоожижения,характеризующаяся полным отсутствиемв слое газовых пузырей. Соленоиды 3и 4 создают однородное магнитное поле, для чего число витков их у нижнего и верхнего оснований повышенное,чтобы компенсировать падение напряженности магнитного поля, вследствиеповышенного там рассеивания магнитного потока, В качестве газа используется смесь газов СО и Н. Эта смесьполучается в результате пропусканиячерез раскаленный уголь водяного пара, на предшедствующей стадии технологического процесса. При этом поглощается значительное количество тепла и газовая смесь нагревается до250 С. В предлагаемом аппарате идетреакция синтеза 2 СО + 2 Н 2= СН 4+ СО 2++ 59 ккал. Благодаря тому, что вслое нет газовых пузырей 100-наяконверсия получается уже при высотевсевдоожиженного слоя 20 см. Однаков связи со значительным выделениемтепла слой может перегреваться, аэто ведет к термической деструкциис уменьшением выхода целевых продуктов, Например, при возрастании температуры газов до 1000 С имеет место полная обратимость реакции:СН 4+ СО 2+ 59 ккал = 2 СО + Н 2, притемпературах, меньших 1000 С реакциябудет частично обратимой, но приТ = 250-300 С реакция уже необратима, Для поддержания заданной температуры 250 С) необходимо отводить тепло из слоя, но внешний теплообмен слоя с магнитной стабилизацией всевдоожижения вследствие неподвижности Ферромагнитных частиц имеет очень низкую интенсивность. Иоэтому для интенсификации отвода .тепла из слоямагнитов поле прерывают, слой кратковременно перемешивается, но из-за кратности"промежутка времени между импульсами не успевают развиться крупные газовые пузыри - неоднородность слоя. Слой при этом дополнительно расширяется, контакты междучастицами разрушаются. При повтоР- ном наложении магнитного поля упорядоченная структура слоя формируетсяпри гораздо более низких скоростях Фильтрации по сравнению со случаем; ;когда магнитное поле действует постоянно,. а скорость Фильтрации растет.20 Поскольку при перемешивании в течение 2-Зс высота слоя колеблется, а магнитное поле Фактически фиксирует структуру слоя в момент его наложения, .когда высота этого слоя может. 25 быть максимальнойсредней или ми нимальной, то и гидравлическое сопротивление слоя и его.структура будут неоднородными, те. будут зависить от момента наложения магнитного поля. О Например, в зависимости от степени расширенйя псевдоожиженного слоя в момент включения постоянного однородного магнитного поля Н=ЗО кА/мскорость фильтрации % = 0,5 м/с, гидравлическое сопротивление слоя частиц восстановленного железа размером 0,2 мм было после включения магнитного поля Ь Р = 180 мм вод.ст,ДР 2= 220 мм вод.ст. и . В РЗ =2 б 0 мм вод. ст. При меньшей напря женности магнитного поля порядка Н = 4-5 кА/м после его прерывания магнитной стабилизации вообще не получалось, хотя .при одновременном наложении этого поля и подачи. газа в 45 слой имела место магнитная стабилизация псевдоожижения. Если случайно, как в предыдущем примере, момент на- . ложения магнитного поля совпал с моментом оседания слоя, то при после О дующем его расширении достигаласьмагнитная стабилизация псевдоожиженияс характерным гидравлическим сопротивлением ЬРЗ= 2 бО мм вод.ст. При несовпадении этих моментов и более низком гидравлическом сопротивлении слоя в нем всегда обнаруживалось каналообразование и проскок газа через эти каналы. При более низкой напряженности Н = 4-5 кА/м после прерывания и повторного наложения магнит ного поля остановить процесс интенсивного перемешивания слоя было невозможно. Это объясняется тем, что основу магнитной стабилизации псевдоожижения составляет сила Р" - В /2 Аф 5 где В - индукция, ф - площадь контактов между частицамиУ плотногослоя Б максимальное. В ходе псевдоожижения газом слой расширяетсяпо мере роста скорости Фильтрации.Это расширение идет за счет уменьшения числа контактов между частицами, с одновременным возрастанием вконтактахиндукции. В При прерыва- .нии магнитного поля упорядоченноеконтактирование частиц друг с другомразрушается, между ними имеется какоето среднее расстояние магнитные зазоры ), и сила взаимодействия междучастицами определяется Р 2= Моф Ч На Н,где Ж - магнитная восприимчивость,Ч в ,объем частицН - напряженность магнитногополя между частицами - напряженность,наведенного в них собственного магнитного поля под действием внешнегомагнитного поля,Н3- градиент напряженности собстве%його магнитного поля. Но отношение сил .Р/ Р 2 = 10,поэтому для тор-можения слоя при % = 0,5 м/с послеего перемешивания поиходится налагатьмагнитное поле напряженностью 30 кА/мкак в предыдущем примере. Но тогдаструктура слоя зависит от моментавключения магнитного поля. Послесцепления частиц между собой вмагнитном поле. Н = 30 кА/м его можнопонизить до Н = 4-5 кА/м, посколькуудержание частиц в контакте друг с.другом достигается силой Г, Применьших скоростях фильтрации структура слоя обратима, т. е. после прерывания магнитного поля, перемешиванияслоя и повторного наложения этого поля имеет место устойчивая магнитнаястабилизация псевдоожижения.Следует отметить, что тепло изслояотводится через двойные стенкикорпусов 1 и 2, между которыми циркулирует охлаждающая жидкость ипар. В случае проведения эндотермической реакции или поддержания температуры слоя не ниже заданной двойныестенки выполняют роль теплоизолятора,если между ними создать вакуум, вэтом случае между ними можно разместить подогреватели.Уменьшение скорости фильтрациипосле перемешивания слоя до скорости начала псевдоожижения с наложением при этой скорости магнитногополя с одновременным увеличениемскорости фильтрации до заданной обеспечивает увеличение предельной дляосуществления магнитной стабилизациипсевдоожижения скорости фильтрации.Выполнение аппарата в виде двухпараллельных ступеней с двумя патрубками для подвода газа в каждую ступень с общим коллекторомтак, чтоэти патрубки секционированы газораспределительными решетками с размещенными в них слоями Ферромагнитных шаров, охваченных электромагнитнымиобмотками, обеспечивает простое переключение газовых потоков без сокраще ния общеГо расхода газа через общий коллектор, что, в свою очередь, сокра щает количество секций с шаровой насадкой по сравнению с подобным устройством, но работающим в качестве 10 запорного вентиля, так как в режиме переключения газовых потоков потребуется создание значительно меньшего гидравлического сопротивления, чем в режиме запора газового потока. 15Размещение электронагревателей внутри электромагнитных обмоток в патрубках для подвода газа обеспечивает дополнительный подогрев обрабатываемого газа, например, в диапазоне 200-300 С, 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 30 прерывания работы аппарата при постоянном расходе Обрабатываемого газа.Предлагаемый способ всевдоожиже,ния может быть применен не только для 35 магнитной стабилизации ферромагнитных слоев, но и для электростатической стабилизации, например в электрическом поле коронного разряда, псевдоожиженного слоя диэлектрических 40частиц.Данное изобретение найдет применение в различных процессах, осуществляемых в псевдоожиженных слоях катализатора, имеющего ферромагнитные свойства таких., как каталитических крекинг, каталитическое дегидрирование нефтепродуктов, изомеризация, коксование, полимеризация, алкирование, неполное окисление, хлорирование 50 дегидрирование, обессеривание, восстановление, газификация угля, сжигание угля в цсевдоожиженном 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. 60 Формула изобретения 1. Способ проведения химическойреакции путем подачи газа в видевосходящего потока в слой Ферромагнитных частиц до его псевдоожиженияи наложения на псевдоожиженный слойферромагнитных частиц периодическипрерываемого однородного постоянногоили переменного электромагнитного поля, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью интенсификации процессаза счет увеличения скорости фильтрации газового потока через псевдоожиженный слой Ферромагнитных частицпри его электромагнитной стабилизации 1в интервалах между наложением электромагнитного поля подачу газа снижаютдо скорости начала псевдоожижения,которую увеличивают до начальнойодновременно с наложением электромагнитного поля,2. Устройство для проведения химической реакции, содержащее реактор,выполненный в виде вертикального корпуса с помещенным в него слоем ферромагнитных частиц, электромагнитнуюкатушку, охватывающую корпус, газораспределительное приспособление, размещенное в нижней части корпуса и выполненное в ниде полых пластин сощелями, патрубки для отвода ферромагнитных частиц, размещенные междуполыми пластинами, и патрубки дляподвода газа и ферромагнитных частиц, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью интенсификации процесса,оно снабжено дополнительным реактором, установленным параллельно основному, газоходаии, соединенными своими верхними концами с газораспределн"тельными приспособлениями реакторов,газораспределительными решетками.установленными в газоходах, дополнительными электромагнитными катушкаии, расположенными снаружи газораспределительных решеток на гаэоходах,слоями ферромагнитных частиц, помешенных 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 экспертизе1. Патент США Р 3440731,кл. 34-1, опублик. 1971.2. Авторское свидетельство СССРР 768427, кл. В 01 0 35/00, 1979.ректор С. Шекм актор акаэ 121 Тираж 535 рственного комит зобретений и отк Ж"35,-Раушская н одписное ВНИИПИ Госуда ета СССР по делам и рытий13035, Москва, аб., д. 4 ПП фПатент", г. Ужгород, ул. Проектная,фефефеф фффР еве1 ФееаФаФвфъе Ф 1фееф фв.фа)вфаафвфе1 ффаффв фв.еффф ффС ааафвФР ваФффФефСее.е вфе