Реактор для проведения гетерогенного катализа реакций газообразных реагентов под давлением

5 П В О 1 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ АРСТВЕННЬ 9 НОМИТЕТ ССС АМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНР(54)(57) 1, РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯГЕТЕРОГЕННОГО КАТАПИЗА РЕАЩИН ГАЗООБРАЗНЦХ РЕАГЕНТОВ ПОД ДАБЛЕНИЕМсодержащий внешний контейнер с впускным отверстием для введения реактивов и выпускным отверстием для выведени продуктов реакции и корзину с катализатором, состоящую из внеаней и внутренней перФорированных цилиндрических стенок и днища, размещаемую в контейнере в виде обойьы и сообщающуюся с впускным и выпускным отвер-, стиями, о т л и ч а ю щ и й с я 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, о т л и ч а ющ и й с я тем, что обойма образова- ф на по меньшей мере двумя или несколь кими корзинами с катализатором.Изобретение относится к конструкции реактора для гетерогенного катализа и может быть использовано длякаталитического синтеза аммиака им танола.5Известен реактор для гетерогенного катализа, содержащий один слойкатализатора, через Который проду, вается газ в радиальном направлении 1 .Недостаток данного устройстванизкая производительность.Известен реактор для проведениягетерогенного катализа реакций газообразных реагентов под давлением,содержащий внешний контейнер с впуск ным отверстием для введения реактивов и выпускным отверстием для выведения продуктов реакции и ко 1 зинус катализатором, состоящую из внешнейвнутренней перфорированных цилинд" 20рических стенок и днища, размещаемую в контейнере в виде обоймы и сообщающуюся с впускным и выпускнымотверстиями.Недостатками известного реактораявляются большие энергоемкость и металлоемкость и сложность Обслуживания.Цель изобретения - снижение потребляемой электроэнергии.30указанная цель достигается тем,что в реакторе для проведения гетерогенного Катализа реакций газообразных реагентов под давлением, содержащем внешний контейнер с впускным отверстием для введения реакти 35вов и выпускным отверстием для выведения продуктов реакции и корзинус катализатором, состоящую из внешней и :внутренней перфорированныхцилиндрических стенок и днища, размещаемую в контейнере в виде обоймы и сообщающуюся с впускным и выпускным отверстиями, по крайнеймере одна из стенок корзины снабжена размещенной в верхней части глухой цилиндрической перегородкой,Причем обойма образована по меньшей мере двумя или несколькими корзинами с катализатором,На фиг,1 изображен реактрр, продольный разрез 1 на фиг,2 - реакторметанола, частичный продольный разрез; на фиг.З - вариант выполненияреактора; на фиг.4 - реактор, частичный разрез; на фиг.5 - вариант выполнения реактора с обратным ходомгазового потока; на фиг,б - 10варианты выполнения модульных реакторов.Реактор состоит из корпуса 1 скрышкой 2, внутри которого расположены две каталитических корзины3 и 4. Каждая корзина содержит соответственно,днища 5 и ь и две цилиндрические перфорированные обечайки 7 8 и 9, 10 для равномерного 65 распределения газа в каталитическомслое,Внутренняя труба 11 помимо функции направления газа от дна к вершине реактора образует поперечнуюподдержку для верхней зоны каждогокаталитического слоя, причем такаяэона образует изолирующую пробку,которая приводит к равномерномураспределению газа в каждом слое.Теплообйенник 12 дает возМожностьпредварительно нагревать свежий газдля синтеза, входящего в реактор, путем отбора тепла от прореагировавшего газа. Реактор также снабжен внутренней стенкой 13, которая образуетвоздушное пространство с внутреннейповерхностью корпуса 1. Через этовоздушное пространство холодный гаэ.подается в реактор через впускноеотверстие 14 в корпус 1 и таким образом подцерживается при низкой температуре, вследствие чего избегаетконтакта с горячими прореагировавшими газами. Свободные эоны в верхней части каждой каталитической корзины 3 и 4 обеспечивают легкий доступк каталитическому слою 15 для вксц-луатации, загрузки и выгрузки катализатора через. отверстие в крышке 2.Реактор работает следующим образом.Свежий гаэ, подаваемый в реактор,,входит через входное отверстие 1 ираспространяется в воздушном пространстве от вершины ко дну, достигаятеплообменника 12 в нижней частиреактора, проходит через теплообмеи"ник 12 в направлении от дна к верхней части реактора во внешней зонетеплообменных трубок и собираетсявнутри центральной трубы 11, котораяпереправляет газ (предварительно нагретый в теплообменнике 12) к верхней корзине 3, содерх;ащей катализатор (предпочтительно в форме гранул) .Часть газа проходит через зонупервого каталитического слоя с преимущественным осевым потоком, а оставшийся газ проходит через зонуэтого же слоя с преимущественным радиальным потоком. Горячий гаэ, прореагировавшийв первом каталитическом слое, собирается в воздушном пространстве ипосле смешивания со свежим газом,охлажденным до низкой температуры,который вводится через тороидальныйраспределитель 16, собирается в верхней части втОрого каталитическогослоями, Аналогично первому случаю газпроходит через две эоны каталитического слоя - первую зону с преимущест 1венным осевым потоком и вторую зонус преимущественным радиальным потоком,Объем двух слоев в двух каталитических барабанах и таким образомколичество газа, проходящего черезслои, зависят от характеристик используемого катализатора (размер и форма).Объем первой эоны равен 5-40 общегообъема каталитической корзины.Горячий гаэ, прореагировавший вовтором каталитическом слое, собирается в воздушном пространстве и проходит через теплообменник 12 от верхней его части ко. дну внутри теплообменных трубок, которые передают тепло входящему газу. Газ удаляется отреактора через выход 17,На фиг.3.представлен частичный 15фронтальный разрез реактора метанола низкого давления. Внутри реакторарасположены различные каталитическиекорзины,Корзина состоит из подложки 5 идвух цилиндрических стенок 7 и 8,перФорированных соответствующим образом для равномерного распределениягаза в каталитическом слое,Верхняя часть 18 внутренней цилиндрической стенки 8 является сплошной (неперфорированной) на протяжении высоты, соответствующей верхнейзоне каталитического слоя, действующей в качестве изолирующей пробки,с преимущественным осевым потоком га за. Свободная эона укаэанной корзиныобеспечивает легкий доступ к каталитическому слою для эксплуатации, загрузки и выгрузки катализатора черезкрышку 2. Каждая каталитическая корзина работает аналогично.Реактор .(Фиг.3) построен как цилиндр с низким отношением диаметрак высоте (очень тонкое оборудованиетипа колонны заполнения) со значительными конструкционными и эксплуатационными преимуществами (простаяконструкция, низкая стоимость, легкая эксплуатация и замена катализа-,.тора) . Реактор содержит четыре каталитических корзины 3 с тремя.промежуточными охлаждающимися пространствами. На Фиг. 4 и 5 показаны такиеже реакторы метанола (Фиг.2 и 3) собратным газовым потоком (реактор сгазовым потоком, направленным вверхвместо реаКтора с газовым потокомнаправленным вниз) .П р и м е р 1, Реактор для про"изводства 1000 т/день аммиака, работаощий при давлении 250 атм, имеет 55два каталитических слоя с радиальноосевым потоком (реактор с потоком,. направлеиным вверх) и с общим объемом 30 мэ катализатора с высокимвыходом, образуемого частицами малого размера (1,2-2 мм). В каждомслое объем катализатора (работа спреимущественно осевым потоком) равен 20 от объема каталитическогослоя с промежуточным охлаждающим 65 пространством между двумя слоями ивнутренним обменом газ-газ (фиг.1) .Указанный реактор построен в виде,цилиндра, имеющего отношение внутреннего диаметра к высоте менее 0,08и с общим падением давления менее2,5 атм. Кроме того, катализаторзаменяют беэ удаления внутреннихчастей реактора менее, чем эа двадня.П р и м е р 2, Реактор производительностью 1500 т/день метанола,работающий при давлении 150 атм счетырьмя каталитическими слоями с радиально-осевым потоком (реактор спотоком, направленным вниз) с общимобъемом катализатора для синтеза метанола при низком давлении, равным170 мф, Причем в каждом слое объемкатализатора, работающего в режимепреимущественно осевого потока, составляет 15 от общего объема слоя стремя промежуточными охлаждающимипространствами (фиг,2 и 3) и построен в виде одного цилиндра с.отно;шением внутреннего диаметра к высотеменее 0,06 и с общим падением давления в реакторе менее 5 атм, Крометого, катализатор заменяют без уда:ления внутренних частей реактора менее чем за 3 дня,В радиально-осевых реакторах внутренняя кассета может преимущественносостоять из модулей;в то время как ихвнешний корпус 1 и крышка 2 остаютсяв виде одного образца. Иодульная кассета, которая в указанном реакторебыла в одном образце 1, образуетсяиз отдельных кассетных модулей 19,.иэ 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 образуетвоздушное пространство с внутреннейповерхностью корпуса 1 оболочки;вторую стенку 7, перфорированную 1третью стенку 8, частично перфорированную и дно 5. Внешняя стенка 13 выше, чем две стенки 7 и 8, и такцм образом в верхней части образуется кольцевая щель 20, а в нижней - протектор 21, Кольцевая щель 20 обеспечивает подложкуи соединение для протектора 21 верхнего модуля, в то же вреуя обеспечивая соединение протектора 21 с кольцевой щелью 20 нижнего модуля. Две перфорированные стенки 7 и 8 образуют границы корзины 3, в которойнаходится слой гранулированного слоякатализатора, внутренняя стенка 8всегда отделена от трубы 11 и присое.динена к последней связывающим кольцом 22, которое смонтировано на Фланце 23, соединенном с трубой 11.Внутренняя стенка 18 не перфорирована в верхней части трубы 11(сплошная часть), чтобы получитьпервую зону с преимущественно осевымпотоком, и непосредственно ниже,т.е,от начала перфорированной части, зону с радиальным потоком. Центральнаятруба 11 также снабжена подвижнымсгибом, Дно корзины 3 связано с двумя стенками 7 и 8, в то время какстенки 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 15образуется кольцевой зазор, служащийдля присоединения верхнего протекто"ра 21. На Фиг.б показана сплошнаястенка 13 со слоем изолирующего материала 25, который уменьшает теплопередачу.На Фиг. 9 схематически представлены полный реактор с оболочкой 1в виде одного образца, но с кассетой, образуемой тремя модулями 19,и кольцевой протектор 21 нижнегомодуля 19 с прорезью 26, образуемойна нижнем уступе днища 27, Нрореэь26 в верхнем конце нижнего модуля19 соединяется с кольцевым протектором 21 .в основании среднего модуля19, верхняя часть которого с прорезью26 соединяется с протектором 21 верхнего модуля 19. Верхний конец модуля 19 соединен с крышкой 27, котораязакрывает 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, тороидальные распределители 16 охлажденного газа, выхОйящего иэ патрубка28, В каждом модуле помещен гранулированный катализатор 15. 45На Фиг. 7 показан упрощенный модуль 19, образующий кассету реакторанизкого давления беэ воздушногопространства для охлаждения внутренней части корпуса 1 реактора. В этомслучае отдельные модули 19 отличаются от модулей, изображенных на фиг.би 9, отсутствием внешней стенки 13.Модули 19 не имеют верхних колец 20,ко орые заменены кольцами подложки30, закрепленными на внутреннейстенке корпуса 1, которая снабженакрышками 2 и 27, расположенными вверхнем конце каждого модуля дляоблегчения доступа при эксплуатации, загрузке и разгрузке каталиэато ра,На Фиг. 8 показан модуль в случае косвенного теплообмена (с помощьютеплообменника, а не с помощью охлажденного газа) между питающим и 65 горячим газами после каталитическогослоя,В этом случае модуль 19 включаеттакже сплошную внутреннюю стенку 31для направления горячего газа из каталитического слоя 15 между трубкамитеплообменника 32, через который проходит питающий газ,Модуль 19 снабжен связывающейтрубкой 33, которая введена в расширение 24, Внутри указанной трубкичерез газовый распределитель 16 вводится свежий питающий гаэ, так чтоможно легче контролировать температуру.Можно получить различные .типыреакторов с модулями, согласно требованиям установок синтеза, напримерреакторы для аммиака и метанола, работающие при различных уровнях давления (высокое, среднее и низкоедавления),Считается технически очень сложным получить кассету в несколькомодулей в связи с проблемами изоляции между модулями, которая моглабы пропускать газ с приемлемой эффективностью реактора.Благодаря уменьшению падения давления за счет определенной циркуляции газа можно практически преодолетьзти сложности, когда различные модули просто соединены с помощью кольцевых пазов. Модульная кассета имеетпреимущество по отношению к проблемам (вызванным техническим распространением кассет), которые могут воз"никнуть при работе с одним образцом.Газовый поток может быть направленот верхней части книзу, так что центральная труба 11 и Фланцы 23 удаляются, а связывающие кольца становятсясплошным диском.Модуль.(фиг,8) может не иметьстенку 13, которая образует воздушноепространство, как в модуле, показанном на фиг.7,Использование предлагаемого устройства обеспечивает уменьшение потребления энергии путем уменьшенияпадения давления в результате опре-.деленной циркуляции газа внутри реактора; уменьшение капиталовложенийи стоимости эксплуатации (при необходимости отдельные модули кассеты.могут быть легко заменены), а такжелегкость сборки модульной кассеты,загрузки и выгрузки катализатора.Более легкий вес индивидуальныхмодулей по сравнеиию с весом целойстандартной кассеты не требует применения специальных подъемных устройств на установках и уменьшаетстоимость перевозки,Конструирование мрнолитных кассет реакторов обусловливает увеличение расхода металла для сборки,Они менее дорогостоящие и легче,1058487 иг г.7 г.К Для конструирования отдельных модулей требуется меньще 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 неперфорированнойстенкой 18 барабана) действует также, как изолирующая пробка, чтопозволяет удалить не только стан-дартный экран, а также преодолеть 5 неэФфективность верхнего слоя катализатора, который в стандартных ре,акторах теряет свою эффективность засчет усадки и не принимает участияв конверсии, что увеличивает стои мость за счет отходов,1058487 г иг. Я Составитель Н, КацовскаяРедактор А. Мотыль Техред Л,Пилипенко Коррект ешетни каз 9609 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектна Тираж 537 НИИПИ Государственного по делам изобретений 5, Москва, Ж, РаушсПодписноекомитета СССРи открытийая наб., д, 4/5