Способ проведения химической реакции и устройство для его осуществления
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик р, 1090098 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 12. 05. 81 (21) 3285846/23-26 .
Р М К з
B 01 У 19/12 с присоединением заявки No—
Государственный комитет
СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет .— (Щ УДН66. 023 (088. &) Опубликовано 2802,83. Бюллетень М 8
Дата опубликования описания 28@2,83 т
1
Ю.И; Тамбовцев
/,,: " — .К »
» . т
Ордена Трудового Красного Знамени институт тепло- и массообмена им. A.Â. Лыкова (72) Автор изобретения (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, переменного или постоянного 1 j.
Недостаток данного способа состоит в том, что в нем по сравнению с обычным нсевдоожиженным слоем многократно снижается температуропроводность, что снижает интенсивность проведения реакции синтеза СО .+ Н2, 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 иц,сцепливаясь между собой образуют конгломераты (крупные флокулы ), а где она ниже процесс магнитной фло5 куляции может лишь только начинатьсй или отсутствовать. Кроме того, в случае бинарного слоя Ферромагнитным и немагнитных частиц через некоторое время после включения магнитного по
10 ля начинается процесс сепарацйи ферромагнитных флокул 1конгломератов ) из сцепленных между собой ферромагнитных частиц.
Известен аппарат с ферромагнит15 ным псевдоожиженным слоем, в которо реализуется предлагаемый способ, содержащий корпус со слоем ферромагнитной насадки и соленоид, охватывающий корпус; газ подается в слой через
20 полые пластины с целями, соединенные в нижней части корпуса с общим коллектором, между которыми размещены патрубки, отводящие. насадку на регенерацию, охваченные в нижней части соленоидом с расположенной под ним наклонной ферромагнитной плас тиной, выполненной в виде элемента наружного магнитопровода данногосоленоида (2).
Недостаток этого аппарата в том, 30 что он снабжен специальным устройст1000098
3 вом для изменения скорости фильтра ции по заданной программе,.в то же время при наличии такого устройства необходимо решить, каким образом обеспечить непрерывность работы аппарата в оптимальном режиме при задан- 5 ной 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 ферромагнитных частиц до его псевдоожижения и наложения на псевдоожиженный. слой ферромагнитных частиц периодически прерываемого однородного посто- 20 янного или переменного электромагнитного поля; в интервалах между нало. жением электромагнитного поля подачу. газа снижают до скорости начала псевдоожижения, которую увеличивают до 25
-начальной одновременио с наложением электромагнитного поля.
Известно. устройство для осуществ ления способа, содержащее реактор, выполненный в виде вертикального кор-:30 пуса с помещенным в него слоем ферромагнитных 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, установленным параллельно основному, газоходами, соединенными своими верхними конца- 4О ми с газораспределительными приспо.соблениями реакторов, гаэораспределительными решетками, установленными в газоходах, дополнительными электромагнитными катушками, расположенными 45 снаружи газораспределительных решеток на газоходах, слоями ферромагнитных частиц, помещенных внутрь газоходов на газораспределительные решетки, и коллектором, соединяющим нижние концы 5р 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 размеще ны газораспределительные решетки 7 и.
8 в виде концентрических полых ребер пластин ), связанных с коллекторами 65 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 электромагнитами 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 иагнитомягкого материала, слои. которой охвачены элЕктромагнитными обмотками 21 .с магнитопроводами 22. Газоходы 17 и 18 снабжены также электронагревателями 23 для дополнительного подогрева газа, представляющими короткозамкнутые токопроводящие контуры °
Аппарат работает следующим образ ом.
При псевдоожижении слоев ферромагнитных частиц 11 в корпусах 1 и 2 восходящим потоком газа, подаваемым через коллектор 16, газоходы 1 .7 и 18,. коллекторы 9 и 10, газораспределитель- . ные решетки. 7 и 8 и наложении на эти слои постоянных магнитных полей соленоидов 3 и 4, достигается магнитная стабилизация псевдоожижения, характеризующаяся полным отсутствием в слое газовых пузырей. Соленоиды 3 и 4 создают однородное магнитное поле, для чего число витков их у нижнего и верхнего оснований повышенно чтобы компенсировать падение напряженности магнитного поля, вследс=виа повышенного там рассеивания магнитного потока. В качестве газа используется смесь газов СО и Hp. Эта смесь получается 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 + 2Н = СН + 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 1000ОС имеет место полная обратимость реакции:
СН + С02+ 59 ккал = 2СО + H2, при температурах, меньших 1000 С реакция будет частично обратимой, но при
Т = 250-300 С реакция уже необрати1000098 ма. 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 слоя магнитов 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 между частицами разрушаются. При повторном наложении магнитного поля упорядоченная структура слоя формируется при гораздо более низких скоростях фильтрации по сравнению со случаем;
;когда магнитное поле действует пос. тоянно,. а скорость фильтрации растет;20 Поскольку при перемешивании в течение 2-3с высота слоя колеблется, а магнитное поле фактически фиксирует структуру слоя в момент его наложения, .когда высота этого слоя может. 25 быть максимальной, .средней или ми нимальной, то и гидравлическое сопротивление слоя и его.структура будут неоднородными, т..е. будут зависить от момента наложения магнитного поля. ур
Например, в зависимости от степени расширения псевдоожиженного слоя в мо мент включения постоянного однородного магнитного поля Н=ЗО кА/м скорость фильтрации . = 0 5 м/cf . 35 гидравлическое сопротивление слоя частиц восстановленного железа размером 0,2 мм было после включения магнитного поля А P = 180 мм вод.ст, 1 аР2= 220 мм вод.ст. и . В P3 =
2б0 мм вод. ст. При меньшей напря- 4О 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- 5Q дующем его расширении достигалась магнитная стабилизация псевдоожижения с характерным гидравлическим сопротивлением ЬР3= 2бО 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 F„"— В 5/2А,ф5 где  — 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 прерыва- . нии магнитного поля упорядоченное контактирование частиц друг с другом разрушается, между ними имеется какое то среднее расстояние (магнитные зазоры ), и сила взаимодействия между частицами определяется
"g МО "yr g Н где Ж вЂ” магнитная восприимчивость, вЂ,объем частиц
Н вЂ” напряженность магнитного поля между частицами - напряженность, наведенного в них собственного магнитного поля под действием внешнего магнитного поля, Н „ g- градиент напряженности собстве%його магнитного поля. Но отношение сил .F
Следует .отметить, 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 теплоизолятора, если между ними создать вакуум, в этом случае между ними можно разместить подогреватели.
Уменьшение скорости фильтрации после перемешивания слоя до скорости 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 патрубками для подвода газа в каждую ступень с общим коллектором так, что
1000098 эти патрубки секционированы газораспределительными решетками с размещенными в них слоями ферромагнитных шаров, охваченных электромагнитными обмотками, обеспечивает простое переключение газовых потоков без сокраще- 5 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. 35
Размещение 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 псевдо ожижения 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 40 частиц.
Данное изобретение найдет применение в различных процессах, осуществляемых в псевдоожиженных слоях катализатора, имеющего ферромагнитные свойства таких., как каталитичес- . ких крекинг, каталитическое дегидрирование нефтепродуктов, изомеризация, коксонание, полимеризация, алкирование, неполное окисление, хлорирование50 дегидрирование, обессеривание, восстановление, raзификация 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 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 псевдоожиженный слой ферромагнитных частиц при его электромагнитной стабилизации1 в интервалах между наложением электромагнитного 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 йертикального корпуса с помещенным в него слоем ферромагнитных частиц, электромагнитную катушку, охватывающую корпус, газораспределительное приспособление, размещенное н нижней части корпуса и выполненное н ниде полых пластин со щелями, патрубки для отвода ферромагнитных частиц, размещенные между полыми пластинами, и патрубки для подвода 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 реакторон, газораспределительными решетками. установленными н газоходах, дополнительными электромагнитными катушкаии, расположенными снаружи газораспре делительных решеток на гаэоходах, слоями ферромагнитных частиц, помешенных внутрь газоходон 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 Р 3440731, кл. 34-1, опублик. 1971.
2. Авторское свидетельство СССР
Р 768427, кл. В 01 0 35/00, 1979.
1000098
° »»
° °
° °
° °
° ° °
Ю
° °
» г
Г
О
Составитель A. Тарасов
Редактор И. Ковальчук Техред О.Неце . Корректор С. Шекмар
Заказ 121б/6 Тираж 535 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35,-Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4
° » ° » ° °
° ° »»
° » ° °
° ° ° °
° ° »»
° ъ »
° ° ° ° °
° ° °
° ° » ° °
° °
° °
° »»»ee
° ° »»» ° °
»»e e° ° ee
° °
Ю. ° °
° ° »
»
» в . °
° р ° °
° ° ° ° »»
° ° ° °
° ° »
° °
° ° » ° e
»» ° ° ° » °
»
° ° °
° ° °
° e» ° °
g ° ° °
° ° ° e» ° » »»
° ° ° °
° ° » °
» ° ° »»
° ° »»
° °
° (°
° ° ° °
» °
° ° ° » р ° ° °
» ° °
» »
» ° »
° ° °
° 1 °
° °
° ° ° »»
° ° » ° ° °
° ° » ° °
» °
° e ° ° °
° »
° ° I
° »»»Ю °
° ° °
» + ° ° . °
» . °
° ee ° »
° » ° °
° ° »» ° °
° »» ° ° °
° » °
° ° с °, ° °
° ° °
° Ф ° « е
° °
° ° °
° 4 ° ° »
e» ° ee%»
» ° ° ° °
° ° ° ° °
° ° ° °
° ° °
° ° °
° °
° ° » ° °
° °
° » ° ° ° ° ° °
° °
° ° e ° g» ° е ° »» ° °
° Ф °
° ° ° ° °
» ° ° »
° ° ° ° ° » °
° ° ° ° ° °
»» °
» °
° ° » °
° »» ° » °
° ° ° °
° ° ° »» °
° ф»»» ° °
° °
» ° » ° e ° °
° ° ° ° °
° ° ° ° ° ° »с °
° ° ° »» ee °
° ° °
» e f
° ° ° »
° ° °
° ° ф» ° »
° ° ° ° °
° ° ° ° ° . ° ° O б» ° ° ° ° °
° e» ° °
° ° °
° ° °
° ° ° °
° ° ° » ° °
° ° °
° ° ° °
» ° °
° ° °
° ° °
»» ° °
° » ° ° 4 » °
° ° » ° ° »» °
»»»e ° ° °
° Я ° ° »» °
° ° °
° ° ° »»
° »» ° ° ° °
»» ° ° °
° с»»
° ° ° ° ° ° »
° » Ь ° »
