Реактор для проведения гетерогенного катализа реакций газообразных реагентов под давлением

 

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 цилиндрических 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 образовар на по меньшей мере двумя илинесколь- S кими корзинами с катализатором. СО ел 00 4 ЭР 1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

MUNhlDI

РЕСПУБЛИК (5() В Ol .) 8/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Й ВАЛЕНТУ. (21) 2969153/23-26 (22) 10,07.80 (31) 24334А/79 (32) 13.07.79 (33) Италия (46) 30 ° 11.83. Вюл В 44 (72) Умберто Нарди (Италия} (71) Аммониа Казале С.A. (Швейцария) и Умберто Зарди (Италия) (53) 66.097 (088.8) (56} 1. Патент CblA 9 2997374, кл. 23-288,.1930.

2. Патент США Е 2475855, кл. 23-288, 1949. (54)(57) 1. РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ

ГЕТЕРОГЕННОГО КАТАЛИЗА РЕАЩИЙ ГАЗООВРАЗННХ РЕАГEHTOB ПОД ДАВЛЕНИЕМ содержащий внешний контейнер с впуск„„SU„„4 7 А ным отверстием для введения реактивов и выпускным отверстием для выведени продуктов реакции и корзину с катализатором, состоящую из внешней и внутренней перфорированных цилинд- . рических стенок и днища, размещаемую в контейнере в виде 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 и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что обойма образова- g на по меньшей мере двумя или несколькими корзинами с катализатором.

1058487

Изобретение относится к конструкции реактора для гетерогенного катализа и может быть использовано для каталитического синтеза аммиака и метанола, 5

Известен реактор для гетерогенного катализа, содержащий один слой катализатора, через Который проду. вается газ в радиальном направлении (1) .

Недостаток данного устройства низкая производительность.

Известен реактор для проведения гетерогенного катализа реакций газообразных реагентов под давлением, содержащий внешний контейнер с впуск-15 ным отверстием для введения реактивов и выпускным отверстием для выведения продуктов реакции и корзину с катализатором, состоящую из внешней внутренней перфорированных цилинд- 20 рических стенок и днища, размещаемую в контейнере в виде обоймы и сообщающуюся с впускным и выпускным отверстиями (?j .

Недостатками известного реактора являются большие энергоемкость и металлоемкость и сложность Обслуживания.

Цель изобретения — снижение потребляемой электроэнергии.

30 указанная цель достигается тем, что в реакторе для проведения гетерогенного Катализа реакций газообразных реагентов под давлением, содержащем внешний контейнер с впускным отверстием для введения реакти35 вов и выпускным отверотием для выведения продуктов реакции и корзину с катализатором, состоящую из внешней и :внутренней перфорированных цилиндрических стенок и днища, раз- 40 мещаемую в контейнере в виде обоймы и сообщающуюся с впускным и выпускным отверстиями, по крайней мере одна из стенок корзины снабжена размещенной в верхней части глу- 45 хой цилиндрической перегородкой.

Причем обойма образована по меньшей мере двумя или несколькими корзинами с катализатором.

На фиг.l изображен реактор, продольный раэрез1 на фиг.2 — реактор метанола, частичный продольный разрез; на фиг.3 — вариант выполнения реактора; на фиг.4 — реактор, частичный 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 и 9, 10 для равномерного 65 распределения газа в каталитическом слое.

Внутренняя труба ll помимо функции направления газа от дна к вершине реактора образует поперечную поддержку для верхней зоны каждого каталитического слоя, причем такая эона 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 гаэ .подается в реактор через впускное отверстие 14 в корпус 1 и таким Образом подцерживается при низкой температуре, вследствие чего избегает контакта с горячими прореагировавшими газами. Свободные эоны в верхней части каждой каталитической корзины 3 и 4 обеспечивают легкий доступ к каталитическому слою 15 для эксп- луатации, загрузки и выгрузки катализатора через. отверстие в крышке 2.

Реактор работает следующим образом.

Свежий гаэ, 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 теплообмеиник 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 3, содерх:ащей катализатор (предпочтительно в форме гранул) .

Часть газа проходит через зону первого каталитического слоя с преимущественным осевым потоком, а оставшийся газ проходит через зону этого же слоя с преимущественным радиальным потоком.

Горячий гаэ, прореагировавший в первом каталитическом слое, собирается в воздушном пространстве и после смешивания со свежим газом, охлажденным до низкой температуры, который вводится через тороидальный распределитель 16, собирается в верхней части втброго каталитического слоя". Аналогично первому случаю газ проходит через две эоны каталитического слоя — первую зону с преимущест1 венным осевым потоком и вторую зону с преимущественным радиальным потоком, 1058487

Объем двух слоев в двух каталитических барабанах и таким образом количество газа, проходящего через слои, зависят от характеристик используемого катализатора (размер и форма).

Объем первой эоны равен 5-40% общего объема каталитической корзины.

Горячий гаэ, прореагировавший во втором каталитическом слое, собирается в воздушном пространстве и проходит через теплообменник 12 от верх- 10 ней его части ко. дну внутри теплообменных трубок, которые передают тепло входящему газу. Газ удаляется от реактора через выход 17, На фиг.3 представлен частичный 15 фронтальный разрез реактора метанола 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 8 является сплошной (неперфорированной) на протяжении высоты, соответствующей верхней зоне каталитического слоя, действующей в качестве изолирующей пробки, с преимущественным осевым потоком газа. Свободная эона укаэанной корзины обеспечивает легкий доступ к каталитическому слою для эксплуатации, загрузки и выгрузки катализатора через крышку 2. Каждая каталитическая кор- З5 зина работает аналогично.

Реактор .(Фиг.3) построен как цилиндр с низким отношением диаметра к высоте (очень тонкое оборудование типа колонны заполнения) со значи- 40 тельными конструкционными и эксплуатационными преимуществами (простая конструкция, низкая стоимость, легкая эксплуатация и замена каталиэа-,. тоРа) . РеактоР содержит четыре ката- 4 литических корзины 3 с тремя.промежуточными охлаждающимися пространствами. На фиг. 4 и 5 показаны такие же реакторы метанола (фиг.2 и 3) с обратным газовым потоком (реактор с газовым потоком, направленным вверх вместо реактора с газовым потоком направленным вниз) .

Пример 1. Реактор для производства 1000 т/день аммиака, работаощий при давлении 250 атм, имеет 5з два каталитических слоя с радиальноосевым потоком (реактор с потоком, . направлеиным вверх) и с общим объемом 30 мэ катализатора с высоким выходом, образуемого частицами мало- 60 го размера (1,2-2 мм). В каждом слое объем катализатора (работа с преимущественно осевым потоком) ра-. вен 20% от объема каталитического слоя с промежуточным охлаждающим 65 пространством между двумя слоями и внутренним обменом газ-газ (фиг.l) .

Указанный реактор построен в виде ,цилиндра, имеющего отношение внутреннего диаметра к высоте менее 0,08 и с общим падением давления менее

2,5 атм. Кроме того, катализатор заменяют беэ удаления внутренних частей реактора менее, чем эа 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 153 от общего объема слоя с тремя промежуточными 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 уда:ления внутренних частей реактора менее чем за 3 дня.

В радиально-осевых реакторах внутренняя кассета может преимущественно состоять из модулей;в то время как их внешний корпус 1 и крышка 2 остаются в виде одного образца. Иодульная кассета, которая в указанном реакторе была в одном образце 1, образуется из 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 образует воздушное пространство с внутренней поверхностью корпуса 1 оболочки; вторую стенку 7, перфорированную1 третью стенку 8, частично перфорированную и дно 5.

Внешняя стенка 13 выше, чем две стенки 7 и 8, и таким 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, B тоже BpevH обеспечивая соедин esse протектора 2 1 с к оль цевой 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 связывающим кольцом 22, которое смонтировано на фланце 23, соединенном с трубой 11, 1058487

Внутренняя стенка 18 не перфорирована в верхней части трубы ll (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 также 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 (5 образуется кольцевой зазор, служащий для присоединения верхнего протекто" ра 21. На фиг ° 6 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, Нрореэь

26 в верхнем конце нижнего модуля

19 соединяется с кольцевым протектором 21 .в основании среднего модуля

19, верхняя часть которого с прорезью

26 соединяется с протектором 21 верхнего модуля 19. Верхний конец модуля 19 соединен с крышкой 27, которая 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 вы- 40 ход газа через патрубок 30, тороидальные распределители 16 охлажден. ного газа, выхО ящего иэ патрубка

28. В каждом модуле помещен гранулированный катализатор 15. 45

На фиг. 7 показан упрощенный модуль 19, образующий кассету реактора низкого давления беэ воздушного пространства для охлаждения внутренней части корпуса 1 реактора. В этом случае отдельные модули 19 отличаются от модулей, изображенных на фиг.б и 9, отсутствием внешней стенки 13.

Модули 19 не имеют верхних колец 20, ко орые заменены кольцами подложки

30, закрепленными на внутренней стенке корпуса 1, которая снабжена крышками 2 и 27, расположенными в верхнем конце каждого модуля для облегчения доступа при эксплуатации, загрузке и разгрузке каталиэато- @) ра.

На фиг. 8 показан модуль в случае косвенного теплообмена (с помощью теплообменника, а не с помощью охлажденного газа) между питающим и g5 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 гаэ, 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 сложным 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 (вызванным техническим распространением кассет), которые могут возникнуть при работе с одним образцом.

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 опре-. деленной циркуляции газа внутри реактора; уменьшение капиталовложений и стоимости эксплуатации (при необхрдимости отдельные модули кассеты. могут быть легко заменены), а также легкость сборки модульной кассеты, загрузки и выгрузки катализатора.

Более легкий вес индивидуальных модулей по сравнеиию с весом целой стандартной кассеты не требует применения специальных подъемных устройств на установках и уменьшает стоимость перевозки.

Конструирование мрнолитных кассет реакторов обусловливает увеличение расхода металла для сборки.

Они менее дорогостоящие и легче.

1058487

В

f8

Риа, Е

Put. 4

Pgz. 7

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 стан- дартный экран, а также преодолеть

5 неэффективность верхнего слоя катализатора, который в стандартных ре,акторах теряет свою эффективность за счет усадки и не принимает участия в конверсии, что увеличивает стоило мость за счет отходов.

1058487

2 и

Л

Я7(15

19 фиг.8

Ж

27

Составитель Н. Кацовская

Редактор A. Мотыль Техред Л.Пилипенко Корректор Г. Решетник

Заказ 9609/59

Тираж 537 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