Каталитический реактор для осуществления химической реакции

 

Изобретение относится к каталитическому реактору для осуществления химической реакции в присутствии гетерогенного катализатора, при котором сырье пропускают через каталитический реактор, при этом реактор содержит трубку с теплообменной рубашкой, заполненную слоем катализатора, крышку, днище и технологические патрубки, по крайней мере одну теплоподводящую и/или теплоотводящую стенку реактора, слой катализатора состоит из элементарных частиц материала, спеченных вместе и с одной стороной указанной стенки, при этом на другой стороне стенки реактора отсутствует спеченный материал, а максимальное расстояние в метрах (X_макс) от любой точки слоя реактора до ближайшей теплоподводящей и/или теплоотводящей стенки определяется зависимостью, приведенной в формуле изобретения. 2 ил, 2 табл.

Изобретение относится к каталитическому реактору осуществления химической реакции в присутствии гетерогенного катализатора, при котором сырье пропускают сквозь данный реактор.

Реактор содержит трубку с теплообменной рубашкой, заполненную слоем катализатора, крышку, днища и технологические патрубки.

В большинстве существующих каталитических реакторов используют слой твердого катализатора. На такой слой катализатора высыпают или укладывают слоями пористые тела [1] .

Во избежание нежелательного высокого падения давления через слой катализатора тела или частицы, которые используют, предпочтительно имеют размер по крайней мере 0,3 мм. Этот минимальный размер частиц катализатора необходимо для поддержания в технически допустимых пределах падение давления, которое имеет место, когда поток реагентов пропускают сквозь слой катализатора. Кроме нижнего предела размера, обусловленного допустимым падением давления, требуемая активность катализатора определяет верхний предел размеров каталитически активных частиц. Высокая активность, требуемая для ряда типов технических катализаторов, в большинстве случаев может быть достигнута при величине поверхности активной фазы от 25 до 500 м² на мл. Площади поверхности такого порядка величины возможны только с очень малыми частицами, например, с частицами в 0,05 микрона.

Так как жидкая или газообразная смесь не может протекать сквозь частицы таких размеров, минимальные начальные частицы должны быть образованы в виде высокопористых тел, имеющих размеры по крайней мере примерно 0,3 мм, которые могут иметь значительную величину поверхности катализатора. Важной целью для получения технических катализаторов является комбинирование требуемой высокой пористости с достаточно высокой механической прочностью. Каталитические частицы не должны разрушаться при заполнении реактора и при воздействии на них внезапных разностей температуры (теплового удара).

В условиях предварительной термической обработки и/или проведения каталитической реакции почти все каталитические активные материалы быстро спекаются в крупные конгломераты с крайне малой величиной активной поверхности. Поэтому активный компонент наносят (в тонко измельченной форме) на так называемый носитель. Этот носитель имеет требуемую тепловую стабильность и трудно спекается или даже совсем не спекается при высоких температурах. Наиболее используемые носители - двуокись кремния, окись алюминия или активированный уголь.

Хотя существует большая необходимость в быстром подводе или отводе тепловой энергии в каталитических реакторах, слой твердого катализатора имеет плохую теплопроводность. Согласно существующему уровню техники фактически невозможно подать тепловую энергию к слою твердого катализатора или отвести от него энергию эффективным образом. Это определяется тем путем, каким технические реакции осуществляются в слоях с твердым катализатором.

Возможно, что при экзотермической реакции повышение температуры приводит только к сдвигу термодинамического равновесия в нежелательном направлении без недопустимого снижения селективности. В этом случае реакция может быть проведена в адиабатических условиях в твердом каталитическом слое; это возможно только с экзотермическими реакциями. После прохождения через реактор поток реагентов охлаждают в отдельном теплообменнике. Так как превращение реагентов теперь термодинамически ограничено благодаря повышению температуры в реакторе, реагенты могут быть повторно введены в реакцию после охлаждения. Продукт реакции может быть отделен и реагенты возвращены в цикл через слой твердого катализатора. Это осуществляется, например, при синтезе аммиака и при синтезе метанола. Если продукт реакции не может быть быстро отделен, теплообменник должен иметь после себя второй реактор на твердом слое с теплообменником. Так обстоит дело, например, при окислении двуокиси серы в трехокись серы. Иногда, с целью предупреждения выделения вредных соединений требуется даже третий реактор с теплообменником. Если последовательное соединение множества реакторов и теплообменников совершенно невозможно и отделение продукта реакции также невозможно, продукт реакции иногда возвращают в цикл через слой катализатора. В этом случае как бы ни мало количество реагентов, добавленное к циркулирующему продукту реакции при прохождении через реактор, они полностью превращаются. Так как повышение температуры в этом случае должно хорошо регулироваться, только небольшое количество может быть превращено за один проход через реактор. В случае, когда реакция должна осуществляться при значительно возросшем давлении, проблемы с подводом или отводом тепла в ходе реакции являются даже более значительными. При синтезе аммиака и при синтезе метанола используют каталитический слой, в котором реагенты вводят под давления в различных точках при относительно низкой температуре.

Такая характеристика процесса, при которой газовые потоки должны пропускаться сквозь реакторы высокого давления усложненным образом, естественно, требует крупных капиталовложений.

Ни одно из вышеназванных технических решений не является оптимальным. Требуется дорогостоящее оборудование, в то время как возврат в цикл и отделение продуктов реакции, присутствующих в малой концентрации, требует много энергии, поэтому часто используют псевдоожиженные слои. В псевдоожиженном слое перенос тепловой энергии намного легче. В псевдоожиженном слое катализатор, который должен использоваться, должен удовлетворять очень жестким требованиям в отношении механической прочности и износостойкости, что невозможно с каждым катализатором. И наконец, из-за неизбежного истирания потребление катализатора в псевдоожиженном слое относительно велико. В самом деле, во многих случаях не будет возможно использовать псевдоожиженный слой.

Имеются случаи, при которых нельзя использовать ни псевдоожиженного слоя, ни адиабатического реактора. Это, в частности, справедливо для сильно эндотермических реакций и реакций, при которых селективность снижается ниже допустимх пределов при повышении температуры. Примерами являются паровой риформинг метана и селективное окисление этилена в окись этилена. При селективном окислении этилена обеспечивается очень большая величина теплообменной поверхности путем использования реактора с не менее, чем 20 000 длинных трубок. При процессе парового риформинга метана стремятся оптимизировать подачу тепла путем приспособления размеров и формы частиц катализатора. В этой последней реакции также требуется использовать в реакторе значительное количество дорогостоящих трубок.

В определенных случаях реакция может быть проведена с катализатором, находящимся в суспензии в жидкости с подходящей температурой кипения. В этом случае теплота реакции рассеивается при испарении жидкости. В эндотермических реакциях тепловая энергия может быть подана к реакционной системе через жидкую фазу. Технически проведение каталитической реакции с катализатором, суспендированным в жидкой фазе, возможно только в нескольких случаях.

Также предлагалось наносить катализатор исключительно на стенку реактора. Таков, например, случай при проведении реакции Фишера-Тропша, при которой высшие углеводороды получают из смеси водорода и окиси углерода. Катализатор, нанесенный на стенке, обеспечивает хорошую теплопередачу от катализатора в окружающую среду. Один способ, предложенный для нанесения катализатора на стенку, будет следующим. Катализатор наносят на стенку в виде металла Рэнея, сплава активного металла и алюминия. После нанесения катализатор активизируют путем растворения алюминия в щелочи. Наибольшая часть объема реактора пуста, в результате чего контакт реагентов с каталитически активной поверхностью является плохим, а превращение за один проход через реактор в значительной степени ограничено. По этой причине реагенты должны быть возвращены в цикл через реактор несколько раз.

В ряде технически важных случаев падения давления при прохождении реагентов сквозь слой катализатора должно быть очень малым. Это относится, например, к реакторам, в которых дымовые газы из крупных установок должны очищаться так, как при каталитическом отделении окислов азота от дымовых газов. Так как поток дымовых газов обычно представляет собой огромное количество, должное падение давления требует значительной механической энергии. То же самое относится и к очистке автомобильных выхлопных газов. В этом случае также недопустимо высокое падение давления.

В настоящее время единственная возможность достижения допустимого падения давления без чрезмерного снижения контакта с катализатором заключается в использовании катализаторов, нанесенных на соты. Для этой цели используют почти исключительно керамические сотовые конструкции, иногда называемые монолитами, на которые был нанесен каталитически активный материал. Однако эти керамические сотовые конструкции очень дорогостоящи и их применение не очень приемлемо.

В варианте способа, при котором катализатор наносят только на стенку, используют монолиты, выполненные из тонких металлических пластин. Такой реактор выполнен, например, путем скатывания комбинации волнистых и плоских тонких металлических пластин и последующего скрепления этой сборки сваркой. Таким же образом плоские пластины могут быть уложены друг на друга для образования системы с большим числом каналов. Затем катализатор наносят на стенку полученных таким образом каналов. И в данном случае вновь при нормальном выходе превращение ограничено из-за того, что относительно большая фракция реагентов проходит через катализатор непрореагировавшей, или из-за того, что реагенты требуют относительно длительного времени нахождения в реакторе для достижения достаточно высокого превращения.

Теплопроводность в слое твердого катализатора плохая из-за низкой теплопроводности высокопористых носителей, несущих на себе каталитически активный материал, поэтому (Коваленко О. Н. и др. , Chemical abctracts 97 (18) 151409) улучшали теплопроводность путем увеличения проводимости частиц катализатора путем использования пористых металлических частиц в качестве носителей катализатора. Сэттерфилд уже описал, что теплопроводность стопки пористых частиц определяется не настолько проводимостью материала частиц, а взаимными контактами между частицами (C. N. Satterfield, "Mass Transfer in Heterogeneous Catalysis", MIT Press, Cambridge, МА, США (1970), стр. 173). Измерения показали, что теплопроводность каталитических частиц незначительно ухудшает передачу тепла в слое катализатора.

В патенте WO-A 86/02016 описан раствор, который включает катализатор, содержащий активный слой, который состоит из спеченных частиц металла, которые находятся в хорошей теплопроводной связи со стенкой реактора, причем эта стенка содержит на наружной стороне спеченные металлические частицы для отвода тепла-продукта реакции. Кроме того, изменение фазы происходит с наружной стороны реактора. Было выявлено, что такая система реактора способна осуществить отвод значительных количеств тепла, но невозможны эффективные поправки и/или регулировки реакции. Это видно из примера, в котором описывается каталитическое горение горючего газа с теплотворной способностью 35 530 кДж. Это должно происходить при 350^оС. Благодаря охлаждению реактора испаряющейся водой (получение пара) при 110^оС весь реактор охлаждается до 110^оС, в результате чего реакция не будет продолжаться.

В связи с этим требуется система, в которой химическая реакция, в частности реакция со значительным тепловым эффектом, могла проводиться простым образом.

Согласно настоящему изобретению, было найдено, что реакции описанного типа могут быть осуществлены великолепным образом в каталитическом реакторе, в котором рабочий слой состоит из элементарных частиц материала, спеченных вместе и на одной стороне стенки реактора, но в котором на другой стороне стенки реактора не присутствуют частицы спеченного металла. Если в таком реакторе диаметр рабочего слоя выбирают в зависимости от тепловых эффектов, которые меняются от реакции к реакции, но для каждой реакции известны и могут быть подсчитаны в зависимости от условий реакции, то реакции описанного типа могут быть проведены оптимальным образом.

Данное изобретение основано на понимании того, что подлежащая проведению в практическом масштабе каталитическая реакция требует ее проведения в пределах специфического температурного диапазона. Если тепло должно подаваться в случае эндотермических реакций и если тепло должно быть отведено в случае экзотермических реакций, температура соответственно будет повышаться выше и понижаться ниже этого температурного диапазона. Настоящее изобретение позволяет поддерживать оптимальную температуру путем выбора наиболее подходящей системы реактора.

В соответствии с этим данное изобретение относится к способу проведения химической реакции в присутствии гетерогенного катализатора, при которой сырье пропускают сквозь каталитический реактор, причем в указанном реакторе находится слой твердого катализатора, содержащего каталитически активный материал и по крайней мере одну стенку реактора, подающую и/или отводящую тепло, причем слой катализатора состоит из элементарных частиц материала, спеченных вместе и на одной стороне этой стенки, при этом спеченного материала нет на другой стороне этой стенки реактора, и в котором максимальное расстояние в метрах (X_макс) от любой точки слоя реактора до ближайшей подающей тепло и/или отводящей тепло стенки определяется следующей формулой: X_max≅ - + или по формуле X_max≅ - ; В этой формуле λ обозначает эффективный коэффициент теплопроводности в Вт/мК спеченного материала, значение которого находится в диапазоне от 2 до 250. Скорость теплопередачи является относительно важным фактором в каталитических системах согласно данному изобретению. Естественно, теплопроводность всей системы, то есть от стенки реактора до теплопроводности внутри слоя, частично определяется теплопроводностью используемого материала. Теплопроводность составляет не менее 10% теплопроводности используемого материала в твердом состоянии; это значение находится в пределах от 10 до 75% . В абсолютных значениях теплопроводность находится от 2 до 250 Вт/мК. αi обозначает коэффициент теплопередачи в Вт/м²/K на стороне реактора теплопередающей и/или теплоотводящей стенки реактора и равно εα , где ε имеет значение между 1,0 и 10 и обозначает возрастание теплопередачи при спекании материала, а α обозначает коэффициент теплопередачи от слоя реактора в неспеченном состоянии к теплоподающей и/или теплоотводящей стенке реактора.

Δ T_max, замеренная на радиальном поперечном сечении через рабочий слой, является абсолютным значением разности температуры между любой точкой в этом поперечном сечении и ближайшей теплоподводящей и/или теплоотводящей стенкой реактора, максиальная возможная величина которого находится в пределах от 1 до 1000 К в зависимости от типа реакции и материала реактора. Значение для ΔТ_max определяется величинами для минимальной температуры T_min и максимальной температуры Т_max, определяемыми внешними факторами. Основа T_min и T_max может меняться в значительной степени; максимальная или минимальная температура для предупреждения побочных реакций и/или последующих реакций, замораживание равновесия или слишком низкая скорость реакции, чрезмерно высокое падение давления, стабильность, достаточно высокое повышение температуры в реакторе относительно требований последующей работы установки, ограничения по материалу, конденсации входящих материалов или продуктов реакции и т. д.

a' обозначает коэффициент формы, дающий соотношение между площадью поперечного сечения реактора и окружностью теплообмена указанного поперечного сечения реактора, помноженное на X_max, следовательно, a' зависит только от геометрии реактора. В отношении трубки a' равно 0,5, а для пластины - 1. В табл. 1 значения для a и a' приведены для ряда геометрических размеров реактора.

Значение q в формуле представляет собой максимальную теплоту реакции в Вт/м³, выделенную в слое реактора, и которая должна быть подана и/или отведена через стенку в радиальном направлении. Значение q зависит от активности катализатора, плотности загрузки катализатора, геометрии катализатора и состава газа. Для заданной реакции или при заданных условиях реакции q может быть определено простым образом.

Если требуется определять Xmax в отношении к теплу, переданному в радиальном направлении, на м² стенки реактора, отношение может быть записано в виде ^Xmax≅ ^- , где a, a', λ, Δ T_max и αi имеют вышеуказанные значения, а Q обозначает теплоту, переданную в радиальном направлении на м² стенки реактора. Величина Q зависит от теплоты q, произведенной или требуемой на единицу объема, и которая должна быть выделена или подведена в радиальном направлении, и размера теплообменной поверхности.

Q может быть просто определено путем определения теплового потока через наружную сторону реактора. Это тепло должно быть отведено и/или подано на наружной стороне реактора. Это может быть сделано различными путями в зависимости от температурного диапазона, диктуемого реакцией, и/или внешними факторами; например, с помощью газов и жидкостей, возможно в псевдоожиженном слое, облучения с помощью инфракрасных радиаторов и/или открытого пламени, проводимости через твердые вещества и т. п.

В реакторе элементарные частицы, образующие слой твердого катализатора, могут быть или не быть пористыми, состоять из всяких материалов и получены различными путями. Первым важным положением является то, что эти частицы могут быть скреплены вместе, например спеканием. Размеры частиц важны в отношении падения давления по ходу реактора: когда эти частицы слишком малы, падение давления может стать слишком значительным. Определяющим для падения давления через слой катализатора является пористая структура спеченного слоя. Поэтому предпочтительным исходным продуктом являются элементарные частицы, наибольший размер которых составляет по крайней мере 0,3 мм.

При необходимости можно использовать меньшие базовые частицы, которые во время спекания срастаются, образуя более крупные агрегаты, в результате чего получают еще допустимое падение давления. Верхний предел размера частично определяется степенью контакта между катализатором и реагентом (ами), в то время как форма частиц может также играть свою роль.

Слой катализатора образуют из более или менее изотропных частиц, в частности, при довольно узком распределении размера частиц. Когда такие элементарные частицы используют, то получают систему катализатора с очень хорошими свойствами.

Материал, из которого состоят элементарные частицы, представляет собой металл, но в качестве альтернативы - глинозем, кремнезем, кремнезем-глинозем, цеолит, двуокись титана, окись цинка или окись циркония, или окислы сочетания элементов, таких как шпинель (MgAl₂O₄), муллит (3Al₂O₃˙2SiO₂) или кордерит (2MgO ˙ 2Al₂O₃ ˙5SiO₂) так же, как и карбиды, нитриды и бориды элементов, таких как кремний, вольфрам, титан и ванадий, предпочтительно металлы или сплавы металлов, так как элементарные частицы, состоящие из этих материалов, могут относительно легко скрепляться вместе и со стенкой реактора путем спекания. Металл или сплав металла сам по себе может быть каталитически активным или может приобрести каталитическую активность с помощью обработки, но в качестве альтернативы каталитически активный материал наносится на него.

В частности, можно вначале нанести каталитически активный компонент на (высоко) пористый носитель и прикрепить затем таким образом носитель с покрытием к поверхности металла или сплава. Последнее может иметь важное значение, если каталитически активный компонент не должен вступать в непосредственный контакт с материалом спеченных частиц для предупреждения нежелательного взаимодействия между материалом частиц и каталитически активным компонентом.

Подходящие металлы для использования в элементарных частицах - никель, железо, хром, марганец, ванадий, кобальт, медь, титан, цирконий, гафний, олово, сурьма, серебро, золото, платина, палладий, вольфрам, тантал и лантаниды и актиниды. Элементарные частицы могут состоять из практически чистого металла или из сплава двух или более металлов, причем этот сплав может содержать неметаллические компоненты, такие как углерод, азот, кислород, серу, кремний и тому подобное.

Согласно другому варианту осуществления данного изобретения элементарные частицы состоят из волокон филаментов, предпочтительно диаметром не более 0,5 мм, предпочтительно 1-250 мкм. Материалы, из которых эти частицы состоят, включают углерод и металл или сплавы металла.

В настоящем описании выражение "стенка реактора" означает физическое разделение между пространством, в котором происходит реакция, то есть, каталитическим слоем, и пространством, в котором происходит подача и отвод тепла. Это может быть наружная стенка слоя катализатора, но и включает также стенки каналов внутри слоя, сквозь которые может пропускаться теплообменная текучая среда.

Стенка может состоять из обычных материалов, известных для этих целей. Эти стенки могут состоять из одного слоя, но, в качестве альтернативы, более чем одного слоя, в связи с чем может быть целесообразно, чтобы поверхность, к которой элементарные тела должны быть прочно прикреплены, усиливала сцепление с элементарными частицами. Один пример представляет собой покрытие из эмали на керамических элементарных частицах.

Степень пористости слоя твердого катализатора может меняться в очень широких пределах. Эта пористость, то есть, часть слоя, не занятая прочно закрепленными элементарными частицами, обычно находится в пределах от 20 до 90 об. % . Наиболее подходящая величина зависит от требуемой величины поверхности, требуемого падения давления и скорости теплопередачи в слое. Предпочтительные значения для пористости находятся в пределах от 40 до 85% по объему.

Скорость теплопередачи является важным фактором в каталитических системах.

Теплопроводность всей системы, то есть от стенки реактора до внутренней части слоя, частично определяется теплопроводностью используемого материала. Например, теплопроводность не ниже 10% от теплопроводности материала, используемого в твердом состоянии; предпочтительно это значение находится в пределах от 10 до 75% . В абсолютных выражениях теплопроводность находится в пределах от 0,2 до 300 Вт/м² ˙К.

Теплопроводность в значительной степени зависит от теплопроводности используемых элементарных тел. Таким образом, например, экструдат из Al₂O₃ имеет проводимость в 0,32 Вт/м ˙К, в то время как спеченное тело из 316L имеет значение в 3-12 Вт/м ˙К. Порошок из 316L имеет значение в 0,55, в то время как твердый материал имеет значение в 20 Вт/м ˙К. Твердая медь имеет теплопроводность в 398 Вт/м ˙К. Все эти значения относятся к условию комнатной температуры. При других температурах абсолютное значение цифр меняется, но их взаимные соотношения остаются приблизительно теми же самыми.

В реакторах импульс газа высокого давления может быть направлен через реактор в направлении, противоположном направлению потока реагентов. Этот импульс давления выдувает пыль из слоя катализатора, и закупоривание можно предупредить без раскрывания реактора, что удобно с технической точки зрения. С катализаторами твердого слоя согласно уровню техники это невозможно: каталитические частицы будут унесены из слоя катализатора вместе со слоем пыли.

При неспеченном материале из-за того, что форма частиц материала не соответствует форме стенки реактора, слой реактора имеет высокую пористость у стенки. Как следствие, в этом месте присутствует мало катализатора и будет вступать в реакцию относительно намного меньше сырья. Этот эффект усиливается еще больше тем, что высокая пористость дает низкие падения давления, и сырье предпочтительно будет течь вдоль стенки. Спекание улучшает связь со стенкой, и как результат, пористость аналогична материалу слоя, который не присутствует у стенки. В дополнение к этому, когда катализатор нанесен после того, как реактор был заполнен и подвергнут спеканию, катализатор также будет нанесен на стенку. Результатом этих действий является то, что проскок вдоль стенки намного меньше, и полная длина реактора может быть короче. Таким образом падение давления остается низким, и имеется альтернатива для сотовых структур.

Изобретение особо пригодно для проведения высоко экзотермических или эндотермических каталитических реакций. В качестве примера такой реакции описано окисление метана. В качестве примера реакции, при которой селективность в значительной степени определяется температурой, будет взято селективное окисление сернистого водорода. В этом случае отвод тепловой энергии имеет очень важное значение, так как выше температуры примерно 300^оС окисление пара серы по нежелательной двуокиси серы будет иметь место. Использование каталитической системы согласно настоящему изобретению позволяет очень эффективную очистку газовых потоков с содержанием сернистого водорода, например, в 10% от объема. Сернистый водород селективно окисляется для образования элементарной серы, которую очень легко отделить конденсацией. Так как такие газовые смеси не могут быть подходящим образом обработаны в ходе способа Клауса, изобретение имеет особо важное значение для этих целей.

Каталитическая система согласно настоящему изобретению может быть сама по себе каталитически активна или стать активной в результате обработки. Возможно нанести каталитически активный материал на прочно скрепленные элементарные тела. Для этой цели вначале готовят дисперсию каталитически активного материала, которую можно нанести на носитель в жидкости, и впоследствии эту жидкость наносят на прочно скрепленные элементарные тела. Это может быть осуществлено, например, путем удаления слоя, на который должен быть нанесен каталитически активный материал, и последующего всасывания этой дисперсии в слой, в результате чего этот слой пропитывется каталитически активным материалом. Состав дисперсии и условия получения системы выбираются так, чтобы вязкость пропитывающей жидкости возрастала после пропитки. Таким образом жидкая фаза может быть удалена из дисперсии без значительного нарушения распределения каталитически активного материала. Кроме того, достигается лучшее распределение каталитически активного материала по прочно скрепленным элементарным телам. Можно предусмотреть ряд способов для повышения вязкости жидкости. Первый способ заключается в охлаждении ее ниже точки затвердевания, в результате чего вся масса становится твердой. Используя вакуум, система может быть лиофилизована из замороженного состояния. Другая возможность состоит во включении малой пропорции агара или другого материала, имеющего сравнимую активность, в дисперсию, в результате чего эта дисперсия может быть введена в систему при повышенной температуре, а система может в последующем быть зафиксирована простым охлаждением. Впоследствии жидкость может быть удалена под вакуумом или иным образом, а агар удален при повышенной температуре пиролизом. Подходящее со- держание агара определяется тем, что жидкость должна иметь возможность становиться достаточно вязкой или даже твердой. Пригодные концентрации находятся в диапазоне от 0,05 до 1,0 мас. % .

На фиг. 1 изображена схема варианта выполнения каталитической системы с возрастанием степени увеличения слева направо. С левой стороны изображена система при введении исходных реагентов в систему снизу, а продукты покидают систему сверху. Выделяющееся тепло покидает систему в соответствии со стрелками, показанными слева, и отводится с использованием показанной здесь теплообменной среды.

Средний рисунок иллюстрирует деталь стенки реактора с прочно скрепленными элементарными частицами. На нем цифра 1 обозначает матрицу прочно скрепленных металлических частиц, 2 - стенку реактора, 3 - дополнительный теплообменный материал.

Рисунок справа иллюстрирует еще большее увеличение и показывает размещение каталитически активных частиц 4 на металле 1.

На фиг. 2 изображена схема, иллюстрирующая способ нанесения каталитически активного материала на прочно скрепленные элементарные частицы, на рисунке цифра 1 обозначает прочноскрепленные элементарные частицы, а 2 - стенку реактора. Эта стенка образует часть реактора, который снабжен на крышке и на днище выступами для подачи и ствола материалов. Эти выступы снабжены клапанами 7, 8. Реактор окружен рубашкой 9 для теплообменной среды, например воды. Эта рубашка снабжена выступами 10 и 11. Ввод 5 содержит резервуар 12 для жидкости, которя может быть введена в систему. Для введения каталитически активного материала в эту систему процедура будет следующей. Позицией 6 обозначен вывод.

Клапан 7 закрыт, и выступ 10 соединен с вакуумным насосом, в то время как клапан 8 открыт. В резервуаре 12 содержится дисперсия каталитически активного материала, который должен быть введен в систему в жидкости. Как только вакуум в реакторе достаточен, клапан 8 закрывается. Путем открытия клапана 7 дисперсию всасывают в систему. Как только происходит достаточное диспергирование в системе, вакуум может быть полностью сброшен, а резервуар 12 удален. Система охлаждается через рубашку до тех пор, пока жидкость не станет достаточно вязкой или затвердевшей. После этого все высушивается в вакууме.

П р и м е р 1. На основе заданной реакции, при которой тепло должно быть отведено или подано, разработка реактора будет содержать следующие этапы.

1. Определение реакции требуемого температурного диапазона, абсолютного давления, входных концентраций и требуемого превращения и количества сырья.

2. Определение кинетических данных катализатора, применяемого в указанной реакции. Это может быть сделано либо в испытательном реакторе со спеченным металлом, на который был нанесен катализатор, или в испытательном реакторе с одними катализаторами, нанесенными на керамический материал. В этом последнем случае должна быть сделана поправка на измененную загрузку катализатора.

Все это приведет к отношению, которое описывает или достаточно точно приближается к скорости реакции в пределах температуры и парциальных давлений реагентов. Это отношение будет следующим: = F(τ, P, T, PCi) - I _→ n, где - изменение компонента i на единицу времени и на единицу объема слоя реактора; τ- период контакта между реагентами и катализатором; Т - температура, при которой происходит реакция; PCi - парциальное давление компонента i; P - давление системы, n обозначает число реагентов, участвующих в реакции.

3. q затем следует из произведения и Δ h, при этом Δ h обозначает теплоту реакции, высвобожденную на трансформированную единицу давления компонента Ci.

4. С учетом состава сырья и температурного диапазона, в сочетании с коррозионной стойкостью, материал может быть выбран для изготовления реактора.

5. С помощью данных от изготовителя спеченного материала можно выбрать размер частиц и распределение размера пор. Это находится в соотношении с допустимым падением давления и с требуемым временем нахождения в материале реактора с тем, чтобы достичь заданного превращения. Длина реактора и средняя скорость , при которой сырье течет через реактор, определяются одновременно. Это зависит от температуры, которая обычно не будет постоянной, допустимого падения давления и требуемого времени нахождения. Этот этап часто требует интегрирования по отношению к длине реактора для получения точного определения длины, скорости сырья, размера частиц и распределения размера пор.

6. Диаметр или толщина элемента реактора (например, плиты или трубы) могут быть вычислены с помощью данной формулы.

7. Средства охлаждения или нагрева, которые должны использоваться, должны выбираться на основе количества тепла, которое должно быть отведено или подано и требуемого температурного диапазона.

8. Число элементов реактора может быть определено с помощью количества сырья, которое должно обрабатываться, и количества на элемент реактора.

П р и м е р 2. Селективное окисление H₂S до элементарной серы.

Для изготовления реактора использовали стальную трубу. В нее вводили металлические частицы сплава железо-хрома, при этом состав был в 80% железа и 20% хрома. Частицы металла имели размер от 90 до 2000 мкм. Порошок сплава, высыпаемый в трубу, уплотняли вибрацией и затем спекали в атмосфере водорода при 1200^оС в течение 10 ч. Это приводило к телу из пористого металла, жестко вошедшего в трубу.

Затем реактор нагревали до 800^оС в течение 16 ч при пропускании сквозь него воздуха. Как результат этой обработки, активность поверхности для образования двуокиси серы пропадала.

После этого каталитически активный компонент наносили на предварительно обработанный сплав. Активный компонент состоял из α -Al₂O₃, к нему наносили 5% Fe₂O₃/Cr₂O₃ с соотношением Fe/Cr 9/1. Удельная поверхность α-Al₂O₃ составляла 6,5 м² на г. Этот активный компонент загружали в реактор в пропорции 600 кг на м³ объема слоя катализатора.

Если оба катализатора, то есть обычный катализатор с неспеченным керамическим материалом и катализатор, нанесенный на спеченный металл (алюминий), вводятся в трубчатые реакторы, реакции продолжаются при 300^оС.

В табл. 2 приведены результаты экспериментов, рассчитан диаметр трубы. ΔТ_max устанавливается при 25^оС в связи с двумя нежелательными явлениями. При более низкой температуре превращение равновесия чрезмерно мало. При более высоких температурах начинается соответствующая последующая реакция, в которой S окисляется до SO₂.

Диаметр 0,64 мм, который является результатом для классического случая, настолько мал, что реактор не может быть разработан таким образом. Единственной альтернативой является последовательное соединение свободных адиабатических реакторов, куда газ входит при 200^оС и где, как результат реакции, температура поднимается до 300^оС. После каждого адиабатизирующего реактора теплообменник может быть подсоединен; в нем температура вновь понижается до 200^оС.

П р и м е р 3. Обычный реактор для окисления этилена состоит из 20 000 трубок диаметром 0,02 м. Так как газ продувается сквозь него при высокой скорости (20 м/с), коэффициент теплопередачи определяется этой скоростью. Значение α_i затем может быть оценено как равное 1000 Вт/м²˙К, была определена оценочно как 0,39 Вт/м˙К.

С помощью формулы X_max может быть подсчитана, частное .

С помощью значений для спеченного металла, состоящего из алюминия с α_i= 500 Вт/м² ˙К и λ = 65 Вт/ м˙К, X_max мoжет быть подсчитана для реакции как составляющее 0,0567 м.

Диаметр этих трубок должен тогда составлять 11,3 мм. Это означает, что вместо 20 000 трубок требуется только 630.

Формула изобретения

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ, включающий трубку с теплообменной рубашкой, заполненную слоем катализатора, крышку, днище и технологические патрубки, отличающийся тем, что слой катализатора содержит элементарные твердые частицы с нанесенным на них катализатором совместно прокаленных и размещенных у одной из стенок реактора, при этом максимальное расстояние X_max от любой точки слоя до ближайшей теплопроводящей и/или теплоотводящей стенки определяют по формуле
X_max= - +
или по формуле
X_max= - ,
где λ - действительный коэффициент теплопроводности в Вт/мК спеченного материала и имеет значение 2 - 250;
α_i - коэффициент теплопередачи в Вт/м²/К на стороне реактора теплоподводящей и/или теплоотводящей стенки реактора и равен ε_α , где ε имеет величину 1,0 - 10 и указывает на увеличение теплопередачи при спекании материала , а α - коэффициент теплопередачи от слоя реактора в неспеченном состоянии;
ΔT_max - замеренное через радиальное поперечное сечение сквозь слой реактора, обозначает абсолютную величину разности температуры между любой точкой в этом поперечном сечении и ближайшей теплоподводящей и/или теплоотводящей стенкой реактора, максимально допустимое значение которой 1 -1000 К;
a - коэффициент формы, определяемой только геометрической формой реактора, и имеет значение 0,25 - 0,5;
a' - коэффициент формы, предсталвяющий собой соотношение площади поперечного сечения реактора и теплообменной окружности указанного поперечного сечения реактора, помноженное на X_max, и имеет значение 0,5 - 1;
q - максимальная теплота реакции, выделенная в слое реактора, которая должна быть подведена и/или отведена через стенку с радиальном положении, Вт/м³;
Q - тепло, транспортируемое в радиальном направлении на 1 м² стенки реактора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3