Аппарат для гетерогенных каталитических процессов

 

Сущность изобретения: аппарат для проведения гетерогенных каталитических процессов состоит из трубчатых элементов, в которых размещены пористые катализаторные блоки, состоящие из секций, выполненных из слоев различной пористости. Наличие секций различной пористости в блоке приводит к снижению газодинамического сопротивления и повышению производительности аппарата. 5 з. п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Изобретение относится к аппаратам для проведения гетерогенных каталитических процессов, в частности процесса синтеза аммиака.

Известен аппарат для гетерогенного каталитического процесса синтеза аммиака с цилиндрическим слоем гранулированного катализатора, в котором газ движется в радиальном направлении. Недостатком аппарата является низкая удельная производительность и высокое газодинамическое сопротивление потоку.

Известен аппарат для проведения гетерогенных процессов, включающий вертикальный цилиндрический корпус, установленную по его оси циркуляционную трубу с образованием кольцевого пространства, внутри которого по высоте размещены блоки катализатора. Аппарат снабжен установленными снаружи рециркуляционными трубами, а под блоками катализатора распределительными устройствами. В качестве катализатора используют промотированный скелетно-никелевый катализатор из одной партии.

Недостатком известной конструкции является низкая производительность, поскольку используется катализатор с большим размером гранул, а следовательно, с небольшой поверхностью контакта. Кроме того, слой гранулированного катализатора обладает большим сопротивлением потоку реакционной смеси, и отсутствует возможность менять скорость потока, которая напрямую связана с производительностью.

С целью устранения указанных недостатков предложен аппарат для проведения гетерогенных каталитических процессов, включающий корпус с размещенным в нем одним или несколькими трубчатыми элементами, в которых размещены катализаторные блоки, установленные по высоте аппарата. Каждый блок катализатора выполнен из секций. По периферии секций блока размещен мелкопористый слой каталитически активного материала, внутри которого помещен крупнопористый слой катализатора или инертного материала.

Для повышения производительности и механической прочности в пространство между блоками помещен слой крупнопористого катализатора или инертного материала, имеющего одинаковый или отличный размер от крупнопористого материала в блоке.

В известной конструкции поверхность блока катализатора в осевом сечении имеет форму прямоугольника. В предложенной конструкции поверхность секции катализатора в осевом сечении может иметь как форму прямоугольника, так и форму треугольника, синусоиды, лемнискаты, что позволит использовать различные технологии для изготовления блоков.

Для проведения процесса необходимо использовать мелкопористый катализатор с размером пор 10^-2-1 см. Катализатор с размером пор менее 10^-2 см приводит к повышенному сопротивлению потоку реакционной смеси. Катализатор с размером пор более 1 см обладает низкой производительностью.

На фиг. 1 представлен аппарат, общий вид; на фиг. 2 блок аппарата с секциями катализатора, имеющего общий канал; на фиг. 3 блок аппарата с крупнопористым материалом (инертным или каталитически активным), установленным между секциями аппарата; на фиг. 4 блок, секции которого в осевом сечении выполнены в виде треугольника; на фиг. 5 блок, секции которого в осевом сечении выполнены в виде синусоиды; на фиг. 6 блок, секции которого в осевом сечении выполнены в виде лемнискаты.

Аппарат для проведения гетерогенных процессов (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором установлены трубчатые элементы 2. В них по высоте аппарата размещены блоки катализатора 3 (фиг. 2-6), которые в cвою очередь выполнены из секций 4. Такой секционированный блок имеет общий канал 5 для прохождения реакционной смеси и пристенный канал 6. Нижняя секция блока установлена на перегородке 7 с отверстием 8, совпадающим с каналом 5. Сверху блока установлена перегородка 9, закрывающая канал 5, но оставляющая свободным пристенный канал 6 для выхода реакционной смеси из блока. Периферия секций 4 выполнена из слоя мелкопористого катализатора 10, внутри которого помещен слой крупнопористого материала 11. Указанный слой 11 может быть выполнен как из каталитически активного материала, так и из инертного материала. В аппарате имеется вход 12 для подачи исходной реакционной смеси, выход 13 для готового продукта. В том случае, когда в аппарат надо подавать хладагент или теплоноситель, используют вход 14 и выход 15.

В некоторых случаях между секциями блока аппарата может быть помещен слой крупнопористого материала 11. Такой материал может быть и инертным по отношению к реагирующим компонентам, и каталитически активным. Подобное размещение крупнопористого материала между секциями приводит к увеличению надежности работы аппарата, поскольку такие слои поддерживают секции блока и придают им необходимую конструкционную жесткость.

Блок, выполненный из таких секций, может представлять собой как единое целое, так и быть выполненным из отдельных элементов.

Секции могут быть выполнены из отдельных частиц, т.е. по периферии секции насыпается слой частиц катализатора, внутри которого засыпают также слой частиц, причем частицы по периферии образуют мелкопористый слой, а внутри крупнопористый. Выбор размера частиц для образования внешнего и внутреннего слоев является обычной инженерной разработкой.

Предлагаемый аппарат работает следующим образом.

Реакционная смесь подается в аппарат через вход 12. В случае технологической необходимости в межтрубное пространство через вход 14 подается хладагент или теплоноситель. Реакционная смесь, попадая в аппарат, равномерно распределяется по трубчатым элементам 2. Через отверстие 8 в блоке катализатора она попадает в общий канал секций 5 и, пройдя через слои пористого материала, попадает в пристенный канал 6. Далее реакционная смесь выходит в пространство между блоками и входит в общий канал 5 следующего, расположенного над ним, блока и т.д. Пройдя все блоки, смесь выходит из аппарата через патрубок 13.

Направление потока может быть обратным. А именно реакционная смесь подается через патрубок 13, равномерно распpеделяется по трубчатым элементам 2, входит в пристенный канал 6, проходит через слой пористого катализатора и выходит из блока через общий канал 5 и входит в следующий нижерасположенный блок через пристенный канал 6 и т.д. Пройдя все блоки, смесь выходит из аппарата по патрубку 12.

Таким образом, наличие секций в аппарате приводит к снижению газодинамического сопротивления. При том же газодинамическом сопротивлении возможно увеличение времени контакта реакционной смеси с катализатором за счет повышения количества блоков в трубчатом элементе. При том же газодинамическом сопротивлении и времени контакта возможно увеличение площади поверхности катализатора за счет уменьшения его пористости. Все перечисленные факторы приводят к повышению производительности аппарата.

Как указывалось, вместо крупнопористого слоя катализатора можно использовать слой крупнопористого инертного материала, например оксида алюминия или силикагеля. Выбор материала для крупнопористого слоя инертный или каталитически активный зависит от конкретного процесса.

П р и м е р. Проводят процесс синтеза аммиака. При давлении 300 атм и температуре 500^оС в аппарат подают в соотношении 1:3 азотоводородную смесь, содержащую 3% аммиака. В качестве катализатора используют СА-1, представляющий собой Ре₂О₃ с промоторами. Секции блока выполнены следующим образом: слой мелкопористого катализатора имеет размер пор 0,05 мм, слой крупнопористого инертного материала 5,0 мм. Высота слоя мелкопористого катализатора 11 см, высота слоя крупнопористого инертного материала 6,6 см.

В таблице представлены результаты для одного блока, а также сравнительные данные для известного аппарата с цилиндрическим слоем гранулированного катализатора, размер гранул 5 мм.

Как видно из данных таблицы, производительность предлагаемого аппарата в 4 раза выше, чем известного при одинаковой степени превращения и сопротивлении газовому потоку. При этом объем предлагаемого аппарата в 6 раз меньше известного.

Формула изобретения

1. АППАРАТ ДЛЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, включающий корпус, в котором расположены один или несколько трубчатых элементов, в которых размещены пористые катализаторный блоки, установленные по высоте аппарата, отличающийся тем, что катализаторный блок выполнен из секций, установленных на расстоянии друг от друга, в которых выполнен общий канал, причем секция катализаторного блока выполнена из слоев различной пористости, так что по периферии секции катализаторного блока размещен мелкопористый слой, а внутри секции - крупнопористый слой катализатора или инертного материала.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что в пространстве между секциями блока размещен крупнопористый слой катализатора или инертного материала.

3. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что секции блока выполнены в осевом сечении в форме треугольника.

4. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что секции блока выполнены в осевом сечении в форме синусоиды.

5. Аппарат по пп.1 - 4, отличающийся тем, что слои мелко- и крупнопористого катализатора в секции выполнены одинаковой толщины.

6. Аппарат по пп.1 - 5, отличающийся тем, что размеры пор в слое катализатора составляют 10^-2 - 2 см.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7