Колонный аппарат для проведения каталитических и массообменных процессов

 

Изобретение относится к области реакционно-массообменных процессов и, в частности, к конструкции колонных аппаратов для проведения каталитических реакционно-массообменных процессов. Аппарат содержит корпус с чередующимися секциями, снабженными распределительными и оросительными элементами, опорными решетками и колпачковыми тарелками. Одни секции колонного аппарата снабжены обечайкой с колпачковой тарелкой, расположенной в верхней части, опорной решеткой в нижней части секции, соединенной с обечайкой и второй обечайкой меньшего диаметра, расположенной в нижней части секции, соединенной кольцевой горизонтальной перегородкой с корпусом и оросителем жидкости, включающем ситчатую конусообразную перегородку или колпачковую тарелку, и цилиндрический элемент с перфорированной тарелкой в нижней части распределителя; другие секции колонного аппарата снабжены обечайкой, в верхней части которой расположена коническая распределительная решетка или кольцевая горизонтальная тарелка с колпачками, соединенная с корпусом, заглушенной снизу кольцевой горизонтальной перегородкой; внутри обечайки соосно расположены вторая обечайка меньшего диаметра, заглушенная сверху горизонтальной перегородкой и имеющая отверстия в нижней части, и сливная труба, связанная с оросителем жидкости, причем над заглушиваемой горизонтальной перегородкой расположена опорная решетка, а третья и четвертая секции колонного аппарата снабжена опорной решеткой, связанной с корпусом аппарата. 6 ил.

Изобретение относится к области реакционно-массообменных процессов и, в частности, к конструкции колонных аппаратов для проведения каталитических реакционно-массообменных процессов.

Известны аппараты для проведения совмещенных реакционно-массообменных процессов [1] которые включают: реакционную зону в виде слоя каталитической насадки, через которую противоточно движутся потоки жидкости и пара; ректифицирующую зону, в которой за счет массообмена происходит отделение легких продуктов реакции; отпарную зону, в которой в ходе массообмена в качестве нижнего продукта отделяются малолетучие вещества.

Применение таких аппаратов дает целый ряд преимуществ по сравнению с традиционным проведением реакционно-массообменных процессов в реакторе, последовательно связанных с разделительной колонной для выделения продуктов реакции и непрореагировавших исходных веществ, возвращаемых через рецикл в реактор. К числу преимуществ реакционно-массообменных колонных аппаратов относятся: снижение капитальных затрат на оборудование, т.к. в случае применения совмещенного процесса отпадает необходимость в реакторе; решается проблема подвода и отвода тепла в ходе реакции, т.к. в случае совмещенного процесса избыток тепла реакции расходуется на испарение дополнительного количества пара, а недостаток тепла покрывается за счет конденсации части потока пара; снижение эксплуатационных затрат за счет устранения рецикла колонна-реактор и использования тепла реакции в ректификационной части колонны.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является многоступенчатая колонна изотопного обмена между водородом, содержащим дейтерий, и водой для получения тяжелой воды [2] Для проведения реакции изотопного обмена в газовой фазе используется слой катализатора с верхней крышкой и колпачками либо с перфорированной конической перегородкой, которые соединены с центральной проточной трубой и распределительным устройством для жидкости. Сверху и снизу от слоя катализатора размещена некаталитическая насадка для проведения массообмена между паром и жидкостью. Поток водорода вместе с водяным паром и небольшим количеством дейтерия проходит через слой катализатора, где происходит реакция изотопного обмена. Образовавшаяся тяжелая вода отделяется из паровой фазы в секциях некаталитической насадки.

Недостатком известной конструкции, выбранной в качестве прототипа, является невозможность проведения реакции в жидкой фазе, а также одновременно в жидкой и паровой фазе и невозможность проведения реакции совместно с массобменом в слое каталитической насадки, что не позволяет смещать равновесие реакции в нужную сторону.

Задачей изобретения является повышение выхода целевого продукта и конверсии исходных веществ в колонне каталитической ректификации. Поставленная задача решается с помощью колонного аппарата для проведения каталитических и массообменных процессов, включающего корпус с чередующимися секциями, снабженными распределительными и оросительными элементами, опорными решетками и колпачковыми тарелками; одни секции колонного аппарата снабжены обечайкой с колпачковой тарелкой, расположенной в верхней части, опорной решеткой в нижней части секции, соединенной с обечайкой и второй обечайкой меньшего диаметра, расположенной в нижней части секции, соединенной кольцевой горизонтальной перегородкой с корпусом и распределителем жидкости, включающем ситчатую конусообразную перегородку или колпачковую тарелку, и связанным с оросителем жидкости, представляющим собой цилиндрический элемент с перфорированной тарелкой в нижней части; другие секции колонного аппарата снабжены обечайкой, в верхней части которой расположена коническая распределительная решетка или кольцевая горизонтальная тарелка с колпачками, соединенная с корпусом, и заглушенной снизу кольцевой горизонтальной перегородкой, причем внутри обечайки соосно расположены вторая обечайка меньшего диаметра, заглушенная сверху горизонтальной перегородкой и имеющая отверстия в нижней части, и сливная труба, связанная с оросителем жидкости, причем над заглушивающей горизонтальной перегородкой расположена опорная решетка; третья и четвертая секции колонного аппарата снабжены опорной решеткой, связанной с корпусом аппарата.

В зависимости от кинетики химических реакций выбирается последовательность соединения указанных секций в колонный аппарат. Каждая секция размещается в колонном аппарате таким образом, чтобы максимально ускорить протекание интересующих реакций и тем самым сдвинуть равновесие химических реакций в сторону повышения выхода целевого продукта.

В области концентраций, где массообмен между жидкостью и паром способствует сдвигу химического равновесия в сторону образования целевого продукта используется секция для проведения массобмена между жидкостью и паром с одновременным протеканием химических реакций на катализаторе. В области концентраций, где химические реакции снижают выделение целевого продукта в ходе массообмена, используется секция для проведения массообмена между жидкостью и паром. Если область концентраций в жидкой фазе позволяет получить больший сдвиг химического равновесия в сторону получения продукта, используется секция колонного аппарата для проведения химических реакций в жидкости. Наконец, если область концентраций в паре соответствует наибольшему сдвигу химических равновесий в сторону получения целевого продукта, то используется секция колонного аппарата для проведения химических реакций в паре. Так как в колонном аппарате в ходе протекания процесса наблюдается изменение концентраций по высоте часто в широких пределах, то наиболее целесообразным является сочетание различных секций. Последовательность соединения и высота секций определяется кинетикой химических превращений, свойствами участвующих веществ, фазовым равновесием жидкость пар.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая конструкция колонного аппарата отличается тем, что дополнительно вводится секция колонны доля проведения химических реакций в жидкости, а также секция колонны для проведения массообмена между жидкостью и паром с одновременно протекающими химическими реакциями на катализаторе.

Таким образом, заявляемая конструкция колонного аппарата для проведения каталитических и массообменных процессов соответствует критерию изобретения "новизна".

Известна конструкция жидкофазного реактора [3] состоящего из корпуса, внутри которого расположены ректификационные тарелки и катализаторные коробки в сливных карманах. Эта конструкция не позволяет достичь значительного сдвига химического равновесия, так как реакция проводится только в жидкой фазе и концентрации веществ в жидкой фазе по высоте колонны меняются меньше, чем соответствующие концентрации в двухфазной парожидкостной системе.

На фиг. 1 представлена секция аппарата для проведения каталитических химических реакций в паровой фазе с ситчатой тарелкой в виде перевернутого усеченного конуса; на фиг. 2 то же с распределителем жидкости в виде тарелки с колпачком; на фиг. 3 секция аппарата для проведения каталитической химической реакции в жидкой фазе с распределителем жидкости в виде ситчатой тарелки в форме перевернутого усеченного конуса; на фиг. 4 то же с распределителем жидкости в виде кольцевой горизонтальной тарелки с колпачками; на фиг. 5 секция аппарата для осуществления массообмена между жидкостью и паром с некаталитической насадкой, на фиг. 6 схема аппарата согласно изобретению.

Секция для проведения каталитической химической реакции в паровой фазе (фиг. 1 и 2) состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого соосно расположены: катализаторная коробка 2 с катализатором, переливное устройство, распределитель жидкости 7 и ороситель жидкости 8.

Катализаторная коробка 2 состоит из цилиндрической обечайки 9, опорной решетки 3, удерживающий слой катализатора, и тарелки с колпачками 4. Опорная решетка расположена на некотором расстоянии от нижней кромки обечайки 9.

Переливное устройство представляет собой гидравлический затвор, состоящий из кольцевого канала, образованного внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью цилиндрической обечайки 5 меньшего диаметра, чем обечайка 9, и поперечной перегородкой 6 с одной стороны, и нижней частью катализаторной коробки с другой.

Распределитель жидкости представляет собой тарелку с колпачками (фиг. 2) либо ситчатую перегородку в виде перевернутого усеченного конуса (фиг. 1).

Секция работает следующим образом. Жидкость, стекая с вышерасположенной секции, направляется в кольцевое пространство, образованное корпусом с одной стороны и катализаторной коробкой с другой, затем через переливное устройство попадает в распределитель жидкости и отсюда через ороситель 8 на нижерасположенную секцию. Пар, поднимающийся вверх, проходит через отверстия распределителя жидкости либо через колпачки, направляется под опорной решеткой катализаторной коробки и далее проходит через определенный слой катализатора. При этом происходит химическая реакция в паровой фазе катализатора, дающая основные и побочные продукты. Паровая смесь проходит через патрубки колпачков и поступает в нижнюю часть вышерасположенной секции.

Секция для проведения каталитической химической реакции в жидкой фазе (фиг. 3 и 4) состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого соосно расположены: распределитель жидкости 4, катализаторная коробка 2 со сливной трубой 10 и ороситель жидкости 8.

Распределитель жидкости представляет собой ситчатую тарелку в виде перевернутого усеченного конуса (фиг. 3), либо кольцевую горизонтальную тарелку с колпачками (фиг. 4).

Катализаторная коробка 2 состоит из двух обечаек 9 и 5 (меньшего диаметра), к нижним кромкам которых приварена горизонтальная перегородка 6. Слой катализатора расположен между внутренней поверхностью обечайки 9 и наружной поверхностью обечайки 5 и удерживается опорной решеткой 3, находящейся на некотором расстоянии от горизонтальной перегородки 6. Цилиндрическая обечайка 5 имеет отверстия 11 в нижней части и заглушена в верхней, а верхняя кромка сливной трубы 10 расположена выше, чем слой катализатора.

Секция работает следующим образом. Жидкость, стекая с вышерасположенной секции, попадает в верхнюю часть катализаторной коробки 2 и проходит через слой катализатора, где протекает химическая реакция в жидкой фазе на катализаторе. Далее жидкостная смесь, содержащая продукты реакции через отверстия 11 направляется в межтрубное пространство, двигаясь вверх, и затем через сливную трубу 10 попадает в ороситель 8, откуда распределяется на нижерасположенную секцию. Пар, поднимающийся вверх, направляется в кольцевое пространство, образованное внутренней и наружной поверхностями корпуса 1 и катализаторной коробкой 2, соответственно, и, проходя через отверстия распределителя жидкости покидает, секцию.

Секции для проведения каталитической химической реакции одновременно в жидкости и в паре (фиг. 5) состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого расположен слой катализатора 2, удерживаемый опорной решеткой 3.

Секция работает следующим образом. Жидкость, стекая с вышерасположенной секции, проходит через слой катализатора в результате чего протекает химическая реакция в жидкой фазе на катализаторе. Пар, поднимающийся вверх с нижерасположенной секции, проходит через слой катализатора в результате чего протекает химическая реакция в паровой фазе на катализаторе. Одновременно осуществляется и массообмен между контактирующими жидкостью и паром в слое твердого катализатора, выполняющего также и роль насадки.

Секция для осуществления массообмена между жидкостью и паром имеет устройство аналогично устройству предыдущей секции, представленному на фиг. 5 с той лишь разницей, что слой катализатора заменен слоем некаталитической насадки.

Секция работает как массообменная насадочная колонна.

На фиг. 6 представлена схема предлагаемого аппарата. Он включает в себя: кипятильник и дефлегматор (не изображены), секцию 12 для совместного проведения массообмена и каталитических химических превращений (каталитическая насадка), секцию 13 для проведения каталитических реакций в жидкой фазе, секцию 14 для проведения каталитических реакций в паровой фазе, секцию 15 для проведения массообмена между жидкостью и паром в отсутствие каталитических реакций.

Аппарат работает следующим образом. Пар из кипятильника поступает в нижнюю секцию 12 для совместного проведения массообмена и каталитических химических превращений. Обогащенный легкими компонентами смеси он, минуя секцию 13, поступает в секцию 14 для проведения каталитических реакций в паровой фазе, где за счет высокого содержания легких компонентов происходит сдвиг химического равновесия. Далее паровой поток на секции 14 поступает в секцию 15 для проведения массообмена между жидкостью и паром (некаталитическая насадка), где происходит отделение целевых легких компонентов смеси. Поток флегмы после дефлегматора возвращается в колонну и поступает в секцию 15, где за счет массообмена с потоком пара он обогащается тяжелыми компонентами смеси. Далее, минуя секцию 14, поток жидкости (флегмы) поступает в секцию 13 для проведения каталитических реакций в жидкой фазе, где устанавливается химическое равновесие в жидкости. Стекающая из секции 13 жидкость поступает в секцию 12 для совместного проведения массообмена и каталитических химических превращений (каталитическая насадка), где она обогащается тяжелыми компонентами смеси при одновременно протекающих химических превращениях и стекает в куб колонны и кипятильник. Подача исходного питания в зависимости от его состава может осуществляться в любую секцию колонны (аппарата).

Пример 1. Колонный аппарат для проведения каталитических и массообменных процессов, включающий только одну секцию для проведения каталитической химической реакции одновременно в жидкости и в паре.

Рассмотрим процесс получения моносилана (SiH₄) из трихлорсилана (SiHCl₃) через следующие обратимые реакции диспропорционирования: Реакции протекают на катализаторе (ионообменной смоле на основе третичных аминов). Проведение данных реакций в каталитическом реакторе позволяет получить концентрацию целевого продукта моносилана до 12% (мольн.), что приводит к неконкурентноспособности технологии получения моносилана путем диспропорционирования хлорсиланов по сравнению с другими технологиями по экономическим соображениям.

На основании расчетов и экспериментальных исследований получено, что проведение процесса в колонном аппарате для проведения каталитических и массообменных процессов, включающем только одну секцию для проведения каталитических химических реакций одновременно в жидкости и в паре, позволяет увеличить концентрацию моносилана в дистилляте до 55-60% мольн.

Пример 2. Колонный аппарат для проведения каталитических и массообменных процессов, включающий шесть предлагаемых секций.

Рассмотрим проведение процесса получения силана в секционированной колонне химической ректификации, предлагаемой нами конструкции. Колонный аппарат включает последовательно снизу вверх следующие секции: а) секцию для совместного проведения массообмена и каталитических химических превращений (каталитическая насадка);
б) секцию для проведения каталитических реакций в жидкой фазе;
в) секцию для проведения массообмена и каталитических химический реакций;
г) секцию для проведения массообмена между жидкостью и паром (некаталитическая насадка);
д) секцию для проведения каталитических реакций в паровой фазе;
е) секцию для проведения массообмена между жидкостью и паром.

При тех же величинах отбора дистиллята и флегмового числа, что и в примере 1 данная конструкция колонного аппарата позволяет довести содержание целевого продукта моносилана в дистилляте до 86% мольн.

Как видно из примеров 1 и 2, применение предлагаемой конструкции колонного аппарата позволяет решить поставленную задачу повышения выхода целевого продукта и конверсии исходных веществ.

Формула изобретения

Колонный аппарат для проведения каталитических и массообменных процессов, включающий корпус с чередующимися секциями, снабженными распределителями и оросителями, опорными решетками и колпачковыми тарелками, отличающийся тем, что одни секции колонного аппарата снабжены обечайкой с колпачковой тарелкой, расположенной в верхней части, опорной решеткой в нижней части секции, соединенной с обечайкой, и второй обечайкой меньшего диаметра, расположенной в нижней части секции, соединенной кольцевой горизонтальной перегородкой с корпусом и распределителем жидкости, включающим ситчатую конусообразную перегородку или колпачковую тарелку и связанным с оросителем жидкости, представляющим собой цилиндрические элемент с перфорированной тарелкой в нижней части, другие секции колонного аппарата снабжены обечайкой, в верхней части которой расположена коническая распределительная решетка или кольцевая горизонтальная тарелка с колпачками, соединенная с корпусом, заглушенной снизу кольцевой горизонтальной перегородкой, причем внутри обечайки соосно расположены вторая обечайка меньшего диаметра, заглушенная сверху горизонтальной перегородкой и имеющая отверстия в нижней части, и сливная труба, связанная с оросителем жидкости, причем над заглушиваемой горизонтальной перегородкой расположена опорная решетка, а третья и четвертая секции колонного аппарата снабжены опорной решеткой, связанной с корпусом аппарата.

РИСУНКИ

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