Система для проведения экзотермических реакций
Изобретение относится к устройствам для проведения экзотермических реакций: молекулярного кислорода и этилена для получения оксида этилена. Блок реактора с холодильником содержит трубчатый реактор 1 и трубчатый теплообменник 7. Реактор 1 имеет входную камеру 5 и выходную камеру 6, заполненные катализатором трубы 2, помещенные внутрь реактора 1 и поддерживаемые входной 3 и выходной 4 трубными решетками. Теплообменник 7 имеет верхний край и нижний край и содержит верхнюю 9 и нижнюю 10 трубные решетки, удерживающие трубы 8. Верхний край теплообменника 7 интегрально прикреплен по периферии отверстия выходной камеры 6 реактора 1, формируя цельную с реактором конструкцию. Отверстие выходной камеры 6 реактора служит для прохождения реакционных газов из реактора 1 в теплообменник 7 и через трубы 8 упомянутого теплообменника. Реакционные газы охлаждают путем непрямого теплообмена с теплообменной жидкостью, подаваемой в теплообменник 7. Изобретение обеспечивает быстрое охлаждение, снижает образование альдегидов, ограничивает время образования побочных продуктов, требует меньших материальных и эксплуатационных затрат. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 1 ил.
Предпосылки создания изобретения
Область, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к блоку реактора с холодильником, пригодному для проведения экзотермических реакций, например реакции молекулярного кислорода и этилена для получения оксида этилена.
Описание уровня техники
Окисление этилена для получения оксида этилена обычно выполняют в кожухотрубном реакторе. В удлиненные трубы помещают соответствующий твердый катализатор, содержащий серебро, и пропускают через них при условиях, обеспечивающих протекание реакции, реакционные газы, которые контактируют с катализатором. Обеспечивают циркуляцию жидкости через кожух для отведения тепла, выделяющегося вследствие экзотермической реакции.
Важное значение имеет быстрое охлаждение смеси реакционных газов после завершения желательной реакции с целью сведения к минимуму возможности полного окисления, а также нежелательных побочных реакций, например образования формальдегида и/или ацетальдегида; образование таких продуктов связано с осложнениями при очистке, поскольку их трудно отделить от оксида этилена, являющегося целевым продуктом.
Эта проблема известна в технике, и к числу предложенных средств ее решения относится применение последней (по ходу газа) секции труб реактора для охлаждения реакционных газов. В патенте США №4061659 предложено создание зоны охлаждения, примыкающей к реакционной зоне, причем эта зона охлаждения заполнена инертным термостойким гранулированным материалом, имеющим удельную площадь поверхности 0,1 м2/г или менее.
В патенте Великобритании №1449091 предложен трубчатый реактор, разделенный на три различных зоны. Реакционные газы проходят через трубы, которые в первой секции заполнены инертным материалом для создания зоны предварительного нагрева, во второй секции трубы заполнены катализатором для создания зоны реакции, а в третьей секции те же трубы заполнены инертным материалом или вообще не содержат наполнителя и образуют зону охлаждения.
В патенте США №4921681 предложен трубчатый реактор, в котором образованы зоны предварительного нагрева, реакции и охлаждения.
В более позднем патенте США №5292904 также описан трубчатый реактор, в котором трубы подразделены на зону предварительного нагрева, зону реакции и конечную зону охлаждения, снабженную насадкой.
Краткое описание изобретения
В соответствии с настоящим изобретением, предложен усовершенствованный блок реактора с холодильником, требующий меньших средств на изготовление и меньших эксплуатационных затрат и обеспечивающий быстрое охлаждение реакционных газов. Предложен трубчатый реактор известного типа в соединении с теплообменником, который составляет единое целое с выходной камерой упомянутого трубчатого реактора и приспособлен для охлаждения реакционных газов.
Краткое описание чертежа
На прилагаемом чертеже схематически представлен блок реактора с холодильником в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
Как видно из чертежа, реактор 1 представляет собой кожухотрубный реактор типа обычно применяемого в производстве оксида этилена. В реакторе имеется множество удлиненных труб 2, входные концы которых закреплены в трубной решетке 3, а выходные концы - в трубной решетке 4. Реактор имеет входную камеру 5 и выходную камеру 6.
К выходной камере 6 реактора прикреплен и составляет с ней единое целое кожухотрубный теплообменник 7. Выходная камера 6 снабжена отверстием для сообщения с теплообменником 7; обычно теплообменник 7 приварен к выходной камере 6 по периферии упомянутого отверстия и составляет, таким образом, одно целое с реактором. Теплообменник 7 снабжен трубами 8, закрепленными в трубных решетках 9 и 10, как показано на чертеже. В конструкции предусмотрена выходная камера 11 теплообменника 7.
При осуществлении процесса реакционные газы, например этилен, кислород и балластный газ, поступают в реактор 1 по линии 12 и проходят при условиях проведения реакции через трубы 2 реактора, заполненные соответствующим серебряным катализатором. Тепло реакции отводят с помощью циркулирующей теплообменной жидкости, например воды, которую подают в межтрубное пространство реактора 1 по линии 13 и отводят по линии 14.
Реакционные газы проходят через трубы 2, где происходит образование оксида этилена, и после выхода из труб 2 эти газы поступают в выходную камеру 6, а затем в трубы 8 теплообменника 7 и сразу же охлаждаются для предотвращения дальнейшего окисления и изомеризации. Охлаждающую жидкость подают в межтрубное пространство холодильника 7 по линии 15 и отводят по линии 16. Пригодной и предпочтительной охлаждающей жидкостью является вода. Охлажденные реакционные газы выводят из холодильника 7 по линии 17 и обрабатывают известным способом для извлечения продукта и возврата в цикл различных компонентов.
Одним из преимуществ узла реактора и холодильника в соответствии с настоящим изобретением является то, что теплообменник 7 может быть специально рассчитан на обеспечение максимальной эффективности охлаждения реакционных газов без ограничений, накладываемых известными решениями, в которых для охлаждения используются трубы реактора. Скорости потоков, температуры и другие параметры для теплообменника 7 регулируются независимо от процесса теплоотвода из реактора 1.
Трубы 8 теплообменника могут быть заполнены инертным твердым материалом, однако предпочтительно они не содержат твердого наполнителя.
Непосредственное присоединение теплообменника к камере реактора позволяет обеспечить эффективную конструкцию холодильника и высокую степень интегральности конструкции и обеспечивает немедленное охлаждение реакционных газов ввиду близкого к реактору расположения теплообменника.
Охлаждение в трубах 8 не зависит от рабочих условий в реакторе 1, поскольку параметры охлаждающей жидкости в теплообменнике 7 не ограничены условиями работы реактора 1, как это имеет место в случае, если зона охлаждения образована путем удлинения труб 2 реактора 1. Поэтому в теплообменнике 7 можно поддерживать оптимальные условия на протяжении всего жизненного цикла катализатора, в течение которого условия в реакторе 1 изменяются.
Кроме того, вследствие выполнения теплообменника 7 как неотъемлемой части реактора 1 время пребывания реакционных газов в выходной камере 6 реактора сводится к минимуму; таким образом, время образования побочных продуктов ограничено, в противоположность известным техническим решениям, предусматривающим наличие коммуникации для подачи реакционных газов в отдельный внешний теплообменник.
Усовершенствованный блок реактора с охлаждающим теплообменником в соответствии с настоящим изобретением, как правило, пригоден для проведения экзотермических реакций, например реакций окисления, которые проводят в трубчатых реакторах, где реагенты контактируют с катализатором, находящимся в трубах кожухотрубного реактора. Окисление этилена в оксид этилена является примером, имеющим большое практическое значение.
Реакторы, составляющие часть блока в соответствии с настоящим изобретением, относятся к типу, обычно применяемому в технологических процессах с использованием экзотермических реакций, например в производстве оксида этилена. Такие реакторы обычно содержат верхнюю входную камеру для ввода реакционных газов и выходную камеру для выхода продукта реакции. Реакторы снабжены трубными решетками для крепления множества труб, заполненных соответствующим катализатором, через которые проходят реакционные газы и в которых протекает желательная реакция. В случае производства оксида этилена обычно применяют реакторы диаметром 15-20 футов (4,5-6 м), содержащие несколько тысяч труб, например 20 тысяч или более, закрепленных в трубных решетках реактора. Длина труб достигает 40 футов (12 м), например лежит в пределах 20-40 футов (6-12 м); наружный диаметр труб может составлять 1-2 дюйма (25-50 мм). Для отвода тепла экзотермической реакции применяют теплообменную жидкость. Для этой цели можно применять различные жидкости, например воду, "даутерм" (органический теплоноситель) и т.п.
Существенное значение для блока в соответствии с настоящим изобретением имеет выполнение теплообменника как неотъемлемой части выходной камеры трубчатого реактора с отверстием в выходной камере 6, по периферии которого закреплен, например, с помощью сварки упомянутый теплообменник. На чертеже такой интегрально соединенный теплообменник показан как теплообменник 7. Как правило, упомянутый теплообменник может иметь диаметр приблизительно 4-8 футов (1,2-2,4 м) и содержит трубы, закрепленные в верхней и нижней трубных решетках; количество труб лежит в пределах от 800 до приблизительно 3000, а их наружный диаметр составляет от приблизительно 1 дюйма до приблизительно 1,75 дюйма (25-45 мм). Предусматривается применение теплообменной жидкости с целью быстрого понижения температуры реакционной смеси до значения, ниже которого не происходит дальнейшее окисление и/или образование побочных продуктов. Предпочтительной теплообменной жидкостью является вода.
В трубы реактора загружен известный серебряный катализатор на носителе. Пригодные для использования катализаторы и рабочие условия описаны, например, в патентах США №5504052, №5646087, №5691269, №5854167 и других, информация из которых включена в настоящее описание приведенными ссылками.
Реакторный узел блока выполнен из материалов, хорошо известных в данной конкретной отрасли. Узел теплообменника предпочтительно выполнен из углеродистой стали или из стали, выплавленной дуплекс-процессом, а содержащиеся в нем трубы предпочтительно являются открытыми и не содержат наполнителя, хотя при желании может быть применен инертный наполнитель, например оксидно-алюминиевый или аналогичный.
Трубчатые реакторы для применения, например, в производстве оксида этилена хорошо известны, и такие реакторы могут содержать реакторный узел описываемого блока.
Конкретный пример блока в соответствии с настоящим изобретением, приспособленный для окисления этилена с получением оксида этилена, представлен на прилагаемом чертеже. Конструкционным материалом реактора 1 и холодильника 7 является углеродистая сталь. Реактор имеет диаметр 16,6 футов (5 м) и содержит трубы, поддерживаемые трубными решетками 3 и 4; 8809 труб реактора имеют длину приблизительно 27 футов (8,2 м), наружный диаметр каждой трубы составляет 1,5 дюйма (38 мм).
К нижней выходной камере 6 реактора 1 прикреплен сваркой теплообменник 7. Теплообменник имеет диаметр приблизительно 6 футов (1,8 м) и длину приблизительно 10 футов (3 м) и приварен по периметру отверстия диаметром 5,7 фута (1,74 м) в камере 6. В теплообменнике 7 с помощью трубных решеток 9 и 10 закреплены 1468 труб, которые открыты и не содержат твердой насадки. Трубы имеют наружный диаметр 1,25 дюйма (32 мм).
Охлаждающей жидкостью, поступающей в теплообменник по линии 15 и отводимой по линии 16, является вода.
Вообще говоря, реакционные газы, выходящие из реактора 1 через камеру 6, имеют температуру в пределах от 420°F до 540°F (215-280°C). В соответствии с применением блока, соответствующего настоящему изобретению, эти газы почти мгновенно охлаждаются в теплообменнике 7 до температуры ниже значения, при котором еще проходит дальнейшая реакция, т.е. до 420°F (215°C) или ниже. Реакционные газы поступают в теплообменник 7 из реактора 1 с температурой, практически равной температуре на выходе реактора, и выходят из теплообменника 7 через выходную камеру 11 по линии 17. Согласно практике осуществления настоящего изобретения, смесь реакционных газов, отводимую по линии 17, обрабатывают в соответствии с известными способами с целью разделения и извлечения продукта и возвращения в цикл компонентов указанной смеси, например непрореагировавшего этилена, кислорода и балластного газа.
1. Блок реактора с холодильником, содержащий трубчатый реактор, имеющий входную камеру и выходную камеру, заполненные катализатором трубы реактора, помещенные внутрь упомянутого реактора и поддерживаемые входной трубной решеткой и выходной трубной решеткой, трубчатый теплообменник, имеющий верхний край и нижний край и содержащий верхнюю и нижнюю трубные решетки, удерживающие трубы в упомянутом теплообменнике, причем верхний край упомянутого теплообменника интегрально прикреплен по периферии отверстия выходной камеры реактора, таким образом формируя цельную с реактором конструкцию, в которой упомянутое отверстие выходной камеры реактора служит для прохождения реакционных газов из реактора в теплообменник и через трубы упомянутого теплообменника, вследствие чего упомянутые реакционные газы охлаждаются путем непрямого теплообмена с теплообменной жидкостью, подаваемой в упомянутый теплообменник.
2. Блок по п.1, снабженный средствами для охлаждения труб как реактора, так и теплообменника водой.
3. Блок по п.1, отличающийся тем, что реактор заполнен серебряным катализатором на носителе.
4. Блок по п.1, отличающийся тем, что теплообменник содержит линию подачи жидкости.
5. Блок по п.1, отличающийся тем, что теплообменник содержит линию отведения жидкости.
6. Блок по п.1, содержащий по меньшей мере 20000 труб реактора, имеющих длину до 40 футов (до 12 м) и наружный диаметр от 1 до 2 дюймов (от 25 до 50 мм).
7. Блок по п.1, отличающийся тем, что теплообменник приварен по периферии отверстия выходной камеры реактора.
8. Блок по п.1, отличающийся тем, что теплообменник имеет диаметр от приблизительно 4 до 8 футов (от 1,2 до 2,4 м) и содержит в себе трубы в количестве от 800 до 3000 с наружным диаметром от приблизительно 1 до приблизительно 1,75 дюймов (от 25 до 45 мм).
9. Способ окисления этилена для получения оксида этилена, который включает
а) подготовку блока реактора с холодильником, содержащего трубчатый реактор, имеющий входную камеру и выходную камеру, заполненные катализатором трубы реактора, помещенные внутрь упомянутого реактора, которые простираются от входной камеры реактора до выходной камеры реактора и удерживаются входной трубной решеткой и выходной трубной решеткой, трубчатый теплообменник, имеющий верхний край и нижний край и содержащий верхнюю и нижнюю трубные решетки, удерживающие трубы в упомянутом теплообменнике, причем верхний край упомянутого теплообменника интегрально прикреплен по периферии отверстия выходной камеры реактора, таким образом формируя цельную с реактором конструкцию, в которой упомянутое отверстие выходной камеры реактора служит для прохождения реакционных газов из реактора в теплообменник и через трубы упомянутого теплообменника, вследствие чего упомянутые реакционные газы охлаждаются в теплообменнике путем непрямого теплообмена с теплообменной жидкостью, подаваемой в упомянутый теплообменник;
b) введение этилена и кислорода в трубы реактора и осуществление реакции между этиленом и кислородом внутри труб реактора для образования реакционного газа, содержащего оксид этилена; и
c) охлаждение упомянутого реакционного газа.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что в трубы реактора дополнительно вводят балластный газ.
11. Способ по п.9, отличающийся тем, что катализатор содержит серебро на носителе.
12. Способ по п.9, отличающийся тем, что трубы реактора охлаждают.
13. Способ по п.9, отличающийся тем, что трубы реактора охлаждают водой.
14. Способ по п.9, отличающийся тем, что теплообменная жидкость содержит воду.
15. Способ по п.9, отличающийся тем, что реакционные газы, выходящие из реактора в теплообменник, имеют температуру от 420 до 540°F (от 215 до 280°С).
16. Способ по п.9, отличающийся тем, что реакционные газы охлаждают в теплообменнике до температуры 420°F (215°C) или ниже.
17. Способ по п.9, отличающийся тем, что охлаждение реакционных газов осуществляют с использованием теплообменной жидкости, которую подают в упомянутый теплообменник через линию подачи жидкости и впоследствии отводят из него через линию отведения жидкости.
18. Способ по п.17, отличающийся тем, что теплообменная жидкость содержит воду.
19. Способ по п.9, отличающийся тем, что используются по меньшей мере 20000 труб реактора, имеющих длину до 40 футов (до 12 м) и наружный диаметр от 1 до 2 дюймов (от 25 до 50 мм), а теплообменник имеет диаметр от приблизительно 4 до 8 футов (от 1,2 до 2,4 м) и содержит в себе трубы в количестве от 800 до 3000 с наружным диаметром от приблизительно 1 до приблизительно 1,75 дюймов (от 25 до 45 мм).
20. Способ по п.9, отличающийся тем, что теплообменник приварен к реактору.
