Псевдоизотермический радиальный реактор
Устройство предназначено для проведения каталитических реакций. Псевдоизотермический радиальный химический реактор имеет цилиндрический корпус, закрытый с противоположных концов плоскими днищами, и зону реакции. В зоне реакции находится слой катализатора и множество расположенных в нем теплообменников. Дополнительно реактор имеет, по меньшей мере, одну вторую зону реакции, в которой находится слой катализатора и множество расположенных в нем теплообменников. При этом вторая зона сообщается с первой зоной реакции. Данная конструкция устройства обеспечивает возможность эффективного контроля протекающей реакции. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к псевдоизотермическому радиальному химическому реактору, предназначенному для проведения каталитических реакций и имеющему по существу цилиндрический корпус, закрытый с противоположных концов соответствующими плоскими днищами, и зону реакции по меньшей мере с одним слоем соответствующего катализатора и множеством закрепленных на корпусе теплообменников.
Под встречающимся в остальной части описания и в формуле изобретения термином "псевдоизотермический реактор" имеется в виду предназначенный для проведения химических реакций реактор, в котором температуру реакции регулируют в узком диапазоне значений с небольшими отклонениями от заданной оптимальной величины.
Кроме того, под основной осью реактора понимается ось, относительно которой исходные реагенты и продукты реакции движутся в зоне реакции в радиальном направлении.
Уровень техники
Известно, что при проведении химических реакций во всех псевдоизотермических реакторах очень важно, чтобы исходные реагенты и продукты реакции оставались в реакторе в течение определенного времени, необходимого для полного взаимодействия реагентов и теплообмена смеси реагентов и продуктов реакции с внешней средой (например, с помощью расположенного в зоне реакции теплообменника) и поддержания внутри реактора по мере протекания реакции соответствующих псевдоизотермических условий.
В настоящее время широко используются псевдоизотермические реакторы, в которых реагенты проходят через слой катализатора в осевом направлении. Такие реакторы обладают высокой производительностью, однако из-за движения газа через слой катализатора в осевом направлении в них возникают большие потери давления. Уменьшить потери давления можно, как известно, за счет уменьшения высоты слоя катализатора с одновременным увеличением во избежание снижения производительности радиуса реактора. Выполненные таким образом реакторы, т.е. реакторы с большим диаметром корпуса, по конструктивным соображениям экономически не эффективны.
Для снижения потерь давления и одновременного решения проблем конструктивного характера и связанного с этим снижения стоимости псевдоизотермических каталитических реакторов были разработаны реакторы с радиальным потоком газов в слое катализатора, отличающиеся сравнительно большой высотой и большим соотношением между высотой реактора и его диаметром, которое, например, в реакторах синтеза аммиака достигает 10.
Такие реакторы, решающие и проблему, связанную с высокими потерями давления, и проблемы экономического характера, связанные с конструкцией корпуса большого диаметра, тем не менее обладают одним специфическим и весьма существенным недостатком. Было установлено, что в таких радиальных реакторах из-за большой длины слоя катализатора газообразные реагенты после распределения по стенке корпуса на входе в слой катализатора обладают низкой поперечной скоростью, недостаточной для их эффективного прохождения через слой катализатора. Низкая скорость проходящих через слой катализатора реагентов отрицательно влияет на коэффициент теплопередачи между реагентами и расположенными в слое катализатора пластинчатыми теплообменниками. По этим причинам оптимальный контроль псевдоизотермичности реакции в известных радиальных каталитических реакторах становится по существу невозможным.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать химический реактор упомянутого выше типа, конструктивные и функциональные особенности которого обеспечивали бы возможность эффективного контроля псевдоизотермичности протекающей в нем реакции и позволяли бы устранить недостатки, присущие известным реакторам подобного типа.
Указанная выше задача решается с помощью псевдоизотермического радиального химического реактора для проведения каталитических реакций, имеющего по существу цилиндрический корпус, закрытый с противоположных концов соответствующими плоскими днищами, и зону реакции, в которой находится слой соответствующего катализатора и множество расположенных в нем теплообменников, и отличающегося наличием по меньшей мере одной второй зоны реакции, в которой находится слой соответствующего катализатора и множество расположенных в нем теплообменников и которая сообщается с первой зоной реакции.
Другие отличительные особенности и преимущества изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере одного из иллюстрирующих, но не ограничивающих объем изобретения вариантов выполнения предлагаемого в нем химического реактора со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи.
Краткое описание чертежей
На прилагаемых к описанию чертежах показано:
на фиг.1 - схематичное изображение в продольном разрезе химического реактора, предлагаемого в настоящем изобретении, и
на фиг.2 и 3 - два схематичных изображения в поперечном сечении реактора, показанного на фиг.1.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Схематично показанный на фиг.1 псевдоизотермический радиальный химический реактор, обозначенный позицией 1, имеет вертикальную ось А-А и предназначен для проведения химических реакций в слое катализатора, в качестве (не ограничивающего объем изобретения) примера которых можно назвать, в частности, синтез аммиака.
Реактор 1 имеет цилиндрический корпус 2, закрытый с противоположных концов нижним и верхним плоскими днищами 3 и 4. В верхнем днище 4 выполнено отверстие 5 для подачи в реактор исходных реагентов, а в нижнем днище 3 - отверстие 6 для отбора из реактора продуктов реакции.
В корпусе 2 реактора на его центральной оси расположен цилиндрический патрон 7, образующий в реакторе между верхней плоскостью 9 и нижней плоскостью 10 первую зону 8 реакции, в которой находится удерживаемый в зоне реакции обычными и поэтому не показанными на чертеже средствами слой 11 катализатора, через который в радиальном направлении проходят газообразные реагенты.
Границами слоя 11 катализатора в направлении, параллельном оси А-А, служат внутренняя 12 и наружная 13 стенки по существу цилиндрической круглой корзины 14, в которых выполнены перфорированные отверстия, образующие радиальные каналы для прохода реагентов через слой 11 катализатора.
Снизу корзина 14 с катализатором закрыта плоским днищем 16, расположенным в плоскости 10.
В центре корзины на оси корпуса реактора расположена цилиндрическая труба 17, соединяющая первую камеру 18 для сбора газообразных реагентов, ограниченную снизу плоскостью 9, с ограниченной сверху плоскостью 10 второй камерой 19, в которой собираются газы, выходящие из первой зоны 8 реакции.
Корзина 14 расположена внутри патрона 7 с зазором 20, предназначенным для распределения газообразных реагентов в слое 11 катализатора. Аналогичным образом и центральная труба 17 расположена внутри корзины 14 с зазором 21, в котором собирается смесь исходных реагентов и продуктов реакции, выходящих из слоя 11 катализатора.
В слое 11 катализатора находятся погруженные в катализатор и закрепленные соответствующим образом в корзине теплообменники 22. Теплообменники 22 имеют форму плоских полых предпочтительно расположенных в радиальных плоскостях прямоугольников с параллельными оси А-А корпуса 2 длинными сторонами 23.
Теплообменники 22 можно, не ограничивая этим вариантом объем изобретения, расположить в нескольких концентричных рядах, оси которых совпадают с осью корпуса 2 реактора.
Теплообменники 22 имеют расположенные на противоположных коротких сторонах входной патрубок 24 и выходной патрубок 25 для рабочей теплообменной текучей среды.
Отличительной особенностью предлагаемого в изобретении реактора в предпочтительном варианте его выполнения является наличие в корпусе 2 второй зоны 26 реакции, ограниченной сверху плоскостью 27, а снизу - плоскостью 28, в которой находится слой 29 соответствующего катализатора, через который в радиальном направлении проходят газообразные реагенты и продукты реакции.
Вторая зона 26 реакции сообщается с первой зоной 8 реакции упомянутой выше камерой 19, нижняя граница которой расположена в плоскости 27.
Границами второго слоя 29 катализатора в направлении, параллельном оси А-А, служат внутренняя 30 и наружная 31 стенки цилиндрической круглой корзины 32, в которых выполнены перфорированные отверстия, образующие радиальные каналы для прохода реагентов через второй слой 29 катализатора.
Снизу корзина 32 закрыта плоским круглым днищем 34, расположенным в плоскости 28.
Вторая корзина 32 расположена в патроне 7 с зазором 48, предназначенным для распределения реагентов в слое 29 катализатора. Зазор 48 между второй корзиной и патроном сообщается с первым слоем 11 катализатора коллектором 21 (внутренним отверстием центральной трубы первой зоны реакции) и камерой 19, в которой собираются газы, выходящие из первой зоны реакции.
Между второй корзиной 32 и осью А-А корпуса 2 реактора расположена соединенная трубой 47 с выходным патрубком 6 реактора камера 35, в которой собирается выходящая из второго слоя 29 катализатора газообразная смесь реагентов и продуктов реакции.
В слое 29 катализатора находятся погруженные в катализатор и закрепленные соответствующим образом теплообменники 36. Теплообменники 36 имеют форму плоских полых прямоугольников с параллельными оси А-А корпуса 2 длинными сторонами 37.
Теплообменники 36 можно, не ограничивая этим вариантом объем изобретения, расположить в нескольких концентричных рядах, оси которых совпадают с осью корпуса 2 реактора.
Теплообменники 36 имеют входной патрубок 38 и выходной патрубок 39 для рабочего текучего теплоносителя, которые расположены на одной и той же короткой стороне теплообменников 36.
Теплообменники 36 соединены с центральной трубой 17 трубами 41 и коллектором 42 тороидальной формы.
Теплообменники 36 соединены также трубами 43 с теплообменниками 22.
Во время работы исходные реагенты непрерывно подают в реактор 1 через входное отверстие 5.
Подаваемые в реактор исходные реагенты проходят по трубе 44 в кольцевой распределитель 45 и по трубам 46 попадают внутрь каждого теплообменника 22, в котором исходные реагенты обмениваются теплом с находящимся в первой зоне 8 реакции катализатором.
Протекающие через теплообменники 22, а также через теплообменники 36 реагенты выполняют функцию рабочего текучего теплоносителя.
Выходящий из теплообменников 36 поток реагентов по трубам 41 попадает сначала в тороидальный коллектор 42, а из него - в центральную трубу 17.
По центральной трубе 17 реагенты поднимаются вверх в камеру 18, из которой они по зазору 20 опускаются вниз и, проходя в радиальном направлении через стенку 12 корзины 14, распределяются в первой зоне 8 реакции, в которой они частично вступают в реакцию.
Выходящая из зоны 8 реакции смесь реагентов и продуктов реакции собирается в зазоре 21, из которого она попадает в камеру 19, проходит по зазору 48 и распределяется во второй зоне 26 реакции.
Реакция заканчивается во второй зоне 26 реакции, через находящийся в которой слой 29 катализатора реагенты проходят в радиальном направлении.
Выходящие из второй зоны 26 реакции продукты реакции собираются в камере 35, из которой они по трубе 47 попадают в выходной патрубок реактора.
В описанном выше реакторе газообразные реагенты распределяются по стенкам на входе в соответствующий слой катализатора на более коротком расстоянии, чем в известных реакторах с одним слоем катализатора, и поэтому проходят через слои 11 и 29 катализатора с большей радиальной скоростью.
В результате повышается точность контроля изотермичности реакции и увеличивается выход реактора, повышается срок службы катализатора и долговечность подверженных износу внутренних элементов реактора.
Предлагаемый в предпочтительном варианте осуществления изобретения реактор позволяет в зависимости от интенсивности теплообмена расположить в каждом слое катализатора разное количество теплообменников.
Иными словами, в предлагаемом в изобретении реакторе, поперечные сечения которого в плоскостях В-В и С-С показаны соответственно на фиг.2 и 3, в первом слое 11 катализатора, в котором реагенты имеют максимальную концентрацию, а реакция протекает с относительно высокой скоростью и поэтому требует более интенсивного теплообмена, можно расположить наибольшее количество теплообменников 22.
И, наоборот, во втором слое 29 катализатора в том месте, где концентрация реагентов меньше и где реакция протекает медленнее и поэтому требует менее интенсивного теплообмена, требуется меньшее, чем в первом слое, количество теплообменников 36.
При этом очевидно, что общее количество используемых в реакторе теплообменников уменьшается и, соответственно, снижается его стоимость.
В предлагаемом в изобретении реакторе для регулирования скорости проходящих через катализатор газообразных реагентов и тем самым контроля изотермичности реакции можно менять и длину каждого слоя катализатора (см., например, вариант, показанный на фиг.1).
Использование предлагаемого в изобретении реактора позволяет также предложить соответствующий способ оптимизации псевдоизотермических каталитических реакций, заключающийся в том, что исходные реагенты подают в зону 8 реакции, в которой находится слой 11 катализатора и множество расположенных в слое 11 катализатора теплообменников 22, собирают выходящие из зоны 8 реакции реагенты и продукты реакции, направляют выходящие из первой зоны реакции реагенты и продукты реакции во вторую зону 26 реакции, в которой находится слой 29 соответствующего катализатора и соответствующее множество расположенных во втором слое 29 катализатора теплообменников 36, подают выходящие из первой зоны реакции реагенты и продукты реакции во вторую зону 26 реакции и заканчивают реакцию во втором слое 29 катализатора.
Изобретение предполагает возможность его реализации различными путями, не выходящими за его объем, определяемый формулой изобретения.
1. Псевдоизотермический радиальный химический реактор для проведения каталитических реакций, имеющий, по существу, цилиндрический корпус (2), закрытый с противоположных концов соответствующими плоскими днищами (3 и 4), и зону (8) реакции, в которой находится слой (11) соответствующего катализатора и множество расположенных в нем теплообменников (22), отличающийся тем, что он имеет, по меньшей мере, одну вторую зону (26) реакции, в которой находится слой (29) соответствующего катализатора и множество расположенных в нем теплообменников (36) и которая сообщается с первой зоной (8) реакции.
2. Химический реактор по п.1, отличающийся тем, что первая и вторая зоны (8 и 26) реакции расположены последовательно.
3. Химический реактор по п.2, отличающийся тем, что теплообменники (22), расположенные, по меньшей мере, в одной из зон (8, 26) реакции, соединены с трубопроводами, выходящими из реактора наружу.
4. Химический реактор по п.3, отличающийся тем, что теплообменники (22, 36), расположенные в двух зонах (8, 26) реакции, сообщаются друг с другом.
5. Химический реактор по п.4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из теплообменников (22, 36) выполнен в виде плоского полого прямоугольника.
6. Химический реактор по п.5, отличающийся тем, что теплообменники (22) расположены радиально вокруг оси (А-А) реактора.
7. Способ оптимизации псевдоизотермических каталитических реакций, заключающийся в том, что исходные реагенты подают в зону (8) реакции, в которой находится слой (11) катализатора и множество расположенных в слое (11) катализатора теплообменников (22), отличающийся тем, что собирают выходящие из зоны (8) реакции реагенты и продукты реакции, реагенты и продукты реакции направляют во вторую зону (26) реакции, в которой находится слой (29) соответствующего катализатора и соответствующее множество расположенных во втором слое (29) катализатора теплообменников (36), реагенты и продукты реакции подают во вторую зону (26) реакции и заканчивают реакцию во втором слое (29) катализатора.
