Химический реактор с адиабатическими слоями катализатора и аксиальным потоком

Изобретение относится к химическим реакторам. Описан реактор для экзотермических или эндотермических химических реакций, содержащий аксиальный ряд слоев катализатора, включающий по меньшей мере первый слой катализатора и второй слой катализатора, взаимодействующие последовательно с аксиальным потоком, причем слои катализатора уложены один относительно другого в аксиальном направлении реактора, по меньшей мере один теплообменник, расположенный сбоку от ряда слоев катализатора и выполненный с возможностью охлаждения или нагрева, путем косвенного теплообмена с нагревающей или охлаждающей средой, указанного потока, выходящего из первого слоя катализатора, перед его поступлением во второй слой катализатора, причем, первый слой катализатора снабжен нижним коллектором, имеющим коробчатую конструкцию, включающую первую стенку и вторую стенку, проходящие параллельно друг другу на расстоянии друг от друга, и параллельные каналы, сформированные между этими двумя стенками, причем первая стенка обращена в сторону потока, выходящего из первого слоя катализатора, вторая стенка сообщается с впускной частью для газа второго слоя катализатора, и первая и вторая стенки проницаемы для газа по меньшей мере на части их поверхности, параллельные каналы включают первые каналы, непосредственно сообщающиеся с первой стенкой, так чтобы собирать поток газа, выходящий из первого слоя катализатора и проходящий через первую стенку, и вторые каналы, непосредственно сообщающиеся со второй стенкой, так чтобы распределять поток газа во втором слое катализатора через вторую стенку, указанный по меньшей мере один теплообменник является теплообменником косвенного теплообмена, содержащим первую сторону, через которую проходит поток газа, выходящий из первого слоя катализатора, и вторую сторону, через которую проходит теплообменная текучая среда, причем первая сторона снабжена впускным отверстием, сообщающимся с первыми каналами нижнего коллектора, и выпускным отверстием, сообщающимся со вторыми каналами нижнего коллектора, так чтобы нагревать или охлаждать поток газа, собранного первыми каналами, и подавать его, после нагрева или охлаждения, во вторые каналы. Технический результат - повышение эффективности теплообмена. 14 з.п. ф-лы, 10 ил., 3 пр.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к каталитическим химическим реакторам. В частности, изобретение относится к реакторам с адиабатическими слоями катализатора и аксиальным потоком.

Уровень техники

Название "адиабатические реакторы с несколькими слоями катализатора" указывает на то, что в них не осуществляется непосредственная подача или вывод внутри слоев катализатора. Соответственно, температура потока газообразных реагентов или продуктов (технологический поток) может существенно изменяться по каждому слою катализатора в зависимости от характера реакции (экзотермическая или эндотермическая). Во многих применениях, представляющих интерес, включая, например, синтез аммиака и синтез метанола, действующие химические реакции имеют экзотермический характер, то есть, поток газа значительно нагревается при прохождении через каждый слой катализатора. Как правило, в этом случае необходимо охлаждать поток перед его поступлением в следующий слой для предотвращения перегрева.

Например, для синтеза аммиака или метанола используются многослойные реакторы или реакторы с промежуточным охлаждением. Охлаждение технологического потока обычно связано с операцией утилизации тепла. Например, в некоторых применениях тепло, высвобождаемое технологическим потоком, передается потоку кипящей воды для производства пара, который может использоваться для получения энергии или в каких-либо технологических процессах.

Для реактора вышеописанного типа необходимы внутренние компоненты для сбора и распределения газа, которые могут обеспечивать: сбор газа, выходящего из первого слоя катализатора; направление газа в теплообменник, расположенный внутри реактора; сбор газа, выходящего из теплообменника; распределение газа во втором слое катализатора, расположенном по потоку ниже первого слоя катализатора. В реакторах с большим числом слоев катализатора, например, три или четыре слоя, указанные компоненты необходимо устанавливать между другими парами последовательно расположенных слоев, например между вторым и третьим слоями, и опционально также между третьим и четвертым слоями.

Эти внутренние компоненты: должны обеспечивать герметичность для текучей среды и предотвращать обходные пути для газа; должны выдерживать значительные термические напряжения; должны иметь небольшие размеры ввиду ограниченности внутреннего пространства реактора, и поэтому любой компонент, занимающий место, которое было бы использовано для катализатора, снижает эффективность работы реактора. Кроме того, необходимо, чтобы газ не проходил по длинному пути и/или по пути со многими изгибами, чтобы избежать излишнего падения давления. Другое требование заключается в том, что газ должен подаваться в слои катализатора равномерно распределенным, чтобы имеющийся катализатор использовался наиболее эффективным образом. В некоторых процессах, например в синтезе метанола, если газ не распределяется равномерно по слою катализатора, то могут возникать нежелательные химические реакции с формированием побочных продуктов, которые снижают чистоту и, соответственно, коммерческую ценность конечного продукта. Более того, в аксиальных реакторах необходимо обеспечивать отсутствие поперечных компонентов скорости газа относительно слоя, которые могут приводить к нежелательному смещению частиц катализатора, в результате чего они могут скапливаться в некоторых местах, что, в свою очередь, неблагоприятно сказывается на распределении газа внутри слоя катализатора.

Еще одно требование относится к легкости сборки/разборки внутренних частей реактора как с целью технического обслуживания, таки и для модернизации конструкции. Во втором случае предпочтительно, чтобы компоненты, обеспечивающие сбор и распределение газа, можно было ввести внутрь через проем, диаметр которого существенно меньше диаметра самого реактора, так что может быть осуществлена модернизация частично открытых реакторов.

Поэтому следует понимать, что сбор и распределение газа в многослойных реакторах с промежуточным охлаждением связаны с техническими трудностями, которые непросто преодолеть.

Были предложены различные технические решения, зависящие от потока, проходящего через слои катализатора, который может быть аксиальным, радиальным или аксиально-радиальным.

В реакторах радиального или аксиально-радиального типа обычно внутри кругового слоя катализатора используется цилиндрический теплообменник, например пучок труб. Сбор и распределение газа осуществляется цилиндрическими газопроницаемыми стенкам или системами стенок. Такое конструктивное решение особенно подходит для радиального потока, причем оно обладает рядом достоинств, хотя стоимость конструкции с цилиндрическими газопроницаемыми стенками относительно высока.

В реакторах с аксиальным потоком, которые представляют интерес для применения настоящего изобретения, слои обычно имеют цилиндрическую форму и расположены вертикально в колонне один над другим внутри корпуса или вертикального контейнера. Как правило, газ проходит через слои в направлении сверху вниз.

В такой конфигурации установка теплообменников между слоями и особенно обеспечение подходящей системы сбора и распределения газа между этими слоями представляет значительные трудности.

В частности, предшествующий уровень не содержит ни одного эффективного, дешевого и компактного технического решения, обеспечивающего сбор газа, выходящего из первого слоя, направление газа в теплообменник, сбор газа, выходящего из теплообменника, и его повторное равномерное распределение внутри второго нижележащего слоя.

Поэтому в реакторах аксиального типа теплообмен путем непосредственного смешивания является предпочтительным, поскольку его легче реализовать. Например, горячий поток, выходящий из первого слоя, смешивают с соответствующим количеством свежего газообразного реагента или рециркулируемого газа с меньшей температурой. В результате смешивания понижается температура газа перед его введением во второй слой. Этот способ указывается как способ "непосредственного охлаждения".

Такой способ широко используется, однако его недостатком является изменение состава газа, например его разжижение. Еще один недостаток заключается в отсутствии возможности регенерации тепла для его полезного использования, например для получения пара.

В уровне техники нет подходящих технических решений для обеспечения аксиального реактора опосредованным теплообменом между слоями, например, охлаждение технологического газа в котле с получением пара. Это является препятствием для широкого распространения аксиальных реакторов. Эта проблема требует решения, поскольку аксиальные реакторы обладают рядом привлекательных характеристик: они дешевы и имеют простую конструкцию, поскольку в них не используются цилиндрические коллекторы, стоимость которых составляет основную часть стоимости внутренних частей реактора; они надежны; они характеризуются низким падением давления; они обеспечивают высокую степень разделения катализатора на слои, например, могут быть сформированы четыре или пять слоев, что трудно осуществить в реакторах радиального типа. Однако трудности обеспечения подходящей регенерации тепла или получения пара препятствовали разработке конфигурации аксиального реактора с промежуточным охлаждением.

В документе WO 2009/019045 раскрывается химический реактор небольших размеров, представляющий собой трубу, содержащую катализатор, а также теплообменный аппарат, обеспечивающий теплообмен с реагентами при их прохождении через реакционную трубу. Теплообменный аппарат представляет собой змеевики, занимающие немного места по длине трубы и отделенные от катализатора рассеивающими перегородками. Однако теплообмен, обеспечиваемый этими змеевиками, очень мал.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на решение вышеуказанных проблем и устранение недостатков известных технических решений. В частности, изобретение касается проблемы сбора газа и его распределения между последующими слоями катализатора многослойного химического реактора, в котором используется промежуточный теплообмен, эффективным образом, с низкими затратами и с использованием оборудования, имеющего небольшие размеры. Более конкретно, изобретение относится к многослойным аксиальным реакторам с промежуточным охлаждением, и, еще более конкретно, изобретение относится к реакторам для синтеза аммиака или метанола.

Указанная задача решается с помощью реактора в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.

Реактор содержит аксиальный ряд (штабель) слоев катализатора, выровненных в осевом направлении, включая по меньшей мере один первый слой катализатора и второй слой катализатора, работающие последовательно с аксиальным потоком, и по меньшей мере один теплообменник между двумя слоями. Поток газа, выходящий из первого слоя катализатора, нагревается или охлаждается в теплообменнике и подвергается следующей стадии реакции во втором слое катализатора. Ряд слоев катализатора также указывается как каталитический блок.

Слои катализатора расположены один возле другого в аксиальном направлении, которое является преимущественным направлением потока газа, проходящего через слои катализатора (аксиальный поток). Например, слои катализатора расположены один над другим в вертикальном реакторе.

Указанный по меньшей мере один теплообменник расположен сбоку от ряда слоев катализатора. Соответственно, теплообменник не выровнен со слоями катализатора в аксиальном направлении. Указанный по меньшей мере один теплообменник может находиться внутри или снаружи реактора, то есть, внутри или снаружи резервуара, работающего под давлением, который содержит ряд слоев катализатора. Конструкция с теплообменником внутри реактора является предпочтительной.

Реактор отличается тем, что первый слой катализатора снабжен нижним коллектором (сборником), имеющим коробчатую конструкцию, содержащую первую стенку и вторую стенку, проходящие на некотором расстоянии параллельно друг другу, и параллельные каналы, сформированные между этими двумя стенками.

Причем первая стенка обращена в сторону потока, выходящего из первого слоя катализатора, вторая стенка сообщается с впускной частью для газа второго слоя катализатора, и первая и вторая стенки проницаемы для газа по меньшей мере на части их поверхности.

Указанные параллельные каналы включают первые каналы, непосредственно сообщающиеся с первой стенкой, так чтобы собирать поток газа, выходящий из первого слоя катализатора и проходящий через первую стенку, и вторые каналы, непосредственно сообщающиеся со второй стенкой, так чтобы распределять поток газа во втором слое катализатора через вторую стенку.

Теплообменник является теплообменником косвенного теплообмена с одной стороной, через которую проходит поток газа, выходящий из первого слоя катализатора, причем эта сторона снабжена впускным отверстием, сообщающимся с первыми каналами нижнего коллектора, и выпускным отверстием, сообщающимся со вторыми каналами, так чтобы нагревать или охлаждать поток газа, собранного первыми каналами, и подавать его, после нагрева или охлаждения, во вторые каналы.

Реактор содержит подходящие трубопроводы для соединения теплообменника с первыми каналами и вторыми каналами нижнего коллектора.

Нижний коллектор по существу представляет собой составной компонент, который в дополнение к конструктивной функции как нижней части первого слоя катализатора, служит в качестве коллектора газа, выходящего из этого слоя, и в качестве распределителя (подающего устройства) газа в последующем слое. Первые каналы являются по существу средствами сбора газа, выходящего из первого слоя катализатора. Вторые каналы являются по существу средствами газовыми коллекторами (распределителями), подающими газ во второй слой катализатора. В настоящем описании термин "нижний коллектор" используется для краткости, хотя этот компонент действует и как коллектор (сборник), и как распределитель.

Предпочтительно первые каналы и вторые каналы чередуются друг с другом, то есть, первый канал расположен рядом со вторым каналом, и наоборот.

Нижний коллектор содержит внутренний элемент, расположенный между первой и второй стенками. Внутренний элемент имеет волнообразную форму с гребнями, которые поочередно присоединены к первой стенке и ко второй стенке, в результате чего формируются внутренние параллельные каналы.

В предпочтительном варианте первая стенка находится в непосредственном контакте с катализатором первого слоя, формируя его нижнюю часть, и поэтому на нее поступает непосредственно поток газа, выходящий из первого слоя катализатора в аксиальном направлении, а вторая стенка обращена в сторону впускной части для газа второго слоя катализатора.

Предпочтительно первая стенка содержит или состоит из плоского металлического листа, вторая плоская стенка содержит или состоит из другого плоского металлического листа, и внутренний элемент содержит металлический лист, имеющий волнообразную или желобчатую (гофрированную) форму. Толщина металлических листов предпочтительно находится в диапазоне от 3 мм до 10 мм. Такая "сэндвич"-конструкция с тремя металлическими листами является предпочтительной, поскольку она проста, дешева и имеет небольшой вес.

Внутренний элемент присоединен соответственно к первой стенке и ко второй стенке по продольным линиям соединения. Соединение может осуществляться с использованием сварки или с помощью заклепок, или же могут использоваться съемные соединительные элементы, такие как болты. В предпочтительных вариантах используется лазерная сварка по продольным линиям соединений между плоскими и параллельными поверхностями, которые могут быть соединены сварными швами с помощью автоматической лазерной сварки.

В предпочтительных вариантах внутренний элемент представляет собой несущий элемент нижнего коллектора.

Следует отметить, что коробчатая конструкция нижнего коллектора по настоящему изобретению может выполнять функцию несущего элемента. Нагрузка, передаваемая на нижний коллектор, включает вес катализатора, расположенного выше коллектора, и усилие, возникающее в результате перепада давления аксиального потока газа. Вышеуказанные нагрузки существенны, особенно в больших реакторах с диаметром, превышающим 1 м. Большие реакторы для производства аммиака могут иметь диаметр 5-6 м и даже до 7 м, так что нагрузка на нижний коллектор может быть очень большой.

Соответственно, нижняя часть слоя катализатора больших реакторов требует использования сравнительно больших конструктивных элементов, например, несущих балок, которые неизбежно занимают некоторое пространство. Одно из достоинств изобретения заключается в том, что неизбежное заполнение пространства в нижней части слоя катализатора используется для обеспечения сбора потока, подаваемого в теплообменник, и сбора нагретого или охлажденного потока, выходящего из этого теплообменника.

В предпочтительном варианте высота коллектора по настоящему изобретению (расстояние между первой стенкой и второй стенкой) не превышает 300 мм в реакторе, диаметр которого может достигать 6 метров.

Первая плоская стенка и вторая плоская стенка выполнены проницаемыми для газа с использованием известных технических решений, например, стенки имеют проходы, такие как отверстия, микроотверстия или прорези, подходящие для прохождения через них газа.

В особенно предпочтительном варианте параллельные каналы имеют в поперечном сечении по существу треугольную или трапециевидную форму. Более предпочтительно, основание треугольного или трапециевидного сечения канала соответствует полосе проницаемости для газа первой или второй стенки, так что канал непосредственно сообщается с первым слоем катализатора или со вторым слоем катализатора, соответственно.

Предпочтительно параллельные каналы проходят в продольном направлении, которое лежит в плоскости, перпендикулярной к оси реактора. Соответственно, в вертикальном реакторе параллельные каналы расположены на одной высоте внутри реактора.

В предпочтительной конфигурации обеспечивается: сбор газа, выходящего из первого слоя, подача этого газа в первые каналы на одной стороне нижнего коллектора, и подача газа во второй слой на противоположной стороне нижнего коллектора. В этом случае обеспечивается оптимизация трубопроводов внутри реактора и управление входящими и выходящими потоками наилучшим образом.

В некоторых вариантах нижний коллектор имеет модульную конструкцию, то есть, сформирован из модулей. Каждый модуль имеет определенное количество параллельных каналов, и нижний коллектор сформирован из двух или более модулей, установленных рядом (бок о бок) друг с другом. Более предпочтительно, каждый модуль является несущим элементом. Соседние модули нижнего коллектора могут быть скреплены друг с другом с использованием одного или нескольких плоских элементов, например металлических листов, которые формируют часть первой стенки или второй стенки.

В другом варианте нижний коллектор содержит перфорированные трубы по меньшей мере в одном из первых каналов и вторых каналов. Более предпочтительно перфорированные трубы расположены внутри вторых каналов.

Теплообменник представляет собой теплообменник с косвенным (непрямым) теплообменом, то есть, он работает с двумя текучими средами, протекающими по двум соответствующим сторонам теплообменника без их смешивания. Теплообменник включает кожух и ряд теплообменных элементов, таких трубы или пластины (т.е. представляет собой теплообменник трубчатого или пластинчатого типа). Одна сторона теплообменника формируется внутренним пространством элементов, а другая сторона формируется внутренним пространством кожуха вокруг этих элементов.

Через одну сторону теплообменника протекает подходящая нагревающая или охлаждающая среда.

Будучи расположенным сбоку от ряда слоев катализатора, теплообменник смещен вбок от центральной оси реактора. В теплообменнике пластинчатого типа теплообменные элементы представляют собой по существу плоские тела, имеющие малую толщину по сравнению с их длиной и шириной.

В реакторе по настоящему изобретению слои катализатора могут содержать один и тот же катализатор или разные катализаторы, в зависимости от требований.

Реактор по настоящему изобретению может содержать несколько вышеописанных нижних коллекторов, расположенных между соответствующими парами соседних слоев катализатора. Газ, выходящий из нижнего коллектора самого нижнего слоя, направляется на выход реактора, опционально после дополнительного теплообмена.

Изобретение отличается рядом достоинств и преимуществ, которые будут описаны ниже.

Первое достоинство заключается в том, что газ собирается и распределяется с помощью одного устройства, то есть, внутри составного компонента, имеющего простую конструкцию, дешевую в изготовлении. Такой составной компонент может быть выполнен по существу из трех дешевых частей, а именно, двух плоских металлических листов и желобчатого металлического листа для формирования внутреннего элемента. Составной компонент имеет небольшой вес, но при этом он обладает высокой прочностью благодаря ребрам жесткости, обеспечиваемым внутренним элементом. Поэтому он может использоваться в качестве нижней части слоя катализатора, способной выдерживать вес слоя и усилие, создаваемое потоком текучей среды.

Основное достоинство изобретения заключается в том, что составной коллектор/распределитель компактен, и для него не требуется сложная система трубопроводов для управления потоками газа. Поэтому изобретение может обеспечивать возможность применения технологии промежуточного охлаждения также и для аксиальных реакторов и совмещать их конструктивную простоту с достоинствами, которые до сих пор были характерны для реакторов радиального или аксиально-радиального типа.

Составной компонент по настоящему изобретению обеспечивает равномерное распределение газа, поступающего в следующий слой, причем при этом отсутствуют горизонтальные компоненты скорости. Этот аспект позволяет обеспечивать минимально возможное расстояние между двумя слоями, в результате чего улучшается степень заполнения, которая определяется как отношение между объемом загруженного катализатора и внутренним объемом аппарата. Повышение степени заполнения означает возможность уменьшения размеров и удешевления аппарата без уменьшения производительности.

Использование лазерной сварки обеспечивает дополнительные преимущества: технология лазерной сварки позволяет обходиться без сварочного электрода, в результате чего обеспечивается хорошая точность размеров. А это означает минимальные тепловые деформации. Кроме того, технологический процесс лазерной сварки полностью автоматизирован, и, соответственно, снижаются производственные затраты.

Другое достоинство заключается в возможности модернизации существующих аппаратов путем введения коллектора/распределителя по настоящему изобретению. В этом случае обеспечивается возможность, например, переоборудовать внутреннее пространство реактора, в результате чего расширяется полезный объем для катализатора, и/или реактор с непосредственным охлаждением преобразуется в реактор с промежуточным охлаждением. Переоборудование дополнительно облегчается модульной конструкцией. Кроме того, несущие модули также обеспечивают возможность реконструкции частично открытых реакторов.

Трапециевидное сечение каналов обеспечивает возможность получения для каналов большой площади сквозного потока.

Наличие перфорированных труб внутри каналов обеспечивает дополнительные достоинства, заключающиеся в равномерном распределении газа вдоль каналов и в снижении паразитного теплообмена между соседними каналами.

Расположение теплообменника с боковым смещением от центральной оси обеспечивает возможность различных конфигураций реактора, которые будут описаны ниже на некоторых примерах. Таким образом, изобретение также полезно тем, что оно расширяет свободу выбора при конструировании химических реакторов.

Достоинства настоящего изобретения будут более понятны после ознакомления с нижеприведенным подробным описанием, в котором рассматривается несколько предпочтительных вариантов его осуществления.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 - схематический вид поперечного сечения реактора с двумя слоями катализатора и нижним коллектором в одном из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 2 - схематический вид поперечного сечения нижнего коллектора реактора, схема которого приведена на фиг. 1;

на фиг. 3 - вид нижнего коллектора, схема которого приведена на фиг. 2;

на фиг. 4 - вид нижнего коллектора, показанного на фиг. 3, в другом варианте осуществления изобретения;

на фиг. 5 - вид нижнего коллектора еще в одном варианте осуществления изобретения;

на фиг. 6 - схема потоков между нижним коллектором и теплообменником реактора, схема которого приведена на фиг. 1, в одном из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 7, 8 - схематический вид поперечного сечения реактора в некоторых вариантах осуществления изобретения;

на фиг. 9, 10 - схематический вид продольного сечения реактора в некоторых вариантах осуществления изобретения.

Подробное описание осуществления изобретения

На фиг. 1 приведена схема реактора 1 с аксиальным потоком, содержащего по существу кожух 2, первый слой 3 катализатора и второй слой 4 катализатора. Кожух 2 также содержит теплообменник 5. Первый слой 3 катализатора снабжен нижним коллектором 6, который будет описан ниже.

Реактор 1 представляет собой, например, вертикальный реактор с осью АА.

В некоторых вариантах слои катализатора расположены внутри контейнера.

Слои 3 и 4 работают последовательно. Подаваемый свежий материал поступает в реактор 1 через фланец 101, проходит аксиально через первый слой 3 сверху вниз в направлении, показанном стрелками, затем газообразный поток (частично преобразованный), выходящий из первого слоя 3, направляется в теплообменник 5 и после охлаждения или нагрева поступает во второй слой 4 для завершения процесса преобразования. Поток проходит также аксиально через второй слой 4, как это показано стрелками. Продукты реакции выходят из реактора 1 через фланец 102.

Слои 3 и 4 катализатора расположены один над другим, и между ними расположен нижний коллектор. Теплообменник 5 расположен сбоку за пределами ряда слоев катализатора.

Нижний коллектор 6 содержит группу параллельных каналов 15 и 16, которые обеспечивают сообщение между двумя слоями 3, 4 катализатора и с теплообменником 5, как это будет описано ниже.

Нижний коллектор 6 (фиг. 2) содержит по существу первую стенку 10 и вторую стенку 11, а также внутренний элемент 12, расположенный между стенками 10 и 11.

Эти две стенки 10, 11 представляют собой плоские пластины, проходящие параллельно друг другу на подходящем расстоянии друг от друга. Стенки 10, 11 проницаемы для газа по меньшей мере на части их поверхностей.

Первая стенка 10 обращена в сторону потока газа, выходящего из первого слоя 3 катализатора, и вторая стенка обращена в сторону впускной части для газа, поступающего во второй слой 4 катализатора.

Внутренний элемент 12 имеет волнообразную форму с гребнями 13, которые присоединены поочередно к первой стенке 10 и ко второй стенке 11 сварными швами 14.

Внутренний элемент 12, выполненный таким образом, формирует ряд параллельных каналов между стенками 10 и 11 внутри нижнего коллектора 6. Более конкретно, сформированы:

первые каналы 15, сообщающиеся с первым слоем 3 катализатора через проницаемые поверхности 17 стенки 10, так чтобы собирать поток газа, выходящего из первого слоя 3; и

вторые каналы 16, сообщающиеся со вторым слоем 4 катализатора, так чтобы распределять поток газа во втором слое 4 через проницаемые поверхности 18 стенки 11.

Поверхности 17 и 18 представляют собой зоны проницаемости стенок 10 и 11. Эти зоны проницаемости могут быть сформированы как продольные полосы, как это показано на фигурах. Следует отметить, что зоны возле гребней 13 и соответствующих сварных швов 14 непроницаемы.

Теплообменник 5 представляет собой устройство с опосредованным обменом, две стороны которого не сообщаются друг с другом. Эти две стороны могут быть, например, межтрубным пространством и трубным пространством (стороной кожуха и стороной пластин). Через одну из сторон теплообменника 5 проходит технологический газ реактора 1, и эта сторона снабжена впускным отверстием, сообщающимся с первыми каналами 15, и выпускным отверстием, сообщающимся со вторыми каналами 16.

Как показано на фиг. 1 и 2, газ, выходящий из слоя 3, проходит через проницаемые поверхности 17 и собирается исключительно внутри первых каналов 15, из которых он поступает в теплообменник 5. Газ, выходящий из теплообменника 5, поступает во вторые каналы 16 и проходит в нижележащий второй слой 4 через проницаемые поверхности 18.

Предпочтительный вариант конструкции нижнего коллектора 6 показан на фиг. 3.

Стенки 10 и 11 по существу выполнены из металлических листов подходящей толщины, предпочтительно 3-10 мм, и их проницаемость обеспечивается с помощью отверстий 20, распределенных по их поверхности. Отверстия 20 каждой стенки распределены по полосам, проходящим вдоль соответствующих каналов, которые должны принимать или подавать газ. В непосредственной близости от сварных швов внутреннего элемента 12 проходят также полосы непроницаемости стенок. На фиг. 3 можно видеть, что отверстия 20 стенки 10 распределены по полосам 21, соответствующим расположению первых каналов 15, и что стенка 10 имеет полосы 22 непроницаемости (то есть, без отверстий 20) возле сварных швов 14.

Размеры отверстий 20 могут быть выбраны в зависимости от размеров частиц катализатора, так чтобы обеспечивалась подходящее разделительное средство, обеспечивающее прохождение газа и задерживание частиц катализатора. В различных вариантах осуществления изобретения стенка, проницаемая для газа, может быть также реализована с помощью перфорированного листа металла, покрытого подходящей сеткой, или с помощью других известных технических средств для изготовления коллекторов.

Внутренний элемент 12 включает плоские части 23, параллельные стенкам 10 и 11, для выполнения сварки, предпочтительно автоматической сварки. Внутренний элемент 12 также включает наклоненные газонепроницаемые боковые стенки 24, разграничивающие каналы 15 и 16 и формирующие конструкцию, имеющую в поперечном сечении трапециевидную форму каналов.

На фиг. 4 показан вариант, в котором нижний коллектор 6 содержит внутри каналов 16 перфорированные трубы 25. Предпочтительно внутри каждого канала 16 обеспечивается перфорированная труба 25. Газ, выходящий из теплообменника 5, распределяется внутри каналов 16 через трубы 25, в результате чего обеспечивается более равномерное распределение по всей длине этих каналов. Другой положительный эффект перфорированных труб 25 заключается в том, что газ частично находится внутри труб 25, так что уменьшается контакт газа с поверхностями боковых стенок 24 и, соответственно, уменьшается паразитный теплообмен между каналами.

На фиг. 5 показан вариант модульной конструкции нижнего коллектора 6. Показаны два самонесущих модуля 6.1 и 6.2, соединенных друг с другом посредством пластины 30, которая формирует часть одной из плоских стенок, например стенки 10, модульного коллектора. Конструктивно модули 6.1 и 6.2 подобны конструкции, показанной на фиг. 2 и 3, опционально с перфорированными трубами, показанными на фиг. 4.

На фиг. 6 показана схема движения потоков газа. В частности, на фиг. 6 показаны потоки между нижним коллектором 6 и теплообменником 5. Газ, собранный в первых каналах 15, предпочтительно направляется в первый коллектор/распределитель 31 и затем в теплообменник 5 по линии 32. После прохождения через теплообменник 15 газ по линии 33 направляется во второй коллектор 34 и из него проходит во вторые каналы 16. Каналы 15 подсоединены параллельно к первому коллектору 31, и каналы 16 подсоединены параллельно ко второму коллектору 34.

Ниже описываются некоторые неограничивающие примеры конфигурации реактора, в которых может быть эффективно использовано настоящее изобретение. Нижеприведенные Примеры иллюстрируют различные возможности применения изобретения.

Пример 1

В этом примере (фиг. 7) реактор включает круговой сегмент 40 (показано в поперечном сечении реактора), в котором размещен теплообменник 15, и круговой сегмент 41, в котором размещены вспомогательные устройства, такие как: термопары, трубопроводы, смотровые люки и т.п. Следует отметить, что в случае аксиального потока нет необходимости в радиальной симметрии реактора. Соответственно, теплообменник 15 и/или другое оборудование могут быть размещены в круговых сегментах, таких как сегменты 40 и 41. На фиг. 7 также показаны коллекторы 31 и 34, показанные на фиг. 6. Теплообменник 15 может быть кожухотрубчатым, или может быть кожухопластинчатым.

Пример 2

В этом примере (фиг. 8), похожем на предыдущий Пример, реактор содержит два теплообменника 15 в круговых сегментах 40 и 41. Пример 3

В этом примере (фиг. 9) теплообменник 15 показан в форме кожухотрубчатого теплообменника, установленного со смещением в круговом сегменте 40 реактора.

Теплообменник по существу содержит кожух 50 и трубный пучок 51. Технологический газ циркулирует в межтрубном пространстве, а охлаждающая текучая среда циркулирует во внутритрубном пространстве, то есть, внутри труб 51. Соответственно, в этом варианте используется кожух 50 низкого давления, поскольку он должен выдерживать лишь разницу давлений, возникающую в результате падений давлений на слоях катализатора.

Охлаждающая текучая среда во внутритрубном пространстве поступает через впускное отверстие 52 и выходит через выпускное отверстие 53. Охлаждающей текучей средой может быть газ или более предпочтительно вода для производства пара под подходящим давлением. Производство пара предпочтительно, поскольку температура охлаждающей текучей среды (кипящей воды) поддерживается постоянной.

Газ, выходящий из отдельных слоев катализатора, может быть подан в межтрубное пространство одного или нескольких теплообменников предварительного нагрева газа, которые могут быть физически отдельными устройствами или могут быть реализованы в одном котле, и трубы теплообменников проходят по всей длине аппарата. В этом последнем случае могут обеспечиваться перегородки 54 межтрубного пространства для отделения газа каждого одного аксиального коллектора.

Для упрощения конструкции и облегчения сборки/разборки котлов в них могут использоваться U-образные трубы.

Можно видеть, что реактор содержит два нижних коллектора 106, 206, которые расположены под первым слоем 3 и под вторым слоем 4, соответственно. Эти два нижних коллектора сформированы в общем и целом аналогично вышеописанному нижнему коллектору 6. Можно отметить, что реактор содержит только два слоя катализатора, и поэтому газ, выходящий из второго коллектора 206, в этом Примере выходит из реактора вместо прохождения в другой слой катализатора.

Реактор, описанный в этом Примере, обладает следующими достоинствами и преимуществами: легкая доступность для осмотра и технического обслуживания; свободный выбор высоты слоев катализатора; однородные слои катализатора; улучшенное использование пространства внутри реактора (более компактное оборудование); отсутствие каких-либо поперечных компонентов скорости у газа, входящего в слои катализатора и выходящего из них. Отсутствие поперечных компонентов скорости предотвращает нежелательное смещение катализатора. Пример 4

В этом примере (фиг. 10) теплообменник 15 содержит кожух 60 и один или несколько трубных пучков 61, 62. Технологический газ циркулирует во внутритрубном пространстве. Соответственно, в этом случае используется кожух 60 высокого давления. Другие характеристики в общем и целом подобны характеристикам реактора, схема которого приведена на фиг. 9.

Следует отметить, что кожух 60 может иметь некруглое поперечное сечение. В одном из вариантов кожух 60 в поперечном сечении имеет такую форму, которая повторяет профиль кругового сегмента 40 реактора.

Следует отметить, что конструкция реактора улучшается за счет того, что для каждого коллектора впускное и выпускное отверстие для газа кожуха котла расположены на одной высоте.

В описанной конфигурации в случае производства пара внутри реактора формируется один кожух высокого давления.

Реактор, схема которого приведена на фиг. 10, может вырабатывать пар как в изотермических реакторах метанола аксиального или аксиально-радиального типа с теплообменным аппаратом, погруженным в катализатор, однако по сравнению с ними он имеет ряд достоинств и преимуществ. Одно достоинство заключается в улучшении эффективности теплообмена, который не ухудшается катализатором. Другое достоинство заключается в том, что компоненты теплообменника 15 могут быть осмотрены и отремонтированы без необходимости выгрузки катализатора.

1. Реактор для осуществления экзотермических или эндотермических химических реакций, содержащий:

аксиальный ряд слоев катализатора, включающий по меньшей мере первый слой (3) катализатора и второй слой (4) катализатора, взаимодействующие последовательно с аксиальным потоком, причем слои катализатора уложены один относительно другого в аксиальном направлении реактора, так что поток газа, выходящий из первого слоя катализатора, подвергается следующей стадии реакции во втором слое катализатора;

по меньшей мере один теплообменник (5), расположенный сбоку от ряда слоев катализатора и выполненный с возможностью охлаждения или нагрева, путем косвенного теплообмена с нагревающей или охлаждающей средой, указанного потока, выходящего из первого слоя катализатора, перед его поступлением во второй слой катализатора,

отличающийся тем, что:

первый слой (3) катализатора снабжен нижним коллектором (6), имеющим коробчатую конструкцию, включающую первую стенку (10) и вторую стенку (11), проходящие параллельно друг другу на расстоянии друг от друга, и параллельные каналы (15, 16), сформированные между этими двумя стенками,

причем первая стенка обращена в сторону потока, выходящего из первого слоя катализатора, вторая стенка сообщается с впускной частью для газа второго слоя катализатора, и первая и вторая стенки проницаемы для газа по меньшей мере на части (17, 18) их поверхности,

параллельные каналы включают первые каналы (15), непосредственно сообщающиеся с первой стенкой, так чтобы собирать поток газа, выходящий из первого слоя катализатора и проходящий через первую стенку, и вторые каналы (16), непосредственно сообщающиеся со второй стенкой, так чтобы распределять поток газа во втором слое катализатора через вторую стенку,

указанный по меньшей мере один теплообменник (5) является теплообменником косвенного теплообмена, содержащим первую сторону, через которую проходит поток газа, выходящий из первого слоя катализатора, и вторую сторону, через которую проходит теплообменная текучая среда, причем первая сторона снабжена впускным отверстием, сообщающимся с первыми каналами (15) нижнего коллектора (6), и выпускным отверстием, сообщающимся со вторыми каналами (16) нижнего коллектора (6), так чтобы нагревать или охлаждать поток газа, собранного первыми каналами, и подавать его, после нагрева или охлаждения, во вторые каналы.

2. Реактор по п. 1, в котором нижний коллектор содержит внутренний элемент (12), расположенный между первой стенкой и второй стенкой, причем внутренний элемент имеет волнообразную форму с гребнями, которые поочередно присоединены к первой стенке и ко второй стенке, в результате чего между стенками формируются параллельные каналы.

3. Реактор по п. 2, в котором первая стенка содержит плоский металлический лист, вторая плоская стенка содержит другой плоский металлический лист, и внутренний элемент содержит металлический лист, имеющий волнообразную или желобчатую форму.

4. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором первые каналы и вторые каналы нижнего коллектора чередуются друг с другом.

5. Реактор по п. 2 или 3, в котором внутренний элемент представляет собой несущий элемент нижнего коллектора.

6. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором первая стенка и вторая стенка нижнего коллектора проницаемы для газа благодаря отверстиям или микроотверстиям, или благодаря наличию прорезей, опционально покрытых сеткой.

7. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором параллельные каналы нижнего коллектора имеют по существу треугольную или трапециевидную форму в поперечном сечении.

8. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором параллельные каналы нижнего коллектора проходят в продольном направлении, которое лежит в плоскости, перпендикулярной оси реактора.

9. Реактор по п. 8, имеющий вертикальную ось, и параллельные каналы расположены на одной высоте внутри реактора.

10. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором нижний коллектор (6) имеет модульную конструкцию, причем каждый модуль (6.1, 6.2) содержит заданное количество параллельных каналов, и составной нижний коллектор сформирован путем расположения бок о бок двух или более таких модулей.

11. Реактор по п. 10, в котором соседние модули нижнего коллектора прикреплены друг к другу с помощью одного или нескольких плоских элементов, которые формируют части первой стенки или второй стенки.

12. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором нижний коллектор содержит перфорированные трубы (25) для сбора или распределения газа внутри первых и/или вторых каналов.

13. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором указанный по меньшей мере один теплообменник расположен внутри реактора.

14. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором указанный по меньшей мере один теплообменник представляет собой теплообменник трубчатого или пластинчатого типа.

15. Реактор по любому из предыдущих пунктов, представляющий собой реактор с аксиальным или по существу аксиальным потоком, причем первый слой катализатора и второй слой катализатора установлены по вертикали в форме колонны, так что первый слой расположен над вторым слоем и через эти два слоя последовательно проходит аксиальный поток, и нижний коллектор расположен между этими двумя слоями.