Химический реактор сжатия свободного поршневого типа

 

ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР СЖАТИЯ СВОБОДНО ПОРШНЕВОГО ТИПА, включающий укрепленный на основании корпус,имеющий цилиндрическую реакщюнную камеру с размещенным внутри нее свободным поршнем двухстороннего действия не выполненными в ней отверстиями для ввода сырья и вывода продуктов, отличающийся тем, что,с целью повышения производительности реактора и селективности процесса по продукту. реакционная камера установлена вертикально , а отверстия для ввода сырья расположены на расстоянии .2,5d от отверстий для вывода продуктов из той же рабочей .полости камеры, где f - расстояние между отверстиями для ввода сырья и вывода продуктов из той же рабочей полости, d - диаметр камеры. 2.Реактор по п,1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что отверстия для вывода продуктов снабжены управляемыми клапанами. 3.Реактор попп.1, 2, отличающийся тем, что отверстия для ввода сырья выполнены в торце реакционной камеры и расположены сим (Л метрично относительно оси камеры, 4.Реактор по пп,1, 2, отличающийся тем, что отверстия для ввода сырья выполнены в виде кольцевых щелей, концентричных относительно оси реакционной камеры.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) сю4В 01 J 12 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬП ИЙ (21) 2162762/23-26 (22) 04.08.75 (46) 30.03.86. Бюл. У 12 (71) Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева (72) Ю,А.Колбановский и В.С.Щипачев (53) 66.023 (088.8) (56) Патент США В 2899199, кл. 23-252, опублик. 1957.

Патент США У 2814551, кл. 23-252, опублик. 1957. (54) (57) ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР СЖАТИЯ

СВОБОДНО ПОРШНЕВОГО ТИПА, включающий укрепленный на основании корпус, имеющий цилиндрическуюреакционную камеру с размещенным внутри неесвободным поршнем двухстороннего действия и с выполненными в ней отверстиями для ввода сырья и вывода продуктов, о т— л и ч а ю шийся тем, что,с целью повышения производительности реактора и селективности процесса по продукту, реакционная камера установлена вертикально, а отверстия для ввода сырья расположены на расстоянии 106>У»

>2,5d от отверстий для вывода продуктов из той же рабочей .полости камеры, где Я вЂ” расстояние между отверстиями для ввода сырья и вывода продуктов из той же рабочей полости, d — диаметр камеры.

2. Реактор по п.I о т л и ч а юшийся тем, что отверстия для вывода продуктов снабжены управляемыми клапанами.

3. Реактор по пп.1, 2, о т л и— ч а ю шийся тем, что отверстия для ввода сырья выполнены в торце реакционной камеры и расположены симметрично относительно оси камеры.

4. Реактор по пп.1, 2, о т л и— ч а ю шийся тем, что отверстия для ввода сырья выполнены в виде кольцевых щелей, концентричных относительно оси реакционной камеры.

774020

30

50

Изобретение относится к области химического машиностроения, а именно к химическим реакторам сжатия и может быть использовано в схемах химических производств для осуществления 5 газофазных химических реакций при высоких давлениях и температурах, которые могут изменяться в широких пределах.

Известны различные варианты химических реакторов сжатия, предназначенных для осуществления реакций в газовой фазе. Отдельную группу образуют реакторы сжатия со свободными поршнями. Эти реакторы представляют собой корпус с цилиндрической реакционной камерой, закрытой с торцов, в котором реагенты сжимаются свободным, т.е. не имеющим каких-либо механических связей, поршнем.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению является химический реактор сжатия свободнопоршневого типа, содержащий укрепленный на основании корпус, имеющий цилиндрическую реакционную камеру с горизонтальной продольной осью. Внутри камеры размещен свободный поршень . двухстороннего действия, делящий реакционную камеру на две рабочие полости, Каждая рабочая полость имеет отверстия для ввода сырья и вывода продуктов реакции. 35

Однако во всех известных конструкциях химических реакторов сжатия свободнопоршневого типа велики силы трения между поршнем и стенками реакционной камеры, а следовательно, и потери энергии на трение. Для химического реактора сжатия свободнопоршневого типа этот недостаток имеет принципиальное значение.

Кроме того, в известных конст- 4S рукциях реактора не принято никаких мер для предотвращения перемешивания сырья, поступающего в реактор, и продуктов реакции, покидающих реакционную камеру. Из-за этого снижается производительность аппарата по продукту и ухудшается селективность процесса, если продукт нестабилен (селективность по целевому продукту определяется здесь как выраженное в процентах отношение выхода целевого продукта -реакции к сумме выходов всех продуктов реакции) .

Это обусловлено главным образом тем, что в известных конструкциях не обеспечена полнота эвакуации из аппарата продуктов реакции. Эвакуация продуктов из аппарата можно улучшить, увеличив коэффициент продувки (т.е. отношение объема газа, выходящего из аппарата между двумя сжатиями, к объему рабочей полости). Однако такой прием приводит к раэбавлению прореагировавших газов исходным сырьем, что равносильно уменьшению степени превращения сырья и, следовательно, ухудшает показатели всех последующих технологических операций, направленных на выделение целевого продукта и рециркуляцию непрореагировавшего сырья.

Цель изобретения — устранение указанного недостатка и повышение производительности реактора и селективности процесса, протекающего в реакторе по продукту.

Для достижения этой цели в известном химическом реакторе реакционная камера установлена вертикально, а отверстия для ввода сырья расположены на расстоянии 10d>7>2 5о от отверстий для вывода продуктов из той же рабочей полости камеры, где Х— расстояние между отверстиями для ввода сырья и вывода продуктов из той же рабочей полости, d — - диаметр камеры. Кроме того, отверстия для вывода продуктов снабжены управляемыми клапанами, а отверстия для ввода сырья выполнены в торце реакционной камеры и расположены симметрично оси камеры.

Отверстия для ввода сырья могут быть выполнены и в виде кольцевых щелей, концентричных относительно оси реакционной камеры.

На фиг,1 представлен общий вид химического реактора сжатия, разрез; на фиг.2 изображено сечение А-А на фиг,1; на фиг.3 — нижний узел вводных отверстий, выполненных в виде кольцевых щелей, концентричных относительно оси реакционной камеры.

Химический реактор сжатия содержит корпус 1, укрепленный на основании 2. В корпусе 1 выполнена цилиндрическая реакционная камера 3, расположенная вертикально. Двухсторонний рабочий поршень 4 делит реакционную камеру 3 на две рабочие полости (верхнюю рабочую полость 5

3 7 и нижнюю рабочую полость 6) и может совершать возвратно-поступательные движения в вертикальном направлении.

В торцах реакционной камеры 3 симметрично относительно ее оси выполнено четыре отверстия 7 и четыре отверстия 8 для ввода реагентов в рабочие полости 6 и 5 соответствен-: но. Отверстия 7 перекрываются тарельчатыми клапанами 9, управляемыми электромагнитом 10, а отверстия 8 перекрываются тарельчатыми клапанами 11,управляемыми электромагнитом 12.

Количество отверстий 7 и 8 может быть, в принципе, любым, но предпочтительно от трех до двенадцати, и . они должны быть расположены симметрично относительно оси реакционной камеры 3, что позволяет равномерно распределять струю вводимого реа- . гента по всему сечению реакционной камеры 3. Отверстия для ввода реагентов могут быть выполнены в виде кольцевой щели 13 (как показано на фиг.3) концентричной относительно оси реакционной камеры 3.

Кольцевая щель 13 перекрывается управляемым клапаном 14 соответствующей формы, В боковых стенках реакционной .камеры 3 выполнены отверстия 15 для вывода продуктов реакции из нижней рабочей полости 6 и отверстия 16 для вывода продуктов реакции из верх.ней рабочей полости 5. Все отверстия 15 сообщаются с кольцевым коллектором 17,выход из которого перекрывается клапаном 18, управляемым электромагнитом,19. Аналогично отверстия 16 сообщаются с коллектором 20, выход которого перекрывается клапаном 21, управляемым электромагнитом 22, Расстояние Х от отверстий 8 для ввода реагентов в рабочую полость 5 до отверстий 16 для вывода продуктов реакции из той же рабочей полости (как и расстояние от отверстий 7 до отверстий 15) выполнено в пределах от 2,5d до 10d.

Отверстия 15 и 16 для вывода реагентов могут в отдельных случаях не закрываться клапанами (на фиг. не показано). Однако в этом случае для исключения проскока непрореагировавших реагентов необходимо выдержать определенные соотношения между длиной хода поршня, длиной поршня и расстоянием между отверстиями для

74020

Скорость движения поршня 4 и частота его колебаний возраста т до тех пор, пока энергия,подводимая к поршню 4 на каждом ходе, не сравняется с потерями энергии.

В установившемся режиме работа предложенного реактора осуществляется следующим образом. ввода реагентов и отверстиями для вывода продуктов реакции.

Для приведения химического реактора сжатия в действие необходимо к клапанам 9 и 11, перекрывающим отверстия 7 и 8, подвести газообразные реагенты под давлением 10-20 атм.

Управляя клапанами 9, впускают в нижнюю рабочую полость 6 порцию газообразных реагентов. При этом клапаны 11 и 21 должны быть закрыты, а клапан 18 открыт. Под действием газообразных реагентов поршень 4 поднимается вверх, сжимая газ в верхней рабочей полости 5. В нижней ра-. бочей полости 6 газ расширяется и частично вытекает через отверстия 15, поэтому давление в нижней рабочей полости 6 становится меньше давления в верхней рабочей полости 5, поршень 4 останавливается и начинает опускаться. В это время в верхнюю рабочую полость 5 через отверстия 8 должна быть подана порция газообразных реагентов, которые, расширяясь, дают дополнительный импульс поршню 4, Клапаны 18 и 9 при движении поршня 4 вниз должны быть закрыты, а клапан 21 открыт. В течение этого хода поршень 4 снимает газ и в нижней рабочей полости 6, а газ приобретает большую потенциальную энергию, чем при предыдущем ходе поршня 4 в верхней рабочей полости 5.

При движении поршня 4 вниз часть газа из верхней рабочей полости 5 вытекает через отверстия 16, так как клапан 21 будет открыт. Таким образом, количество газа в рабочих полостях 5 и 6 от хода к ходу поршня 4 не увеличивается, но на каждом ходе поршня 4 к нему подводится некоторое количество энергии за счет подачи очередной порции газообразных реагентов. Поэтому с каждым ходом поршень 4 в реакционной камере 3 движется все быстрее и соответственно сжимает газообразные реагенты до все более высоких давлений и температур.

4020 ь реакции (соответственно отверстие 8 и отверстий 16), большое число отверстий 7 и 8 для ввода реагентов, симметрично расположенных относительно оси реакционной камеры 3 (или одного — двух отверстий в виде кольцевой щели 13, изображенной на фиг.3), наличие управляемых клапанов 18 и 21 (фиг.1), а также вертикальное рас10 положение корпуса 1 на основании 2 в существенной мере увеличивают производительность реактора сжатия по продукту и увеличивают селективность процесса, как это было показано путем направленных экспериментов на различных вариантах конструкций,лежащих в пределах изобретения.

При этом было найдено, что увеличение расстояния между отверстия20 ми для ввода реагентов и отверстиями для вывода продуктов реакции от

1 5 диаметра реакционной камеры 3 (как это было в известной конструкции) до 10 при одновременном увели25 чении количества отверстий для ввода от одного до двенадцати приводит к увеличению полноты эвакуации продуктов реакции более чем в 10 раз (при коэффициенте продувки равном 1),что

Зп сопровождается соответствующим ростом производительности реактора по продукту.

Экспериментальные данные, представленные в табл.1, подтверждают большую эффективность данного реактора.

Таблица 1

1 Расстояние

Полнота

Количест-! ! во входПримечание !

1

Пример между входными и вы эвакуаных от верстий

I ции продуктов реакции, об.X ходными отверстиями в единицах диаметра цилиндра

2,5

5,0

10

12

1.ь 5

S 77

Поршень 4 из нижней мертвой точки под действием сжатых под ним реагентов перемещается вверх. Давление в нижней рабочеи полости 6 при этом падает и в тот момент, когда оно опускается ниже давления в подводящей магистрали, клапаны 9 открываются под действием перепада давлений, в реактор поступает свежее сырье.

Электромагнит 10 закрывает клапаны 9 через, примерно, 0,01 с после начала поступления сырья. Когда нижний торец поднимающегося поршня 4 достигает отверстий 15 или несколько позже клапан 18 открывается посредством электромагнита 19. Начиная с этого момента и до возвращения нижнего торца поршня 4 на уровень отверстий 15 происходит, если клапан 18 не закрыт по команде, истекание газа из нижней рабочей полости 6. В верхней рабочей полости 5 за это время произошло сжатие, так что возврат поршня 4 происходит под действием сжатых в верхней рабочей полости 5 газов. При дальнейшем движении поршня 4 вниз он достигает нижней мертвой точки,с которой нами было начато описание его движения. Все процессы в верхней рабочей полости 5 полностью аналогичны процессам, протекающим в нижней рабочей полости 6, но происходят в противофазе.

Наличие удаленных друг от друга отверстий 7 для ввода реагентов и отверстий 15 для вывода продуктов

79 Данные получены на специальной смеси, 89 для которой на режиме испытаний имела

93,5 место 100Х-ная конверсия реагирующей

95,5 составляющей исходной смеси. Все дан96,5 ные получены при коэффициенте продув72 ки равном единице.

Из приведенных в табл.1 данных следует, что при использовании настоящего реактора содержание сырья в отходящих газах может быть снижено по сравнению с обычной конструкцией (см. пример 6). При этом имеет место соответствующее увеличение производительности реактора по продукту.

Из следующей табл.2 видно, что предлагаемая конструкция способству ет увеличению селективности процесса. Данные, приведенные в этой таблице, были получены для исходного сырья, состоящего из 2 об.Ж ксилолов в смеси с водородом. При сжатии такой смеси происходит гидродеалкилирование, причем для выявления селективности по промежуточному продукту в качестве целевого продукта был выбран толуол. Повторное сжатие толуола в смеси с водородом приводит к дальнейшему его гидродеалкилированию до бензола. В определенной степени этот процесс успевает происходить и при однократном сжатии. Приведенные в табл.2 опыты проведены при максимальной температуре 1100 С и при,коэффициенте продувки, равном единице.

774020

Таблица 2 б»

СелекКоличество

Расстояние

Пример тивность, об. Ж между вход.ными и вы l0

2,5

15 2

5,0

51

10

10

70

25

Из приведенных в табл.2,данных следует, что селективность по продукту в настоящем реакторе сжатия существенно выше, чем в известном. ходными отв ерс тиями в ед.диаметра цилиндра вход-,» ных отверстий

774020

Техред О. Гортвай

Корректор В.Бутяга

Редактор Л.Письман

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул . Проектная, 4

Заказ 1626/4 Тираж 527

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5