Устройство для проведения процессов гидрогенизации с магнитоуправляемым слоем катализатора

 

Использование изобретения: в аппаратах гидрогенизации угля, тяжелых нефтяных остатков, в химической и нефтехимической промышленности. Сущность изобретения: реактор выполнен из немагнитного материала с подведенной к нему электромагнитной системой управления псевдоожиженным слоем катализатора. Электромагнитные катушки вынесены из зоны действия высоких температур, а наложение магнитного поля на частицы катализатора крупностью до 4 мм осуществляется через наконечники магнитопроводов, расположенных попарно перпендикулярно по высоте реактора путем последовательного переключения электромагнитов с частотой от 0,1 до 2,0 Гц. 2 э.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

Изобретение относится к аппаратам химической технологии, в которых при повышенном давлении, температуре и различной вязкости сред осуществляются реакции между твердой, жидкой и газообразной фазами в присутствии катализатора, в условиях, когда частицы катализатора введены в режим автоколебаний силами электромагнитного поля и образуют псевдоожиженный слой.

Известен реактор для проведения процессов в "кипящем" слое (Авт.св. СССР N 168264, 1963 г., кл. В 01 J 8/42 "Реактор для проведения процессов в кипящем слое"). По авт.св. 168264 корпус реактора помещен внутрь статора с вращающимся магнитным полем. Недостатком этого устройства является то, что процессы могут проводиться только при низких температурах и давлениях из-за требований неэлектропроводности стенок реактора, а также из-за того, что статор расположен непосредственно на стенке реактора.

Развитие этого устройства представлено в описании изобретения "Vorriehtung zur Durchfuhrung von physikalischen und chemischen Prozessen in einer Wirbelschicht aus ferromagnetischen Teilchen" (Патент ФРГ N 2153872, 1975 г. , кл. В 01 J 8/38). Достоинством этого устройства является допустимость высоких температур и давлений и возможность использования различных реакционных сред. К недостаткам можно отнести недостаточную интенсификацию процесса, обусловленную конструктивными особенностями реактора, где перемешивание осуществляется возвратно-поступательными движением реакционного сосуда перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля.

К развитию процессов в кипящем слое с электромагнитными системами относится еще один вариант усовершенствования реактора по авт. св. 168264 "Устройство для проведения физико-химических процессов" (Авт.св. СССР N 936982, 1982 г., кл. B 01 J 8/18 Н.Г.Журавского), отличающийся (недостатки) сложностью оформления реакционной камеры: внутри камеры содержатся покрытые изолирующим материалом токопроводы в виде колец, а внутренняя поверхность камеры требует специальных выемок и выступов.

Известны аппараты более узкого целевого назначения - смесители, выполненные из немагнитного материала (Авт.св. СССР N 611661, 1978 г., кл. B 01 F 13/08 Д. Г. Цитрона "Смеситель непрерывного действия" ; Авт.св. СССР N 1168279, 1985 г. , кл. B 01 F 13/08 С.Г.Перковича "Смеситель непрерывного действия"), который не требует специальных приспособлений внутри камеры (смешения) и где используются перемещения ферромагнитных тел внутри камеры под воздействием магнитного поля установленных снаружи на поверхности камеры источников вращающегося магнитного поля. При этом аппараты характеризуются высокой интенсивностью перемешивания и расширением диапазона "обрабатываемых сред". Достигается это определенным расположением линейных индукторов по длине камеры смешения.

Однако указанные смесители предназначены лишь для смешивания компонентов и имеют ограничения по температурным режимам (в случае разогрева смеси используется охлаждение) за счет расположения источников магнитного поля непосредственно на стенках аппарата.

Известен способ получения углеводородов из угля и установка для его осуществления (Авт. св. SU 1058508, кл. C 10 G 1/06, 1983 г.), где камера гидрогенизации снабжена ротором с лопастями, расположенными по ее оси, запирающим клапаном, расположенным на ее выходном конце, и теплообменной рубашкой. Установка допускает использование высоких температур и давления, но имеет принципиально иное и более сложное конструктивное техническое решение реакционной камеры гидрогенизации и не преследует цель использования магнитоуправляемого слоя катализатора.

Задачей настоящего изобретения является увеличение интенсивности тепло- и массообмена в трехфазной реакционной среде различной вязкости при повышенной температуре и давлении, расширение диапазона величины используемых ферромагнитных частиц до крупности 4 мм, улучшение управляемости псевдоожиженным слоем частиц катализатора в процессе гидрогенизации.

Поставленные задачи решаются путем введения непрерывного чередования импульсов магнитного поля путем переключения электромагнитов, расположенных вне зоны реактора особым образом и создающих магнитную индукцию в реакторе через наконечники магнитопроводов. Наиболее простая схема реактора с расположенными на нем тремя магнитопроводами и электромагнитными катушками представлена на чертеже.

Устройство содержит 1 - слой теплоизоляции реактора, 2 - реакционную емкость (реактор), выполненную из немагнитного материала (нержавеющая сталь типа X18H10), 3 - магнитопроводы, 4 - электромагнитные катушки; систему переключения электромагнитов (на схеме не показано); стандартную систему подвода исходных веществ и вывода продуктов гидрогенизации (на схеме не приведена).

Устройство предназначено для использования в проточных установках каталитической гидрогенизации тяжелых нефтяных продуктов и бурого угля.

Устройство работает следующим образом. В начальный период времени ферромагнитный катализатор помещается в реактор и удерживается одним включенным электромагнитом в стационарном состоянии между наконечниками электромагнита. Одновременно с подачей исходного сырья включается система переключения электромагнитов, приводящая в движение частицы ферромагнитного катализатора, образующие управляемый псевдоожиженный слой.

Для обеспечения движения частиц катализатора по всему объему реактора предложена схема из трех (и более) электромагнитов с магнитопроводами, расположенными по всей длине реакционной зоны. Расположение наконечников магнитопроводов электромагнитов взаимно перпендикулярно относительно друг друга по высоте реактора. Расстояние между магнитопроводами электромагнитов и их число по длине реактора определяется длиной реакционной зоны, размером частиц используемого катализатора и его магнитной восприимчивостью. Питание электромагнитов осуществляется через регулируемый источник питания с системой переключения электромагнитов.

Одним из основных критериев выбора в качестве индуктора магнитного поля электромагнитов с магнитопроводами является высокая температура стенки реактора, которая отрицательно влияет на электрические эксплуатационные характеристики электромагнитов. Использование удлиненных магнитопроводов позволяет вынести катушку электромагнита из зоны действия высоких температур.

Магнитопроводы для электромагнитов изготовлены из листовой трансформаторной стали толщиной 0,33-0,50 мм и отличаются малыми потерями на вихревые токи и гистерезис (коэффициент потерь на гистерезис менее 0,001). Для изготовления обмоток электромагнитных катушек был использован эмаль-провод класса нагревостойкости С.

Величина магнитной индукции по центральной линии реактора между наконечниками магнитопровода определяется характеристиками реакционной среды (вязкостью многокомпонентной реакционной смеси, линейной скоростью движения смеси в реакторе); величиной и магнитной восприимчивостью ферромагнитного материала (катализатора). В частности электромагнитная сила (F_t), действующая на частицу ферромагнитного катализатора, связана с величиной магнитной индукции (B) магнитной восприимчивостью материала (μ_o) по формуле где S_c - площадь сечения сердечника электромагнита.

Для реактора объемом V_p, равного 0,5 дм³ и внутренним диаметром 0,05 м длина рабочей зоны L_p составляет 0,2 м, в этом случае можно использовать систему из трех электромагнитов, при этом расстояние между полюсами наконечников электромагнитов по длине реактора составляет 0,05 м. В этих условиях оптимальная скорость перемещения частицы катализатора размером 1-4 мм составляет ≈0,1 м/с при вязкости маслоугольной пасты 0,05 Па·с. Электромагнит с магнитопроводом и тангенциальными наконечниками имел следующие характеристики: длина средней линии магнитопровода 275 мм; площадь сердечника электромагнита 300 мм² катушка электромагнита содержала 6500 витков; активное сопротивление катушки электромагнита 440 0м; величина воздушного зазора магнитопровода 55 мм.

Использован катализатор на магнитомягкой ферритсодержащей основе для гидрогенизации бурого угля, который имеет относительную магнитную проницаемость 1450. Температура реакционной среды составляла 430^oC, давление в реакторе 10,0 МПа.

При больших значениях вязкости среды 0,5 Па·с скорость движения частиц катализатора составляет 0,03 - 0,05 м/c. При этом она мало зависит от величины магнитной индукции в интервале от 0,05 до 0,10 Тл и определяется гидродинамическим сопротивлением среды. С уменьшением вязкости среды до 0,02 - 0,05 Па·с скорость перемещения частиц катализатора возрастает до 0,10-0,15 м/с. При таких значениях вязкости среды существенно сказывается влияние величины магнитной индукции на скорость перемещения частиц катализатора, она возрастает от 0,10 до 0,20 м/c при увеличении магнитной индукции от 0,05 до 0,10 Тл. Частота переключения магнитного поля может варьироваться от 0,1 до 2,0 Гц. Для оценки эффективности тепло- и массообмена, каталитической активности кипящего слоя использована степень конверсии органической массы угля (ОМУ) и выход жидких продуктов при гидрогенизации бурого угля Березовского месторождения, данные представлены в табл.1.

Для сравнения приведены данные для катализатора в стационарном магнитоудерживаемом слое. Описанное выше устройство позволяет использовать в процессе гидрогенизации частицы катализатора крупностью до 4 мм (табл.2) и за счет этого применимо во всех промышленных типах реакторов гидрогенизации.

Предлагаемое устройство может использоваться для интенсификации высокотемпературных физико-химических процессов в трехкомпонентных сложных смесях (газ, жидкость, твердая фазы). Электромагнитная система управления кипящим сдоем катализатора позволяет увеличить удельную нагрузку на реактор и соответственно повысить экономичность процесса. Реактор гидрогенизации с электромагнитной системой управления слоем катализатора может иметь сравнительно небольшие размеры и технологически не сложен в изготовлении. При необходимости увеличения объема реактора может быть использовано простое масштабирование.

Формула изобретения

1. Устройство для проведения процессов гидрогенизации с магнитоуправляемым слоем катализатора, отличающееся тем, что цилиндрический реактор выполнен из немагнитного материала, снаружи реактора на расстоянии от него для исключения непосредственного действия высоких температур установлены источники магнитного поля, выполненные с удлиненными тангенциальными магнитопроводами, расположенными попарно перпендикулярно по высоте реактора и имеющими наконечники для воздействия на частицы ферромагнитного материала катализатора, помещенного в реактор, путем последовательного переключения электромагнитов с частотой 0,1 2,0 Гц.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что реактор выполнен с возможностью проведения процесса при температуре до 430^oС и давлении до 10 мПа.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что псевдоожиженный слой катализатора содержит частицы до 4 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3