Сверхвысокочастотный каталитический реактор для эндотермических гетерофазных реакций

 

Изобретение относится к новым нетрадиционным технологическим установкам, в частности к химическим реакторам, в которых используется энергия электромагнитного излучения сверхвысокочастичного диапазона для проведения эндотермических гетерофазных каталитических реакций. Цель изобретения - создание эффективного экологического каталитического реактора с высоким КПД, для чего предлагается реактор, представляющий собой вертикальный, цилиндрический, теплоизолированный сосуд, частично заполненный катализатором. Корпус реактора является резонатором для сверхвысокочастотного генератора - источника электромагнитной энергии. Верхняя крышка реактора играет роль излучающей антенны и связана с генератором, волноводом или высокочастотным кабелем. Сырье без предварительного подогрева подается в верхнюю часть реактора, контактный газ отводится через нижнюю его часть. Непрореагировавшее сырье после разделения возвращается на вход реактора. Диаметр реактора, высота слоя катализатора, объемный расход сырья и мощность СВЧ-генератора подбираются таким образом, чтобы вся энергия электромагнитного излучения трансформировалась в катализаторе в тепловую, необходимую для проведения эндотермической реакции. 1 ил.

Изобретение может найти применение в химической и нефтехимической промышленности при проведении эндотермических каталитических реакций.

Предлагаемый каталитический реактор для проведения эндотермических гетерофазных реакций принципиально отличается от существующих способом подвода энергии в зону реакции, что значительно снижает энергозатраты, упрощает управление технологическим процессом и повышает КПД установки.

Снижение энергозатрат при промышленной реализации эндотермических реакций является одной из основных проблем, от решения которой зависит в конечном итоге эффективность производства.

Известен реактор, например, для дегидрирования бутилена - вертикальный цилиндрический сосуд без внешнего обогрева с неподвижным катализатором. Необходимое для процесса тепло подводится за счет разбавления исходного бутилена большим количеством перегретого водяного пара. Следовательно, реактор адиабатический и по гидродинамическим условиям близок к аппарату идеального вытеснения. Катализатор может быть размещен одним или несколькими слоями; в последнем случае часть пара подается между этими слоями.

Основным недостатком такого типа реакторов является то, что используется лишь незначительная часть тепловой энергии, вводимой в реактор с перегретым паром. Температура пара на входе в реактор 700 750^oC, температура пара и контактного газа на выходе из реактора 600 - 650^oC; таким образом, тепловой КПД реактора составляет ≈10%.

В отличие от описанного выше типа реакторов в представленной заявке на изобретение предлагается в качестве основного энергоносителя в каталитических реакторах для проведения эндотермических гетерофазных реакций использовать сверхвысокочастотное электромагнитное излучение, с условием его полного поглощения веществом катализатора и сырья.

Схема реактора приведена на чертеже. Реактор представляет собой вертикальный, цилиндрический, теплоизолированный, металлический сосуд заполненный катализатором. Корпус 1 реактора является резонатором для сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний, источником которых является генератор 2. Верхняя крышка 3 реактора играет роль излучающей антенны СВЧ-генератора, что способствует равномерному распределению плотности энергии электромагнитного излучения по поперечному сечению реактора. Излучающая антенна связана с генератором волноводом или высокочастотным кабелем 5. Сырье I без предварительного подогрева подается в верхнюю часть реактора. Контактный газ II отводится из нижней части реактора, не прореагировавшее сырье после разделения возвращается на вход реактора. Для обеспечения полного поглощения энергии электромагнитного излучения веществом катализатора 4 и трансформации ее в тепловую энергию диаметр реактора и высота слоя катализатора выбираются следующим образом.

Для того, чтобы корпус реактора играл роль резонатора электромагнитных колебаний необходимо, чтобы критическая длина волны СВЧ-излучения λ_кр , определяемая диаметром ректора, его высотой и типом электромагнитных колебаний, значительно превышала длину волны, генерируемую источником электромагнитного излучения λ. Для цилиндрических реакторов, в которых можно возбуждать электромагнитные колебания, имеющие максимум вектора напряженности электрического поля на продольной оси реактора критическая длина волны равна [2] где D и h_p - диаметр и высота реактора соответственно; p = 1, 2,... - число определяющее вариацию вектора электромагнитных колебаний по высоте реактора.

Учитывая, что для типичных цилиндрических реакторов, применяемых в химической технологии h_p >> D, из уравнения (1) получим Для генератора СВЧ-излучения работающих на частоте 2450 МГц длина волны λ ≈ 12 см.

Высота слоя катализатора, заполняющего реактор, определяется глубиной проникновения электромагнитных волн в вещество катализатора где δ_E - расстояние, на котором амплитуда вектора напряженности электрического поля электромагнитной волны уменьшается в e раз (e ≈ 2,7 - основание натурального логарифма); εʹ - действительная часть относительной диэлектрической проницаемости вещества катализатора; tgδ = εʺ/εʹ - тангенс угла потерь; εʺ - мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости. Если высота слоя катализатора h будет равна h = zδ_E; где z - безразмерный множитель, то амплитуда колебаний вектора E на выходе из слоя катализатора будет равна
где
E_o - амплитуда вектора E на входе. Принимая, что E/E_o < 0,01, получим Z > ln100 = 4,6.

Таким образом, для практического полного использования энергии СВЧ-излучения, высота слоя катализатора должна быть не меньше
h ≥ 4,6δ_E (5)
Так как катализатор может заполнять не весь объем реактора по высоте, то, следовательно, высота реактора h_p будет больше или равна h.

С другой стороны, высоту реактора можно определить из условия, что λ ≪ λ_кр [см. формулы (1)].

С учетом этих требований получим

Из неравенств (6) выбирается большее значение h_p.

Для эффективной работы реактора мощность СВЧ-генератора выбирается из следующий соображений.

Если тепловой эффект эндотермической реакции равен Q (количество энергии, которое необходимо затратить на превращение 1 моль сырья), а скорость объемной подачи сырья G (отношение объема сырья к объему катализатора за единицу времени), то мощность генератора электромагнитного излучения должна быть не меньше P_г

где
ρ_c - плотность сырья (кг/м³); μ - молярная масса сырья (кг/моль).

При этом необходимо отметить, что диаметр реактора D и высота слоя катализатора h выбираются в зависимости от длины излучения и электрофизических свойств катализатора по формулам (2), (3) и (5), а высота ректора из условий (6), причем масса катализатора, загружаемого в реактор, будет равна - насыпная плотность катализатора.

Следовательно, при таком выборе параметров реактора и мощности СВЧ-генератора практически вся энергия электромагнитного излучения будет трансформирована в веществе катализатора в тепловую энергию, которая необходима для проведения эндотермической каталитической реакции.

КПД такого СВЧ-каталитического реактора для эндотермических гетерофазных реакций значительно превышает КПД традиционных адиабатических реакторов. Действительно, для современных СВЧ-генераторов КПД преобразования электрической энергии в энергию электромагнитного излучения СВЧ диапазона достигает 60%, а последняя практически полностью трансформируется в тепловую энергию, необходимую для проведения эндотермической каталитической реакции.

Формула изобретения

Каталитический реактор для эндотермических каталитических гетерофазных реакций, представляющий собой вертикальный цилиндрический теплоизолированный металлический сосуд, содержащий катализатор и источник энергии, отличающийся тем, что подвод энергии осуществляется посредством сверхвысокочастотного электромагнитного излучения, при этом верхняя крышка реактора играет роль излучающей антенны, а корпус реактора - резонатора электромагнитных колебаний, мощность источника электромагнитного излучения, длина волны, а также масса катализатора выбираются таким образом, что вся энергия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения поглощается катализатором и сырьем, трансформируясь в тепловую энергию, необходимую для проведения химической реакции.

РИСУНКИ

Рисунок 1