Реактор для проведения гетерогенного экзотермического синтеза

 

Изобретение относится к процессам и аппаратам химической технологии и может быть использовано для осуществления экзотермического гетерогенного синтеза, в частности в производстве метанола или аммиака из синтез-газа. Описывается реактор, который включает вертикальный корпус, крышку и днище, штуцера для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта, газопроницаемые горизонтальные перегородки, на которых расположены слои катализатора, по крайней мере одну камеру смешения для перемешивания горячего газового потока, выходящего из слоя катализатора, и холодного газового потока, подаваемого через распределительное средство от штуцера для ввода исходной газовой смеси, ниже и параллельно газопроницаемой перегородки установлена глухая перегородка, между которыми образовано промежуточное пространство, куда поступают горячий и холодный газовые потоки, а камера смешения сообщается с промежуточным пространством и снабжена газоходом, который установлен таким образом, что через него выходит, дополнительно перемешиваясь, газовый поток из камеры смешения в объем реактора ниже промежуточного пространства. Камера смешения выполнена в форме полого цилиндра с глухими крышкой и днищем и отверстиями для поступления в нее частично перемешанного в промежуточном пространстве газового потока, выполненными в его стенке на уровне промежуточного пространства. Она располагается коаксиально и вдоль оси реактора, герметично соединена с газопроницаемой перегородкой и частично погружена в слой катализатора. Газоход в камере смешения выполнен в форме трубы и установлен коаксиально и вдоль оси реактора. Технический результат - устранение перегревов и дезактивации катализатора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области процессов и аппаратов химической технологии и может быть использовано для осуществления экзотермического гетерогенного синтеза, в частности в производстве метанола или аммиака из синтез-газа.

Известно, что для достижения оптимальных величин конверсии в процессе экзотермического гетерогенного синтеза реакцию проводят, пропуская реакционную смесь через несколько расположенных последовательно слоев катализатора, причем горячий газовый поток, выходящий из каждого слоя катализатора, должен быть охлажден перед подачей в последующий слой во избежание перегрева и дезактивации катализатора в слое. Для этого реакторы экзотермического синтеза снабжают средствами, смешивающими холодную реакционную смесь с горячим газом, выходящим из слоя катализатора, обеспечивая таким образом прямое охлаждение последнего перед поступлением в следующий слой.

Здесь выражение "горячий газ" означает газ или смесь частично прореагировавших газов, выходящих из слоя катализатора реактора синтеза, в котором происходит экзотермическая реакция. Например, при экзотермическом каталитическом синтезе метанола такой горячий газ имеет температуру от 240 до 290^oC. Выражение "холодный газ" обозначает газ с температурой ниже температуры горячего газа, выходящего из слоя катализатора. Обычно такой газ состоит из газообразных реагирующих веществ в заданных соотношениях и имеет в случае синтеза метанола температуру от 60 до 200^oC.

Известна конструкция реактора, позволяющая проводить гетерогенный экзотермический синтез в последовательно расположенных адиабатических слоях катализатора с вводом в межслоевое пространство холодного реакционного газа для температурного регулирования процесса. Реактор состоит из вертикального цилиндрического корпуса, сферических крышки и днища, штуцеров для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта, распределителей холодного газа, расположенных горизонтально на разных уровнях в реакторе и разделяющих сплошной слой катализатора на условные последовательно расположенные слои (Заявка Японии N 58-47214, кл. C 07 C 31/04). Смешение горячего и холодного газа происходит в полых камерах, имеющих вертикальное сечение в форме ромба и размещенных вокруг распределителей холодного газа. Стенки камер выполнены проницаемыми для газа и непроницаемыми для частиц катализатора. Опыт эксплуатации реакторов такой конструкции показал, что они обеспечивают низкое качество перемешивания, что приводит к снижению производительности реактора из-за возникновения в слоях катализатора температурных неоднородностей.

Известна конструкция реактора, позволяющая увеличить степень перемешивания горячего и холодного газа путем размещения каждого слоя катализатора на отдельной газопроницаемой решетке, образования свободного пространства между слоями и ввода холодного газа в это пространство с помощью специальных распределителей (Заявка Японии N 58-52692, кл. C 07 C 31/04). Однако степень перемешивания горячего и холодного потоков в этих реакторах также неудовлетворительна.

Более качественное перемешивание потоков достигают в реакторах, предусматривающих смешивание потоков в камере смешения (Патент США N 3787189, кл. C 07 C 31/04).

Но при этом наличие камеры смешения (патент США N 3787189, кл. C 07 C 31/04) не позволяет установить центральную колонну, необходимую для реакторов диаметром более 3 м, без риска ухудшить качество смешения, т.к. основной вклад в перемешивание потоков вносит соударение и турбулизация струй в центре реактора.

Известны также реакторы, в которых смещение осуществляют в криволинейном канале, размещенном между слоями катализатора, что обеспечивает качественное перемешивание потоков, но требует при этом достаточно большой высоты для монтажа смесителя, снижая тем самым степень использования внутриреакторного объема, что важно для экономических характеристик реакторов синтеза, работающих, как правило, под высоким давлением.

Наиболее близким по количеству сходных признаков к заявляемому является реактор для проведения гетерогенного экзотермического синтеза (патент США N 3480407, кл. C 07 C 31/04), имеющий вертикальный цилиндрический корпус, крышку и днище, штуцера для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта, а также горизонтальные газопроницаемые перегородки, на которых расположены слои катализатора. Между газопроницаемыми перегородками со слоями катализатора имеется камера смешения, образованная двумя горизонтальными глухими перегородками, размещенными с зазором друг относительно друга. Смешиваемые горячий и холодный потоки газа поступают в камеру смешения через окна, выполненные в боковой стенке камеры, которая соединяет горизонтальные перегородки. Горячий поток образуется в слое катализатора, а холодный поток поступает от штуцеров ввода исходной газовой смеси через распределительное средство. Для обеспечения дополнительного перемешивания газовых потоков камера снабжена вертикально расположенными лопатками, создающими в ней периферийные турбулентные потоки. Выход из камеры смешения выполнен в виде отверстия в нижней горизонтальной перегородке в центральной части реактора. Этот реактор принят за прототип изобретения.

Недостатком конструкции этого реактора является то, что она не позволяет устранять температурные неоднородности в газовом потоке, поступающем в последующий слой катализатора после камеры смешения. В реакторе обеспечивается смешение горячего и холодного газовых потоков, однако в случаях, когда в горячем газовом потоке имеются температурные неоднородности, сформированные в предыдущем слое катализатора, они не устраняются в камере смешения, остаются в перемешанном газовом потоке и передаются таким образом в последующий слой катализатора.

Изобретение направлено на достижение гомогенного перемешивания горячего и холодного газовых потоков, которое позволяет практически полностью устранить возникновение температурных неоднородностей в потоке газа, поступающего в слои катализатора, и, как следствие, перегревов в реакторе катализатора и стабильной его работы.

Указанный результат достигается тем, что реактор для проведения экзотермического гетерогенного синтеза включает вертикальный корпус, крышку и днище, штуцера для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта, горизонтальные газопроницаемые перегородки, на которых размещены слои катализатора, по крайней мере одну камеру смешения, в которой происходит перемешивание горячего газового потока, выходящего из слоя катализатора, и холодного газового потока, поступающего через распределительное средство от штуцера для ввода исходной газовой смеси, глухую перегородку, расположенную ниже и параллельно упомянутой газопроницаемой перегородке, между которыми образуется под слоем катализатора промежуточное пространство, куда поступают горячий и холодный газовые потоки, а камера смешения сопряжена с промежуточным пространством и снабжена газоходом, который установлен таким образом, что в него поступает предварительно перемешанный в промежуточном пространстве и камере смешения газовый поток, проходит через него, дополнительно перемешиваясь, и выходит гомогенно перемешанный в объем реактора ниже промежуточного пространства. Камера смешения может иметь любую форму, пригодную для осуществления предварительного перемешивания газовых потоков, но предпочтительно выполнение ее в форме цилиндра с герметичными крышкой и дном и отверстиями на уровне промежуточного пространства в боковых стенках. Для оптимального использования объема реактора камера смешения расположена вдоль оси реактора, герметично соединена с газопроницаемой перегородкой и частично погружена в слой катализатора. Наиболее целесообразным для достижения полного перемешивания газового потока является расположение газохода коаксиально с осью реактора по всей высоте камеры смешения, с минимальным зазором относительно ее крышки, обеспечивающим поступление в него газового потока.

На фиг. 1 показан в разрезе многослойный реактор для проведения гетерогенного экзотермического синтеза. На фиг. 2 в увеличенном масштабе изображен фрагмент реактора, включающий слой катализатора, промежуточное пространство, камеру смешения и газоход.

Реактор гетерогенного экзотермического синтеза состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1, крышки 2 и днища 3, штуцеров для ввода исходной газовой смеси 4 и вывода целевого продукта 5, горизонтальных газопроницаемых перегородок 7, на которых размещены слои катализатора 8, горизонтальных глухих перегородок 9, размещенных с зазором под газопроницаемыми перегородками, которые вместе образуют промежуточное пространство 10, куда поступает горячий газовый поток через газопроницаемую перегородку из слоя катализатора, штуцеров 11 и патрубков 12 и распределителей холодного газа 13, посредством которых в промежуточное пространство 10 поступает холодный газовый поток, цилиндрической формы камеры смешения 14, сообщающейся посредством отверстий 15 с промежуточным пространством 10, газохода 16, имеющего вход 17 в верхней части камеры смешения 14 выше газопроницаемой перегородки 7 и выход 18, расположенный ниже глухой перегородки 9. Камера смешения закрыта сверху и снизу герметичными перегородками 19 и 20. На выходе 18 из патрубка 16 установлено распределительное средство 21 для равномерного распределения перемешанного потока на входе в следующий слой катализатора.

Реактор работает следующим образом. Поток исходной газовой смеси поступает в реактор через входной штуцер 4, проходит первый слой катализатора 8, газопроницаемую перегородку 7 и поступает в промежуточное пространство 10, изменяет направление движения под влиянием глухой перегородки 9 и смешивается с холодным газом, поступающим через штуцер 11, патрубок 12 и распределитель 13. Затем частично перемешанный в промежуточном пространстве поток горячего и холодного газа из промежуточного пространства 10 через отверстия 15 поступает в камеру смешения 14. Проходя по кольцевому пространству между стенкой камеры смешения 14 и газоходом 16, а затем через газоход 16, газовый поток полностью гомогенно перемешивается. Затем газовый поток через выход 18 газохода 16 выходит в объем реактора, проходит распределительное средство 21 и далее подается в следующий слой катализатора. Последовательность прохождения газовым потоком второго и последующих слоев катализатора полностью идентична описанной. После прохождения последнего в реакторе слоя катализатора поток целевого продукта через выходной штуцер 5 выходит за пределы реактора.

Пример. В реакторе синтеза метанола, конструкция которого соответствует приведенной на фиг. 1, с диаметром корпуса 4,38 м и высотой 9,0 м на четырех газопроницаемых перегородках размещено суммарно 140 т катализатора. На вход в первый слой подают синтез-газ в количестве 340 тыс. м³/ч, нагретый до 220^oC . Между первым и вторым слоями вводят через распределитель 170 тыс. м³/ч холодного синтез-газа, между вторым и третьим слоями - 195 тыс м³/ч, между третьим и четвертым - 150 тыс м³/ч с температурой 50^oC. Результаты обследования распределения температуры на выходе из слоев катализатора после пяти месяцев работы зафиксировали незначительные температурные неоднородности, существующие в слоях катализатора. Максимальная разница температур в каждом слое составила не более 5^oC. Обеспечено практически полное перемешивание горячего газа, выходящего из слоя катализатора, и добавляемого к нему холодного газа. Распределение температуры газового потока на входе в последующий слой катализатора однородно - максимальная разница температур не превышает 1,0^o.

Устранение температурных неоднородностей в слоях катализатора в этом примере позволило увеличить на 3-4% выход метанола при одновременном снижении энергозатрат на транспортировку газового потока через реактор за счет снижения степени рецикла при увеличении конверсии при однократном проходе газа через слои катализатора.

Формула изобретения

1. Реактор для проведения гетерогенного экзотермического синтеза, включающий вертикальный корпус, крышку и днище, штуцера для ввода исходной газовой смеси и вывода целевого продукта, газопроницаемые горизонтальные перегородки, на которых расположены слои катализатора, и по крайней мере одну камеру смешения для перемешивания горячего газового потока, выходящего из слоя катализатора, и холодного газового потока, поступающего через распределительное средство, соединенное со штуцером для ввода исходной газовой смеси, причем камера смешения выполнена с возможностью сообщения с промежуточным пространством, образованным между газопроницаемой перегородкой и соответствующей глухой перегородкой, установленной ниже и параллельно газопроницаемой перегородки, отличающийся тем, что он снабжен газоходом, установленным коаксиально камере смешения и оси реактора и выполненным в виде трубы, имеющей выход в объем реактора ниже глухой перегородки, при этом камера смешения герметично соединена с газопроницаемой перегородкой и частично погружена в слой катализатора.

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что камера смешения выполнена в виде полого цилиндра с глухими крышкой и днищем, причем на уровне промежуточного пространства в стенке камеры выполнены отверстия для поступления частично перемешанного в промежуточном пространстве газового потока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2