Способ проведения химической реакции в псевдоизотермических условиях и теплообменник для его осуществления

Изобретение относится к способу непрерывного проведения определенной химической реакции в так называемых псевдоизотермических условиях, то есть в условиях, в которых путем регулирования температуру реакции поддерживают на уровне предварительно заданной оптимальной температуры с небольшими от нее отклонениями. Сущность изобретения: способ непрерывного проведения химической реакции в псевдоизотермических условиях осуществляют в реакционной среде, например в слое катализатора, в которую помещают по меньшей мере один теплообменник, в который подают первый поток рабочего теплоносителя с заданной температурой на входе с пропусканием этого потока от входа к выходу. По меньшей мере в один теплообменник через по меньшей мере один распределитель в одной или нескольких промежуточных точках на пути движения рабочего теплоносителя подают второй поток рабочего теплоносителя для контроля температуры в реакционной среде. Представлен также теплообменник для проведения химической реакции, содержащий две большие стенки (21, 22), камеру, расположенную между стенками (21, 22), через которую пропускают рабочий теплоноситель, входной (24) и выходной (25) патрубки соответственно для подвода и отвода рабочего теплоносителя из камеры, по меньшей мере один распределитель (30, 31) рабочего теплоносителя, закрепленный по меньшей мере на одной стенке (21, 22) на некотором расстоянии от патрубков (24, 25) и сообщающийся с камерой, и по меньшей мере канал (28) для подачи рабочего теплоносителя по меньшей мере в один распределитель (30, 31). Изобретение позволяет поддерживать на постоянном уровне предварительно заданную температуру реакции или регулировать ее в очень узком диапазоне значений для более полного завершения химической реакции. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу проведения химической реакции в псевдоизотермических условиях, т.е. в условиях, в которых путем регулирования температуру реакции поддерживают на уровне предварительно заданной оптимальной температуры с небольшими от нее отклонениями. Изобретение относится, в частности, к способу указанного выше типа и регулированию температуры каталитических реакций, основанному на использовании теплообменников, погруженных в реакционную среду, например в слой катализатора, в которой протекает определенная химическая реакция. Более конкретно настоящее изобретение относится, но не исключительно, к способу проведения химических реакций, регулирование температуры которых осуществляется с использованием пластинчатых погруженных в слой катализатора теплообменников, через которые проходит соответствующий жидкий или газообразный рабочий теплоноситель.

Настоящее изобретение относится также к теплообменнику соответствующей конструкции, предназначенному для проведения химической реакции предлагаемым в изобретении способом.

Известно, что для полного проведения экзотермических или эндотермических химических реакций, таких как реакции синтеза метанола, формальдегида или стирола, среду, в которой протекает реакция, необходимо соответствующим образом нагревать или охлаждать, постоянно поддерживая температуру реакции в узком диапазоне на уровне предварительно заданной теоретической температуры.

Известно также, что в настоящее время для этого широко используют погруженные в среду, в которой протекает реакция (обычно в слой катализатора) теплообменники различного типа, через которые проходит соответствующий рабочий теплоноситель.

Степень псевдоизотермичности реакции или степень развития реакции или ее завершения зависят от того, каким образом используются такие теплообменники, а также от их функциональных возможностей и эффективности подвода тепла в среду или отвода тепла из среды, в которой протекает реакция (теплового коэффициента полезного действия).

При всех своих многочисленных преимуществах известные в настоящее время способы проведения химических реакций в псевдоизотермических условиях обладают, как известно, определенным недостатком, который в промышленных условиях ограничивает степень развития реакции или ее завершения.

При проведении химических реакций известными способами температура рабочего теплоносителя, проходящего через теплообменник по строго определенному пути от входа к выходу, в результате теплообмена со средой, в которой протекает реакция, в частности со слоем катализатора, в который погружен теплообменник, существенным образом меняется.

Такое по существу непрерывное изменение температуры рабочего теплоносителя на всем пути его прохождения через теплообменник неизбежно сопровождается постепенным снижением от входа до выхода фактической эффективности теплообменника.

Из-за изменения температуры рабочего теплоносителя теплообмен между ним и средой, в которой протекает реакция, происходит с разной в разных участках стенок теплообменника эффективностью, которая снижается по мере уменьшения разности температур между внутренней и внешней поверхностями теплообменника.

Таким образом, при проведении химических реакций известными способами с использованием обычных теплообменников температура реакции, характеризующая степень псевдоизотермичности условий, в которых протекает реакция, всегда меняется в достаточно широком интервале относительно теоретической температуры, соответствующей изотермическим условиям проведения реакции. Такое изменение температуры реакции в достаточно широком интервале, как известно, существенным образом ограничивает степень завершения или полноту окончания соответствующей химической реакции.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ проведения химической реакции в так называемых псевдоизотермических условиях, основанный на использовании работающих в среде, в которой протекает реакция, теплообменников, которые позволяют поддерживать на постоянном уровне предварительно заданную температуру реакции или каким-либо иным путем регулировать ее в очень узком диапазоне значений с целью существенного увеличения по сравнению с известными способами степени развития реакции или ее завершения.

Основная идея изобретения, позволяющая решить эту проблему, связана с регулированием и поддержанием на заданном уровне температуры рабочего теплоносителя по мере его прохождения через соответствующий теплообменник.

В соответствии с этой идеей для решения указанной выше задачи в изобретении предлагается способ непрерывного проведения химической реакции в псевдоизотермических условиях в реакционной среде, в которую помещают по меньшей мере один теплообменник, в который подают первый поток рабочего теплоносителя с заданной температурой на входе с пропусканием этого потока от входа к выходу. Предлагаемый в изобретении способ отличается тем, что по меньшей мере в один теплообменник через по меньшей мере один распределитель в одной или нескольких промежуточных точках на пути движения рабочего теплоносителя подают второй поток рабочего теплоносителя для контроля температуры в реакционной среде.

Выбрав соответствующим образом температуру второго потока рабочего теплоносителя на входе в теплообменник и количество промежуточных точек, в которых второй поток рабочего теплоносителя смешивается с первым потоком рабочего теплоносителя, можно добиться того, чтобы на всем пути проходящий через теплообменник рабочий теплоноситель имел температуру, если не равную, то хотя бы близкую к температуре первого потока рабочего теплоносителя на входе в теплообменник. Таким образом создаются условия, позволяющие регулировать температуру рабочего теплоносителя в пределах очень узкого диапазона заданных значений и даже поддерживать ее на постоянном уровне при его прохождении через соответствующий теплообменник.

Настоящее изобретение относится также к теплообменнику, конструктивные и функциональные особенности которого позволяют использовать его в предлагаемом в изобретении способе. Предлагаемый в изобретении теплообменник содержит две большие стенки, расположенную между стенками камеру, через которую пропускают рабочий теплоноситель, входной и выходной патрубки соответственно для подвода и отвода рабочего теплоносителя из камеры, по меньшей мере один распределитель рабочего теплоносителя, закрепленный по меньшей мере на одной стенке на некотором расстоянии от патрубков и сообщающийся с камерой, и по меньшей мере канал для подачи рабочего теплоносителя по меньшей мере в один распределитель.

Отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере одного из иллюстрирующих, но не ограничивающих объем изобретения вариантов его возможного выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На прилагаемых к описанию чертежах показано:

на фиг.1 - схематичное изображение в аксонометрической проекции теплообменника, который можно использовать при проведении химических реакций предлагаемым в настоящем изобретении способом,

на фиг.2 - поэлементное изображение в увеличенном масштабе теплообменника, показанного на фиг.1,

на фиг.3 - увеличенное изображение теплообменника в сечении плоскостью III-III по фиг.1,

на фиг.4 - схематичное изображение в аксонометрической проекции показанного на фиг.1 теплообменника, выполненного по другому варианту, и

на фиг.5 - сечение теплообменника плоскостью V-V по фиг.4.

На всех перечисленных выше чертежах теплообменник, предназначенный для проведения химических реакций предлагаемым в настоящем изобретении способом, в сборе обозначен позицией 1.

Теплообменник 1, который по схемным соображениям и для простоты конструкции выполнен в виде плоского параллелепипеда, имеет две по существу плоские изготовленные предпочтительно из металлических листов большие стенки 2 и 3, которые расположены на определенном расстоянии друг против друга и соединены между собой по внешнему краю небольшими по ширине стенками 4.

Между стенками 2, 3 и 4 расположена камера 5, которая с одной стороны через входной патрубок 6 соединяется с источником (на чертежах не показан) рабочего теплоносителя, а с другой стороны через выходной патрубок 7 - с коллектором (также не показанным на чертеже), в который попадает прошедший через теплообменник рабочий теплоноситель.

В камере 5 расположены направляющие перегородки, разделительные стенки или другие не показанные для упрощения на чертежах аналогичные детали, которые формируют путь, по которому проходит основной поток проходящего через теплообменник рабочего теплоносителя. Проходящий через теплообменник 1 от входного патрубка 6 до выходного патрубка 7 по образованному направляющими перегородками или разделительными стенками пути рабочий теплоноситель омывает и охлаждает, соответственно, нагревает всю внутреннюю поверхность противоположных стенок 2, 3 теплообменника.

К одной из стенок теплообменника, например к стенке 3, крепятся два (или более) одинаковых распределителя 8, 9, расположенных в определенных промежуточных положениях на пути движения проходящего через теплообменник рабочего теплоносителя. Распределители 8, 9 расположены параллельно друг другу на определенном расстоянии от входного и выходного патрубков 6 и 7 соответственно.

Расположенные на некотором расстоянии друг от друга распределители 8 и 9 сообщаются с внутренней камерой 5 теплообменника 1 и одновременно соединяются патрубками 11 и 12 с каналом 10, в частности, в форме трубы, по которой в них подается рабочий теплоноситель.

В предпочтительном варианте (фиг.2) каждый распределитель 8, 9 состоит из множества выполненных в стенке 3 отверстий 13, равномерно расположенных на прямой линии вдоль корпуса 14 распределителя 8, 9. Корпус 14 распределителя имеет форму коробки, которая крепится к стенке 3 и закрывает все множество отверстий 13, образуя, о чем подробнее сказано ниже, камеру 15 для распределения второго потока подаваемого в теплообменник рабочего теплоносителя.

Для регулирования температуры реакции, например высокоэкзотермической реакции синтеза метанола, предлагаемым в изобретении способом используют несколько теплообменников описанного выше типа, соответствующим образом расположенных в среде, в которой непрерывно протекает реакция синтеза, представляющей собой, в частности, слой соответствующего катализатора.

Каждый теплообменник соединяют через входной патрубок 6 с источником (на чертеже не показан) рабочего теплоносителя и через выходной патрубок 7 - с общим коллектором (на чертеже не показан), в который попадает прошедший через теплообменник рабочий теплоноситель.

Распределители 8, 9 каждого теплообменника соединяют с источником рабочего теплоносителя каналом 10.

После выполнения этого предварительного этапа можно приступить к проведению самой реакции.

При проведении реакции теплообменники 1 используют для отвода или подвода тепла, которое либо выделяется в окружающей теплообменники среде, в которой протекает реакция, либо передается в нее в количестве, необходимом для протекания реакции. Расположенные в среде, в которой протекает реакция, теплообменники 1 обеспечивают необходимый теплообмен между окружающей средой и первым потоком рабочего теплоносителя, который во время реакции подают в каждый теплообменник через соответствующий входной патрубок 6.

Расход первого потока рабочего теплоносителя и его температуру вычисляют заранее обычными способами в соответствии с химическими и кинетическими особенностями конкретной реакции и с учетом того, что "выход или отдача" теплообменника (а следовательно, и степень развития реакции) зависит от фактической разности между температурой окружающей среды, в которой протекает реакция, и температурой проходящего через теплообменник рабочего теплоносителя.

Очевидно, что с максимальным выходом теплообмен происходит на тех участках теплообменников, которые расположены ближе к входным патрубкам 6, т.е. там, где разность между температурой окружающей среды, в которой протекает реакция, и температурой проходящего через теплообменники рабочего теплоносителя достигает своего наибольшего значения. В результате теплообмена с окружающей средой температура проходящего через теплообменники рабочего теплоносителя по мере удаления от входных патрубков меняется и постепенно приближается к температуре окружающей среды.

С той целью, чтобы меняющаяся температура рабочего теплоносителя "не выходила" из заданного диапазона температур, который должен быть достаточно узким с небольшими отклонениями от заранее вычисленного значения температуры, в настоящем изобретении предлагается в каждый теплообменник подавать второй поток рабочего теплоносителя, используя для этого канал 10 и множество расположенных на теплообменниках распределителей 8 и 9 соответственно.

Температуру второго потока рабочего теплоносителя выбирают таким образом, чтобы после перемешивания двух потоков рабочего теплоносителя температура рабочего теплоносителя внутри теплообменников в месте расположения распределителей по существу не отличалась от температуры первого потока рабочего теплоносителя на входе в теплообменник.

Предлагаемый в изобретении способ позволяет при соответствующем выборе температуры второго потока теплоносителя и количества и места расположения распределителей 8, 9 в каждом теплообменнике поддерживать температуру рабочего теплоносителя на всем пути его прохождения через теплообменник на уровне заданной температуры с определенными допустимыми отклонениями от нее в ту или иную сторону.

Жесткая корреляция между температурой реакционной среды и температурой рабочего теплоносителя, который проходит через погруженный в эту среду теплообменник, позволяет контролировать температуру реакционной среды, которая по существу соответствует температуре реакции.

Еще одним преимуществом настоящего изобретения является возможность регулировать коэффициент теплообмена между рабочим теплоносителем, проходящим через теплообменник, и химически активной жидкостью, проходящей через среду, в которой протекает реакция.

Таким образом, подавая в теплообменники рабочий теплоноситель в виде множества отдельных потоков и независимо меняя расход и скорость рабочего теплоносителя в каждом потоке, можно соответствующим образом регулировать расход и скорость рабочего теплоносителя внутри каждого теплообменника.

Учитывая, что коэффициент теплообмена напрямую зависит от расхода и скорости рабочего теплоносителя и возрастает или уменьшается соответственно с увеличением или уменьшением расхода и скорости рабочего теплоносителя, предлагаемое в настоящем изобретении решение, обеспечивающее возможность создания теплообменника с необходимым на всей поверхности теплообменом, позволяет оптимальным образом контролировать весь процесс развития реакции.

В показанном на фиг.4 теплообменнике, выполненном в соответствии с предпочтительным и обладающим наибольшими преимуществами вариантом, для подачи второго потока рабочего теплоносителя в распределители используют не отдельную внешнюю трубу, а внутренний канал, образованный стенками самого теплообменника.

Предлагаемый в этом варианте теплообменник 20 изготовлен из двух металлических листов 21, 22 уменьшенной толщины, которые можно пластически деформировать и затем соединить по периметру уложенные друг на друга их края сварными швами 23.

Сварку противоположных сторон 20а, 20b листов выполняют с учетом наличия расположенных на них входного и выходного патрубков 24 и 25, предназначенных соответственно для подвода и отвода рабочего теплоносителя.

Листы 21, 22 соединены между собой также по существу Г-образным сварным швом 27, который проходит на небольшом расстоянии от параллельной, не имеющей входного или выходного патрубка стороны 20с теплообменника 20. На имеющей два патрубка стороне 20а теплообменника 20 расположен канал 28 в форме третьего, приваренного к листам сварным швом 27 патрубка, через который, о чем более подробно сказано ниже, внутрь теплообменника подают второй поток рабочего теплоносителя.

Предлагаемый в этом варианте теплообменник имеет внутреннюю камеру 26, через которую проходит рабочий теплоноситель, и канал 29 в форме внутреннего канала для прохода второго потока рабочего теплоносителя, которые образуются при упругой деформации листов 21, 22, например, с помощью вдуваемого между ними сжатого газа. Канал 29 для прохода второго потока рабочего теплоносителя расположен на участке между Г-образным сварным швом 27 и одной из сторон 20с самого теплообменника.

Следует отметить, что канал 29 для прохода второго потока рабочего теплоносителя, образованный деформированными стенками 21, 22 теплообменника 20, полностью и герметично изолирован сварным швом 27 от внутренней камеры 26 теплообменника, через которую проходит основной поток рабочего теплоносителя.

На одном из листов, из которых изготовлен теплообменник 20, в частности на листе 22, расположено несколько распределителей 30, 31, которые и конструктивно, и функционально аналогичны распределителям, показанным на фиг.1-3. Распределители 30, 31 сообщаются с внутренней камерой 26 теплообменника через множество отверстий 32, выполненных в соответствующем листе, и с указанным каналом 29, в котором для этого в определенных местах выполнены соответствующие отверстия 33.

Настоящее изобретение допускает возможность изменения и усовершенствования рассмотренных выше вариантов, которые, однако, не должны выходить за объем приведенной ниже формулы изобретения.

Так, например, распределители 8-9 и 30-31 можно симметрично закрепить на обеих стенках 2, 3 и 21, 22 теплообменника (этот вариант выполнения предлагаемого в изобретении теплообменника на чертежах не показан).

Такое выполнение теплообменника позволяет уменьшить потери давления подаваемого в него второго потока рабочего теплоносителя. При этом одновременно можно снизить по сравнению с описанным выше вариантом и скорость второго потока рабочего теплоносителя, облегчив тем самым его попадание в теплообменник. Снижение потерь давления второго потока рабочего теплоносителя снижает и общие потери давления проходящего через теплообменник рабочего теплоносителя.

Предлагаемое в этом варианте увеличение количества распределителей позволяет также уменьшить толщину распределителя. Уменьшение толщины распределителей способствует в свою очередь более равномерному уплотнению катализатора в зоне реакции, в которой расположен теплообменник, и упрощает процесс загрузки и выгрузки катализатора из зоны реакции.

1. Способ непрерывного проведения химической реакции в псевдоизотермических условиях в реакционной среде, например в слое катализатора, в которую помещают, по меньшей мере, один теплообменник, в который подают первый поток рабочего теплоносителя с заданной температурой на входе с пропусканием этого потока от входа к выходу, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в один теплообменник через, по меньшей мере, один распределитель в одной или нескольких промежуточных точках на пути движения рабочего теплоносителя подают второй поток рабочего теплоносителя для контроля температуры в реакционной среде.

2. Теплообменник для проведения химической реакций способом по п.1, содержащий две большие стенки (2, 3; 21, 22), камеру (5, 26), расположенную между стенками (2, 3; 21, 22), через которую пропускают рабочий теплоноситель, входной (6, 24) и выходной (7, 25) патрубки соответственно для подвода и отвода рабочего теплоносителя из камеры (5, 26), по меньшей мере, один распределитель (8, 9; 30, 31) рабочего теплоносителя, закрепленный, по меньшей мере, на одной стенке (2, 3; 21, 22) на некотором расстоянии от патрубков (6, 7; 24, 25) и сообщающийся с камерой (5, 26), и, по меньшей мере, канал (10; 28-29) для подачи рабочего теплоносителя, по меньшей мере, в один распределитель (8, 9; 30, 31).

3. Теплообменник по п.2, отличающийся тем, что распределитель (8, 9; 30, 31) имеет множество выполненных в стенке (3, 22) сквозных отверстий (13, 32) и закрепленный снаружи на этой стенке (3, 22) корпус (14), который закрывает отверстия (13, 32) и образует распределительную камеру (15).

4. Теплообменник по п.3, отличающийся тем, что сквозные отверстия (13, 32) расположены, по меньшей мере, на одной прямой линии.

5. Теплообменник по п.2, отличающийся тем, что канал (10) расположен вне теплообменника и сообщается, по меньшей мере, с одним распределителем (8, 9) через соответствующий патрубок (11, 12).

6. Теплообменник по п.2, отличающийся тем, что канал (29) образован участками деформированных стенок (21, 22) теплообменника, герметично отделен от камеры (26) и сообщается, по меньшей мере, с одним распределителем (30, 31), по меньшей мере, через одно выполненное в нем отверстие (33).