Способ проведения экзотермических и эндотермических каталитических процессов частичного превращения углеводородов и реакторная группа для его осуществления



Способ проведения экзотермических и эндотермических каталитических процессов частичного превращения углеводородов и реакторная группа для его осуществления
Способ проведения экзотермических и эндотермических каталитических процессов частичного превращения углеводородов и реакторная группа для его осуществления
Способ проведения экзотермических и эндотермических каталитических процессов частичного превращения углеводородов и реакторная группа для его осуществления
Способ проведения экзотермических и эндотермических каталитических процессов частичного превращения углеводородов и реакторная группа для его осуществления
Способ проведения экзотермических и эндотермических каталитических процессов частичного превращения углеводородов и реакторная группа для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2588617:

Закрытое акционерное общество "Татарский центр катализа Эрэфэн" (ЗАО "ТЦК Эрэфэн") (RU)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)

Изобретение относится к химической, нефтехимической и энергетической промышленности и может быть использовано для проведения каталитических процессов со значительными тепловыми эффектами при частичном превращении углеводородов. Способ проведения экзотермических и эндотермических каталитических процессов частичного превращения углеводородов включает подачу углеводородной смеси в слой гетерогенного катализатора, контактирование смеси с поверхностью данного катализатора, при этом процесс проводят последовательно в двух вертикальных кожухотрубных реакторах, направляя углеводородную смесь сначала в основной реактор и реакционную смесь из основного реактора в дополнительный реактор, при этом расход охлаждающего теплоносителя при экзотермическом процессе и горячего теплоносителя при эндотермическом процессе в дополнительном реакторе поддерживают ниже по сравнению с расходом охлаждающего или горячего теплоносителя в основном реакторе. Реакторная группа для осуществления способа включает основной реактор, кожух и трубки внутри него выполнены в форме усеченного конуса, кроме того трубки внутри кожуха наклонены относительно центральной оси и вокруг этой оси с образованием конусообразной полости, входные и выходные патрубки расположены тангенциально, и дополнительный реактор, идентичный основному, реакторы установлены вертикально и расположены относительно друг друга с чередованием малых и больших днищ, при этом основной и дополнительный реакторы соединены между собой последовательно. Изобретение обеспечивает повышение равномерности осуществляемых процессов и увеличение производительности. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к химической, нефтехимической и энергетической промышленности и может быть использовано в частности, для проведения каталитических процессов со значительными тепловыми эффектами при частичном превращении углеводородов.

Известен способ получения алкенов каталитическим дегидрированием алканов в мембранном реакторе. Реактор имеет камеру сбора водорода, систему транспорта водорода в эту камеру, нагревательную систему, вход и выход газовых смесей, устройство ввода и вывода буферного газа совместно с водородом, дополнительно трубчатую каталитическую мембрану из керамики с множеством сквозных радиальных микропор, на поверхность которых нанесен катализатор дегидрирования. Смесь алкана, водорода и аргона предварительно нагревают до 250-600°C. Водород удаляют перегретым водяным паром (патент РФ №2381207, МПК C07C 5/32, B01D 63/06, опубл. 10.02.2010). Разработан способ получения алкенов и водорода без потерь на побочные продукты. Недостатками, как видно из материального баланса, являются низкая степень превращения (2,62/4,2)·100%=62,3%, а отношение инертного газа-разбавителя к алкану высокое (14,12/4,2)·100%=3,3%. Способ отличается большими единовременными и эксплуатационными расходами.

Материальный баланс

Известен способ частичного окисления этилена с получением окиси этилена в контактном аппарате, содержащим 3055 трубок диаметром от 12 до 50 мм. В трубное пространство, заполненное катализатором в виде неподвижного слоя, реакционная газовая смесь поступает через верх реактора и выводится снизу. Патрубки ввода и вывода выполнены тангенциально. В межтрубном пространстве циркулирует масло, выдерживающее 250-300°C для снятия тепла экзотермической реакции. Масло поступает в нижнюю часть реактора, проходит через специальное распределительное кольцо, используемое для более равномерного омывание трубок. (Kirk-Otmer, Encyclopedia of Cemical Technology, New York, 1965). Недостатком является использование крупногабаритного реактора, где нельзя обеспечивать равномерное распределение параметров потока внутри аппарата.

Известен способ получения муравьиной кислоты из метанола последовательным окислением кислородом воздуха с использованием секционного гетерогенно каталитического реактора, имеющего трубчатую и адиабатическую секции до формальдегида. Доокисление полученной реакционной смеси до кислоты ведут во втором секционном реакторе. Температуру в трубках поддерживают съемом тепла реакции с помощью псевдожжиженного материала в межтрубном пространстве, перемещающемся потоком воздуха (патент RU №2053995, МПК С07 53/02, С51/235, B01J 23/74, опубл. 10.02.1996). Недостатками данного способа являются низкий процент используемой энергии, высокие массогабаритные размеры реакторов.

Известен способ и реактор для проведения неадиабатических каталитических реакций, где использовали двойные трубки, заполненные и окруженные катализатором. В первом аппарате, который служит смесителем, подавали обогащенный кислородом газ, углеводород подвергался частичному горению. Горячий газ направляли в соседние реакторы, где катализатор был загружен как внутри трубок, так и снаружи. Одновременно в эти реакторы в одно из пространств подавали паро-углеводородную смесь. Горячий газ направляли в другое пространство противотоком. Затем все потоки смешивали и получали газовую смесь, богатую водородом и окисью углерода. Преимуществом считают использование внутренней стенки и внешней стенки трубок в качестве теплообменных поверхностей (патент РФ №2261756, МПК B01J 8/02, опубл. 2005). Недостатком является большое сопротивление потокам газовых смесей. Частичное сжигание сырья вызывает дополнительные проблемы с очисткой окиси углерода и водорода от нежелательных примесей. С использованием двойных трубок проблемы, связанные с неравномерным распределением параметров потоков не исключаются.

Известен газофазный метод производства муравьиной кислоты, который испытан на пилотной установке с расходом метанола 2,5-3,0 кг/ч. Установка состояла из трех реакторов, соединенных последовательно по реакционной массе. Трубки реакторов заполнены катализатором. В первом реакторе, обозначенном как МС, метанол превращается в формальдегид при 320-360°C. Реакционная масса, выходя из первого реактора, направляется в реакторы 1 и 2 для окисления формальдегида в муравьиную кислоту. Окисление во всех трех реакторах осуществляется воздухом. Его расход составляет 25-30 н.м.3/ч. В реакторах 1 и 2 температуру поддерживают не выше 140°C, т.к. при более высокой температуре начинается распад кислоты. Суммарная длина трубок всех трех реакторов составляет 5,45 м при внутреннем диаметре 22 мм. Общая масса катализатора 34 кг. Начальная концентрация метанола в паровоздушной среде составляла 6-7 об.%. Зависимость температуры в реакторе 1 и 2 от длины слоя катализатора показала, что максимум температуры наступал в начале процесса на расстоянии, рассчитанном от входа сырья, равном 1/7-1/8 части катализаторного слоя. Этот максимум назван температурой горячей точки, характерной трубчатым реакторам. (Т.В. Андрушкевич и др. Новый газофазный метод производства муравьиной кислоты. Испытания на пилотной установке. // Катализ в промышленности, номер 5, 2013, стр. 16-23). Недостатком метода является то, что, несмотря на высокие выходы целевых продуктов и селективностей, производительность установки остается низкой. Увеличение количества трубок в реакторах, в первую очередь, приведет к увеличению объемов реакторов, росту неравномерностей параметров потоков, к ухудшению показателей процесса в целом.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является новый способ получения синтетических жидких углеводородов путем каталитического превращения синтез газа по реакции Фишера-Тропша на неподвижном слое катализатора в вертикальном кожухотрубном реакторе, трубки которого выполнены расширяющимися сверху вниз. Соотношение диаметров трубок с катализатором на выходе и на входе в них составляет от 1,5/1 до 2,5/1. При достижении степени превращения синтез-газа от 60 до 80 % градиент давления понижают до значения менее 0, бар/м и поддерживают неизменным, (патент RU 2440400 МПК С07, В01J 8/06, опубл. 2012 г.).

При использовании реактора с трубками, расширяющимися сверху вниз и подачи синтез-газа сверху со стороны малых диаметров, перепад меняющегося давления будет наблюдаться с самого начала ввода синтез-газа в трубки, и не только на месте определенной степени превращения. Поскольку в трубках места определенной степени превращения будут разные, определенный градиент давления поддерживать не реально.

Наиболее близким к предлагаемому устройству для реализации способа является теплообменник-реактор (патент №2511815, МПК F28D 7/00, F28F 9/02, F28F 27/02, опубликовано: 10.04.2014), содержащий корпус в форме усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителя трубного пространства, патрубки ввода и вывода теплоносителя межтрубного пространства, расположенные тангенциально. На центральной части одного из днищ имеется вогнутость, если смотреть снизу днища. Корпус снабжен компенсатором тепловых влияний. В одном из днищ, закреплен тонкостенный полый конус - распределитель потоков с мелкими и крупными отверстиями. Трубки внутри кожуха выполнены наклонными относительно центральной оси и вокруг этой оси с образованием конусообразной полости, Однако, в известном устройстве в местах ввода теплоносителей наблюдаются локальные перегревы трубок.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении равномерности процессов, осуществляемых в реакторе, приводящее к увеличению производительности установок.

Технический результат достигается тем, что в способе проведения экзотермических и эндотермических каталитических процессов частичного превращения углеводородов, включающий подачу углеводородной смеси в слой гетерогенного катализатора, контактирование ее с поверхностью данного катализатора, новым является то, что процесс проводят последовательно, по меньшей мере, в двух вертикальных кожухотрубных реакторах, кожух и трубки которых имеют форму усеченных конусов, один из которых является основным, в него направляют углеводородную смесь, реакционную смесь из основного реактора направляют в дополнительный реактор, при этом расход охлаждающего теплоносителя при экзотермическом процессе и горячего теплоносителя при эндотермическом процессе в дополнительном реакторе поддерживают ниже по сравнению с расходом охлаждающего или горячего теплоносителя в основном реакторе.

При экзотермических процессах с высокими скоростями и тепловым выделением углеводородную смесь подают в основной реактор через малое днище, реакционную смесь из него направляют в дополнительный реактор через большое днище, при этом потоки углеводородной смеси и охлаждающей жидкости в основном и дополнительном реакторе организуют прямотоком.

При экзотермических процессах с небольшими скоростями и тепловым выделением углеводородную смесь подают в основной реактор через большое днище, реакционную смесь из него направляют в дополнительный реактор через малое днище, при этом потоки углеводородной смеси и охлаждающей жидкости в основном и дополнительном реакторе организуют прямотоком.

При экзотермических процессах углеводородную смесь подают в основной реактор в начале процесса с теплосодержанием меньшим по сравнению с теплосодержанием охлаждающего теплоносителя этого же реактора на 9-18%.

При эндотермических процессах углеводородную смесь подают в основной реактор через малое днище, реакционную смесь из основного реактора подают в дополнительный реактор через большое днище, при этом потоки углеводородной смеси и горячего теплоносителя в основном реакторе организуют противотоком, а в дополнительном реакторе - прямотоком.

При эндотермических процессах углеводородную смесь подают в основной реактор в начале процесса с теплосодержанием, большим по сравнению с теплосодержанием горячего теплоносителя этого же реактора на 8-15%.

Расход охлаждающего теплоносителя при экзотермическом процессе и горячего теплоносителя при эндотермическом процессе в дополнительном реакторе поддерживают ниже по сравнению с расходом охлаждающей или нагревающей жидкостей в основном реакторе на 10-30%.

Технический результат достигается тем, что в реакторной группе для осуществления способа, включающей основной реактор, кожух и трубки выполнены в форме усеченного конуса, кроме того трубки наклонены относительно центральной оси и вокруг этой оси с образованием конусообразной полости, входные и выходные патрубки расположены тангенциально, новым является то, что введен, по меньшей мере, один дополнительный реактор, идентичный основному, реакторы установлены вертикально и расположены относительно друг друга с чередованием малых и больших днищ, при этом основной и дополнительный реакторы соединены между собой последовательно.

Большое и малое днища реакторов снабжены устройствами, выравнивающими параметры течений в трубном пространстве.

В основном реакторе в межтрубном пространстве на уровне входа теплоносителя установлена защитная сетка, имеющая материал, теплопроводность которого выше теплопроводности материала трубок.

На фиг. 1, 2 и 3 приведены схемы реакторных групп, состоящие из двух одинаковых и/или отличающихся массогабаритными размерами реакторов, у которых потоки теплоносителей организованы по-разному. На схемах не показан катализатор, загруженный в трубках реакторов в виде сыпучего материала.

На фиг. 1 представлена схема организации потоков углеводородной смеси и теплоносителя-охладителя в реакторной группе для проведения экзотермических процессов, сопровождающихся высокими скоростями реакций и значительными тепловыми эффектами.

На фиг. 2 представлена схема организации потоков реагирующей углеводородной смеси и теплоносителя-охладителя в реакторной группе для проведения экзотермических процессов, сопровождающихся небольшими тепловыми эффектами и скоростями реакций.

На фиг. 3 представлена схема организации потоков углеводородной смеси и горячего теплоносителя в реакторной группе для проведения эндотермических процессов.

Здесь: 1 - основной реактор; 2 - дополнительный реактор; 3 - патрубок ввода углеводородной смеси в основной реактор; 4 - патрубок ввода охлаждающего или горячего теплоносителя в межтрубное пространство основного реактора; 5 - патрубок выхода реакционной смеси из основного реактора; 6 - патрубок ввода реакционной смеси в дополнительный реактор; 7 - патрубок ввода охлаждающего или горячего теплоносителя в межтрубное пространство дополнительного реактора; 8 - патрубок выхода реакционной смеси из дополнительного реактора; 9 - патрубок выхода охлаждающего или горячего теплоносителя из межтрубного пространства дополнительного реактора; 10 - конусообразные трубки внутри реакторов; 11 - защитная сетка в основном реакторе; 12 - патрубок выхода охлаждающего теплоносителя из межтрубного пространства основного реактора; 13 - малое днище реакторов; 14 - большое днище реакторов; 15 - устройство, выравнивающее параметры течений в трубном пространстве на входе в каждый реактор; 16 - устройство, выравнивающее параметры течений в трубном пространстве на выходе из каждого реактора.

Реакторная группа включает основной реактор 1 и дополнительный реактор 2. Кожух реакторов 1 и 2 и трубки 10 внутри выполнены в форме усеченного конуса. Кроме того трубки 10 внутри кожуха наклонены относительно центральной оси и вокруг этой оси с образованием конусообразной полости. Входные 3, 4, 6, 7 и выходные 5, 8, 9, 12, патрубки расположены тангенциально. Реакторы 1 и 2 установлены вертикально и расположены относительно друг друга с чередованием малых 13 и больших 14 днищ, при этом основной 1 и дополнительный 2 реакторы соединены между собой последовательно.

Малое 13 большое 14 днища реакторов снабжены устройствами 15 и 16, выравнивающими параметры течений в трубном пространстве, которые показаны на фиг. 1 в основном реакторе 1, на фиг. 2 и 3 - не показаны. По ходу потока углеводородной смеси и реакционной массы расположено устройство 15, против хода - 16. Выравнивающее устройство 15 представляет собой вогнутость, направленную в сторону трубной решетки. Выравнивающее устройство 16 представляет собой полый конус с множеством отверстий разного диаметра.

В основном реакторе 1 в межтрубном пространстве на уровне входа теплоносителя установлена защитная сетка 11, выполненная из материала, теплопроводность которого выше теплопроводности материала трубок.

Основным реактором 1 является тот реактор, в который поступает свежая углеводородная смесь. Если основной реактор 1 размещают малым днищем 13 наверх, то дополнительный - малым днищем 13 вниз и наоборот. Реакторы 1 и 2 совмещают в себе свойства двух цилиндрических аппаратов: аппарата с трубным пучком, состоящим из тонких трубок и аппарата, с трубным пучком, состоящим из более толстых трубок. Более того, успешное проведение процесса зависит от того, с какого конца подают материальные потоки: со стороны малого днища 13 или большого днища 14.

При проведении экзотермических процессов со значительными тепловыми эффектами и высокими скоростями реакций, начальную температуру углеводородной смеси поддерживают ниже температуры реакции и температуры охлаждающей жидкости. В этом случае углеводородную смесь подают в основной реактор 1 через патрубок 3 и малое днище 13. Из-за высокой линейной скорости потоков в зоне ввода, теплообмен максимальный, что вызывает усиление скорости реакции, несмотря на небольшую температуру среды. По мере прохождения реакционной смеси вдоль трубок 10 и интенсивного реагирования, ее температура повышается до оптимального значения. При плавном поступлении в расширяющиеся участки трубок 10, избыточное тепло, не успевшее перейти в теплоноситель-охладитель и увлекаемое реакционным потоком, рассеивается в катализаторной массе, в участках, увеличивающихся количеств катализатора в единице длины трубок 10. Температура не меняется до выхода реакционной массы из основного реактора 1. Увеличивающиеся объемы поддерживают экзотермический процесс, несмотря на постепенное снижение концентрации реагирующих веществ.

При проведении экзотермических процессов с относительно небольшими тепловыми эффектами и скоростями реакций, углеводородную смесь подают в основной реактор через патрубок 3 большое днище 14. В этом случае полноту реакции в начальной зоне, в зоне ввода теплоносителей, обеспечивают большим объемом катализатора, а по мере прохождения вдоль трубок 10, постепенно усиливающимися скоростями реакций по причине более интенсивного теплообмена в сужающихся участках. В обоих случаях экзотермических процессов реакционную массу основного реактора 1 направляют в дополнительный реактор 2 через патрубок 6 и малое днище 13. Назначение дополнительного реактора 2 заключается в обеспечении полноты реагирования, достижении устойчивого соотношения прямой и обратной реакций, "закаливании" молекул целевых продуктов. Вследствие того, что основная масса веществ реагировала, тепловыделение в дополнительном реакторе 2 меньше, расход охлаждающего теплоносителя поддерживают меньше, чем в основном реакторе 1 на 8-30%. Практикой установлено, что низкий расход теплоносителя в дополнительный реактор 2 относительно расхода в реакторе 1, близко к 8%, устанавливают при ведении процессов с низкой степенью превращения в основном реакторе 1, а высокий процент, близко к 30%, - с высокой степенью превращения. В обоих случаях экзотермических процессов теплосодержание углеводородного потока перед основным реактором 1 поддерживают ниже теплосодержания потока охлаждающего теплоносителя на 9-18%. Данные пределы применимы для большинство процессов неполного превращения и справедливы для крупнотоннажных промышленных процессов и связаны с резким возможным повышением температуры в начале катализаторного слоя. Потоки углеводородной смеси, реакционной массы и теплоносителя-охладителя организуют прямотоком.

Эндотермический процесс, сопровождающийся значительным поглощением тепла и увеличением объема, проводят подачей углеводородной смеси в основной реактор 1 через патрубок 3 и малое днище 13. Смесь предварительно доводят до более высокой температуры по сравнению с температурой горячего теплоносителя. Равномерное протекание процесса обеспечивают интенсивным теплообменом в узкой зоне трубного пучка и подачей достаточной тепловой энергии в начале процесса с тем, чтобы избегать резкого падения температуры. Полноту реагирования обеспечивают все более увеличивающимся объемом катализатора в единице длины трубок, где высокая теплопроводность среды с твердым составляющим, а также все более усиливающимся теплосодержанием горячего теплоносителя, подающегося противотоком. Реакционную массу из основного реактора 1 направляют в дополнительный реактор 2 через патрубок 6 и большое днище 14. Стабильность и полноту процесса в нем обеспечивают подачей горячего теплоносителя прямотоком, в зону максимального объема катализатора в единице длины трубок. Равномерное сужение трубок и растущие линейные скорости обеспечивают быстрое удаление реакционной массы из реактора 2. В целях предотвращения развития нежелательных процессов, в дополнительном реакторе 2 поддерживают уменьшенный расход горячего теплоносителя по сравнению с расходом в основном реакторе 1 в пределах 9-18%. Ближе к 9% устанавливают в процессах, протекающих с низкой степенью превращения, а ближе к 18% - с высокой степенью превращения.

Способ проведения экзотермических и эндотермических каталитических процессов частичного превращения углеводородов и реакторная группа для его осуществления реализуют следующим образом: в случае проведения экзотермических реакций, сопровождаемых большими тепловыми эффектами, углеводородную смесь (фиг. 1) в паровой или газовой фазе, с разбавителями или без них подают в основной реактор 1 реакционной группы по патрубку сверху через малое днище 13. Предварительно его теплосодержание устанавливают ниже теплосодержания охлаждающего теплоносителя, поступающего в основной реактор 1 межтрубного пространства со стороны малого днища (прямоток) через патрубок 4. Удаление осуществляется через патрубок 12. Равномерность и полнота реакции обеспечивается тем, что углеводородная смесь поступает в область малых диаметров трубок 10 основного реактора 1 с высокой концентрацией реагирующих веществ, но имея низкое теплосодержание, по сравнению с охлаждающим теплоносителем и большие линейные скорости, его первая встреча с катализатором происходит относительно спокойно, с меньшей скоростью реакций. При дальнейшем продвижении реакционной массы по трубкам 10 с высокой линейной скоростью, с высокой интенсивностью теплообмена, скорость реакции повышается. Усиливается тепловыделение. Часть тепла реакции расходуется на повышение температуры охлаждающего теплоносителя, другая часть - на нагрев катализатора, еще одна порция, не успевшая перейти через стенку, повышает температуру реакционной массы. При дальнейшем продвижении реакционной массы с увеличенной температурой вниз по трубкам 10 через постепенно расширяющиеся участки, где объем катализатора в единице длины трубки все более увеличивается, процесс протекает при неизменной температуре. Последняя упомянутая порция тепла (повышающая температуру реакционной массы) не в состоянии привести к дальнейшему повышению температуры из-за того, что во-первых, тепло рассеивается в катализаторной массе все больше и больше, а концентрация реагентов в реакционной массе становится все меньше и меньше. Температура реакционной массы остается повышенной до температуры реакции и не меняется во всем протяжении реактора.

В случае проведения экзотермических процессов, сопровождающихся небольшими тепловыми эффектами и скоростями реакций, углеводородную смесь подают в основной реактор 1 через патрубок 3 и большое днище 14 сверху. Его теплосодержание поддерживают ниже теплосодержания охлаждающего теплоносителя, поступающего в межтрубное пространство прямотоком через патрубок 4. Поэтому, хотя начальная концентрация реагирующих веществ высокая, начальная встреча с катализатором происходит относительно спокойно. Скорость реакций, соответственно тепловыделение не высокие. Полнота образования целевых продуктов в этой зоне обеспечивается за счет большого количества катализатора в единице длины трубок 10. По мере продвижения реакционной массы вдоль постепенно сужающихся трубок, линейная скорость потоков возрастает. Этот рост вызывает усиление теплообмена, что в свою очередь усиливает скорости экзотермических реакций. Температура повышается до рабочей температуры реакции. Одновременно возрастает влияние на тепловую обстановку повышающаяся скорость потока вследствие сужения кожуха основного реактора 1, а также уменьшающаяся концентрация реагентов в реакционной массе. Система стабилизируется, температура остается постоянной.

Для окончательной выработки реагентов, реакционную массу направляют в дополнительный реактор 2 через патрубок 5 и 6, а также через малые днища 13 в трубное пространство. В нем производят стабилизацию прямой и обратной реакций и "закаливание" целевых продуктов. Потоки реакционной массы и охлаждающего теплоносителя организуют прямотоком. Охлаждающий теплоноситель направляют в межтрубное пространство дополнительного реактора 2 через патрубок 7, удаляют через патрубок 9. Его расход регулируют с коррекцией по концентрациям реагирующего вещества в пределах меньших на 8-30% по сравнению расхода в основной реактор 2.

В обоих случаях экзотермических процессов равенство температур теплоносителя (охлаждающего) реакционной смеси в основных реакторах наступает на расстоянии 1/15-1/5 частях катализаторного слоя, считая от начала ввода смеси, после чего температура повышалась до рабочей температуры реакции.

В случае проведения эндотермических процессов, сопровождающихся значительным поглощением тепла, процесс начинают подачей углеводородной смеси в основной реактор 1 через патрубок 3 и малое верхнее днище 13. В начальной области полнота реагирования обеспечивается интенсивным теплообменом в тонких участках трубок 10, так как радиальное тепловое сопротивление минимальное. При продвижении реакционной массы поглощение тепла все больше компенсируется поступлением через патрубок 4 более свежего и ускоряющегося горячего теплоносителя, поступающего противотоком и увеличивающимся объемом катализаторной массы в единице длины трубок 10. Горячий теплоноситель удаляют через патрубок 12.

В процессах, протекающих с увеличением объема, реакционная масса, попадая в расширяющуюся область, все больше освобождается от действия масс, что способствует полноте реакции. Чтобы обеспечить максимальный выход целевых продуктов реакционную массу из основного реактора 1 направляют из большого днища 14 и через патрубок 5 в дополнительный реактор 2 через его большое днище 14 и патрубок 6. Горячий теплоноситель подают прямотоком через патрубок 7 и большое днище 14 в зону максимального объема катализатора в единице длины трубок 10. Быстрое удаление реакционной массы через малое днище 13 и патрубок 8 после выработки реагентов обеспечивается увеличивающимися линейными скоростями в суживающихся участках трубок 10. Более того, в целях предотвращения нежелательных реакций, в дополнительном реакторе 2 поддерживают уменьшенный расход горячего теплоносителя по сравнению в основной реактор 1.

Предлагаемые кожухотрубные теплообменные аппараты и реакторы совмещают в себе свойства двух цилиндрических аппаратов: аппарата с трубным пучком, состоящим из тонких трубок и аппарата с трубным пучком, состоящим из более толстых трубок. Основное достоинство заключается в том, что диаметры трубок меняются непрерывно и плавно. Более того, кожух аппарата повторяет контур трубного пучка. Успешное проведение процесса зависит от того, с какого конца подаются материальные потоки: со стороны большого днища или малого днища. В аппаратах реализуются одновременно два противоположных тепловых потоков: начало пикового роста температуры сопровождается усилением теплоотдачи во внутренние стенки трубок 10, или начало затухания реакции (при эндотермических процессах) сопровождается усилением теплоотдачи от внутренних поверхностей трубок 10 в реакционную массу.

Из-за равномерного распределения параметров потока в трубном и в межтрубном пространствах, наблюдаемые в классических цилиндрических кожухотрубных аппаратах зоны (точки) перегрева или затухания в применяемых аппаратах, не проявляются. Теплоноситель в межтрубном пространстве омывает трубки сложным образом, приближенным поперечному омыванию.

Равномерное прохождение реакций по всей длине катализаторного слоя, сформулированного в виде усеченного конуса, исключает импульсные изменения концентраций, что в свою очередь, приводит к увеличению выхода целевых продуктов и селективностей по ним.

Все более увеличивающиеся объемы в единице длины катализаторного слоя, вернее реакционного объема, способствуют постоянству коэффициента равновесия, в случаях, когда реакция протекает с увеличением объема. В цилиндрических трубках равновесие смещалась бы в сторону обратной реакции.

В результате численного моделирования процессов распределения параметров течений в реакторах с разными формами кожуха и трубок определено, что сумма эксергетических потерь ниже суммы потерь, сопровождаемой в классических реакторах в пределах 15-20%. Доля использования тепловой энергии увеличивается выше 40% по сравнению с долей в классических аппаратах.

При применении в экзотермических и эндотермических каталитических процессах частичного превращения углеводородов реакторной группы с новыми реакторами и теплообменниками достигают увеличение производительности установок, состоящих из классических цилиндрических аппаратов на 10-45%.

1. Способ проведения экзотермических и эндотермических каталитических процессов частичного превращения углеводородов, включающий подачу углеводородной смеси в слой гетерогенного катализатора, контактирование ее с поверхностью данного катализатора, отличающийся тем, что процесс проводят последовательно, по меньшей мере, в двух вертикальных кожухотрубных реакторах, кожух и трубки которых имеют форму усеченных конусов, один из которых является основным, в него направляют углеводородную смесь, реакционную смесь из основного реактора направляют в дополнительный реактор, при этом расход охлаждающего теплоносителя при экзотермическом процессе и горячего теплоносителя при эндотермическом процессе в дополнительном реакторе поддерживают ниже по сравнению с расходом охлаждающего или горячего теплоносителя в основном реакторе.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при экзотермических процессах с высокими скоростями и тепловым выделением углеводородную смесь подают в основной реактор через малое днище, реакционную смесь из него направляют в дополнительный реактор через большое днище, при этом потоки углеводородной смеси и охлаждающей жидкости в основном и дополнительном реакторе организуют прямотоком.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при экзотермических процессах с небольшими скоростями и тепловым выделением углеводородную смесь подают в основной реактор через большое днище, реакционную смесь из него направляют в дополнительный реактор через малое днище, при этом потоки углеводородной смеси и охлаждающей жидкости в основном и дополнительном реакторе организуют прямотоком.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при эндотермических процессах углеводородную смесь подают в основной реактор через малое днище, реакционную смесь из основного реактора подают в дополнительный реактор через большое днище, при этом потоки углеводородной смеси и горячего теплоносителя в основном реакторе организуют противотоком, а в дополнительном реакторе прямотоком.

5. Способ по п. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что при экзотермических процессах углеводородную смесь подают в основной реактор в начале процесса с теплосодержанием меньшим по сравнению с теплосодержанием охлаждающего теплоносителя этого же реактора.

6. Способ по п. 1 или 4, отличающийся тем, что при эндотермических процессах углеводородную смесь подают в основной реактор в начале процесса с теплосодержанием, большим по сравнению с теплосодержанием горячего теплоносителя этого же реактора.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расход охлаждающего теплоносителя при экзотермическом процессе и горячего теплоносителя при эндотермическом процессе в дополнительном реакторе поддерживают ниже по сравнению с расходом охлаждающей или нагревающей жидкостей в основном реакторе.

8. Реакторная группа для осуществления способа, включающая основной реактор, кожух и трубки внутри него выполнены в форме усеченного конуса, кроме того трубки внутри кожуха наклонены относительно центральной оси и вокруг этой оси с образованием конусообразной полости, входные и выходные патрубки расположены тангенциально, отличающаяся тем, что введен, по меньшей мере, один дополнительный реактор, идентичный основному, реакторы установлены вертикально и расположены относительно друг друга с чередованием малых и больших днищ, при этом основной и дополнительный реакторы соединены между собой последовательно.

9. Реакторная группа по п. 8, отличающаяся тем, что большое и малое днища реакторов снабжены устройствами, выравнивающими параметры течений в трубном пространстве.

10. Реакторная группа по п. 8, отличающаяся тем, что в основном реакторе в межтрубном пространстве на уровне входа теплоносителя установлена защитная сетка, выполненная из материала, теплопроводность которого выше теплопроводности материала трубок.



 

Похожие патенты:

Изобретения относятся к химической, нефтяной, газовой и другим отраслям промышленности, а именно к технологии и оборудованию, предназначенным для охлаждения влажного природного газа.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в рекуперативных теплообменниках. Теплообменник содержит внешнюю трубу с подводящим и отводящим патрубками греющей среды и вставленную в нее внутреннюю трубу с подводящим и отводящим патрубками нагреваемой среды, в межтрубном пространстве установлены вставки, которые ступенчато расположены по длине внешней трубы с образованием ходов в межтрубном пространстве и введены во внутреннюю трубу с перекрытием не менее половины ее сечения.

Изобретение относится к области энергетики, предназначено для одновременного получения пресной воды, холода и электроэнергии. Достигаемые технические результаты - более высокая экономия потребляемой электроэнергии, вплоть до полной компенсации энергозатрат на собственные нужды установки, сопровождающаяся снижением количества выбросов токсичных и парниковых газов судовой энергетической установки, больший коэффициент полезного действия, а также возможность получать холод - получены путем совмещения процесса опреснения воды с получением холода и электроэнергии.

Изобретение относится к области теплотехники и может использоваться в теплообменниках для подогрева или охлаждения среды в жилищно-коммунальном хозяйстве. Теплообменник содержит наружную и U-образную внутреннюю трубы, встроенные друг в друга, присоединительный фланец, патрубки подвода и отвода греющей или охлаждающей среды, внутренняя труба теплообменника жестко закреплена к фланцу наружной трубы, которая выполнена цилиндрической, заглушена с одной стороны и имеет с другой стороны фланец с патрубками подвода и отвода греющей или охлаждающей среды, причем патрубок подвода удлинен, во внутреннюю трубу встроен турбулизатор в виде винтообразной ленты, периодически витой в различных направлениях.
Изобретение относится к охладителю синтез-газа и способу его сборки. Описан охладитель синтез-газа, предназначенный для использования в системе газификации, включающий верхнюю часть (216), содержащую насадки (314) трубопроводов.

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплообменникам корпусного или погружного типа. Изобретение заключается в том, что теплообменник имеет вертикальные теплообменные трубы для прохода охлаждающего теплоносителя, простирающиеся вдоль всей теплообменной полости, при этом теплообменные трубы объединены в отдельные группы труб и отдельные группы труб разделены между собой вертикальными каналами.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к трубам Фильда для высокотемпературных трубчатых теплообменных аппаратов, например, для прямоточных парогенераторов ядерных энергетических установок с нагревающим жидкометаллическим теплоносителем (например, сплав свинца с висмутом).

Изобретение относится к термосифонным теплообменным аппаратам, которые могут использоваться в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности и экономичности работы аппарата, а также упрощение процесса изготовления.

Изобретение относится к области теплотехники тяжелых жидкометаллических теплоносителей и может быть использовано в исследовательских, испытательных стендах и установках атомной техники с реакторами на быстрых нейтронах.

Изобретение относится к области теплообмена и может быть использовано преимущественно в области машиностроения для использования теплоты от выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Изобретение относится к химической промышленности и используется для исследования химического процесса получения синтетической нефти. Установка для исследования процесса получения синтетической нефти, включающая в себя реактор, загруженный катализатором, накопительную емкость, средства контроля температуры и давления, запорно-регулирующую арматуру, отличается тем, что она дополнительно содержит ресивер, конденсатор-сепаратор, регистрирующие индикаторные устройства для измерения расхода газообразных потоков и отходящего газа, индикаторное устройство для измерения уровня жидкости, при этом на линии подачи газообразных потоков установлены последовательно регистрирующее индикаторное устройство для измерения расхода газообразных потоков, ресивер, каталитический реактор, выход которого соединен с последовательно установленными конденсатором-сепаратором и накопительной емкостью, причем каталитический реактор выполнен с возможностью электроподогрева слоя катализатора и имеет систему внешнего водяного охлаждения, состоящую из последовательно установленных водяного холодильника, сборника парового конденсата, дозирующего насоса и водонагревателя, при этом средства контроля температуры выполнены в виде индикаторного регистрирующего регулирующего устройства, установленного в водонагревателе, первого индикаторного устройства для измерения температуры, установленного в каталитическом реакторе, второго индикаторного устройства для измерения температуры, установленного в водяном холодильнике, третьего индикаторного устройства для измерения температуры, установленного в конденсаторе-сепараторе, четвертого индикаторного устройства для измерения температуры, установленного в накопительной емкости, средства контроля давления выполнены в виде первого индикаторного устройства для измерения давления, установленного перед водяным холодильником, и второго индикаторного устройства для измерения давления, установленного в конденсаторе-сепараторе, запорно-регулирующая арматура выполнена в виде регулирующего клапана, установленного на трубопроводе подачи газообразных потоков и связанного с регистрирующим индикаторным устройством для измерения расхода газообразных потоков, первого регулирующего вентиля, установленного между первым индикаторным устройство для измерения давления и водяным холодильником, второго регулирующего вентиля, установленного на трубопроводе подачи оборотной воды в водяной холодильник, третьего регулирующего вентиля, установленного на трубопроводе отвода отходящего газа из конденсатора-сепаратора между конденсатором-сепаратором и регистрирующим индикаторным устройством для измерения расхода отходящего газа, четвертого регулирующего вентиля, установленного на трубопроводе подачи оборотной воды в конденсатор-сепаратор, пятого регулирующего вентиля, установленного на трубопроводе подачи синтетической нефти потребителю и связанного с индикаторным устройством для измерения уровня жидкости.
Изобретение относится к способу приготовления предшественника катализатора, который включает приведение в контакт материала носителя катализатора с соединением вольфрама с получением вольфрамсодержащего материала носителя катализатора; прокаливание вольфрамсодержащего материала носителя катализатора при температуре выше 900°C с получением модифицированного носителя катализатора, в котором достаточное количество соединения вольфрама используют таким образом, что соединение вольфрама присутствует в массе и на поверхности материала носителя катализатора в количестве не больше чем 12 мас.% W в расчете на общую массу модифицированного носителя катализатора; и введение соединения предшественника активного компонента катализатора, выбранного из группы, состоящей из кобальта (Со), железа (Fe) и никеля (Ni) на поверхность и/или в массу модифицированного носителя катализатора с получением предшественника катализатора.

Изобретение раскрывает способ получения жидких органических топлив из углекислого газа, окиси углерода и воды, включающий использование гетерополикислоты 2-18 ряда, имеющей химическую формулу H6[P2W18O62], где степень окисления вольфрама составляет +6, которую облучают в присутствии железных и цинковых пластин при температуре минус 5 - плюс 50°C электромагнитным излучением в диапазоне длин волн от 3·105 до 10-2 нм и короче с целью изменения степени окисления вольфрама от +6 до +3 и +2, после чего водный раствор обеих гетерополикислот поступает непосредственно на синтез органического жидкого топлива, где в присутствии хромовых и никелевых стружек при температуре от +10 до +70°C происходит образование жидкого органического топлива с одновременным окислением анионных комплексов гетерополикислот до окисленного состояния, в ходе чего образуется водный раствор гетерополикислоты, имеющей химическую формулу H6[P2W18O62], после чего полученная смесь поступает в емкость для декантации, где происходит разделение жидкого топлива и водного раствора гетерополикислоты, которая опять может быть использована для синтеза.

Изобретение относится к способу синтеза углеводородов. Способ включает следующие стадии: (a) получение потока синтез-газа, обогащенного водородом, в генераторе синтез-газа, содержащем установку парового риформинга метана (SMR) и (или) установку автотермического риформинга (ATR), (b) каталитическое превращение указанного потока синтез-газа, обогащенного водородом, с получением указанных углеводородов, содержащих по меньшей мере нафту, (c) возврат по меньшей мере части указанной нафты в указанный генератор синтез-газа с получением улучшенного потока синтез-газа, обогащенного водородом, и (d) подача указанного улучшенного потока синтез-газа, обогащенного водородом, полученного на стадии (с), для превращения согласно стадии (b) для увеличения количества синтетического дизельного топлива в упомянутых углеводородах.

Изобретение относится к вариантам способа регенерирования одной или более частиц кобальтсодержащего катализатора Фишера-Тропша in situ в трубе реактора или ех situ вне трубы реактора, включающего следующие стадии: (i) окисление частицы (частиц) катализатора при температуре от 20 до 400°С, (ii) обработку частиц катализатора более 5 мин, (iii) высушивание и, необязательно, нагревание частицы (частиц) катализатора; и (iv) необязательно, восстановление частицы (частиц) катализатора водородом или водородсодержащим газом, причем стадия (ii) обработки включает (а)заполнение пор частицы (частиц) катализатора жидкостью с уровнем рН 10-14, содержащей аммиак и воду, при температуре 0-50°С, (б) пропускание диоксида углерода, (с) оставление в порах жидкости, обработанной диоксидом углерода на период времени более 5 мин при температуре 5-90°С.

Изобретение относится к способу получения транспортного топлива. Способ получения топлива из синтез-газа, включающий стадии: а) пропускания синтез-газа через первый реактор с целью конверсии синтез-газа в метанол и воду с образованием первого выходящего потока, б) пропускания первого выходящего потока через второй реактор с целью конверсии метанола в простой диметиловый эфир с образованием второго выходящего потока, в) пропускания второго выходящего потока через третий реактор с целью конверсии метанола и простого диметилового эфира в топливо и тяжелый бензин с образованием третьего выходящего потока, г) пропускания третьего выходящего потока через четвертый реактор с целью конверсии тяжелого бензина в изопарафины, нафтены и ароматические соединения с низкой степенью замещения с образованием четвертого выходящего потока и д) возвращения непрореагировавшего синтез-газа, содержащегося в четвертом выходящем потоке, в повторный цикл в первый реактор, причем на протяжении способа не осуществляют удаление или отделение первого, второго или третьего выходящих потоков.

Изобретение относится к системе и способу получения бензина. Система для получения бензина из природного газа через метанол содержит: устройство парового риформинга, предназначенное для получения газа риформинга паровым риформингом природного газа; устройство синтеза метанола, предназначенное для осуществления синтеза метанола из газа риформинга, полученного с помощью устройства парового риформинга; устройство синтеза бензина, предназначенное для осуществления синтеза бензина из метанола, синтезированного с помощью устройства синтеза метанола; и устройство предварительного нагревания воздуха, предназначенное для осуществления предварительного нагревания воздуха горения, подлежащего введению в устройство парового риформинга, с использованием пара, полученного при нагревании котловой воды теплом реакции синтеза в устройстве синтеза бензина, или с использованием теплообмена между воздухом горения и теплом синтеза, вырабатываемым в реакционной трубе, загруженной катализатором синтеза бензина, в устройстве синтеза бензина.

Изобретение относится к системе и способу для получения бензина или простого диметилового эфира из природного газа. Система для получения бензина или простого диметилового эфира из природного газа с промежуточным синтезом метанола включает: устройство (10) парового риформинга природного газа для получения газа риформинга; теплообменник (17) типа дымовой газ-пар для получения пара или тепла, используемых в системе, путем рекуперации тепла дымового газа, образующегося в зоне горения (12) устройства (10) парового риформинга; устройство (20) синтеза метанола из газа риформинга, получаемого в устройстве парового риформинга; теплообменник (19) типа газ риформинга-пар, предназначенный для получения пара или тепла, используемых в системе, путем рекуперации тепла газа риформинга до подачи газа риформинга в устройство (20) синтеза метанола; устройство (30) синтеза бензина или простого диметилового эфира из метанола, синтезированного в устройстве синтеза метанола, и по меньшей мере одно устройство, выбранное из группы, и ряд теплообменников как указано в формуле изобретения.

Изобретение относится к установке для исследования процесса получения синтетических жидких углеводородов, включающей в себя линию подачи газообразных потоков, нагреватель, каталитический реактор, накопительные емкости, средства контроля температуры и давления, запорно-регулирующую арматуру.

Изобретение относится к способу превращения одного или более реагентов в один или несколько продуктов в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора, который инактивируется во времени.

Предложен способ получения предшественника катализатора. Способ получения предшественника катализатора включает: получение суспензии, включающей жидкость-носитель, растворимую соль металла, частицы нерастворимой неорганической соли металла и частицы и/или одно или более тел предварительно сформованных носителей катализатора, с осаждением металла из нерастворимой соли металла на частицах носителя за счет хемосорбции, и с осаждением металла из растворимой соли металла внутри и/или на частицах носителя за счет пропитки, при этом хемосорбция и пропитка осуществляются одновременно, и металлы в нерастворимой неорганической соли металла и в растворимой соли металла являются одними и теми же, и представляют собой Со или Ni, и при этом указанный металл является активным компонентом катализатора, с образованием обработанного носителя катализатора, и удаление жидкости-носителя из суспензии с получением высушенного обработанного носителя катализатора, который или непосредственно представляет собой предшественник катализатора, или необязательно подвергается прокаливанию для получения предшественника катализатора.
Наверх