Способ проведения химической реакции

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВКДЕТЕЛЬСТВУ

>594626

Сиво Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 09.04.76 (21) 2350513/23-26 с присоединением заявки— (23) Прморитет— (43) Опубликовано 07.01.82. Бюллетень № 1 (45) Дата опубликования описания 07.01.82 (51) М.Кл.з В 01 Л 8/04 йсуда рственный комитет

CCCP во делам изобретений и открытий (53) УДК 661.961.6 (088.8) (72) Авторы изобретвния М. Х. Сосна, И. В. Мейтин, Е. 3. Каждан и В. П. Семенов (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ !

Изобретение относится к способу проведения химической реакции и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности, например, для проведения конверсии углеводородов с паром на катализаторе, в процессах окисления пропилена в акролеин и получения окиси этилена из этилена, В реакционные трубы современных трубчатых печей загружают катализатор одного размера. При этой загрузке имеет, место неоднородное распределение гранул катализатора по высоте и сечению трубы и возможно образование сквозных каналов (1).

Известен способ проведения химической реакции в реакционной трубе путем пропускания газа через многослойный катализатор с изменением размеров гранул по слоям, причем загружают в реакционную трубу длиной 8 — 12 м катализатор с гранулами двух размеров, чередующимися по слоям, что позволяет прервать сквозные каналы в местах контакта слоев и не допустить образования таких каналов по всей длине трубы, число слоев 8, а высота каждого слоя 1 — 1,5 м (2).

Недостатком этого способа является незначительное увеличение производительности и выхода целевого продукта. Это вызвано тем, что применяемый закон изменения размера гранул катализатора по ходу газа не является эффективным, а также тем, что высота каждого слоя катализатора с различным размером гранул слишком большая, поэтому возникающий в радиальном направлении поток газа существует лишь на небольшом участке высоты каждого слоя катализатора.

Целью изобретения является повышение производительности и выхода целевого продукта.

Поставленная цель достигается в способе проведения химической реакции, со15 стоящем в пропускании газа через многослойный катализатор с изменением размера гранул в последовательных по ходу газа слоях реакционной трубы по квазисинусоидальному закону, высота каждого слоя

20 гранул катализатора составляет не более

2 — 5% общей длины реакционной трубы, но не менее десяти размеров наименьших гранул катализатора.

Указанный способ обеспечивает повышение производительности реакционной трубы на 5 — 15% и высокую степень химического реагирования. Благодаря тому, что высота каждого слоя катализатора с различным размером гранул значительно меньше, чем в известном, возникающий в ра594626

1О

25 зо

65 диальном направлении поток газа существует и развивается по высоте каждого слоя катализатора, следовательно, увеличивается скорость переноса тепла и средняя по сечению трубы температура газа, кроме того, увеличивается скорость переноса исходного газа в зону реакции, продуктов реакции из зоны реакции, а тепла в зону реакции.

Пример 1. В реакционную трубу диаметром 98 мм и высотой 8 м трубчатой печи загружают кольцевидный никелевый катализатор с наружным диаметром 10 мм, 15 мм, 20 мм по квазисинусоидальному закону. Слои катализатора каждого размера высотой 400 мм загружают в следующем порядке:

1-й слой — гранулы с наружным диаметром 10 мм; 2-й слой — 15 мм; 3-й слой — 20 мм; 4-й слой — 15 мм; 5-й слой—

10 мм; 6-й слой — 15 мм; 7-й слой — 20 мм ит,д

Всего загружают 20 слоев катализатора.

Предлагаемая многослойная загрузка, в которой чередуются слои с гранулами 3-х размеров, обеспечивает прерывание каналов в местах контакта соседних слоев и позволяет не допустить образование сквозных каналов по всей длине трубы.

В реакционную трубу подают смесь метана и водяного пара при 480 С и соотношении парогазовой смеси 4: 1. Расход метана составляет 95 нм /ч. Газовая смесь проходит последовательно через 1-й слой катализатора, 2-й слой, 3-й слой, 4-й слой и т. д. 20 слоев катализатора.

Гидравлическое сопротивление частей слоев, расположенных ближе к оси трубы, изменяется от слоя к слою намного меньше, чем частей слоев, находящихся у стенки трубы. Чем больше диаметр гранул, тем это сопротивление частей слоев, находящихся у стенки трубы, меньше. Поэтому при переходе газовой смеси из первого слоя во второй и далее по мере ее движения по второму слою газовая смесь движется в радиальном направлении к стенке трубы. При переходе газовой смеси в третий слой и далее при ее движения в третьем слое смесь продолжает двигаться в радиальном направлении к стенке трубы, а расход газовой смеси ближе к оси трубы и у стенки достигает минимальной и максимальной величины соответственно. Благодаря этому радиальному движению газа происходит перемешивание потоков более холодных частей газовой смеси, находящихся ближе к оси трубы, с потоками более горячими, расположенными у стенки трубы.

Скорость переноса тепла увеличивается, поэтому увеличивается средняя температура газовой смеси, вследствие чего растет степень химического реагирования. Кроме того, перемешивание газовой смеси, благодаря движению газовой смеси в радиальном направлении, приводит к тому, что растет скорость процесса переноса продуктов реакции из зоны реакции и в зону реакции газовой смеси и увеличивается скорость переноса тепла в зону реакции. При дальнейшем движении газовой смеси в четвертом, пятом и шестом слоях возникает и развивается движение газа в радиальном направлении от стенки трубы к оси. При этом влияние на конверсию метана радиального движения газовой смеси от стенки трубы к оси аналогично движению газовой смеси к стенке трубы.

В следующих слоях газовая смесь также меняет свое направление аналогично описанному. Из 20-го слоя катализатора газовая смесь выходит с температурой

800 С, давлением 25 ати и составом,. %: 3,47

СН4, 6,13 СО, 43,2 Н О; 41,5 Н, 5,68 СО.

Указанный способ по сравнению с аналогом при том же расходе метана, отношении парогазовой смеси и при тех же условиях парогазовой смеси на входе в реакционную трубу обеспечивает повышение выхода водорода на 4 об. %, и уменьшение содержания остаточного метана на

2 об., что говорит о значительном увеличении степени химического реагирования и соответственно производительности по водороду.

Пример 2, Интенсификация процессов тепло- и массообмена имеет место и при проведении реакции каталитического превращения пропилена в акролеин в трубе, загруженной чередующимися слоями сферического катализатора.

В трубу с внутренним диаметром 20 мм загрузили 35 слоев катализатора высотой по,100 мм следующих размеров:

1й слой — 3; 2й слой —; Зй слой — 6 мм; 4-й слой — 4 мм; 5-й слой—

3 мм; 6-й слой — 4 мм и т. д.

Давление и температура газовой смеси на входе в трубу — 4 ати и 250 С. Состав смеси на входе, вес. %: 92,8 СдН и 2,7 Од.

Весовой расход смеси 35500 кг/ч м .

Состав на выходе из трубы, загруженной чередующимися слоями катализатора, сравнивался с аналогичным составом при однослойной загрузке катализатора размером 4 мм в трубу того же диаметра при тех же условиях на входе в трубу.

Количество остаточного кислорода на выходе из трубы при многослойной загрузке 4,54%, а при однослойной загрузке

4 78%

Уменьшение процента остаточного кислорода объясняется так же, как и в предыдущем примере: при переходе от слоя катализатора одного размера к слою катализатора другого размера происходит смешение более горячих потоков реагирующей смеси с более холодными, увеличивается средняя (по сечению) температура смеси, увеличиваются скорости химических реакций и

594626

Формула изобретения

Составитель В. Кирюшкин

Техред И. Заболотнова

Редактор Т. Морозова

Корректор С. Файн

Заказ 27/32 Изд. № 106 Тираж 576 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушскаи наб., д. 4/5

Тнн. Харьк. фил. пред. «Патент» процессов тепло- и массопереноса. Все это приводит к увеличению схецени химического реагирования.

Способ проведения химической реакции путем пропускания газа через многослойный катализатор с изменением размера гранул по слоям в реакционной трубе, о тличающийся тем, что, с целью повышения удельной производительности и выхода целевого продукта, изменение размера гранул катализатора в последовательных слоях по ходу газа осуществляют по квазисинусоидальному закону, причем высота каждого слоя гранул катализатора составляет не более 2 — 5% общей длины реакционной трубы, но не менее десяти размеров наименьших гранул катализатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

lo 1. Вакк Э. Г. и Семенов В. П. Каталитическая конверсия углеводородов в трубчатых печах. М., «Химия», 1973.

2. Патент США № 2006078, кл. 23-288, 25.06.35.