EA017645B1 - Способ проведения эндотермической реакции - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу проведения эндотермической реакции в реакторе с находящимися в нём катализаторными трубами, содержащими катализатор, ускоряющий эндотермическую реакцию, включающему стадии: а) контактирование содержащегося в катализаторных трубах катализатора с сырьевым потоком, проходящим через каналы от входного конца к выходному концу; b) контактирование внешней поверхности катализаторных труб с потоком нагревающей среды, имеющей некоторую начальную температуру нагрева и протекающей прямоточно с потоком сырья, с целью конвекционного нагрева поверхности; с) смешение по крайней мере части нагревающей среды после её контактирования с катализаторными трубами с потоком свежей нагревающей среды, имеющей исходную температуру более высокую, чем начальная температура нагрева, в результате чего образуется прямоточная нагревающая среда, имеющая начальную температуру нагрева; и реактор для проведения процесса.

Description

Изобретение относится к способу проведения эндотермической реакции в реакторе с находящимися в нём катализаторными трубами, содержащими катализатор, ускоряющий эндотермическую реакцию.

В ИЕ-А-10229661 описывается способ каталитической дегидрогенизации алканов, которая является примером эндотермической равновесной реакции. В этом документе раскрывается способ, в котором содержащие катализатор трубы нагреваются горелками, расположенными между трубами. Утверждается, что путём регулирования производимого горелками тепла вдоль длины труб создаётся желаемый температурный профиль для достижения постоянства высоких селективности и скорости превращения. Однако какое-либо конкретное раскрытие того, как это должно осуществляться практически, отсутствует. Далее, в результате использования горелок в непосредственной близости к катализаторным трубам происходит радиационный нагрев труб, что может стать причиной появления горячих участков, для чего потребуется стойкий к высоким температурам трубный материал, и что может приводить к локальному образованию кокса, что потребует частой регенерации катализатора и может приводить к закупорке труб. Ещё одной проблемой, связанной с локальной высокой температурой, является возможность протекания дополнительных нежелательных побочных реакций.

Цель настоящего изобретения состоит в создании способа проведения эндотермической равновесной реакции, которая бы давала благоприятный температурный профиль вдоль реакционных труб, предотвращающий появление локальных горячих участков.

Указанная цель достигается согласно изобретению тем, что способ включает стадии контактирования содержащегося в катализаторных трубах катализатора с потоком сырья, проходящим по каналам от входного конца к выходному концу, контактирование внешней поверхности катализаторных труб с потоком нагревающей среды, имеющей начальную температуру нагрева и протекающей прямоточно с потоком сырья с целью нагрева путём конвекции, смешение по крайней мере части нагревающей среды после её контактирования с катализаторными трубами с потоком свежей нагревающей среды, имеющей исходную температуру более высокую, чем начальная температура нагрева, в результате чего образуется прямоточная нагревающая среда, имеющая начальную температуру нагрева.

Путём использования конвекционного нагрева труб в сочетании с частичной рециркуляцией нагревающей среды можно гарантировать, что исходная температура нагрева будет ниже максимального уровня, благодаря чему для труб могут быть использованы обычные и менее дорогостоящие материалы, такие как нержавеющая сталь. Настоящий способ позволяет регулировать скорость потока и начальную температуру нагрева независимо, благодаря чему температурный профиль вдоль труб можно регулировать очень точно. При этом указанные скорость потока и начальную температуру нагрева в сочетании с размерами труб можно подбирать таким образом, чтобы можно было иметь вдоль труб оптимальный осевой температурный профиль.

Содержащийся в катализаторных трубах катализатор вводится в контакт с сырьевым потоком, проходящим по трубам от входного конца к выходному концу. Проходя через трубы, сырьё будет превращаться в желаемый продукт.

Предпочтительно, чтобы сырьевой поток у входного конца каждой трубы испытывал критическое падение давления. Это предотвратит различия в скоростях потоков сырья через разные трубы. Более низкие скорости потока в некоторых трубах должны приводить к более высоким температурам в этих трубах, возможно вплоть до нежелательных высоких температур, обусловливающих разложение катализатора и нежелательные побочные реакции в этих трубах. Одной из таких нежелательных побочных реакций является коксообразование, которое дополнительно снижает скорость потока, приводя в конце концов к закупорке трубы.

Катализаторы, которые применимы для способа согласно изобретению, в основном являются зернистыми катализаторами, которые находятся в трубах преимущественно в виде неподвижного слоя.

Далее будет предполагаться, что реакторные трубы направлены вертикально, а потоки сырья и нагревающей среды проходят прямоточно в направлении вверх от нижней части, обозначаемой как дно или вход, к верхней или выходной части труб. Возможно также проведение процесса изобретения с указанными потоками, протекающими прямоточно в направлении вниз, или применение реактора, в котором трубы расположены горизонтально или под углом к горизонтальной плоскости.

Начальная температура нагревающей среды значительно выше температуры входящего в катализаторные трубы сырья. Энтальпия нагревающей среды должна быть достаточной для компенсации тепла, пошедшего на эндотермическую реакцию сырья и нагрев смеси сырьё/продукт в трубах. Разница температур между нагревающей средой и содержимым труб является движущей силой этого теплообмена. Эта разница будет уменьшаться вдоль труб от входа к выходу, и в результате этого от входа к выходу будет снижаться скорость теплопереноса. Поскольку остающееся количество непревращённого сырья будет также уменьшаться от входа к выходу, то потребуется также и меньше компенсирующего тепла. Предпочтительно подбирать скорость потока и начальную температуру нагревающей среды такими, чтобы температура содержимого труб не падала вдоль трубы от дна к верху и более предпочтительно подбирать их такими, чтобы указанная температура непрерывно повышалась вдоль труб. Скорость потока и начальная температура нагревающей среды должны подбираться такими, чтобы температура стенок трубы и содержимого трубы на её выходном конце оставалась ниже температуры, при которой могут проис

- 1 017645 ходить разложение сырья или продукта, образование кокса и другие нежелательные побочные реакции.

В способе согласно изобретению реакция на входе труб должна протекать с высокой скоростью вследствие присутствия наибольшего количества непревращённого сырья. Высокая начальная температура нагревающей среды будет компенсировать потреблённое тепло и даже повышать температуру содержимого трубы. Благодаря непрерывному дополнительному нагреву вдоль трубы реакция строго следует увеличивающемуся равновесному превращению, результатом чего становится высокая конверсия сырья на выходном конце. Наиболее высокая температура, которую может выдержать катализатор, фактически является главным ограничивающим фактором для достижения полной конверсии. В настоящем способе основная часть сырья превращается уже при относительно низкой температуре, и селективность реакции, судя по всему, оказывается высокой.

При подходящем выборе начальной температуры нагрева и скорости потока можно достичь ситуации, при которой температура стенок труб будет почти постоянной на большей части их длины.

Предпочтительно, чтобы исходные материалы предварительно нагревались до минимальной температуры, необходимой для того, чтобы катализатор был активным до их ввода в контакт с катализатором. Эта температура заставляет реакцию начинаться с уже высокой скоростью у входного конца, так как скорость реакции обеспечивается отклонением от равновесия при действующей температуре и с меньшим риском нежелательных побочных реакций, чем при более высокой температуре на входе. По ходу вверх температура сырья, постепенно смешиваемого с возрастающим количеством образовавшегося продукта, и катализатора будет повышаться за счёт теплообмена с нагревающей средой, и этот подъём температуры будет повышать скорость реакции даже до такой степени, что реакция, как было установлено, будет продолжаться вследствие увеличения равновесной конверсии при повышающейся температуре, обеспечивая тем самым оптимальную конечную конверсию.

Было обнаружено, что эффективность превращения в способе может быть ещё более повышена, когда катализаторные трубы от дна до верха заполнены слоями по меньшей мере двух разных катализаторов, причём наиболее близкий к дну катализатор выбирают по его относительно высокой активности и при этом допустима относительно более низкая термостойкость или относительно низкий уровень какого-либо другого зависящего от температуры свойства катализатора, в то время как катализатор, наиболее близкий к вершине, выбирают по его относительно высокой термостойкости и относительно высокому уровню какого-либо другого зависящего от температуры свойства катализатора, хотя при этом допустима относительно более низкая активность. Если использованы более двух слоёв катализатора, термостойкость или уровень какого-либо другого температурозависимого катализаторного свойства слоёв будут повышаться от дна к верху, если при этом вынужденным образом допустить некоторое падение активности этих слоёв от дна к верху. Это позволяет оптимально использовать контролируемый температурный профиль вдоль труб, получая при этом наивысшую возможную конверсию и, возможно также, селективность. Слово относительно используется здесь по отношению к соседним слоям.

Контролируемый температурный диапазон вдоль труб позволяет использование в способе согласно изобретению термочувствительных катализаторов. Взятый в целом процесс согласно изобретению сохраняет высокую каталитическую активность в течение долгого времени.

С целью улучшения селективности превращения и рабочего цикла катализатора сырьевой поток может быть разбавлен инертным газом, например диоксидом углерода, азотом или водяным паром, из которых водяной пар является предпочтительным. В случае разбавления число разбавления будет зависеть от проводимой в трубах реакции и на практике будет составлять от 0,1 или 2 до 12 моль инертного газа на 1 моль сырья.

Вместо инертного газа можно также добавлять от 0,01 до 1 моль Н₂ на 1 моль сырья, например, когда используемый катализатор не совместим с инертными газами.

Нагревающая среда, протекая вдоль труб, будет переносить тепло к стенкам труб, которые, в свою очередь, переносят тепло к катализатору и сырью. Когда этот поток нагревающей среды достигнет вершины труб, он будет охлаждён от начальной температуры нагрева до некоторой более низкой температуры. Как описано ниже, часть тепловой энергии, всё ещё остающейся в нагревающей среде, может быть использована для производства водяного пара или для других целей, в которых осуществляется рекуперация технологического тепла, что ещё больше охладит среду. По крайней мере часть охлаждённой среды будет направлена на рециркуляцию для регулирования начальной температуры нагрева нагревающей среды. Это может быть осуществлено путём смешения свежеполученной нагревающей среды, например дымового газа горелки или свежего водяного пара. Эта свежая среда будет, как правило, иметь более высокую температуру, чем начальная температура нагрева. Путём смешения её с регулируемым количеством нагревающей среды, которая была охлаждена в результате контактирования с катализаторными трубами и, возможно, в результате дополнительного теплообмена, например при генерировании водяного пара, образуется свежая прямоточная нагревающая среда, имеющая желаемую начальную температуру нагрева.

- 2 017645

Другой путь получения желаемой начальной температуры нагрева, применимый в случае, когда свежую нагревающую среду получают с помощью горелки, состоит в использовании охлаждённой нагревающей среды, рециркулируемой через горелку с целью смешения её с дымовым газом сразу же после его образования в процессе горения.

Свежей нагревающей средой может быть водяной пар, но предпочтительно, чтобы свежая нагревающая среда состояла из дымовых газов, образуемых такой горелкой, например газовой или нефтяной горелкой. Количество производимых такой горелкой дымовых газов можно легко регулировать, что обеспечивает разнообразие отношений свежей нагревающей среды к рециркулируемой охлаждённой нагревающей среде, позволяющее получать нагревающую среду с желаемой начальной температурой нагрева и скоростью потока для повторного ввода в контакт с катализаторными трубами.

Способ согласно изобретению позволяет поддерживать температуру по всей длине труб между максимальной температурой, при которой могут происходить разложение катализатора и нежелательные побочные реакции, и минимальной температурой, необходимой для протекания реакции с приемлемой скоростью.

В способе согласно изобретению количество горячих газов от горелки и количество более холодной рециркулируемой отработавшей нагревающей среды можно регулировать независимым образом. Это обеспечивает большую вариабельность как в отношении скорости потока, так и независимо от неё в отношении начальной температуры нагревающей среды, позволяя тем самым в широких пределах регулировать профиль теплообмена по длине катализаторных труб. В известном способе единственным контролируемым параметром является отношение между топливным газом и используемым для горения воздухом. Это позволяет проводить лишь ограниченное варьирование скорости потока и температуры, поскольку изменение количества воздуха ограничено минимальным количеством кислорода, необходимым для горения топливного газа.

В способе согласно изобретению не будет допускаться радиационный нагрев катализаторных труб благодаря должным образом выбранному размещению горелок относительно катализаторных труб, помещению экранов между пламенем горелок и катализаторными трубами, изоляции катализаторных труб на участках, подверженных радиации, или сочетаниям этих мер. В результате этого нагрев катализаторных труб осуществляется только путём конвекционного нагрева.

Трубами в реакторе могут быть традиционные трубы реактора риформинга, который описан в ΌΕ-Α-10229661. Такие трубы могут применяться в качестве катализаторных труб в способе согласно изобретению, в результате чего предотвращается радиационный нагрев и связанные с ним проблемы. Однако для этих труб характерен серьёзный дисбаланс между объёмом катализатора и теплопередающими свойствами. Чтобы избежать нежелательных радиальных температурных градиентов, диаметр труб должен быть относительно небольшим. В этом случае, чтобы получить желаемый объём катализатора, потребуется большое количество труб. Замена катализатора при этом также станет трудоёмкой операцией.

Эта и другие проблемы, связанные с известными трубчатыми реакторами, как было установлено, может быть решена с помощью предпочтительного варианта осуществления способа согласно изобретению путём применения панельного реактора, который описан ниже.

Способ согласно изобретению пригоден для проведения эндотермических реакций. Примеры такого типа реакции, которые могут быть проведены с благоприятными результатами при использовании настоящего способа, включают эндотермические равновесные реакции, например дегидрогенизацию С₂-С₈-алканов до олефинов (например, этилена, пропилена и изобутилена), дегидрогенизацию смесей С₂-С₈-алканов и олефинов до диолефинов (например, бутадиена и изопрена), дегидрогенизацию этилбензола до стирола и неокислительную дегидрогенизацию спиртов до альдегидов (например, метанола до формальдегида и этанола до ацетальдегида), дегидратацию С₂-С₈-карбоновых кислот до их внутримолекулярных ангидридов и некоторые необратимые реакции, например каталитический крекинг высших олефинов до более низших олефинов.

Реакцией, которая оказалась очень подходящей для её проведения в способе согласно изобретению, является реакция дегидрогенизации углеводорода с одной или более насыщенными углеродными связями, в частности С₂-С₈-алкана, такого как этан, пропан, изобутан, изопентан, гексан, гептан и октан, и этилбензола. Эти реакции протекают с более высокой конверсией при высоких температурах реакции. Допустимая максимальная температура реакции ограничена катализатором, который может разлагаться и утрачивать свою активность при высокой температуре. На практике применяют температуры порядка от 500 до 750°С, которые выгодны в основном благодаря непрерывной подаче тепла нагревающей средой вдоль всей длины реакционных труб. Если имеющиеся в наличии катализаторы это позволяют, могут быть использованы и более высокие температуры.

Осуществление способа согласно изобретению предъявляет особые требования к реактору. По этой причине изобретение относится, кроме того, к реактору для проведения эндотермического равновесного реакционного процесса, включающему секцию теплообеспечения, содержащую в себе теплообеспечивающее устройство, причём эта теплообеспечивающая секция сообщается с входным концом реакторной секции, которая содержит в себе катализаторные трубы и имеет выходной конец, сообщающийся с верх

- 3 017645 ней секцией свободного объёма, в то время как катализаторные трубы экранируются от тепловой радиации теплогенерирующего устройства, а реактор, кроме того, имеет рециркуляционную секцию, соединяющую верхнюю секцию свободного объёма с секцией теплообеспечения.

Реактор включает в себя секцию теплообеспечения. В этой секции приготовляется поток нагревающей среды для передачи необходимого тепла катализаторным трубам. Теплообеспечивающее устройство может содержать в себе одну или более горелок для генерирования дымового газа. Эти устройства могут также служить входом для водяного пара с подходящей температурой. Кроме того, названная секция имеет в качестве соединительного средства с секцией рециркуляции вход для рециркулируемой отработавшей нагревающей среды.

Вход для рециркулируемой нагревающей среды может быть соединён с секцией теплообеспечения на участке, расположенном после горелки или входа водяного пара. При этом он может быть соединён настолько близко к горелке, что нагревающая среда сразу же смешивается со свежим дымовым газом.

Секция теплообеспечения сообщается с входным концом расположенной далее секции реактора. Слово сообщается в данном случае означает наличие сочленения, открытого для потока нагревающей среды. В то же время катализаторные трубы экранированы от радиационного нагрева теплогенерирующими устройствами. Радиационный нагрев катализаторных труб может создавать локальные горячие точки, которых следует избегать. Чтобы обеспечить упомянутое экранирование, может быть создан оптически изолированный маршрут от пламени горелок до катализаторных труб. Для этой цели секция теплообеспечения и реакторная секция могут быть размещены под определённым углом, преимущественно с наклоном 90°, либо же между секцией теплообеспечения и реакторной секцией могут быть установлены перегородки, оставляющие свободным проход для нагревающей среды, но закрывающие какой-либо прямой оптический путь для облучения катализаторной трубы от горелок. Другой возможностью избежать радиационный нагрев катализаторных труб является термическое изолирование катализаторных труб, обращенных в сторону пламени горелок.

Кроме того, реактор имеет реакционную секцию. Эта реакционная секция вмещает в себя реакторные трубы, которые должны заполняться частицами катализатора, ускоряющего проводимую в реакторе эндотермическую реакцию. Реакторные трубы проходят, как правило, параллельно продольной оси реактора и при этом в целом, по существу, в вертикальном направлении.

Известной концепцией для таких реакторных труб является известный многотрубный реактор, включающий пучок параллельных труб. Каждая труба независимо соединена с сырьевой линией, подающей поток сырья, и, соответственно, с продуктовой линией для отвода образующегося продукта из реактора для дальнейшей переработки.

Реакционная секция может, кроме того, содержать средства для создания желаемого маршрута потока нагревающей среды вдоль катализаторных труб, например в виде перегородок.

Реактор согласно изобретению имеет входной конец, соединённый и сообщающийся с секцией теплообеспечения, через которую нагревающая среда может поступать в реакционную секцию для нагрева катализаторных труб. Реакторная секция имеет также выходной конец, расположенный с противоположной стороны от входного конца вне катализаторных труб и перед ними, соединяющий реакторную секцию с верхней секцией свободного объёма.

Верхняя секция свободного объёма создана для сбора отработавшей нагревающей среды, т.е. нагревающей среды после того, как она прошла реакторную секцию и вышла из неё. В ней может находиться теплообменная аппаратура для дополнительного отбора тепла от отработавшей нагревающей среды, например для генерирования водяного пара или предварительного нагрева сырья.

Верхняя секция свободного объёма имеет по меньшей мере одно соединение с секцией рециркуляции. Секция рециркуляции соединяет верхнюю секцию свободного объёма с секцией теплообеспечения. Она может иметь устройство для регулирования количества и температуры отработавшей нагревающей среды, подаваемой на вход нагревательной секции.

Верхняя секция свободного объёма может, кроме того, иметь выход для отработавшей нагревающей среды, которая не направляется на рециркуляцию в нагревательную секцию реактора. Этот выход может быть соединён с оборудованием для дополнительного отбора тепловой энергии, всё ещё остающейся в отработавшей нагревающей среде.

Теплообеспечивающими устройствами преимущественно являются по меньшей мере одна горелка. Температуру нагревающей среды, состоящей из дымового газа, регулируют далее либо смешением дымового газа с более холодной рециркулируемой отработавшей нагревающей средой, либо подачей рециркулируемой отработавшей нагревающей среды в такой непосредственной близости от пламени горелки, что генерируемый дымовой газ окажется немедленно разбавленным и охлаждённым. В последнем случае может быть также понижено содержание ΝΟ_Χ в состоящей из дымового газа нагревающей среде.

Отношение рециркулируемой нагревающей среды к свежему дымовому газу следует подбирать так, чтобы получать нагревающую среду с желаемыми температурой и скоростью потока. На практике следует применять отношения от 90-10 до 10-90%.

- 4 017645

Реактор должен, кроме того, содержать в себе устройство для распределения сырья по катализаторным трубам. В нём может также находиться устройство для равномерного распределения нагревающей среды вдоль реакторных труб, имеющего целью предотвращение появления локальных горячих или холодных областей в реакторе.

Реактор должен, кроме того, содержать устройство для подачи сырьевого потока к реакционным трубам, соединённое с внешней сырьевой линией, и средство для переноса потока смешанного, образованного из сырья продукта от реакционных труб, соединённое с продуктовой линией.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления продуктовая и сырьевая линии соединены с теплообменником для обмена теплом между потоком сырья и имеющим более высокую температуру потоком продукта. Такая конструкция имеет то преимущество, что температура потока сырья будет оставаться в безопасном диапазоне, предотвращая тем самым образование кокса и другие нежелательные побочные реакции.

Реактор согласно изобретению преимущественно содержит реакторные панели, у которых имеются каналы, функционирующие подобно катализаторным трубам.

В последнем случае реактор имеет также сырьевую линию и продуктовую линию, а реакторная секция включает в себя реакторные панели, каждая из которых включает коллектор сырья, коллектор продукта и примыкающие к ним каналы, длина каждого из которых ограничена входным и выходным концами, и при этом входные концы непосредственно соединены и открываются в сырьевой коллектор, а выходные концы непосредственно соединены и открываются в продуктовый коллектор, сырьевой коллектор имеет по меньшей мере одно соединение с сырьевой линией, а продуктовый коллектор имеет по меньшей мере одно соединение с продуктовой линией, в то время как часть по крайней мере одного из двух, сырьевого или продуктового, коллекторов является съёмной, что делает возможным доступ в концы каналов.

Панели реактора должны быть расположены между входным концом и выходным концом реакционной секции реактора и могут легко по отдельности заменяться, и при этом панели позволяют иметь большое разнообразие размеров и обеспечивают большую гибкость в отношении применения нагревающих сред для получения желаемых температурных профилей вдоль катализаторных труб.

Вместо пучка отдельных труб, что имеет место в известном многотрубном реакторе, реакционное пространство может быть образовано с помощью ряда реакторных панелей, каждая из которых имеет один сырьевой вход и один сырьевой выход для нескольких каналов, а не для каждой отдельной трубы, обеспечивая при этом большую лёгкость обращения с катализатором, поддерживания его и замены. Увеличенный реакционный объём не требует соединения всё большего и большего числа отдельных труб с сырьевой и продуктовой линиями, а может быть просто образован добавлением большего числа панелей или панелей другого типа.

Реакторные каналы взаимно соединены. Благодаря этому они образуют единое целое, обладающее высокой жёсткостью на сгиб, позволяя подвершивать панель в реактор только с одой опорой на верхнем конце.

Входные концы каналов непосредственно соединены и непосредственно сообщаются с сырьевым коллектором, что следует понимать как наличие открытого соединения, через которое реагирующие вещества из сырьевого коллектора могут поступать в каналы, и при этом входной конец канала виден изнутри коллектора. Непосредственно следует понимать как отсутствие каких-либо промежуточных конструкционных элементов типа чушек, хвостовиков, сильфонов, труб и т.п., а лишь наличие прямых соединительных средств типа болтовых фланцев и сварных швов.

Предпочтительно, чтобы входной конец каждой катализаторной трубы имел ограничивающее поток устройство, способное создавать близкое к критическому падение давления у поступающего в трубу сырьевого потока. Это гарантирует постоянство скорости потока сырья в каналы даже в том случае, когда падение давления в каналах не является строго одинаковым. Разница в падении давления может возникать из-за большой разницы в наполнении катализатором или упаковки катализатора, а также может возникать во время работы в результате накопления кокса. Близкое к критическому падение давление определяется как падение давления, под действием которого скорость потока составляет по меньшей мере 50%, преимущественно по меньшей мере 70% и более предпочтительно по меньшей мере 80% от критической скорости потока.

Реактор, кроме того, может содержать в себе экранирующие средства для предотвращения расположения панелей непосредственно напротив стенок реактора, что может привести к разнице в температуре между панелями, наиболее близкими к стенкам, и остальными панелями. Эти экранирующие средства могут быть при этом термостатированы отдельно от других панелей. Примерами таких экранирующих средств являются панели типа тех, которые содержат катализатор, но не содержащие катализатора и охлаждаемые изнутри.

Другие детали, технические условия, альтернативные и предпочтительные варианты осуществления и преимущества панелей в качестве средств для создания катализаторных каналов раскрыты в публикации, основанной на приоритетном документе находящейся одновременно на рассмотрении заявки ЕР 07013192.5, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.

- 5 017645

По крайней мере один из двух, сырьевой или продуктовый, коллекторов является целиком или частично съёмным, предоставляя тем самым доступ в концы каналов.

Частично съёмный коллектор может иметь отверстие, закрытое съёмной частью. Эта часть может быть шарнирно закреплена на краю коллектора и может переводиться в открытое положение либо же она может быть незакреплённой деталью, которую можно помещать на отверстие и удалять с отверстия. Эта деталь должна соединяться с коллектором плотно в отношении газов и жидкостей и предпочтительно легко удаляться. Соединение может осуществляться путём прижатия болтами отделяемой детали к коллектору, но деталь можно также и приваривать к коллектору, используя для её отделения разлом вдоль линии сварного шва.

После отделения съёмной детали отверстие обеспечивает доступ к концам каналов. Это позволяет без труда освобождать, очищать и вновь заполнять каналы. Предпочтительно, чтобы такое отверстие имелось как на сырьевом, так и на продуктовом коллекторе. Это позволяет освобождать каналы через один коллектор, располагая панель таким образом, чтобы этот коллектор находился в положении ниже другого коллектора, и перезаполнять каналы сверху через другой коллектор, сохраняя панели в одном и том же положении.

Отверстие может находиться в стенке коллектора, обращенной в сторону концов каналов, или в стенке, перпендикулярной направлению длины каналов. Первый из двух вариантов осуществления является более предпочтительным, поскольку обеспечивает наиболее лёгкий доступ.

Каналы преимущественно расположены не более чем в двух рядах, каждый из которых описывает ровную или искривлённую плоскость, причём эти плоскости проходят, по существу, параллельно. Таким образом, панели остаются узкими в первом измерении и предоставляют большую площадь для теплообмена относительно их объёма. Каналы преимущественно расположены в одном прямом или искривлённом ряду, повторяя форму реактора, в который должны быть помещены панели. В этом случае сырьевой и продуктовый коллекторы следуют форме ряда каналов. По этой причине панели являются плоскими, и, когда они расположены параллельно на должном расстоянии в реакторе, каналы легко досягаемы для нагревающей среды, протекающей в пространстве между панелями, что позволяет строго контролировать температуру каналов вдоль их длины.

Панель может быть сконструирована просто и дешево, например, из базовых элементов типа труб, свёрнутых плит, фитингов и листов с использованием широко известных строительных методов типа сварки, болтовых соединений и пр.

В реакторе согласно изобретению, содержащем в себе реакторные панели, реакторная панель преимущественно состоит из первой и второй параллельных плит, которые граничат через первую пару, по существу, параллельных наружных краёв и вторую пару наружных краёв, соединяющих края первой пары, где по крайней мере первая плита имеет чередующиеся плоские соединительные полосы и углубления каналов, имеющие входной конец и выходной конец, полосы и углубления расположены перпендикулярно первой паре краёв, плиты соединены между собой по крайней мере вдоль второй пары наружных краёв и соединительных полос, соединяющих углубления каналов первой плиты и обращенную к ним часть второй плиты, в результате чего образуются каналы, и, кроме того, панель включает в себя сырьевой коллектор, продуктовый коллектор и примыкающие каналы, длина каждого из которых ограничена входным концом и выходным концом, причём входные концы непосредственно соединены с сырьевым коллектором и сообщаются с ним, а выходные концы непосредственно соединены с продуктовым коллектором и сообщаются с ним, сырьевой коллектор имеет по меньшей мере одно соединение с сырьевой линией, а продуктовый коллектор является съёмным и обеспечивает доступ к концам каналов.

Имеющиеся каналы представляют собой комбинацию углублений каналов одной плиты и противоположную им часть другой плиты. Эта часть может быть углублением для каналов, плоской полосой или какой-либо другой плоской частью указанной другой плиты.

Каналы предназначены для заполнения их частицами катализатора таким образом, чтобы по возможности не допустить пустых объёмов по всей длине канала. Благодаря этому предотвращается опасность того, чтобы поступающая в каналы с входного конца текучая среда оставалась непрореагировавшей из-за недостаточного контакта с катализатором. Хотя поперечное сечение каналов может иметь любую форму, по указанной выше причине поперечное сечение каналов преимущественно имеет гладкую и правильную форму без острых углов. Примерами такой формы являются круглая, эллиптическая или многоугольная формы с закруглёнными краями.

Образующие панели конструкционные элементы должны состоять из материалов, соответствующих условиям реакции и процесса и компонентам, с которыми они окажутся в контакте. Известными материалами для применения в условиях химической реакции, являются металл(ы), металлические сплавы и керамические материалы. В данной области техники известно также использование слоёв защитных покрытий. Специалист сможет подобрать подходящие материалы с учётом предполагаемого применения. Предпочтительно, чтобы материал обладал достаточной теплопроводностью.

Размеры панелей определяются главным образом длиной и количеством каналов. Эти величины могут меняться в широких пределах в зависимости от типа реакции, производственной мощности и размера катализатора, для которого они предназначены. Поскольку большим преимуществом панели является её

- 6 017645 модульный характер, каждая панель может иметь значительно меньший размер, чем единый многотрубный пучок, необходимый в реакторе для той же реакции и обладающий той же производственной мощностью, что и соответствующая ему совокупность панелей.

Площадь поперечного сечения каналов должна зависеть от типа катализатора и реакции. Чем более эндотермична протекающая реакция, тем меньше необходимости в том, чтобы избегать неравномерностей профиля реакции на этой площади, в частности больших радиальных температурных градиентов, в катализаторном слое и обеспечивать достаточный отвод тепла от слоя катализатора к или от стенок канала. На практике эта площадь должна составлять от 5 до 300 см² и предпочтительно менее 200, 100 или даже 50 см².

Более существенным, чем площадь каналов, является наименьший линейный размер поперечного сечения каналов. Предпочтительно, чтобы наиболее короткое линейное расстояние от любой точки площади поперечного сечения канала к стенке канала было не больше 3,5 см. Более предпочтительно, чтобы это расстояние не превышало 2,5 см. Форма каналов может быть круглой, эллипсоидной или какой-либо другой, которая была бы ровной, правильной и не имела острых краёв.

Чтобы обеспечить внутри каналов желаемый поток, каналы не должны иметь слишком сглаженную форму. С этой целью на практике обычно самое большое из всех наиболее коротких расстояний должно быть преимущественно не менее 1 см в случае использования твердого катализатора и не менее 2 мм в случае использования газообразного катализатора.

Длина каналов может меняться в широких границах, причём наибольшая длина потенциально ограничена падением давления по длине канала. Это падение давления может зависеть от типа и плотности катализаторного слоя. Подходящая длина составляет от 0,5 до 10 м.

Толщина стенок каналов (эта толщина представляет собой толщину плит в том случае, когда панель образуют две параллельные плиты) должна быть достаточной для того, чтобы выдерживать воздействующие механические силы, например за счёт разницы давлений, силы тяжести или усилий при монтаже. Верхний предел толщины для панелей согласно изобретению, образуемых двумя параллельными плитами, будет практически ограничен тем требованием, чтобы плиты могли формоваться с помощью обычных способов. Практическая толщина может составлять от 0,5 до 5 мм.

Соответственным образом, размер панели будет определяться суммой размеров составляющих деталей. Например, этот размер в направлении длины каналов будет, по крайней мере, равным длине каналов плюс высота сырьевого и продуктового коллекторов в этом направлении. При этом толщина панели, представляющая собой размер перпендикулярно направлению длины каналов, будет, по крайней мере, равна диаметру канала в этом направлении плюс толщина стенки канала и толщина любых листов на внешней поверхности.

Такую панель легко изготавливать с большим разнообразием форм с помощью известных способов, например с помощью способа изготовления панелей радиаторов для центрального отопления или с помощью способов, существующих в автомобильной промышленности. Формование плит до желаемой формы и профиля, например с помощью горячего прессования, позволяет производить плиты сложных форм и профильных рисунков. В другом подходящем способе изготовления такой панели, известном как холодное гидравлическое прессование, две плоские плиты сваривают одну с другой по краям и во всех других местах, где плиты должны соединяться в формуемую после этого панель, и между плитами создаётся гидравлическое давление с целью раздутия несваренных частей с образованием требуемых каналов и коллекторов.

Другие детали, технические характеристики, альтернативные и предпочтительные варианты осуществления и преимущества этих панелей в качестве средств для создания катализаторных каналов раскрыты также в публикации, основанной на приоритетном документе находящейся одновременно на рассмотрении заявки ЕР 07013192.5, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.

Реактор согласно изобретению характеризуется также большим разнообразием в отношении теплообменных свойств. Можно легко подбирать положение и расстояние панелей, что позволяет создавать желаемый и эффективный теплообменный поток между панелями и нагревающей средой. Благодаря этому реактор согласно изобретению обладает тем преимуществом, что для создания желаемого маршрута потока нагревающей среды в реакционной секции вдоль панелей не требуется никаких перегородок. Другим преимуществом реактора согласно изобретению является то, что в случае закупорки каналов, утечки или других нарушений нужно удалить из реактора только проблемную панель и заменить её или только отключить, после чего работа может быть продолжена. Ремонт или замену катализатора можно производить отдельно для каждой панели в автономном режиме без остановки производства. В известном реакторе, содержащем в себе единый пучок труб, до завершения ремонта или замены катализатора производство останавливают.

Для обеспечения лёгкого удаления панелей часть реактора выше реакционной секции, по крайней мере, частично является съёмной.

Сочленение между панелью и сырьевой линией преимущественно является гибким в том смысле, что может поглощаться разница в тепловом расширении между панелями и сочленением с сырьевой линией, сводя напряжения к минимуму. Конструкционные элементы для достижения такой гибкости в тех

- 7 017645 нике известны и в качестве примеров можно упомянуть, что сырьевая линия включает кусок трубы кабельного типа или гофрированную соединительную деталь.

Панели должны быть установлены в реакторе, как правило, вертикально. В этом случае каналы направлены, по существу, по вертикали, а коллекторы в основном горизонтально. Панели должны, как правило, располагаться параллельно на некотором расстоянии друг от друга. Это расстояние может зависеть от режима потока нагревающей среды, создаваемого для требуемого теплопереноса, и может варьировать в пределах от 1 мм до 3 см. Возможны и большие расстояния, но они оказались менее эффективными для теплообмена, и при этом для них также требуется больший поток нагревающей среды. Под расстоянием между панелями в данном случае подразумевается наименьшее расстояние по нормали между двумя соседними параллельными панелями, измеренное между каналом одной панели до противоположного участка, канала или полосы соседней панели.

Панели могут устанавливаться внутри реактора, будучи поддерживаемыми, но не прикреплёнными к конструкционным элементам корпуса реактора. Корпус реактора является цельным конструкционным элементом, защищающим внутренний объём реактора от окружающей среды, и должен обладать обычными и известными свойствами корпуса реактора, адаптированного для соответствия условиям основной реакции и теплообмена. В частности, корпус включает в себя, по меньшей мере, теплогенерирующую секцию, реакторную секцию и верхнюю секцию свободного объёма.

Предпочтительно, чтобы панели могли перемещаться по отношению к корпусу в случае сжатия или расширения. Это предотвращает появление тепловых напряжений между панелями и корпусом.

Предпочтительно, чтобы панели были подвешены с опорой лишь у их верхнего конца. Это обеспечивает возможность того, что расширение или сжатие панелей будет причиной лишь минимальных напряжений, продлевая срок службы и надёжную работу панелей и, благодаря этому, реактора в целом.

Изобретение, кроме того, относится к применению реактора согласно изобретению для осуществления способа согласно изобретению.

В частности, изобретение относится к применению реактора согласно изобретению, содержащего реакторные панели описанной конструкции, для реакции дегидрогенизации насыщенного углеводорода или этилбензола, в частности С₂-С₈-алканов.

Далее изобретение будет дополнительно разъясняться с помощью следующих фигур, из которых: фиг. 1 - поперечное сечение первого варианта осуществления реактора согласно изобретению, содержащего трубы в качестве реакторных труб;

фиг. 2 - поперечное сечение второго варианта осуществления реактора согласно изобретению, содержащего реакторные панели;

фиг. 3 - поперечное сечение третьего варианта осуществления реактора согласно изобретению, содержащего реакторные панели;

фиг. 4 - график, демонстрирующий температурные профили нагревающей среды, стенки и потока сырья/продукта вдоль длины реактора;

фиг. 5 - график, демонстрирующий линию равновесного превращения и фактическую линию превращения в катализаторной трубе в реакторе согласно изобретению.

Фиг. 1-3 представляют реактор, имеющий реакторную стенку 4. Реактор содержит в себе секцию 6 теплообеспечения, входной конец 8 к реакционной секции 10, выходной конец 12 из реакционной секции 10, верхнюю секцию 14 свободного объёма и секцию 16 рециркуляции, включающую трубопроводы 18 и 20 и компрессор 22.

На фиг. 1 реакционная секция 10 включает реакторные трубы 24 и входной конец реакционной секции, соединённый с сырьевой линией 26 и на противоположном от них конце с продуктовой линией 28.

На фиг. 1-3 секция 6 теплообеспечения расположена под углом 90° по отношению к реакционной секции 10. Такая конструкция экранирует реакторные трубы от тепловой радиации, генерируемой теплогенерирующим устройством 30. Теплогенерирующим устройством 30 в данном варианте осуществления является горелка, соединённая с топливным входом 32 и входом 34 воздуха для горения.

Верхняя секция 14 свободного объёма соединена с выходом 36 для использованной нагревающей среды, который ведёт к внешней теплоутилизирующей секции (не показана). Секция 14 соединена также с трубопроводом 18 секции 16 рециркуляции, который, в свою очередь, соединён с компрессором 22. Выход компрессора 22 соединён трубопроводом 20 с секцией 6 теплогенерации, где рециркулируемая среда смешивается с производимой свежей нагревающей средой.

На фиг. 2 позиция 40 означает реакторную панель, видимую сбоку, которая свободно висит в реакционной секции 10 вместе с продуктовым коллектором 44, покоящемся на опорных выступах 46, прикреплённых к стенке 4 реактора. Сырьевой коллектор 48 соединён с сырьевой линией 26, а продуктовый коллектор 44 соединён с продуктовой линией 28. Панель 40 включает в себя катализаторные каналы 50.

Трубопровод 20 входит в секцию 6 теплогенерации через дно горелки 30, обеспечивая тем самым смешение рециркулируемой использованной нагревающей среды со свежей нагревающей средой непосредственно после её генерации. Не упомянутые особым образом номера имеют те же самые значения, что и на фиг. 1.

- 8 017645

На фиг. 3 секция 6 теплогенерации расположена вертикально под реакционной секцией 10. В реакционной секции 10 размещено несколько реакторных панелей 40, видимых сбоку. Нижняя часть коллекторов 48 сырья реакционных панелей 40 покрыты слоями 52 теплоизоляционного материала для экранирования частей панелей, обращенных в сторону горелки 30, от тепловой радиации этой горелки 30 (в данном случае ряда маленьких горелок).

Не упомянутые особым образом номера имеют те же самые значения, что и на фиг. 1.

На фиг. 4, где по оси X отложена относительная длина реактора от входного конца (0) до выходного конца (1), а по оси Υ отложена температура в °С, показаны три температурных профиля от входного конца до выходного конца реакционной зоны в реакторе, который изображён на фиг. 3, где проводится каталитическая дегидрогенизация пропана в пропилен в условиях, описанных в примере 1.

Линия 70 показывает температурный профиль нагревающей среды при её прохождении от входной стороны реакционной секции до её выходной стороны, постепенно охлаждающейся по мере того, как она переносит тепло катализаторным каналам. Линия 72 показывает соответствующий температурный профиль для стенок катализаторных каналов, которые поглощают тепло от проходящей вдоль них нагревающей среды. Кривая 72 показывает рост температуры в результате поглощения тепла от нагревающей среды и переноса тепла к потоку сырья/продукта в катализаторных трубах. Линия 74 показывает соответствующий температурный профиль для самого содержимого сырья/продукта, определяемый теплом, переносимым стенкой катализаторных каналов, и теплом, поглощаемым эндотермической реакцией в катализаторных каналах.

Температура стенки обнаруживает очень умеренные отклонения по длине трубы, что предотвращает тепловое и механическое напряжение в конструкции реактора и предотвращает локальные горячие участки.

На фиг. 5, где по оси X отложена температура в °С, а по оси Υ отложена конверсия, линия 76 представляет линию равновесной конверсии реакции дегидрогенизации пропана в пропилен. Линия 78 показывает реальную конверсию по длине катализаторных каналов от входного конца до выходного конца реакционной секции как функцию повышения температуры сырьевого/конвертированного потока (ср. с линией 74 на фиг. 4). В первой четверти температурного диапазона превращение в основном стимулируется большим количеством присутствующего неконвертированного сырья, в то время как в последней четверти главной стимулирующей силой является более высокая температура. В окончательном итоге почти достигается равновесное превращение при наиболее высокой температуре. Максимальная конверсия ограничена максимальной допустимой температурой, определяемой ухудшением качества катализатора или появлением нежелательных побочных реакций.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами, которыми оно не ограничивается.

Пример. Дегидрогенизация пропана.

Пропан подвергают дегидрогенизации до пропилена в показанном на фиг. 3 реакторе, в котором катализаторные каналы в панелях реактора заполнены служащим в качестве катализатора Ρί/8η на алюмооксидном носителе.

Смесь водяного пара и пропана (отношение пар/пропан 3,5 моль/моль) с температурой 550°С при давлении 0,25 МПа подают на сырьевые коллекторы реакторных панелей при часовой объёмной скорости жидкости (ЧОСЖ) 1,5 м³ пропана/м³ катализатора/ч. После прохода через катализаторные трубы выходящая смесь сырьё/продукт имеет температуру 630°С при давлении 0,15 МПа. Нагревающую среду подают на входной конец реакционной секции при температуре 1000°С. После прохода через реакционную секцию использованная нагревающая среда имеет температуру 715°С.

Температура стенок катализаторных каналов у входного конца равна 565°С, а у выходного конца 635°С.

Конверсия пропана составляет 72%, а селективность по пропилену 89%.

Claims (9)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ проведения эндотермической реакции в реакторе, содержащем катализаторные трубы, которые содержат катализатор, ускоряющий эндотермическую реакцию, при этом способ содержит стадии, на которых:

   a) катализатор в катализаторных трубах приводят в контакт с сырьевым потоком, проходящим через каналы от входного конца к выходному концу;

   b) внешнюю поверхность катализаторных труб приводят в контакт с потоком нагревающей среды, имеющей начальную температуру нагрева и протекающей прямоточно с потоком сырья, с целью конвекционного нагрева поверхности;

   c) смешивают по меньшей мере часть нагревающей среды, после её контакта с катализаторными трубами, с потоком свежей нагревающей среды, имеющей более высокую исходную температуру, чем начальная температура нагрева, с целью образования прямоточной нагревающей среды, имеющей начальную температуру нагрева.
2. 2. Способ по п.1, в котором производят снижение критического давления сырьевого потока у входного конца каждого канала.
3. 3. Способ по п.1 или 2, в котором свежей нагревающей средой являются дымовые газы из горелки.
4. 4. Способ по любому из пп.1-3, в котором эндотермической равновесной реакцией является реакция дегидрогенизации.
5. 5. Способ по п.4, в котором реакцию дегидрогенизации проводят на углеводороде, преимущественно на С₂-С₈-алкане или олефине, или на этилбензоле.
6. 6. Реактор для проведения эндотермического реакционного процесса для осуществления способа по п.1, содержащий секцию (6) теплообеспечения, содержащую теплообеспечивающее устройство (30), и при этом теплообеспечивающая секция сообщается с входным концом (8) реакторной секции, которая содержит катализаторные трубы и имеет выходной конец (12), сообщающийся с верхней секцией (14) свободного объёма, в то время как катализаторные трубы экранированы от тепловой радиации теплогенерирующего устройства, реактор, кроме того, содержит рециркуляционную секцию (16), соединяющую верхнюю секцию (14) свободного объёма с секцией (6) теплообеспечения, при этом нагрев катализаторных труб осуществляется только за счёт конвенционного нагрева.
7. 7. Реактор по п.6, в котором теплообеспечивающее устройство (30) содержит по меньшей мере одну горелку.
8. 8. Реактор по п.6 или 7, имеющий, кроме того, сырьевую линию (26) и продуктовую линию (28), при этом реакторная секция (10) включает в себя реакторные панели (40), каждая из которых содержит коллектор (48) сырья, коллектор (44) продукта и примыкающие к ним каналы, каждый из каналов имеет длину, ограниченную входным и выходным концами, при этом входные концы непосредственно соединены и открываются в коллектор (48) сырья, а выходные концы непосредственно соединены и открываются в коллектор (44) продукта, при этом коллектор (48) сырья имеет по меньшей мере одно соединение с сырьевой линией (26), а коллектор (44) продукта имеет по меньшей мере одно соединение с продуктовой линией (28), в то время как часть по меньшей мере одного из сырьевого (48) или продуктового (44) коллекторов является съёмной, предоставляя тем самым доступ в концы каналов.
9. 9. Реактор по любому из пп.6-8, в котором на входном конце каждой катализаторной трубы установлено ограничивающее поток устройство, пригодное для воздействия критическим падением давления на поступающий в трубу сырьевой поток.