EA025292B1 - Реактор для проведения автотермического газофазного дегидрирования - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к представленному на чертеже, в частности на фиг. 1, 2, реактору (1), имеющему форму цилиндра или призмы, для проведения автотермического газофазного дегидрирования углеводородсодержащего газового потока (2) в присутствии кислородсодержащего газового потока (3) на гетерогенном катализаторе, сформированном в виде монолита (4), с получением реакционной газовой смеси, причем внутреннее пространство реактора (1) разделено расположенным в продольном направлении реактора (1) газогерметичным корпусом G, имеющим форму круглого цилиндра или призмы, на внутреннюю область А с одной или несколькими каталитически активными зонами (5), в каждой из которых находится упаковка из монолитов (4), расположенных штабелем один на другом, один рядом с другим и один за другим, и перед каждой каталитически активной зоной (5) в каждом случае предусмотрена зона смешивания (6) с твердыми встроенными элементами, и внешнюю область В, расположенную коаксиально по отношению к внутренней области А, при этом внутренняя область А изолирована от внешней области В реактора (1) посредством микропористого изоляционного материала (15) с коэффициентом теплопроводности λ при температурах до 700°С меньшим чем 0,05 Вт/м∙К. Реактор согласно изобретению позволяет снизить расход энергии.

Description

Изобретение относится к реактору для проведения автотермического газофазного дегидрирования с применением гетерогенного катализатора, который сформирован в виде монолита, а также к способу с применением реактора.

Керамические или металлические монолиты применяют в качестве носителей катализаторов для катализаторов из благородных металлов на мобильных и стационарных установках для очистки отходящих газов. Каналы оказывают малое сопротивление потоку при одновременно равномерной доступности наружной поверхности катализатора для газообразных реакционных сред. Это является преимуществом по сравнению с нерегулярными насыпными катализаторами, в которых в результате бесчисленных изменений направления при прохождении потока вокруг частиц происходит большая потеря давления и поверхность катализатора используется неравномерно. Применение монолитов, как правило, представляет интерес для каталитических процессов с высокими объемными потоками и адиабатическим прохождением реакции при высоких температурах. Эти признаки встречаются в химической продукционной технике, в частности при реакциях дегидрирования, которые протекают в интервале температур от 400 до 700°С.

Успехи катализаторной техники создают возможность для селективного сжигания дегидрированного водорода в присутствии углеводородов, как описано, например, в патенте И8 7034195. Такого рода режим работы обозначают как автотермическое дегидрирование, и позволяет напрямую нагревать реакторы дегидрирования, так что отпадает необходимость в затратных установках для непрямого предшествующего и промежуточного нагревания реакционной смеси. Один способ такого рода описан, например, в патенте И8 2008/0119673. Однако этот способ имеет существенный недостаток, состоящий в том, что дегидрирование проводят на гетерогенном катализаторе в виде таблеток: большое сопротивление россыпи таблеток потоку требует большого поперечного сечения катализатора и, соответственно, относительно более низкой скорости прохождения потока, для того чтобы ограничить падение давления в каталитически активном слое. Этот недостаток выправляется с помощью очень затратного устройства для дозировки и распределения кислорода, что наносит ущерб преимуществу автотермического дегидрирования.

Из неопубликованной европейской патентной заявки ЕР 09177649.2 известен реактор, а также способ автотермического газофазного дегидрирования углеводородов с применением монолитно сформированных гетерогенных катализаторов, который гарантирует контроль горючих реакционных сред при высоких температурах реакции, часто в интервале от 400 до 700 °С, а также гарантирует простую доступность и обслуживание монолитов, в частности, при оснащении реактора, а также при замене катализатора.

В ЕР 09177649.2 предложен реактор в виде лежащего цилиндра для проведения автотермического газофазного дегидрирования содержащего углеводород газового потока с содержащим кислород газовым потоком с получением реакционной смеси в гетерогенном катализаторе, который сформирован в виде монолита, причем внутреннее пространство реактора разделено съемным корпусом С, закрепленным в продольном направлении реактора, имеющим форму круглого цилиндра или призмы, герметичным для газа в охватывающем направлении и открытым с обеих торцевых сторон, на внутреннюю область А с одной или несколькими каталитически активными зонами, в каждой из которых предусмотрена упаковка из лежащих штабелем один на другом, рядом один с другим и один за другим монолитов, и перед каждой каталитически активной зоной в каждом случае предусмотрена зона смешивания с твердыми встроенными элементами и расположенную коаксиально к внутренней области А внешнюю область В, с одним или несколькими подводящими трубопроводами для подлежащего дегидрированию, содержащего углеводород газового потока во внешнюю область В, изменения направления подлежащего дегидрированию, содержащего углеводород потока на одном конце реактора и подведения через выпрямитель потока во внутреннюю область А, с одним или несколькими, независимо один от другого регулируемыми подводящими трубопроводами для содержащего кислород газового потока, причем каждый подводящий трубопровод оснащен одной или несколькими распределительными камерами, в каждую зону смешивания, а также с отводящим трубопроводом для реакционной смеси автотермического газофазного дегидрирования на том же конце реактора, где вводится подводящий трубопровод для подлежащего дегидрированию, содержащего углеводород потока.

На конце реактора, на котором установлен отводящий трубопровод для реакционной смеси автотермического газофазного дегидрирования, предпочтительно предусмотрен трубчатый теплообменник с пучком трубок, через который подается смесь реакционных газов автотермического газофазного дегидрирования, а также с промежуточными пространствами между трубками, по которым противопотоком к реакционной смеси автотермического газофазного дегидрирования пропускают подлежащий дегидрированию, содержащий углеводород газовый поток.

В ЕР 10196216.5 описан реактор, который улучшен с точки зрения безопасности, и причем реактор в виде лежащего цилиндра или призмы для проведения автотермического газофазного дегидрирования содержащего углеводород газового потока с содержащим кислород газовым потоком, при котором получают реакционную газовую смесь на гетерогенном катализаторе, сформированном в виде монолита, причем внутреннее пространство реактора разделено съемным корпусом С, закрепленным в продольном направлении реактора, имеющим форму круглого цилиндра или призмы, герметичным для газа, на внут- 1 025292 реннюю область А с одной или несколькими каталитически активными зонами, в каждой из которых предусмотрена упаковка из лежащих штабелем один на другом, рядом один с другим и один за другим монолитов, и перед каждой каталитически активной зоной в каждом случае предусмотрена зона смешивания с твердыми встроенными элементами, и расположенную коаксиально к внутренней области А внешнюю область В, и причем на одном конце реактора на подсоединенном к корпусу С элементе предусмотрен теплообменник с одним или несколькими подводящими трубопроводами для подлежащего дегидрированию, содержащего углеводород газового потока, с одним или несколькими, независимо один от другого регулируемыми подводящими трубопроводами для содержащего кислород газового потока, причем каждый подводящий трубопровод оснащен одной или несколькими распределительными камерами, в каждую зону смешивания, а также с отводящим трубопроводом для реакционной смеси газов автотермического газофазного дегидрирования, и причем внешняя область В загружена газом, инертным при реакционных условиях автотермического газофазного дегидрирования, и подлежащий дегидрированию, содержащий углеводород газовый поток вводится через подающий трубопровод в теплообменник, нагревается в теплообменнике при непрямом теплообмене с реакционной смесью, движущейся противопотоком, и далее направляется к концу реактора противоположному теплообменнику, там изменяет направление и подается с помощью выпрямляющего поток устройства во внутреннюю область А и смешивается с содержащим кислород газовым потоком в зонах смешивания, после чего во внутренней области А реактора происходит автотермическое газофазное дегидрирование.

Таким образом, имеется в виду реактор с кожухом реактора, т.е. с выдерживающей давление оболочкой, которая не соприкасается со средой, т.е. как с содержащим углеводород потоком, так и с содержащим кислород потоком.

В связи с этим задача данного изобретения состояла в дальнейшем улучшении описанного выше реактора, в частности, в отношении расхода энергии.

Задача решается с помощью реактора, имеющего вид лежащего цилиндра или призмы, для проведения автотермического газофазного дегидрирования содержащего углеводород газового потока с содержащим кислород газовым потоком с получением реакционной газовой смеси на гетерогенном катализаторе, который сформирован в виде монолита, причем внутреннее пространство реактора разделено корпусом С, закрепленным в продольном направлении реактора, имеющим форму круглого цилиндра или призмы, герметичным для газа, на внутреннюю область А, с одной или несколькими каталитически активными зонами, в каждой из которых находится упаковка из расположенных штабелем один на другом, один рядом с другим и один после другого монолитов, и перед каждой каталитически активной зоной в каждом случае предусмотрена зона смешивания с твердыми встроенными элементами, и внешнюю область В, расположенную коаксиально по отношению к внутренней области А, на одном конце реактора на подсоединенном к корпусу С элементе предусмотрен теплообменник с одним или несколькими подводящими трубопроводами для подлежащего дегидрированию, содержащего углеводород газового потока, с одним или несколькими независимо один от другого регулируемыми подводящими трубопроводами для содержащего кислород газового потока, причем каждый подводящий трубопровод обеспечивает одну или несколько распределительных камер в каждой зоне смешивания, а также с отводящим трубопроводом для реакционной смеси автотермического газофазного дегидрирования, причем внешняя область В загружена газом, инертным при реакционных условиях автотермического газофазного дегидрирования, и подлежащий дегидрированию, содержащий углеводород газовый поток вводится через подающий трубопровод в теплообменник, нагревается в теплообменнике при непрямом теплообмене с реакционной смесью, движущейся противопотоком, и далее направляется к концу реактора, противоположному теплообменнику, там изменяет направление, и подается с помощью выпрямляющего поток устройства во внутреннюю область А, и смешивается с содержащим кислород газовым потоком в зонах смешивания, после чего во внутренней области А реактора происходит автотермическое газофазное дегидрирование, отличающийся тем, что внутренняя область А изолирована от внешней области В реактора посредством микропористого высокоэффективного изоляционного материала с коэффициентом теплопроводности λ при температурах до 700°С, меньшим чем 0,05 Вт/м-К.

Было обнаружено, что тепловые потери реактора, описанного в патенте ЕР 10196216.5, можно существенно уменьшить, если внутреннею область А реактора, в которую подводятся эдуктные потоки, т.е. подлежащий дегидрированию, содержащий углеводород газовый поток и содержащий кислород газовый поток, смешиваются между собой и реагируют с получением реакционной газовой смеси, которая при непрямом теплообмене предварительно нагревает содержащий углеводород эдуктный газовый поток и затем выходит из реактора, изолировать от внешней области В реактора, применяя микропористый высокоэффективный изоляционный материал. В связи с тем, что автотермическое газофазное дегидрирование во внутренней области А реактора происходит при высоких температурах от около 400 до 700°С, термическая изоляция внутренней области по отношению к внешней области В имеет огромное значение.

Для этого применяют согласно данному изобретению микропористые высокоэффективные изоляционные материалы с коэффициентом теплопроводности λ при температурах до 700°С, меньшим чем 0,05 Вт/м-К. Такого рода материалы описаны в справочнике УЭ1-ГСагтса11а5. 9. Аийаде 2002, АЪксЬтй КТ 8, в

- 2 025292 качестве непрерывно построенных суперизоляций. Суперизоляциями являются, соответственно, тепловые изоляции, общая теплопроводность которых отчетливо меньше, чем таковая покоящегося воздуха.

Изоляция согласно данному изобретению из микропористого высокоэффективного изоляционного материала обладает при одинаковом коэффициенте теплопередачи по сравнению с обычно используемыми волоконными изоляциями существенно меньшей теплоемкостью, а также существенно меньшим объемом. Низкая теплоемкость, однако, необходима для контроля температуры во время процесса сгорания при регенерации катализатора, в частности, небольшой объем благоприятствует, кроме того, интегрированию всех температурно нагруженных деталей в одном единственном общем корпусе.

В качестве микропористых высокоэффективных изоляционных материалов могут применяться, в частности, материалы из силикатных веществ. В частности, при этом имеются в виду высокодисперсная кремниевая кислота в качестве главного компонента и средство помутнения для минимизации инфракрасного излучения в качестве дальнейшего компонента. В качестве средства помутнения может также применяться смесь. Микропористые высокоэффективные изоляционные материалы могут быть, в частности, представлены в виде микропористых частиц со средним размером пор около 20 нм.

Такого рода материалы известны, например, как АИ8® ультра фирмы РогехШетт: АИ8® ультра содержит в качестве главного компонента около 80% диоксида кремния и наряду с этим около 15% карбида кремния и гарантирует особенно низкую передачу тепла как при теплопередаче, при конвекции, так и при излучении тепла.

По причине ячеистой структуры применяемого микропористого материала и того факта, что имеются в виду сферические частицы материала, точки контакта между частицами являются бесконечно малыми, а это в результате приводит к очень низкой твердотельной проводимости.

Теплопередача в результате проводимости тепла газом также является очень низкой. В связи с ячеистой структурой микропористого материала, имеющего средний размер пор 20 нм, который меньше средней длины пути свободного пробега газовой молекулы, это приводит главным образом к столкновениям газовых молекул со стенками пор, в результате чего обмен энергией между отдельными молекулами снижается до минимума.

Передача тепла в результате излучения тепла происходит через излучение электромагнитных волн и приобретает значение с растом температуры, в особенности выше 400°С. В результате добавления веществ, поглощающих инфракрасное излучение (средств помутнения), к микропористой смеси материалов таким образом существенно ограничивают передачу тепла.

По указанным выше причинам можно с помощью применяемых согласно данному изобретению микропористых изолирующих веществ достигнуть значительно более высокого изолирующего действия по сравнению с обычно применяемыми изолирующими веществами, такими как минеральные волокна, огнеупорные легковесные кирпичи или неорганические изолирующие пластины. Так, можно при одинаковом изолирующем действии, например, уменьшить толщину слоя в 6 раз и вес в 2-15 раз.

Дальнейшее улучшение может быть достигнуто в результате применения вакуумной технологии, при которой применяют вакуумные пластины или изготовленные из пластин формованные изделия.

В частности, корпус С, теплообменник, подводящий трубопрод для подлежащего дегидрированию, содержащего углеводород газового потока, а также подводящие трубопроводы для содержащего кислород газового потока изолированы по отношению к внешней области В реактора с помощью микропористого высокоэффективного изолирующего вещества.

Микропористое высокоэффективное изолирующее вещество предпочтительно применяют в виде пластин или изготовленных из пластин формованных изделий.

Предпочтительно пластины или изготовленные из пластин формованные изделия покрыты слоем из материала, который повышает их механическую стабильность.

Предпочтительно для этого применяют в качестве материала металл, более предпочтительно высококачественную сталь или алюминий.

Формованные изделия, изготовленные из пластин из микропористого высокоэффективного изолирующего вещества, изготовлены с возможностью зубчатого зацепления таким образом, что они при механической и термической нагрузке всегда обеспечивают сквозную изоляцию.

В продольном направлении реактора установлен цилиндрический или призматический корпус С, который разделяет внутреннее пространство реактора на внутреннюю область А и расположенную концентрически вокруг нее внешнюю область В.

Внешняя область В загружена газом, инертным при реакционных условиях автотермического газофазного дегидрирования, т.е. газом или газовой смесью, которая непосредственно не принимает участия в реакции автотермического газофазного дегидрирования, в частности, выбираемом из воды, двуокиси углерода, азота и благородных газов или их смесей. Предпочтительно в качестве газа, инертного при реакционных условиях автотермического газофазного дегидрирования, применяют водяной пар, так как его можно снова отделить простым образом, путем конденсации из реакционной смеси.

Предпочтительно газ, инертный при реакционных условиях автотермического газофазного дегидрирования, применяется в качестве промывного газового потока с небольшим массовым потоком по сравнению с массовым потоком содержащего углеводород газового потока, т.е. массовый поток от 1/5 до

- 3 025292

1/100, предпочтительно массовый поток от 1/10 до 1/50 в пересчете на массовый поток содержащего углеводород газового потока с небольшим избыточным давлением от 2 до 50 мбар, предпочтительно от 25 до 30 мбар в пересчете на давление во внутренней области А пропускают через эту область.

Промывной газовый поток можно предпочтительно проводить через внешнюю область В, причем его подводят у одного из концов реактора через один или несколько подводящих трубопроводов во внешнюю область В реактора и на противоположном конце реактора далее направляют во внутреннюю область А реактора, предпочтительно через один или несколько соединительных трубопроводов, предпочтительно установленных под углом, отличным от 90°, по отношению к подводящему трубопроводу для подлежащего дегидрированию, содержащего углеводород газового потока.

Один или несколько соединительных трубопроводов, которые направляют поток промывного газа из внешней области В во внутреннюю область А, предпочтительно оформлены с защитой от обратного потока, например, через спиральную форму трубопроводов. Впуск из внешней области В в соединительный трубопровод для промывного газового потока предпочтительно должен быть установлен как можно выше во внешней области В реактора.

Поток промывного газа непрерывно промывает внешнюю область В реактора и поддерживает эту область свободной от компонентов смеси реакционного газа.

К концу корпуса О подключен теплообменник, который, в частности, может быть теплообменником из пучка трубок или пластинчатым теплообменником. В случае теплообменника из пучка трубок подсоединение теплообменника к корпусу О оформлено таким образом, что внутренняя область А сообщается с внутренним пространством трубок теплообменника из пучка трубок. В случае пластинчатого теплообменника внутренняя область А реактора сообщается со щелями между пластинами пластинчатого теплообменника.

Промежуточное пространство между трубками теплообменника из пучка трубок, соответственно, между каждыми двумя листами жести, сваренными вместе в одну теплообменную пластину пластинчатого теплообменника, связано с помощью трубопровода, который ведет к концу реактора, противоположному теплообменнику, и там меняет направление, который соединен с концом корпуса О, противоположным теплообменнику, и тем самым с внутренней областью реактора герметично для газа в отношении внешней области В.

Содержащий углеводород поток нагревают, пропуская через промежуточное пространство между трубками теплообменника из пучка трубок, соответственно, в случае пластинчатого теплообменника через промежуточное пространство между листами жести, в каждом случае образующими пластину теплообменника, в противопоток потоку продуктного газа, циркулирующему через трубки, соответственно, через щели между пластинами пластинчатого теплообменника, подводят к противоположному концу реактора, там меняют направление и направляют во внутреннюю область А корпуса.

Автотермическое газофазное дегидрирование происходит в гетерогенном катализаторе, который представлен в виде монолитов.

Под монолитом в данном случае понимают цельный параллелепипедный блок с многочисленными расположенными параллельно между собой сквозными каналами с ограниченным поперечным сечением в интервале от 0,5 до 4 мм.

Монолиты предпочтительно образованы из керамического материала в качестве носителя, на который наносится каталитически активный слой предпочтительно так называемым мокрым способом.

Уложенные в упаковку штабелем рядом один с другим один на другом и один за другим монолиты предпочтительно укутаны во вспучивающиеся маты или в маты из минеральных волокон и вставлены в корпус с устройством для закрепления. В качестве матов из минеральных волокон предпочтительно применяют маты, используемые в катализаторах отходящих газов, например интерам® упаковочные маты фирмы 3М®.

Вспучивающиеся маты известны из каталитической очистки отходящих газов и описаны, например, в ΌΕ-Α 4026566: они состоят в существенной мере из керамических волокон с включениями слюды. В связи с включениями слюды вспучивающиеся маты при повышенной температуре имеют склонность к расширению, в результате чего достигается особенно надежное удерживание (фиксация) укутанного в него тела и при более высоких температурах.

Маты из минеральных волокон или вспучивающиеся маты выбирают таким образом, чтобы они расширялись под действием тепла и чтобы они, как правило, герметизировали керамические монолиты с корпусом, в частности, чтобы они препятствовали трению монолитов о корпус, а также препятствовали байпасному потоку реакционной газовой смеси вдоль внутренней стенки корпуса.

Вспучивающиеся маты, в которые укутаны монолиты, обеспечивают их стабильное положение, так как они при тепловом расширении проявляют упругость. В случае ошибочных условий упругость, однако, может ослабевать. В связи с этим предпочтительно предусмотреть натяжное устройство: для этого вспучивающийся мат на его конце, соответствующем выходу реакционной газовой смеси, охватывают Ипрофилем, образованным из устойчивой к высоким температурам ткани, которая может быть, например, металлической. В качестве удлинения для вспучивающихся матов устанавливают металлические профи- 4 025292 ли, которые поперечным сечением соответствуют поперечному сечению вспучивающихся матов, на них насаживаются и в направлении потока реакционной газовой смеси возрастающе расширяются. В результате этого металлические профили служат в качестве упора против сдвига вспучивающихся матов в направлении потока реакционной смеси газов.

Монолиты, укутанные во вспучивающиеся маты, установлены в корпусе.

Корпус предпочтительно изготовлен из материала, который при высоких нагрузках под воздействием высокой реакционной температуры, часто в области от 400 до 700°С, механически и химически стабилен и также не проявляет каталитической активности по отношению к автотермическому газофазному дегидрированию.

Корпус предпочтительно изготовлен из материала, который является термостойким, в частности изготовлен из высококачественной стали с номенклатурным номером материала 1.4541, 1.4910 или 1.4841.

Корпус должен быть по возможности тонким, для того чтобы обладать по возможности низкой теплоемкостью, и тем самым, чтобы ограничить потери тепла между внешней областью В и внутренней областью А.

Корпус может быть полностью термически изолированным.

Корпус может быть предпочтительно расположен в реакторе с зазором.

Корпус предпочтительно сформирован в виде прямоугольного параллелепипеда.

Предпочтительно боковые стенки корпуса, сформированного в виде прямоугольного параллелепипеда, сформированы снимаемыми по отдельности таким образом, чтобы можно было заменять полную упаковку или отдельные монолиты одной упаковки из одной каталитически активной зоны.

Отдельные монолиты укладывают штабелями рядом один с другим, один на другом и один за другим в необходимом количестве, чтобы заполнить каталитически активную зону, с образованием упаковки.

Перед каждой упаковкой в каждом случае предусмотрена зона смешивания с твердыми встроенными элементами, которые каталитически не активны. В зоне смешивания происходит смешивание газового потока, содержащего углеводород, с потоком, содержащим кислород, причем в первой зоне смешивания в направлении потока, куда попадает поток, происходит смешивание потока, содержащего кислород, с начальным вводимым потоком, содержащим углеводород, а в последующих зонах смешивания, куда попадает поток, в каждом случае происходит промежуточное питание газовым потоком, содержащим кислород, еще подлежащей дегидрированию, содержащей углеводород реакционной смеси.

Подлежащий дегидрированию, содержащий углеводород газовый поток предпочтительно может вводиться в теплообменник в двух или более местах, в частности, в качестве главного потока с более высоким массовым потоком и одного или нескольких побочных потоков с более низкими массовыми потоками по сравнению с главным потоком.

Для подогрева подлежащего дегидрированию, содержащего углеводород газового потока можно дополнительно к теплообменнику предусмотреть один или несколько дополнительных нагревателей. В качестве дополнительного нагревателя можно предпочтительно предусмотреть подвод водорода через подводящий трубопровод подлежащего дегидрированию, содержащего углеводород газового потока повозможности ближе к входам в зоны смешивания, которые установлены перед каждой каталитически активной зоной.

Альтернативно или дополнительно может быть предусмотрен электрический нагреватель, который предпочтительно является снимаемым, устанавливаемым в виде вставляемой системы во внешней области В реактора в подводящий трубопровод для содержащего углеводород потока после его выхода из теплообменника. Альтернативно или дополнительно в качестве дополнительного нагревателя может быть предусмотрена муфельная горелка.

В результате предпочтительного оформления реактора в виде лежащего цилиндра внутренняя область А, которая охватывает упаковки монолитов, имеет обширную опору и тем самым механически не нагружена. Кроме того, при этом оформлении реактора упрощен доступ к отдельным упаковкам монолитов.

Кожух реактора предпочтительно изготавливают из предназначенной для напорных резервуаров легированной стали, в частности, из высококремнистой стали, предпочтительно из котельной листовой стали ΗΙΙ, или из легированной стали с номенклатурным номером материала 1.4541, 1.4910 или 1.4841. Кожух реактора может быть выложен шамотной кладкой.

Каждая зона смешивания охватывает предпочтительно трубчатый распределитель, образованный из множества вставных трубок, параллельных между собой, установленных в одной плоскости перпендикулярно к продольному направлению реактора, которые связаны с одной или несколькими распределительными камерами и которые обнаруживают множество выходных отверстий, равномерно отстоящих друг от друга, для содержащего кислород газового потока из вставной трубки, а также множество равномерно отстоящих друг от друга смешивающих систем.

Смешивающие системы могут быть предпочтительно сделаны в виде смешивающих пластин.

Теплообменник предпочтительно представляет собой теплообменник из пучка трубок.

Теплообменник из пучка трубок предпочтительно изготавливают из высокожаропрочной высококачественной стали, в частности, из легированной стали с номенклатурным номером материала 1.4541, 1.4910 или 1.4841. Трубки теплообменника из пучка трубок закреплены на обоих концах в трубной ре- 5 025292 шетке предпочтительно без зазора путем внутреннего сваривания и трубные решетки теплообменника из пучка трубок на стороне горячего газа плакированы высокожаропрочной высококачественной сталью, в частности, легированной сталью с номенклатурным номером материала 1.4841.

Предпочтительно на том торце корпуса О, на котором содержащий углеводород газовый поток вводится во внутреннюю область А, устанавливают выпрямитель потока.

Предметом данного изобретения также является способ проведения автотермического газофазного дегидрирования с применением описанного выше реактора.

При предпочтительном полностью непрерывном способе работы могут применяться два или несколько реакторов, причем, как минимум, один реактор применяют для автотермического газофазного дегидрирования и одновременно, как минимум, в одном дальнейшем реакторе проводят регенерацию.

Автотермическое газофазное дегидрирование предпочтительно представляет собой автотермическое газофазное дегидрирование пропана, бутана, изо-бутана или бутена.

Реактор согласно данному изобретению и способ согласно данному изобретению показывают, в частности, то преимущество, что энергетический баланс автотермического газофазного дегидрирования в результате применения суперизолятора из микропористого высокоэффективного изолирующего вещества решающим образом улучшен по сравнению с обычно применяемыми реакторами.

Изобретение далее более подробно поясняется на одном примере исполнения, а также на рисунках.

На фигурах, в частности, показаны на фиг. 1 приведен продольный разрез в вертикальной плоскости предпочтительного варианта реактора в виде лежащего цилиндра согласно данному изобретению;

на фиг. 2 - продольный разрез с вертикальной продольной осью предпочтительного варианта реактора в виде стоящего цилиндра согласно данному изобретению;

на фиг. 3 - продольный разрез в горизонтальной плоскости реактора, представленного на фиг. 1;

на фиг. 4 - поперечный разрез в плоскости С-С реактора, представленного на фиг. 1;

на фиг. 5 - поперечный разрез в плоскости Ό-Ό реактора, представленного на фиг. 1;

на фиг. 6 - поперечный разрез в плоскости Е-Е реактора, представленного на фиг. 1;

на фиг. 7 - поперечный разрез в плоскости Р-Р реактора, представленного на фиг. 1; и на фиг. 8 схематически представлены зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры для микропористых высокоэффективных изолирующих материалов ^Όδ® фирмы РогехЛегт по сравнению с обычно применяемыми изолирующими материалами.

На фигурах одинаковые цифры для обозначения означают в каждом случае одинаковые или соответствующие признаки.

Продольный разрез в вертикальной плоскости на фиг. 1 схематически показывает предпочтительный вариант реактора 1 согласно данному изобретению, который питается подлежащим дегидрированию, содержащим углеводород газовым потоком 2 через трубопровод 7 и питается содержащим кислород газовым потоком 3 через подводящие трубопроводы 9 с распределительными камерами 10.

На фиг. 1 показано, что корпус О делит внутреннее пространство реактора 1 на внутреннюю область А и внешнюю область В. Во внутренней области установлены, например, три каталитически активные зоны 5, в каждой из которых предусмотрено по одной упаковке расположенных штабелем один на другом, один рядом с другим и один за другим монолитов 4, не показанных в деталях, и перед каждой каталитически активной зоной 5 в каждом случае предусмотрена зона смешивания 6 с твердыми встроенными элементами. Подлежащий дегидрированию, содержащий углеводород газовый потоком 2 пропускается через теплообменник 12, нагревается в результате непрямого теплообмена с реакционной смесью и далее подается к противоположному концу реактора, там меняет направление и через выпрямитель потока 8 поступает во внутреннюю область реактора А, в зонах смешивания 6 смешивается с содержащим кислород газовым потоком 3, после чего поступает в каталитически активные зоны 5, которые заполнены монолитами 4, где и происходит автотермическое дегидрирование в газовой фазе. Реакционную смесь отсасывают из реактора через резервуар-сборник 13 на выходе из теплообменника 12 через отводящий трубопровод 11.

Ссылочное число 14 обозначает переходник от геометрии конической формы на призматическую форму на входе во внутреннюю область А и ссылочное число 15 обозначает переходник от призматической формы на коническую форму при выходе продукции из теплообменника 12.

Ссылочное число 16 обозначает микропористый высокоэффективный изолирующий материал, который обозначен штриховкой и который непрерывно изолирует внутреннюю область А реактора 1 по отношению к внешней области В.

На фиг. 2 показано сечение реактора, аналогичного реактору, представленному на фиг. 1, который, однако, оформлен вертикально стоящим с вертикальной продольной осью.

На фиг. 3 показан тот же реактор, что и на фиг. 1, однако в продольном разрезе в горизонтальной плоскости.

На фиг. 4 показано поперечное сечение реактора, представленного на фиг. 1 и 2, в области зоны смешивания 6 (разрез С-С).

На фиг. 5 показано поперечное сечение того же самого реактора в области каталитически активной

- 6 025292 зоны 5 (разрез Ό-Ό).

На фиг. 6 показано поперечное сечение того же самого реактора в области поступления реакционного газа в теплообменник 12.

На фиг. 7 показано поперечное сечение того же самого реактора в области выхода реакционного газа из теплообменника 12.

Во всех представленных поперечных сечениях (фиг. 4-7) можно опознать изоляцию из микропористого высокоэффективного изолирующего материала (ссылочное число 16) , которая изолирует внутреннюю область А от внешней области В.

Из фиг. 8 отчетливо видны экстремально низкие значения коэффициентов теплопроводности у применяемых согласно данному изобретению микропористых высокоэффективных изолирующих материалов, например ^И8® фирмы РогехШегш, кривая 1, по сравнению с распространенными изолирующими материалами, т.е. кривой 2 для кремний-силикатных пластин, кривой 3 для матов из кальциймагний-силикатных волокон, кривая 4 для стекловаты (пластины или маты) и для минеральной ваты (маты), причем коэффициент теплопроводности λ в Вт/м-К откладывают на ординате по отношению к температуре в °С, откладываемой на абсциссе.

Изобретение далее поясняется более подробно на примере исполнения. В качестве примера детально описан предпочтительный вариант реактора 1 в промышленном масштабе.

Пример исполнения.

Размеры наружного кожуха (лежащий цилиндр с выпуклым днищем) составляют длина: 24500 мм, диаметр: 6000 мм.

Материал наружного кожуха: ΗΙΙ.

Расчетные параметры наружного кожуха давление: 7 бар(а), температура: 350°С.

Реактор состоит из следующих отдельных компонентов (материал 1.4541):

штука - подводящий трубопровод для подлежащего реакции газа ΌΝ1000 (ссылочный номер 7 на фиг. 1) (главный поток 80-100% регулируемый) через внешнюю стенку реактора к интегированному теплообменнику (ссылочный номер 12 на фиг. 1);

штука - теплообменник, интегрированный в виде пучка трубок, ссылочный номер 12, поток подлежащего реакции газа устремляется со стороны кожуха в перекрестном противопотоке; поток продуктного газа проходит через 11000 трубок 20 х 2 х 6000 мм; треугольный разделитель 26 мм; трубки разделены на две прямоугольные области каждая с размерами 3370 х 1000 мм. Сваривание трубок с трубной решеткой выполнено путем внутреннего сваривания. На холодной стороне теплообменника имеется компенсатор в поплавковом исполнении;

штука - подводящий трубопровод для подлежащего реакции газа ΌΝ600 (байпасный поток 0 20% регулируемый) через внешнюю стенку реактора к интегрированному теплообменнику;

штука - соединительный трубопровод для подлежащего реакции газа ΌΝ1000 от выхода из интегрированного теплообменника 12 ко входу в реактор. В соединительный трубопровод встроен дополнительный электрический нагреватель;

штука - подводящий трубопровод ΌΝ200 и система примешивания горючего газа 17 в соединительный трубопровод между выходом из интегрированного теплообменника 12 и входом во внутреннюю область А; система примешивания выполнена в виде перфорированной трубчатой системы. В качестве горючего газа применяют водород;

штука- переходник 14 конический от ΌΝ1000 круглого на прямоугольный (вход в корпус С) 3370 х 2850 мм с 3 интегрированными перфорированными листами в качестве выпрямителя потока 8;

штуки - зоны смешивания 6 с твердыми встроенными элементами перед каждой каталитически активной зоной 5, каждая из которых состоит из 20 распределительных трубок ΌΝ125;

штука- корпус С для размещения монолитов 4, размеры: 3370 х 2850 х 8500 мм. Монолиты предварительно собирают в большие упаковки с целью упрощения монтажа. Каждая упаковка состоит из 6 х 4 монолитов, которые разделены вспучивающимися матами. Маты защищены с торцевой стороны в направлении потока приклеенным металлическим ситом от распада и абразивного действия. Отдельные монолиты 4 защищены от сдвига распорками. Каждый упакованный модуль поддерживается с помощью стабильной коробки в напряжении. Отдельные упакованные модули выполнены в виде выдвигаемых модулей. Уплотнение выдвигаемого модуля по отношению к самому корпусу реактора происходит посредством тонкого герметичного мата;

штуки - каталитически активных зон 5, которые соответственно заполнены упакованными модулями из монолитов 4. Каждая каталитически активная зона 5 состоит из 15 рядов монолитов, установленных один за другим. Каждый ряд монолитов состоит из 240 монолитов. Вся каталитически активная зона 5 состоит из 3600 монолитов с размерами 150 х 150 х 15 0 мм. Отдельные ряды монолитов разделе- 7 025292 ны промежутками. В эти промежутки встроены соответствующие датчики для измерения температуры с целью регулирования и управления процессом;

штука - переходник от корпуса О к интегрированному теплообменнику 12. Размеры: 3370 х 2850 х 700 мм; прямоугольный. Переходник представлен в виде сварной конструкции;

штука - переходник 15 для реакционной газовой смеси из интегрированного теплообменника 12 с прямоугольного 3370 х 2850 мм на круглый ΌΝ1500; переходник оформлен коническим;

штука - отводящий трубопровод 11 ΌΝ1500 для реакционной газовой смеси через внешнюю стенку реактора;

штуки - подводящие трубопроводы ΌΝ600 9 для О₂-содержащего газа через внешнюю стенку реактора к разделительным камерам 10 каждой каталитически активной зоны 5.

Для всех встроенных внутрь элементов предусмотрена изоляция микропористым высокоэффективным изолирующим веществом (суперизоляция) 16, например из АИ8® фирмы РогехШетт, внутренней области А по отношению к внешней области В. Эта суперизоляция защищена от истирания металлической облицовкой (инкапсуляцией). Находящийся под давлением кожух реактора изолирован снаружи.

Claims (11)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Реактор (1), имеющий форму цилиндра или призмы, для проведения автотермического газофазного дегидрирования содержащего углеводород газового потока (2) в присутствии содержащего кислород газового потока (3) с получением реакционной газовой смеси на гетерогенном катализаторе, который сформирован в виде монолита (4), причем внутреннее пространство реактора (1) разделено корпусом О, закрепленным в продольном направлении реактора (1), имеющим форму круглого цилиндра или призмы, герметичным для газа, на внутреннюю область А с одной или несколькими каталитически активными зонами (5), в каждой из которых находится упаковка из расположенных штабелем один на другом, один рядом с другим и один после другого монолитов (4), и перед каждой каталитически активной зоной (5) в каждом случае предусмотрена зона смешивания (6) с твердыми встроенными элементами, и внешнюю область В, расположенную коаксиально по отношению к внутренней области А, на одном конце реактора (1) расположен теплообменник (12), подсоединенный к корпусу О; указанный реактор (1) снабжен одним или несколькими подводящими трубопроводами (7) для подлежащего дегидрированию, содержащего углеводород газового потока (2), указанный реактор (1) снабжен одним или несколькими независимо один от другого регулируемыми подводящими трубопроводами (9) для содержащего кислород газового потока (3), причем каждый подводящий трубопровод (9) снабжен одной или несколькими распределительными камерами (10) в каждой зоне смешивания (6), а также указанный реактор (1) снабжен отводящим трубопроводом (11) для реакционной смеси автотермического газофазного дегидрирования, причем внешняя область В загружена газом, инертным при реакционных условиях автотермического газофазного дегидрирования, отличающийся тем, что внутренняя область А изолирована от внешней области В реактора посредством микропористого высокоэффективного изоляционного материала (16) с коэффициентом теплопроводности А при температурах до 700°С, меньшим чем 0,05 Вт/м-К.
2. 2. Реактор (1) согласно п.1, отличающийся тем, что он сформирован в виде лежащего цилиндра или призмы.
3. 3. Реактор (1) согласно п.1 или 2, отличающийся тем, что корпус О, теплообменник (12), подводящий трубопровод (7) для подлежащего дегидрированию содержащего углеводород газового потока (2), а также подводящие трубопроводы (9) для содержащего кислород газового потока (3) изолированы по отношению к внешней области В реактора (1) посредством указанного микропористого изоляционного материала (16).
4. 4. Реактор (1) согласно п.3, отличающийся тем, что указанный микропористый изоляционный материал (16) нанесен на обращенную к внешней области В реактора (1) сторону корпуса О, теплообменника (12), подводящего трубопровода (7) для подлежащего дегидрированию содержащего углеводород газового потока (2), а также подводящего трубопровода (9) для содержащего кислород газового потока (3).
5. 5. Реактор (1) согласно одному из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве указанного микропористого изоляционного материала (16) применяют материал из высокодисперсной кремниевой кислоты в качестве главного компонента и средства помутнения для минимизации инфракрасного излучения в качестве дополнительного компонента в виде микропористых частиц со средним размером пор около 20 нм.
6. 6. Реактор (1) согласно одному из пп.1-5, отличающийся тем, что указанный микропористый изоляционный материал (16) применяют в виде пластин или изготовленных из пластин формованных деталей.
7. 7. Реактор (1) согласно п.6, отличающийся тем, что пластины или изготовленные из пластин формованные детали покрыты слоем (17) из материала, который повышает их механическую стабильность.
8. 8. Реактор (1) согласно п.7, отличающийся тем, что материал, повышающий механическую стабильность, из которого образован слой (17), представляет собой металл, предпочтительно сталь или алюминий.
9. 9. Реактор (1) согласно одному из пп.6-8, отличающийся тем, что изготовленные из пластин формованные детали из указанного микропористого изоляционного материала (16) изготовлены с возможно- 8 025292 стью зубчатого зацепления таким образом, что они при механической и термической нагрузке всегда обеспечивают сквозную изоляцию.
10. 10. Способ проведения автотермического газофазного дегидрирования с применением реактора согласно одному из пп.1-9, причем способ включает стадии, на которых подлежащий дегидрированию содержащий углеводород газовый поток (2) вводят через подающий трубопровод (7) в теплообменник (12), где указанный газовый поток (2) нагревают в теплообменнике (12) при непрямом теплообмене с реакционной смесью, движущейся противопотоком к указанному газовому потоку (2), нагретый газовый поток (2) из теплообменника (12) подают к концу реактора, расположенному в противоположной стороне от теплообменника (12), где указанный газовый поток (2) меняет свое направление, с помощью выпрямляющего поток устройства (8) указанный газовый поток (2) подают во внутреннюю область А реактора (1), затем смешивают с содержащим кислород газовым потоком (3) в зонах смешивания (6), после чего во внутренней области А реактора (1) происходит автотермическое газофазное дегидрирование.
11. 11. Способ согласно п.10, отличающийся тем, что автотермическое газофазное дегидрирование представляет собой дегидрирование пропана, бутана, изобутана, бутена или этилбензола.