Pierwszenstwo: Opublikowano: 09.VI.1969 (P 134 095) 29.11.1972 64448 KI. 12 g, 4/02 MKP B 01 j, 9/04 UKD Wspóltwórcy wynalazku: Stanislaw Ciborowski, Andrzej Krzysztoforski Wlasciciel patentu: Zaklady Azotowe im. F. Dzierzynskiego, Tarnów (Polska) Reaktor typu plaszczowo-rurkowego do prowadzenia procesów katalitycznych Przedmiotem wynalazku jest reaktor typu plaszczo¬ wo-rurkowego sluzacy do prowadzenia procesów katali¬ tycznych, szczególnie w fazie parowej, umozliwiajacy osiagniecie wysokiego stopnia przereagowania substra- tów a w szczególnych przypadkach ilosciowe przereago- wanie jednego z nich.Reaktory typu plaszczowo-rurkowego sa stosowane najczesciej w przypadku reakcji katalitycznych o znacz¬ nym efekcie cieplnym. Katalizator — najczesciej w for¬ mie pastylek — umieszczony jest wewnatrz rurek. Przez wnetrze rurek przeplywa mieszanina substratów, ulega¬ jac przereagowaniu na katalizatorze.Przestrzen miedzyrurkowa reaktora wypelniona jest zazwyczaj medium sluzacym do odbioru lub doprowa¬ dzenia ciepla reakcji. W przypadku reakcji egzotermicz¬ nych, bedzie to najczesciej woda pod odpowiednim ci¬ snieniem, ciecz o odpowiedniej temperaturze wrzenia, która odparowujac odbiera cieplo reakcji oraz utrzymu¬ je wlasciwa temperature, lub ciecz niewrzaca, która cyr- kuluje sie przez wymiennik ciepla. W przypadku reakcji endotermicznych bedzie to zazwyczaj ciekly nosnik cie¬ pla o odpowiedniej temperaturze lub gorace gazy spali¬ nowe, które przeplywajac przez przestrzen miedzyrurko¬ wa (zwykle wyposazona w szykany zwiekszajace wspól¬ czynnik wnikania ciepla) ochladzaja sie w pewnym stop¬ niu, oddajac czesc swej entalpii reagentom na pokrycie deficytu ciepla i tym samym umozliwiaja utrzymanie wlasciwej temperatury procesu.W obu powyzszych przypadkach reakcja biegnie wiec w warunkach w zasadzie izotermicznych, okreslonych 10 15 20 25 30 kinetyka i przejawem cieplnym reakcji oraz warunkami wymiany ciepla, co stanowi zalete reaktorów plaszczo- wo-rurkowych.Jednakze wiadomo, ze znane reaktory plaszczowo-rur- kowe posiadaja istotna wade, wynikajaca z nierówno¬ miernego ukladania sie kataliaztora w czasie jego wsy¬ pywania do rurek. Powoduje to niejednakowe opory przeplywu w poszczególnych rurkach, a stad nierówno¬ mierny rozdzial przeplywu reagentów. Przez rurki da¬ jace mniejszy opór przeplywa wiecej reagentów, co pro¬ wadzi do skrócenia czasu kontaktowania i stad niepel¬ nego przereagowania.Wada ta ma zasadnicze znaczenie w przypadkach ta¬ kich reakcji, gdzie mozliwe, badz niezbedne jest osiag¬ niecie stanu zblizonego do stanu równowagi, a w szcze¬ gólnych przypadkach osiagniecie wysokiego stopnia prze¬ reagowania substratów, badz nawet ilosciowe przereago- wanie jednego z nich — podstawowego (przy zalozeniu, ze w przypadku dwóch substratów — drugi ze wzgledu na statyke reakcji musi znajdowac sie w nadmiarze).Typowym przykladem jest reakcja uwodornienia benze¬ nu, której statyka i kinetyka pozwala — przy zachowa¬ niu pewnego nadmiaru wodoru — na calkowite prze- reagowanie benzenu do cykloheksanu, natomiast niepel¬ ne przereagowanie powodowaloby koniecznosc oczysz¬ czania cykloheksanu od benzenu, co jest zagadnieniem trudnym i kosztownym (zblizone temperatury wrzenia obu zwiazków oraz ich azeotropu).Nierównomiernosc oporów w poszczególnych rurkach wplywa ponadto na fakt, ze w rurkach o mniejszym 6444864448 oporze katalizator szybciej ulega zatruciu, gdyz wiecej reagentów zawierajacych pewne ilosci trucizn katalizato¬ ra przeplywa przez te rurki. Fakt ten dodatkowo sprzyja przedostawaniu sie substratów przez warstwe katalizato¬ ra i obecnosci ich w mieszaninie produktów reakcji, oraz w konsekwencji zmusza do czestszej wymiany kataliza¬ tora badz stosowania wiekszego wsadu, a zatem powo¬ duje zwiekszone zuzycie katalizatora.Przedstawionej wyzej wadzie reaktorów typu plasz- czowo-rurkowego usiluje sie zapobiegac, np. droga kon¬ troli oporów przeplywu w momencie napelniania rurek katalizatorem. Jest to jednak sposób nieskuteczny, gdyz ulozenie katalizatora zmienia sie równiez w czasie pra¬ cy reaktora wskutek przeplywu reagentów i ograniczo¬ nej odpornosci mechanicznej katalizatora.Dalsza wada znanych reaktorów typu plaszczowo-rur- kowego jest to, ze nie sa one odpowiednio dostosowane do zmieniajacej sie na drodze przeplywu reagentów in¬ tensywnosci wydzielania ciepla. Reaktor plaszczowo-rur- kowy jest rozwiazaniem drogim i o ile rozwiazanie to uzasadnione jest w pelni dla poczatkowej strefy reakcji charakteryzujacej sie duzym przejawem cieplnym na jednostke objetosci katalizatora, o tyle stosowanie tak samo rozwinietej powierzchni wymiany ciepla w kon¬ cowej strefie reakcji nie jest potrzebne, a powoduje zwiekszenie kosztu aparatu.Wszystkie powyzsze wady eliminuje niniejszy wyna¬ lazek, który przy odpowiednich warunkach statycznych i kinetycznych reakcji zapewnia maksymalne przereago- wanie substratu niezaleznie od równomiernosci ulozenia sie katalizatora w rurkach, oraz pozwala zmniejszyc zu¬ zycie katalizatora, zapewniajac równoczesnie zwartosc, prostote i taniosc konstrukcji.Reaktor wedlug wynalazku posiada oprócz podstawo¬ wych rurek katalitycznych przynajmniej jedna dodatko¬ wa rure zbiorcza o wiekszej srednicy, równiez wypelnio¬ na katalizatorem. Rura ta jest wbudowana do wnetrza reaktora w taki sposób, ze calosc mieszaniny reakcyjnej po przejsciu przez rurki podstawowe musi przeplywac przez nia zanim opusci reaktor. Objetosc rury zbiorczej w pelni zabezpieczajacej przewidywany efekt korzystnie wynosi od 2 do 30%, najkorzystniej od 15 do 25% obje¬ tosci wszystkich rurek podstawowych. Umieszczenie jej we wnetrzu reaktora eliminuje koniecznosc dodatkowej kontroli badz regulacji temperatury.Przedmiot wynalazku w jednym z mozliwych rozwia¬ zan konstrukcyjnych jest zilustrowany schematycznie na rysunku z uwidocznieniem podstawowych rurek 1 i do¬ datkowej rury zbiorczej 2. 5 Dzialanie reaktora wedlug wynalazku podane jest przykladowo ponizej: Mieszanina substratów reakcji wchodzi do reaktora króccem. 3, a nastepnie wchodzi do rurek podstawowych 1 wypelnionych katalizatorem. Za¬ chodzi tu reakcja, której cieplo odbierane jest przez 10 scianki rurek do medium znajdujacego sie w przestrzeni miedzyrurkowej. Pary wrzacego medium uchodza króc¬ cem 4, odseparowana w osobnym aparacie ciecz wraca króccem 5. Mieszanina reakcyjna wychodzaca z rurek podstawowych zawiera wskutek nierównomiernego ulo- 15 zenia katalizatora rózne ilosci nieprzereagowanego pod¬ stawowego substratu. Maksymalne jego przereagowanie nastepuje w rurze zbiorczej 2, do której wchodzi mie¬ szanina reakcyjna ze wszystkich rurek podstawowych.Katalizator w rurze zbiorczej wyrównuje zatem efekt 20 dzialania katalizatora w rurkach podstawowych, powo¬ dujac maksymalne przereagowanie podstawowego sub¬ stratu. Efekt cieplny reakcji jest tu juz nieduzy gdyz do rury zbiorczej wchodza reagenty zawierajace male ilo¬ sci podstawowego substratu, np. 1 % w stosunku do lacz- 25 nej ilosci produktu i substratu. W rurze zbiorczej pro¬ ces moze wiec przebiegac adiabatycznie, gdyz ilosc wy¬ dzielonego ciepla reakcji jest niewielka, a wiec nie mo¬ ze spowodowac przegrzania reagentów w stopniu wiek¬ szym od dopuszczalnego. Produkt wychodzi z reaktora 30 króccem 6. PL