Opis patentowy opublikowano: 15.03.1977 84502 MKP BOIj 9/04 Int. Cl2. B01J 8/00 CZYTELNIA U- «ckj Pa-tefitswego Twórcawynalazku: Uprawniony z patentu: Rheinstahl AG, Essen (Republika Federalna Niemiec) Reaktor do prowadzenia reakcji katalitycznych przy uzyciu stalego podloza katalitycznego Przedmiotem'wynalazku jest reaktor do prowadzenia reakcji katalitycznych przy uzyciu stalego podloza katalitycznego, skladajacy sie ze zbiornika reaktorowego i chlodnicy. Zbiornik reaktorowy jest utworzony przez czesc reaktorowa wyposazona w rury kontaktowe zamocowane pomiedzy plytami sitowymi oraz z wlotowej i wylotowej komory gazowej. Chlodnice reaktora stanowi zbiornik o malej wysokosci i duzej srednicy, z przestrzenia wodna i przestrzenia parowa i z wbudowana wezownica.Znane sa pionowe rurowe aparaty reakcyjne do przeprowadzania reakcji fazy gazowej w obecnosci umieszczonych na stale kontaktów (stalego podloza katalitycznego), w których gaz reagujacy przeplywa przez rury kontaktowe, pieca rurowego z stalym podlozem katalitycznym, i w których na zewnatrz rur kontaktowych, krazy w odpowiednim obiegu umieszczonym w reaktorze lub poza reaktorem czynnik chlodzacy, na przyklad stopione sole. < W niemieckim opisie patentowym 1 181 177 opisano reaktor, w którego wnetrzu umieszczono kosztowne urzadzenie, z mieszadlem zanurzonym w kapieli solnej i z chlodnica kapieli solnej, wykorzystujaca odprowadza¬ ny nadmiar ciepla bedacego wynikiem reakcji. W reaktorze wedlug niemieckiego opisu patentowego 1 642 996, chlodnica kapieli solnej jest umieszczona powyzej reaktora natomiast pozostale elementy konstrukcyjne sa tak samo rozwiazane jak w reaktorze wspomnianym poprzednio.W obydwu znanych reaktorach, kapiel solna przeplywa równolegle do rur kontaktowych. Wada rozwiaza¬ nia jest to, ze umieszczenie wspomnianego urzadzenia w srodku reaktora,zmniejsza przestrzen dla wbudowania dalszych rur kontaktowych a sam reaktor wskutek umieszczenia w nim urzadzenia zanurzonego i chlodnicy kapieli solnej staje sie ciezki i skomplikowany.Powyzsza wada zostala czesciowo usunieta w innym znanym rozwiazaniu, w którym urzadzenie obiegowe kapieli solnej i chlodnica kapieli solnej nie sa umieszczone we wnetrzu reaktora, a sa jedynie do niego bezposrednio przymocowane (patrz P. Ellwood, Chem. En. 2 czerwiec 1969, str. 80 ff).Równiez w tym przypadku zwraca sie uwage na to, ze kapiel solna przeplywa równolegle do rur kontaktowych. <2 * 84 502 Wspólna wada wszystkich znanych reaktorów jest to, ze mieszadlo kapieli solnej i przylaczona do niego chlodnica kapieli solnej sa umieszczone w reaktorze lub bezposrednio na nim, a takze to, ze kapiel solna krazy równolegle do rur kontaktowych. Wada polega na tym, ze wskutek bezposredniego sprzegniecia reaktora z mieszadlem kapieli solnej napedzanym przy pomocy silnika, na reaktor i na mase kontaktowa znajdujaca sie w rurach kontaktowych przenosza sie drgania, które powoduja w krótkim czasie kruszenie sie mas kontaktowych i niewytrzymalego podloza tych mas, w wyniku czego zostaja zatkane rury kontaktowe, a w konsekwencji zachodzi koniecznosc przedwczesnej wymiany masy kontaktowej.Ponadto, w wielu przypadkach reakcji, w czasie których wywiazuje sic? wielka ilosc ciepla, równolegly do rur kontaktowych przeplyw kapieli solnej nie wystarcza do odprowadzenia tego ciepla. Dalsza wada jest to, ze powyzej reaktora nalezy przewidziec wolna przestrzen umozliwiajaca montaz i demontaz mieszadla i chlodnicy kapieli solnej.Najwieksza wada znanych reaktorów z centralnie umieszczonym mieszadlem kapieli solnej i chlodnica tej kapieli jest to, ze przy okreslonej z góry srednicy reaktora, liczba rur kontaktowych o okreslonej srednicy, która mozna umiescic w reaktorze jest ograniczona, co wplywa niekorzystnie na moc reaktora. Maksymalna srednica reaktora jest okreslona, np. w*przypadku transportu szynowego lub kolowego, tzw. skrajnia ladunkowa.Celem wynalazku jest usuniecie wymienionych wad. Dla osiagniecia tego celu, postawiono zadanie takiego uksztaltowania wspomnianego na poczatku reaktora, by czynna powierzchnia chlodzaca chlodnicy o malych rozmiarach mogla byc zmieniana w zaleznosci od ilosci nadwyzki ciepla, która nalezy w wyniku reakcji odprowadzic, a która nie jest wielkoscia stala, i by.przy mozliwie prostej budowie zbiornika reaktorowego mozna bylo uniknac przenoszenia drgan na mase znajdujaca sie w rurach kontaktowych. Chlodnica powinna byc tak zaprojektowana, by zapewnic optymalne chlodzenie przy mozliwie najmniejszych wymiarach.Wedlug wynalazku, zadanie zostalo rozwiazane tak, ze zbiornik reaktorowy i chlodnica sa polaczone miedzy soba jedynie poprzez przewód rurowy i moga byc ustawiane w dowolnym wzajemnym odstepie. Wedlug wynalazku zbiornik reaktorowy utworzony jest z jednej lub kilku sekcji rurowych, a kazda z sekcji rurowych posiada przewód doplywowy i odplywowy z rozdzielaczem o poziomych przelotach dla czynnika wymieniajace¬ go cieplo, a w poblizu rur kontaktowych umieszczono naprzemian szereg pierscieniowych i wspólsrodkowych deflektorów.Doprowadzanie i odprowadzanie czynnika wymiany ciepla, poprzez rozdzielacze o poziomych przelotach oraz zastosowanie pierscieniowych i wspólsrodkowych deflektorów daje w wyniku optymalne i skuteczne chlodzenie dzieki temu, ze rury kontaktowe sa oplywane pod katem prostym wzgledem ich osi wzdluznej .Dla zapewnienia równomiernego doplywu czynnika wymiany ciepla z obrzeza plaszcza reaktora do naczynia reaktorowego, przewody: doplywowy i odplywowy umieszczono, odpowiednio na górze i na dole kazdej z sekcji rurowych. Przewody stanowia wygiete pierscieniowo ceowniki, polaczone z sekcja rurowa i skierowane swym rozwarciem do wewnatrz. Do dolnego ceownika jest przymocowany króciec wlotowy a do górnego wylotowy. « W plaszczu kazdej z sekcji rurowych, w poblizu ceownika, jest wykonanych po kilka otworów rozmieszczo¬ nych na obwodzie plaszcza.W górnej i dolnej czesci plaszcza kazdej z sekcji rurowych, mozna zamiast ceownika zainstalowac rurowy przewód pierscieniowy polaczony z plaszczem sekcji rurowej krótkimi odcinkami rur umocowanymi promienio¬ wo. ' ¦ W innym jeszcze rozwiazaniu wedlug wynalazku, doprowadzenie i odprowadzenie czynnika wymiany ciepla jest utworzone przez pierscieniowe rozszerzenie dolnego i górnego zakonczenia plaszcza kazdej z sekcji rurowych, przy czym do dolnego rozszerzenia jest przymocowany króciec wlotowy, a do górnego wylotowy.Srodkowa czesc plaszcza, w poblizu kazdego z pierscieniowych rozszerzen, moze byc przedluzona w kierunku osiowym az do plyt sitowych. Wynalazek przewiduje, ze w przedluzeniach tych sa wykonane garby lub wyciecia. Wynalazek przewiduje, równiez, ze dla bardziej skutecznego równomiernego doprowadzania i odprowadzania czynnika wymieniajacego cieplo, poziome otwory, wlotowy i wylotowy posiadaja przekrój zwiekszajacy sie w kierunku do sekcji rurowej.W innym jeszcze, korzystnym rozwiazaniu wynalazku, zarówno doprowadzenie jak i odprowadzenie czynnika wymiany ciepla jest utworzone przez umieszczony centralnie i sztywno zamocowany w plycie sitowej przewód rurowy, którego skierowane do wewnatrz plaszcza zakonczenie jest doprowadzone do najblizszego deflektora wspólsrodkowego, i w którego sciance, w obszarze zawartym pomiedzy sciana sitowa a deflektorem, sa wykonane otwory rozlozone na obwodzie scianki. « Jezeli warunki budowy lub inne czynia to celowym, mozna jednoczesnie stosowac doprowadzenia i odprowadzenia spotykane w kilku opisanych rozwiazaniach.84 502 3 Zgodnie z wynalazkiem zaleca sie dla zapewnienia, w przypadku przerwy w pracy, przyspieszonego usuniecia czynnika wymiany ciepla przez króciec wlotowy, w przewodzie wylotowym zainstalowac zawór, do którego doprowadza sie pod cisnieniem gaz obojetny. Zabezpiecza to przed przedwczesnym zakrzepnieciem kapieli solnej w czasie oprózniania.Przedmiot wynalazku zostal wyjasniony w przykladach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedsta¬ wia schematycznie reaktor, fig. 2 — reaktor, w którym czynnik chlodzacy jest doprowadzany poprzez pierscie¬ niowe ceowniki, w przekroju pionowym, fig. 3 — reaktor, w którym doprowadzenie i odprowadzenie czynnika wymieniajacego cieplo jest utworzone przez pierscieniowe rozszerzenia, w przekroju pionowym, fig. 4 — reaktor, w którym doprowadzenie i odprowadzenie czynnika wymiany ciepla odbywa sie przez przewody rurowe umieszczone centralnie w plytach sitowych, w przekroju pionowym, fig. 5 - reaktor, w którym czesc reaktora sklada sie z dwóch sekcji rurowych, tak jak na fig. 2, umieszczonych jedna nad druga, w przekroju pionowym. « Jak to pokazano na fig. 1, reaktor sklada sie ze zbiornika reaktorowego 1 i chlodnicy 7 kapieli solnej.Zbiornik reaktorowy jest utworzony z komory wlotowej 2, gazu, komory wylotowej 3 gazu i z sekcji rurowej 4.W sekcji rurowej umieszczono naprzemian nad soba szereg wspólsrodkowych i pierscieniowych deflektorów 5, powodujacych ze przeplyw odbywa sie poprzecznie w stosunku do osi zbiornika aeaktorowego.Wylot z sekcji rurowej zbiornika reaktorowego jest polaczony przewodem rurowym 6 z chlodnica kapieli solnej, ustawiona w takiej odleglosci by jej drgania nie mogly sie przeniesc na zbiornik. Chlodnica 7 zawiera wezownice 10, a przewód 8 doprowadzajacy wode do chlodnicy/zawiera urzadzenie regulacyjne 9 sterowane temperatura kapieli solnej i sluzace do plynnej zmiany,czynnej powierzchni chlodniczej. Ochlodzony w chlod¬ nicy czynnik wymiany ciepla zostaje wprowadzony do (nie przedstawionego na rysunku) znanego zbiornika roztapiajacego wyposazonego w urzadzenie przetlaczajace i skierowany do wlotu zbiornika reaktorowego.Pierwsza odmiane wykonania zbiornika reaktorowego wedlug wynalazku przedstawiono na fig. 2 i fig. 5.Na fig. 2 pokazano reaktor posiadajacy jedna sekcje rurowa 4, a na fig0 5 posiadajacy dwie takie sekcje. Kazda z sekcji rurowych otoczona jest cylindryczny nr. plaszczem 11 z kompensatorem dylatacyjnym 12, kompensuja¬ cym rozszerzalnosc cieplna. Sekcja rurowa sklaaa sie z dolnej plyty sitowej 13 i górnej plyty sitowej 14, które sa na stale polaczone z plaszczem, i z rur kontaktowych 15, których konce sa zamocowane w plytach sitowych 13 i 14. Cylindryczna czesc plaszcza 16 jest dolnym obrzezem przymocowana do górnej plyty sitowej 14, a do górnego obrzeza cylindrycznej czesci plaszcza 16 jest przymocowany kolnierz 17. Plaszcz 11, powyzej dolnej plyty sitowej 13 posiada otwory 18, a ponizej górnej plyty sitowej 14, otwory 19. W poblizu otworów 18 i 19, z plaszczem 11 sa na stale polaczone uksztaltowane pierscieniowo, otwarte do wewnatrz ceowniki 20 i 21. Do dolnego ceownika 20 przyspawany jest króciec 22 stanowiacy doprowadzenie czynnika wymiany ciepla, a do górnego ceownika 21 króciec 23 stanowiacy odprowadzenie czynnika wymiany ciepla. W plaszczu 11, powyzej otworów 18 i ponizej otworów 19, sa umieszczone deflektory 5, naprzemian pierscieniowe i wspólsrodkowe.Pierscieniowy deflektor 5 przylega swym obwodem zewnetrznym do wewnetrznej powierzchni 11. W przypadku deflektora wspólsrodkowego, pomiedzy jego obwodem zewnetrznym a powierzchnia wewnetrzna plaszcza 11 istnieje swobodna przestrzen. Do plaszcza 27, kopulastego kolpaka 26 przyspawana jest cylindryczna czesc plaszcza 28. Kolnierz 29 przyspawany do dolnego obrzeza tej czesci jest przykrecony srubami do kolnierza 17 cylindrycznej czesci plaszcza J 6. Przestrzen w reaktorze powyzej górnej plyty sitowej 14 stanowi komore wlotowa 2 gazu. Komora wylotowa 3 gazu ograniczona jest polaczonym na stale z dolna plyta sitowa 13 cylindrycznym plaszczem 30 i przyspawanym do niego kopulastym dnem 31. W komorze wlotowej 2 gazu i w komorze wylotowej 3 gazu znajduja sie stozkowe krócce, wlotowy 32 i wylotowy 33.Zbiornik reaktorowy 1 spoczywa na skrzyni 34, przyspawanej do komory wylotowej 3 gazu. Plyta sitowa 13 jest podparta centralnym wspornikiem 35 przejmujacym dzialajace na plyte obciazenie. Dla stworzenia mozliwosci, w przypadku przerwy w pracy, przyspieszonego odprowadzenia czynnika wymiany ciepla króccem wlotowym, w górnej czesci krócca wylotowego przewidziano zamykany zawór 36, przez który mozna doprowadzic pod cisnieniem gaz obojetny. Rury kontaktowe 15 posiadaja u dolu odpowiednie zamocowania 37.W komorze wlotowej 2 wylotowej 3 reaktora znajduja sie plytki bezpieczenstwa 38.Opisany wyzej reaktor nadaje sie co przeprowadzenia wszelkiego rodzaju reakcji w fazie gazowej, w obecnosci umieszczonych na stale kontaktów, na przyklad do katalitycznego utleniania w fazie gazowej naftalenu lub oksylenu do bezwodnika kwasu ftalowego, do wytwarzania bezwodnika kwasu maleinowego z benzenu, do wytwarzania akrylonitrylu, formaldehydu itd. Deflektory 5 powoduja, ze kapiel solna omywa poprzecznie rury kontaktowe 15.Zamiast wygietych pierscieniowo ceowników 20 i 21 skierowanych otwarciem do wewnatrz, do doprowa¬ dzania i odprowadzania czynnika wymiany ciepla przewody pierscieniowe polaczone krótkimi odcinkami rur z otworami 18 i 19 w plaszczu.Zamiast kopulastych den 27 i 31 moga byc równiez stosowane dna plaskie.4 84 502 Pokazany na fig. 3 reaktor rózni sie od pokazanego na fig. 2; tym, ze nie posiada otworów 18 i 19 oraz ceowników, wzglednie przewodów stanowiacych doprowadzenie i odprowadzenie czynnika wymiany ciepla. Dla stworzenia mozliwosci doprowadzenia i odprowadzenia czynnika wymiany ciepla, plaszcz 11, powyzej dolnej plyty sitowej 13 i ponizej górnej plyty sitowej 14 rozszerza sie wzdluz linii o ksztalcie litery S tworzac dolna przestrzen pierscieniowa 39 i górna przestrzen pierscieniowa 40. Do dolnego rozszerzenia jest przyspawany króciec 22, a do górnego rozszerzenia króciec górny 23. Plyty sitowe 13 i 14 maja odpowiednio wieksza srednice. W tym rozwiazaniu mozna nie stosowac kompensatora dylatacyjnego 12 pokazanego na fig. 2 i fig. 5, poniewaz wydluzenie powodowane rozszerzalnoscia cieplna sa kompensowane w rozszerzeniach plaszcza, zblizonych ksztaltem do litery S. Jak pokazano na fig. 3, cylindryczna czesc plaszcza, znajdujaca sie pomiedzy rozszerzeniami moze byc przedluzona niemal do plyt sitowych 13 i 14. W górnej czesci plaszcza 11 powstaje wówczas przelew, a w dolnej czesci dyszowe przewezenie przekroju, w wyniku czego uzyskuje sie bardziej równomierny rozplyw wplywajacej kapielf solnej. Równomiernosc te mozna jeszcze zwiekszyc przez umieszcze¬ nie garbów lub wyciec w przedluzonej az do plyt sitowych (13 i 14) srodkowej czesci plaszcza 11. :zs ':»« Fig. 4*przedstawia jeszcze inny przyklad wykonania. W tym przypadku, kapiel solna jest doprowadzana przewodem rurowym 41 przeprowadzonym przez komore wylotowa 3 gazu i wspawanym centralnie w dolna plyte sitowa 13, a odprowadzana jest przewodem rurowym 42, przeprowadzonym przez komore wlotowa 2 gazu i wspawana centralnie w górna plyte sitowa 14. Zbiornik reaktorowy w porównaniu z przedstawionymi na fig. 2 i fig. 5 jest pozbawiony ceowników 20 i 21 z króccami 22 i 23. Rurowy przewód doprowadzajacy 41 i rurowy przewód odprowadzajacy 42 przeprowadzone sa poprzez plyty sitowe 13 i 14 i zakonczone zaslepkami tuz w poblizu najblizszych deflektorów 5. Na obwodach przewodów rurowych 41 i 42, w przestrzeni ograniczonej plytami sitowymi 13 i 14 i wspomnianymi deflektorami 5 sa wykonane otwory 43. Przewód rurowy 42, odprowadzajacy kapiel solna jest poprowadzony pionowo do góry i poprzez polaczenie kolnierzowe przykreco¬ ny srubami do kopulastego plaszcza kolpaka 27 komory wlotowej gazu 2. Kompensator dylatacyjny 44 umieszczony na rurze 42 kompensuje róznice rozszerzalnosci cieplnej, czesci na stale polaczonych z rura.Zamykany zawór 36, do wprowadzenia gazu obojetnego, jest przyspawany do plaszcza 11 bezposrednio pod górna plyta sitowa 14. < ¦ ¦ Dzieki pominieciu umieszczonego centralnie mieszadla wraz z chlodnica kapieli solnej, dzieki optymalne¬ mu wykorzystaniu objetosci, i dzieki prostej iw zwiazku z tym, niezawodnej konstrukcji mozna, stosujac opisane odmiany, budowac reaktory o wymiarach wiekszych od dotychczas spotykanych. Przy stosunkowo krótkich rurach kontaktowych o dlugosciach rzedu 2000 mm, stosowanych przy reakcjach w gazie gazowej przeprowadza¬ nych z duza szybkoscia, mozna tego rodzaju wielkie reaktory transportowac na przyczepach niskopodwoziowych w pozycji pionowej. W przypadku reaktorów przewidzianych do przeprowadzania reakcji przebiegajacych z mniejsza predkoscia i wymagajacych rur kontaktowych odpowiednio dluzszych, na przyklad o dlugosci co najmniej 4000 mm, zagadnienie transportu mozna rozwiazac przez wykonanie czesci reaktorowej z dwóch sekcji rurowych 4, transportowanych osobno do hali montazowej. Tego rodzaju reaktor dwusekcyjny pokazano na fig. 5.l Kazda z sekcji rurowych 4 odpowiada pokazanej na fig. 2: Sekcje rurowe 4, komora wlotowa 2 gazu i komora wylotowa 3 gazu sa transportowane na miejsce budowy oddzielnie. Na miejscu, obydwie jednakowe sekcje rurowe 4 zostaja zestawione i zamkniete komora wlotowa 2 gazu oraz komora wylotowa 3 gazu. Obydwie sekcje rurowe sa szczelnie polaczone miedzy soba, za posrednictwem uszczelnien odpornych na wysoka temperature0 Odprowadzanie ciepla wytworzonego w czasie reakcji jest w tym przypadku oddzielne dla kazdej sekcji rurowej 4. Zaleta takiego ukladu jest to ze obydwie sekcje rurowe 4 reaktora moga pracowac przy róznych spadkach temperatury, a w przestrzeni pomiedzy górna a dolna sekcja rurowa moze znajdowac sie obojetny nosnik kontaktu stanowiacy dodatkowa strefe chlodzenia. Jest oczywiste, ze w razie potrzeby, reaktor moze zawierac wieksza liczbe sekcji rurowych 4. PL