RU2417834C1

RU2417834C1 - Convector for gas-phase catalytic processes

Info

Publication number: RU2417834C1
Application number: RU2009137274/05A
Authority: RU
Inventors: Андрей Юрьевич Беляев (RU); Андрей Юрьевич Беляев; Леонид Михайлович Виленский (RU); Леонид Михайлович Виленский
Original assignee: Андрей Юрьевич Беляев; Леонид Михайлович Виленский
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-05-10

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to process equipment for gas phase catalytic processes and may be used in chemical, petrochemical and other industries. Proposed convector comprises housing with inlet and outlet branch pipes. Said housing accommodates coaxial thermal elements with their ends arranged in thermal power feed/discharge zone. Catalyst table is arranged above said zone. Catalyst is arranged in space between coaxial thermal elements.

EFFECT: higher efficiency.

11 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области технологического оборудования для осуществления газофазных каталитических процессов и может быть использовано в химической, нефтехимической и других областях промышленности, использующих газофазные каталитические процессы.The invention relates to the field of technological equipment for the implementation of gas-phase catalytic processes and can be used in chemical, petrochemical and other industries using gas-phase catalytic processes.

Известна (RU, патент на полезную модель 4746) установка каталитического получения высокооктанового бензина из углеводородного сырья, включающая печи, рекуперативные теплообменники, каталитические реакторы, газосепаратор, ректификационную колонну с пароподогревателем кубовой части и дефлегматором верхней части, а также теплообменники и соединительные трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой. Кроме того, она дополнительно содержит холодильник нестабильного катализата, соединенный с каталитическими реакторами и с газосепаратором, также установка может содержать блок подготовки регенерирующего газа, подключенный к каталитическим реакторам через печи и содержащий воздушный компрессор, мембранную установку разделения воздуха и ресиверы.Known (RU, utility model patent 4746) is the installation for the catalytic production of high-octane gasoline from hydrocarbon feedstocks, including furnaces, recuperative heat exchangers, catalytic reactors, a gas separator, a distillation column with a bottom steam heater and a top reflux condenser, as well as heat exchangers and connecting pipelines with shut-off regulating fittings. In addition, it further comprises an unstable catalysis refrigerator connected to catalytic reactors and a gas separator, and the installation may also include a regeneration gas preparation unit connected to the catalytic reactors through furnaces and containing an air compressor, a membrane air separation unit and receivers.

Недостатком известной установки следует признать ее невысокую эффективность, обусловленную несовершенством конструкции.A disadvantage of the known installation should be recognized as its low efficiency, due to imperfection of the design.

Известен (SU, авторское свидетельство 852341) реактор, предпочтительно предназначенный для проведения реакций полимеризации и сополимеризации газообразных мономеров.Known (SU, copyright 852341) is a reactor, preferably designed for the polymerization and copolymerization of gaseous monomers.

Указанный реактор содержит корпус со средствами ввода и вывода циркулирующей газообразной среды, исходных компонентов и готового продукта, вал с перемешивающими лопастями, выполненными в виде тепловых труб, теплообменник и насос, причем тепловые трубы установлены вертикально и концентрично относительно вала на различных радиусах вращения, а средства ввода и вывода газообразной среды расположены диаметрально в верхней части реактора, при этом между указанными средствами расположены верхние концы указанных тепловых труб.The specified reactor contains a housing with input and output means of a circulating gaseous medium, initial components and a finished product, a shaft with mixing blades made in the form of heat pipes, a heat exchanger and a pump, the heat pipes being installed vertically and concentrically with respect to the shaft at different radii of rotation, and the means the input and output of the gaseous medium are located diametrically in the upper part of the reactor, while the upper ends of these heat pipes are located between these means.

Недостатком известного реактора следует признать его невысокую эффективность, обусловленную несовершенством конструкции.A disadvantage of the known reactor should be recognized as its low efficiency, due to imperfection of the design.

Наиболее близким аналогом разработанного устройства можно признать (RU, патент 2278726) реактор для осуществления газофазных каталитических процессов, содержащий корпус, средства ввода исходных компонентов и средство вывода готового продукта, узел подвода или отвода тепла, выполненный в виде множества тепловых труб. Известный реактор также содержит катализатор, нанесенный на тепловые трубы и/или на корпус в виде покрытия, при этом тепловые трубы по объему корпуса расположены в шахматном порядке, а их суммарная площадь поверхности, находящаяся в каталитической зоне, выбрана таким образом, что обеспечивает поступление или отвод из каталитической зоны необходимого для проведения каталитического процесса количества тепловой энергии.The closest analogue of the developed device can be recognized (RU, patent 2278726), a reactor for carrying out gas-phase catalytic processes, comprising a housing, input means for input components and a means for outputting the finished product, a heat supply or removal unit made in the form of a plurality of heat pipes. The known reactor also contains a catalyst deposited on the heat pipes and / or on the body in the form of a coating, while the heat pipes are staggered throughout the volume of the body, and their total surface area located in the catalytic zone is selected in such a way that provides removal from the catalytic zone of the amount of thermal energy necessary for carrying out the catalytic process.

Недостатком известного устройства следует признать невозможность эффективной теплопередачи от тепловых труб к катализатору, что приводит к уменьшению выхода целевого продукта из-за не оптимальности режимов проведения реакции.A disadvantage of the known device should be recognized as the impossibility of effective heat transfer from heat pipes to the catalyst, which leads to a decrease in the yield of the target product due to the non-optimal reaction modes.

Техническая задача, решаемая посредством разработанной конструкции реактора, состоит в повышении эффективности работы реактора и повышении качества получаемой продукции.The technical problem solved by the developed reactor design is to increase the efficiency of the reactor and improve the quality of the products.

Технический результат, получаемый при реализации разработанной конструкции реактора, состоит в обеспечении повышения коэффициента полезного действия процесса за счет обеспечения возможности создания более равномерного температурного режима реакции за счет обеспечения постоянной величины зазора в катализаторе между коаксиальными тепловыми панелями.The technical result obtained by implementing the developed reactor design is to provide an increase in the process efficiency due to the possibility of creating a more uniform reaction temperature by providing a constant gap in the catalyst between coaxial thermal panels.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать конвектор разработанной конструкции. Конвектор содержит корпус с входным и выходными патрубками, внутри которого расположены коаксиальные тепловые элементы, концы которых расположены в зоне подвода/отвода тепловой энергии, над зоной подвода/отвода тепловой энергии расположен катализаторный стол, выполненный в виде пластины с отверстиями, обеспечивающими прохождение через стол коаксиальных тепловых элементов, при этом в пространстве между коаксиальными тепловыми элементами расположен катализатор. В предпочтительном варианте реализации корпус выполнен цилиндрическим, поскольку подобное выполнение упрощает расчет тепловых процессов и повышает точность расчета. Однако возможно выполнение корпуса конвектора любой формы, имеющей центральную ось симметрии. Использование корпусов другого типа нежелательно, поскольку в них сложно поддерживать технологические характеристики процесса. Также, как и корпус, коаксиальные тепловые элементы предпочтительно выполнены цилиндрическими. Допустимо использовать коаксиальные тепловые элементы другой формы, но в любом случае эти тепловые элементы должны иметь общую ось. В предпочтительном варианте расстояние между коаксиальными тепловыми элементами составляет от 5 мм до 500 мм. При этом желательно, чтобы зазоры между всеми коаксиальными тепловыми элементами, заполненные катализатором, были, по меньшей мере, соизмеримыми, а в предпочтительном варианте реализации, практически равными. Это упрощает процесс поддержания одинаковых условий проведения реакции по всему объему конвектора. Для удобства поддержания одинаковых условий проведения реакции в пространстве между коаксиальными тепловыми элементами желательно, чтобы с торцевой стороны корпуса, противоположной размещению катализаторного стола, коаксиальный тепловой элемент с максимальным диаметром закрыт крышкой или уплотнительным материалом.To achieve the specified technical result, it is proposed to use a convector of a developed design. The convector contains a housing with inlet and outlet nozzles, inside of which there are coaxial thermal elements, the ends of which are located in the zone of supply / removal of thermal energy, above the zone of supply / removal of thermal energy there is a catalyst table made in the form of a plate with holes that allow coaxial passage through the table thermal elements, while in the space between the coaxial thermal elements there is a catalyst. In a preferred embodiment, the housing is cylindrical, since such a design simplifies the calculation of thermal processes and improves the accuracy of the calculation. However, it is possible to carry out a convector body of any shape having a central axis of symmetry. The use of other types of housings is undesirable, since it is difficult to maintain the technological characteristics of the process. Like the case, the coaxial thermal elements are preferably cylindrical. It is acceptable to use coaxial thermal elements of a different shape, but in any case, these thermal elements must have a common axis. In a preferred embodiment, the distance between the coaxial thermal elements is from 5 mm to 500 mm. In this case, it is desirable that the gaps between all coaxial thermal elements filled with a catalyst are at least comparable, and in the preferred embodiment, practically equal. This simplifies the process of maintaining the same reaction conditions throughout the convector. For the convenience of maintaining the same conditions for carrying out the reaction in the space between the coaxial thermal elements, it is desirable that from the front side of the housing, opposite to the placement of the catalyst table, the coaxial thermal element with a maximum diameter is closed by a lid or sealing material.

Для обеспечения равномерного распределения реагирующих газов по объему конвектора, особенно при подаче исходных веществ через входной патрубок, установленный по оси корпуса, или при выводе продуктов реакции через кольцевой патрубок желательно использовать перфорированные коаксиальные тепловые элементы. Перфорация может быть выполнена любым известным образом: произвольно размещенные отверстия круглой формы, равномерно размещенные отверстия круглой формы, щелевые отверстия. Как отмечено выше, предпочтительно использовать входной патрубок, расположенный по центральной оси корпуса с верхнего его торца. Расположение входного патрубка с нижнего торца нежелательно из-за проходящих там коаксиальных тепловых элементов. Выходной патрубок может быть расположен по центральной оси корпуса, в предпочтительном варианте - охватывая входной патрубок. Однако возможен вариант использования выходного патрубка кольцевым и расположенным в зоне каталитического стола. Коаксиальные тепловые элементы могут представлять собой теплообменные устройства или тепловые трубы.To ensure uniform distribution of reacting gases throughout the convector, especially when supplying the starting materials through an inlet pipe mounted along the axis of the casing, or when outputting reaction products through an annular pipe, it is desirable to use perforated coaxial thermal elements. Perforation can be performed in any known manner: randomly placed round holes, evenly placed round holes, slotted holes. As noted above, it is preferable to use an inlet pipe located along the central axis of the housing from its upper end. The location of the inlet pipe from the lower end is undesirable because of the coaxial thermal elements passing there. The outlet pipe may be located on the central axis of the housing, preferably covering the inlet pipe. However, it is possible to use the outlet pipe annular and located in the area of the catalytic table. Coaxial thermal elements can be heat exchangers or heat pipes.

В дальнейшем изобретение будет рассмотрено с использованием фиг.1 и 2, при этом использованы следующие обозначения: входной патрубок 1, катализатор 2; коаксиальные тепловые элементы 3; корпус конвектора 4; элементы 5 перфорация в коаксиальных тепловых элементах 3, перфорированный канал 6; теплоизоляция 7; катализаторный стол 8, крышка 9.In the future, the invention will be considered using figures 1 and 2, with the following notation: inlet pipe 1, catalyst 2; coaxial thermal elements 3; convector body 4; elements 5 perforation in coaxial thermal elements 3, perforated channel 6; thermal insulation 7; catalyst table 8, cover 9.

Конвекторы данной конструкции подразделяются на два типа.Convectors of this design are divided into two types.

К первому типу относятся конвекторы осевого типа. В этом варианте выполнения исходные компоненты поступают в конвектор через входной патрубок 1, далее они поступают на катализатор 2, который находится внутри коаксиальных тепловых элементов 3, образующих концентрические окружности. Внутри коаксиальных тепловых элементов размещен теплоноситель, который позволяет подводить (или отводить) тепло к катализатору. В нижней части всех коаксиальных тепловых элементов выполнена перфорация (отверстия), через которую продукты реакции поступают в один или несколько выходных патрубков. На корпус конвектора 4 нанесена теплоизоляция 7. В случае эндотермической реакции к нижней части конвектора подводят тепло. Зона реакции с катализатором отделена от зоны подвода тепла катализаторным столом 8.Axial convectors belong to the first type. In this embodiment, the initial components enter the convector through the inlet pipe 1, then they enter the catalyst 2, which is located inside the coaxial thermal elements 3, forming concentric circles. A coolant is placed inside the coaxial thermal elements, which allows to supply (or remove) heat to the catalyst. Perforation (holes) is made in the lower part of all coaxial thermal elements, through which reaction products enter one or more outlet pipes. Thermal insulation 7 is applied to the convector body 4. In the case of an endothermic reaction, heat is supplied to the lower part of the convector. The reaction zone with the catalyst is separated from the heat supply zone by the catalyst table 8.

Ко второму типу относятся конвекторы радиального типа. В этом варианте выполнения исходные компоненты поступают в конвектор через кольцевой входной патрубок 1, далее они поступают на катализатор 2, который размещен внутри коаксиальных тепловых элементов 3, сначала по зазору между корпусом конвектора 4, а затем через щели или перфорацию 5 в коаксиальных тепловых элементах 3.The second type includes convectors of the radial type. In this embodiment, the initial components enter the convector through the annular inlet pipe 1, then they enter the catalyst 2, which is placed inside the coaxial thermal elements 3, first by the gap between the convector body 4, and then through slots or perforations 5 in the coaxial thermal elements 3 .

Коаксиальные тепловые элементы образуют концентрические окружности и заполнены теплоносителем, который позволяет подводить (или отводить) тепло к катализатору. Продукты реакции выходят из конвектора через перфорированный канал (трубу) 6, перфорация находится только в зоне катализатора. На корпус конвектора 4 нанесена теплоизоляция 7. В случае эндотермической реакции к нижней части конвектора подводят тепло. Зона реакции с катализатором отделена от зоны подвода тепла катализаторным столом 8. Коаксиальные тепловые элементы и катализатор сверху закрыты крышкой 9, зазор между катализатором и этой крышкой недопустим.Coaxial thermal elements form concentric circles and are filled with coolant, which allows heat to be supplied (or removed) to the catalyst. The reaction products exit the convector through a perforated channel (pipe) 6, perforation is only in the catalyst zone. Thermal insulation 7 is applied to the convector body 4. In the case of an endothermic reaction, heat is supplied to the lower part of the convector. The reaction zone with the catalyst is separated from the heat supply zone by the catalyst table 8. The coaxial thermal elements and the catalyst are closed from above by a cover 9, the gap between the catalyst and this cover is unacceptable.

В случае экзотермической реакции тепло снимается с верхней части коаксиального теплового элемента.In the case of an exothermic reaction, heat is removed from the top of the coaxial thermal element.

В дальнейшем разработанная конструкция конвектора будет проиллюстрирована с использованием примера реализации превращения метана в синтез-газ с последующим превращением смеси в метанол.In the future, the developed design of the convector will be illustrated using an example of the conversion of methane to synthesis gas, followed by the conversion of the mixture into methanol.

По стандартной технологии процесс паровой конверсии метана протекает на катализаторе при температуре 850÷950°С и давлении 6÷7 МПа. В процессе из метана образуется смесь водорода, оксида углерода и т.д. Реакция проходит с поглощением тепла на уровне 300÷325 ккал на 1 кг превращенного метана.According to standard technology, the methane steam reforming process proceeds on the catalyst at a temperature of 850–950 ° С and a pressure of 6–7 MPa. In the process, a mixture of hydrogen, carbon monoxide, etc. is formed from methane. The reaction proceeds with heat absorption at the level of 300 ÷ 325 kcal per 1 kg of converted methane.

Процесс конверсии может быть осуществлен в трубчатом реакторе с подводом тепла через теплопередающую стенку.The conversion process can be carried out in a tubular reactor with heat supply through a heat transfer wall.

Реализация этого варианта имеет два подварианта:The implementation of this option has two sub-options:

1. Подвод тепла осуществляют за счет сгорания топлива, а процесс протекает в трубах, в которых расположен катализатор. Этот вариант имеет существенные недостатки:1. The heat supply is carried out due to the combustion of fuel, and the process proceeds in the pipes in which the catalyst is located. This option has significant disadvantages:

- невозможность достижения изотермического режима процесса при подводе тепла за счет радиации и конвекции дымовых газов из-за большого перепада температур между теплоносителем и подогреваемой среды с возможностью местных перегревов. При подводе тепла только за счет конвенции требуются большие объемы циркуляции дымовых газов, что резко увеличивает капиталовложения и расход электроэнергии за счет применения высокопроизводительных дымососов.- the impossibility of achieving an isothermal process during heat supply due to radiation and convection of flue gases due to the large temperature difference between the coolant and the heated medium with the possibility of local overheating. When supplying heat only due to the convention, large volumes of flue gas circulation are required, which dramatically increases the investment and energy consumption due to the use of high-performance smoke exhausters.

- сложность организации равномерного распределения потока по трубам с загруженным катализатором. Решение этой задачи значительно увеличивает расход электроэнергии за счет искусственного увеличения гидравлического сопротивления труб.- the complexity of organizing a uniform distribution of flow in pipes with a loaded catalyst. The solution to this problem significantly increases energy consumption due to an artificial increase in the hydraulic resistance of pipes.

2. Подвод тепла осуществляют теплоносителем, циркулирующим через трубы, размещаемые в слое катализатора.2. Heat is supplied by a coolant circulating through pipes placed in the catalyst bed.

Теплоноситель имеет температуру на 40÷60°С выше, чем требуемая температура процесса (т.е. на уровне 900÷100°С). Нагрев теплоносителя осуществляется в отдельной нагревательной печи.The coolant has a temperature of 40 ÷ 60 ° C higher than the required process temperature (i.e. at the level of 900 ÷ 100 ° C). The heat carrier is heated in a separate heating furnace.

Этот вариант позволяет проводить процесс в режиме более близком к изотермическому, хотя по длине труб возникает большой перепад температур на уровне 100°С.This option allows the process to be carried out in a closer to isothermal mode, although a large temperature difference at a level of 100 ° C occurs along the length of the pipes.

Недостатками этого способа являются:The disadvantages of this method are:

- использование режима конвективного теплообмена в трубах при малом перепаде температур между теплоносителем и насосы, арматура и т.д.), дорогие конструкционные материалы, низкий запас прочности из-за высоких температур.- the use of convective heat transfer in pipes with a small temperature difference between the coolant and pumps, valves, etc.), expensive construction materials, low margin of safety due to high temperatures.

Использование конвектора разработанной конструкции позволяет сохранить преимущества второго варианта при резком сокращении поверхности теплообмена, отсутствии оборудования для организации циркуляции теплоносителя, совмещения реактора и нагревательной печи в одном аппарате.Using the convector of the developed design allows you to save the advantages of the second option with a sharp reduction in the heat transfer surface, the absence of equipment for organizing the circulation of the coolant, combining the reactor and the heating furnace in one apparatus.

Трубы реактора, предпочтительно, представляют собой тепловые трубы, заполненные натрием. Коаксиальное расположение тепловых труб позволяет получить указанные ранее преимущества. Процесс в реакторе проводят при давлении 7 мПа и температуре 900°С. При этом объем катализаторного пространства уменьшается на 30÷40% при сохранении времени реакционного пробега, затраты энергии на циркуляцию и охлаждение продуктов сокращается в 4-7 раз. Резко уменьшаются капитальные затраты на создание системы реактор-печь, минимум на 60-80%.The reactor tubes are preferably sodium filled heat pipes. The coaxial arrangement of heat pipes allows you to get the previously mentioned advantages. The process in the reactor is carried out at a pressure of 7 MPa and a temperature of 900 ° C. At the same time, the volume of the catalyst space is reduced by 30–40% while maintaining the reaction path, the energy consumption for circulation and cooling of the products is reduced by 4–7 times. The capital costs of creating a reactor-furnace system are sharply reduced by at least 60-80%.

По сравнению с вариантом 2 сокращается поверхность теплообмена в 1,5 раза, или при тех же поверхностях теплообмена выход продукта увеличивается, по меньшей мере, на 20%.Compared to option 2, the heat transfer surface is reduced by 1.5 times, or with the same heat transfer surfaces, the product yield increases by at least 20%.

В реально поставленных экспериментах с использованием коаксиально расположенных тепловых труб (или теплообменников) катализатор работает в 1,5-2 раза дольше до процесса регенерации, выход метанола в 1,5 раза больше. Это происходит из-за равномерности температуры всего катализатора, т.е. весь катализатор работает и не закоксовывается.In actual experiments, using coaxially arranged heat pipes (or heat exchangers), the catalyst works 1.5-2 times longer before the regeneration process, the methanol yield is 1.5 times greater. This is due to the uniformity of the temperature of the entire catalyst, i.e. the entire catalyst works and does not coke.

Claims

1. A convector for carrying out gas-phase catalytic processes, characterized in that it comprises a housing with inlet and outlet nozzles, inside of which there are coaxial thermal elements, the ends of which are located in the heat supply / removal zone, a catalyst table is located above the heat supply / removal zone made in the form of a plate with holes for passing through the table of coaxial thermal elements, in the space between the coaxial thermal elements there is a catalyst and on the front side of the housing, opposite to the placement of the catalyst table, the coaxial thermal element with a maximum diameter is closed by a lid.

2. The convector according to claim 1, characterized in that the housing is cylindrical.

3. The convector according to claim 1, characterized in that the coaxial thermal elements are cylindrical.

4. The convector according to claim 1, characterized in that the distance between the coaxial thermal elements is from 5 to 500 mm.

5. The convector according to claim 1, characterized in that the coaxial thermal elements are perforated.

6. The convector according to claim 1, characterized in that the inlet pipe is located on the Central axis of the housing.

7. The convector according to claim 1, characterized in that the outlet pipe is located on the central axis of the housing.

8. The convector according to claim 1, characterized in that the coaxial thermal elements are heat exchangers.

9. The convector according to claim 1, characterized in that the coaxial thermal elements are heat pipes.