RU2588617C1 - Method for exothermic and endothermic catalytic processes for partial conversion of hydrocarbons and reactor set therefor - Google Patents
Method for exothermic and endothermic catalytic processes for partial conversion of hydrocarbons and reactor set therefor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2588617C1 RU2588617C1 RU2015108543/05A RU2015108543A RU2588617C1 RU 2588617 C1 RU2588617 C1 RU 2588617C1 RU 2015108543/05 A RU2015108543/05 A RU 2015108543/05A RU 2015108543 A RU2015108543 A RU 2015108543A RU 2588617 C1 RU2588617 C1 RU 2588617C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reactor
- main
- hydrocarbon mixture
- reactors
- main reactor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к химической, нефтехимической и энергетической промышленности и может быть использовано в частности, для проведения каталитических процессов со значительными тепловыми эффектами при частичном превращении углеводородов.The invention relates to the chemical, petrochemical and energy industries and can be used in particular for carrying out catalytic processes with significant thermal effects in the partial conversion of hydrocarbons.
Известен способ получения алкенов каталитическим дегидрированием алканов в мембранном реакторе. Реактор имеет камеру сбора водорода, систему транспорта водорода в эту камеру, нагревательную систему, вход и выход газовых смесей, устройство ввода и вывода буферного газа совместно с водородом, дополнительно трубчатую каталитическую мембрану из керамики с множеством сквозных радиальных микропор, на поверхность которых нанесен катализатор дегидрирования. Смесь алкана, водорода и аргона предварительно нагревают до 250-600°C. Водород удаляют перегретым водяным паром (патент РФ №2381207, МПК C07C 5/32, B01D 63/06, опубл. 10.02.2010). Разработан способ получения алкенов и водорода без потерь на побочные продукты. Недостатками, как видно из материального баланса, являются низкая степень превращения (2,62/4,2)·100%=62,3%, а отношение инертного газа-разбавителя к алкану высокое (14,12/4,2)·100%=3,3%. Способ отличается большими единовременными и эксплуатационными расходами.A known method of producing alkenes by catalytic dehydrogenation of alkanes in a membrane reactor. The reactor has a hydrogen collection chamber, a hydrogen transport system into this chamber, a heating system, gas mixture inlet and outlet, a buffer gas inlet and outlet device together with hydrogen, an additional ceramic tubular catalytic membrane with many radial micropores through which a dehydrogenation catalyst is coated . The mixture of alkane, hydrogen and argon is preheated to 250-600 ° C. Hydrogen is removed by superheated water vapor (RF patent No. 2381207, IPC
Материальный балансMaterial balance
Известен способ частичного окисления этилена с получением окиси этилена в контактном аппарате, содержащим 3055 трубок диаметром от 12 до 50 мм. В трубное пространство, заполненное катализатором в виде неподвижного слоя, реакционная газовая смесь поступает через верх реактора и выводится снизу. Патрубки ввода и вывода выполнены тангенциально. В межтрубном пространстве циркулирует масло, выдерживающее 250-300°C для снятия тепла экзотермической реакции. Масло поступает в нижнюю часть реактора, проходит через специальное распределительное кольцо, используемое для более равномерного омывание трубок. (Kirk-Otmer, Encyclopedia of Cemical Technology, New York, 1965). Недостатком является использование крупногабаритного реактора, где нельзя обеспечивать равномерное распределение параметров потока внутри аппарата.A known method of partial oxidation of ethylene to produce ethylene oxide in a contact apparatus containing 3055 tubes with a diameter of 12 to 50 mm In the tube space filled with a catalyst in the form of a fixed bed, the reaction gas mixture enters through the top of the reactor and is discharged from below. The inlet and outlet pipes are made tangentially. Oil circulating in the annulus maintains a temperature of 250-300 ° C to remove the heat of the exothermic reaction. Oil enters the lower part of the reactor, passes through a special distribution ring, used for more uniform washing of the tubes. (Kirk-Otmer, Encyclopedia of Cemical Technology, New York, 1965). The disadvantage is the use of a large reactor, where it is impossible to ensure uniform distribution of flow parameters inside the apparatus.
Известен способ получения муравьиной кислоты из метанола последовательным окислением кислородом воздуха с использованием секционного гетерогенно каталитического реактора, имеющего трубчатую и адиабатическую секции до формальдегида. Доокисление полученной реакционной смеси до кислоты ведут во втором секционном реакторе. Температуру в трубках поддерживают съемом тепла реакции с помощью псевдожжиженного материала в межтрубном пространстве, перемещающемся потоком воздуха (патент RU №2053995, МПК С07 53/02, С51/235, B01J 23/74, опубл. 10.02.1996). Недостатками данного способа являются низкий процент используемой энергии, высокие массогабаритные размеры реакторов.A known method of producing formic acid from methanol by sequential oxidation of atmospheric oxygen using a heterogeneous catalytic sectional reactor having a tubular and adiabatic sections to formaldehyde. Further oxidation of the resulting reaction mixture to acid is carried out in a second sectional reactor. The temperature in the tubes is maintained by removing the heat of reaction using fluidized material in the annulus moving with an air stream (patent RU No. 2053995, IPC C07 53/02, C51 / 235, B01J 23/74, publ. 02/10/1996). The disadvantages of this method are the low percentage of energy used, the high overall dimensions of the reactors.
Известен способ и реактор для проведения неадиабатических каталитических реакций, где использовали двойные трубки, заполненные и окруженные катализатором. В первом аппарате, который служит смесителем, подавали обогащенный кислородом газ, углеводород подвергался частичному горению. Горячий газ направляли в соседние реакторы, где катализатор был загружен как внутри трубок, так и снаружи. Одновременно в эти реакторы в одно из пространств подавали паро-углеводородную смесь. Горячий газ направляли в другое пространство противотоком. Затем все потоки смешивали и получали газовую смесь, богатую водородом и окисью углерода. Преимуществом считают использование внутренней стенки и внешней стенки трубок в качестве теплообменных поверхностей (патент РФ №2261756, МПК B01J 8/02, опубл. 2005). Недостатком является большое сопротивление потокам газовых смесей. Частичное сжигание сырья вызывает дополнительные проблемы с очисткой окиси углерода и водорода от нежелательных примесей. С использованием двойных трубок проблемы, связанные с неравномерным распределением параметров потоков не исключаются.A known method and reactor for conducting non-adiabatic catalytic reactions, where used double tubes, filled and surrounded by a catalyst. In the first apparatus, which serves as a mixer, oxygen-enriched gas was supplied, and the hydrocarbon was partially burned. Hot gas was sent to neighboring reactors, where the catalyst was loaded both inside the tubes and outside. At the same time, a steam-hydrocarbon mixture was fed into these reactors in one of the spaces. Hot gas was directed into another space in countercurrent. Then all the streams were mixed and received a gas mixture rich in hydrogen and carbon monoxide. An advantage is considered to be the use of the inner wall and the outer wall of the tubes as heat exchange surfaces (RF patent No. 2261756, IPC
Известен газофазный метод производства муравьиной кислоты, который испытан на пилотной установке с расходом метанола 2,5-3,0 кг/ч. Установка состояла из трех реакторов, соединенных последовательно по реакционной массе. Трубки реакторов заполнены катализатором. В первом реакторе, обозначенном как МС, метанол превращается в формальдегид при 320-360°C. Реакционная масса, выходя из первого реактора, направляется в реакторы 1 и 2 для окисления формальдегида в муравьиную кислоту. Окисление во всех трех реакторах осуществляется воздухом. Его расход составляет 25-30 н.м.3/ч. В реакторах 1 и 2 температуру поддерживают не выше 140°C, т.к. при более высокой температуре начинается распад кислоты. Суммарная длина трубок всех трех реакторов составляет 5,45 м при внутреннем диаметре 22 мм. Общая масса катализатора 34 кг. Начальная концентрация метанола в паровоздушной среде составляла 6-7 об.%. Зависимость температуры в реакторе 1 и 2 от длины слоя катализатора показала, что максимум температуры наступал в начале процесса на расстоянии, рассчитанном от входа сырья, равном 1/7-1/8 части катализаторного слоя. Этот максимум назван температурой горячей точки, характерной трубчатым реакторам. (Т.В. Андрушкевич и др. Новый газофазный метод производства муравьиной кислоты. Испытания на пилотной установке. // Катализ в промышленности, номер 5, 2013, стр. 16-23). Недостатком метода является то, что, несмотря на высокие выходы целевых продуктов и селективностей, производительность установки остается низкой. Увеличение количества трубок в реакторах, в первую очередь, приведет к увеличению объемов реакторов, росту неравномерностей параметров потоков, к ухудшению показателей процесса в целом.Known gas-phase method for the production of formic acid, which was tested in a pilot plant with a methanol consumption of 2.5-3.0 kg / h The installation consisted of three reactors connected in series over the reaction mass. The tubes of the reactors are filled with catalyst. In the first reactor, designated as MS, methanol is converted to formaldehyde at 320-360 ° C. The reaction mass, leaving the first reactor, is sent to
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является новый способ получения синтетических жидких углеводородов путем каталитического превращения синтез газа по реакции Фишера-Тропша на неподвижном слое катализатора в вертикальном кожухотрубном реакторе, трубки которого выполнены расширяющимися сверху вниз. Соотношение диаметров трубок с катализатором на выходе и на входе в них составляет от 1,5/1 до 2,5/1. При достижении степени превращения синтез-газа от 60 до 80 % градиент давления понижают до значения менее 0, бар/м и поддерживают неизменным, (патент RU 2440400 МПК С07, В01J 8/06, опубл. 2012 г.).Closest to the proposed invention is a new method for producing synthetic liquid hydrocarbons by catalytic conversion of gas synthesis by the Fischer-Tropsch reaction on a fixed catalyst bed in a vertical shell-and-tube reactor, the tubes of which are made expanding from top to bottom. The ratio of the diameters of the tubes with the catalyst at the outlet and at the entrance to them is from 1.5 / 1 to 2.5 / 1. Upon reaching the degree of conversion of synthesis gas from 60 to 80%, the pressure gradient is reduced to a value of less than 0, bar / m and maintained unchanged (patent RU 2440400 IPC C07,
При использовании реактора с трубками, расширяющимися сверху вниз и подачи синтез-газа сверху со стороны малых диаметров, перепад меняющегося давления будет наблюдаться с самого начала ввода синтез-газа в трубки, и не только на месте определенной степени превращения. Поскольку в трубках места определенной степени превращения будут разные, определенный градиент давления поддерживать не реально.When using a reactor with tubes expanding from top to bottom and supplying synthesis gas from above from the side of small diameters, a differential pressure will be observed from the very beginning of the synthesis gas injection into the tubes, and not only at the place of a certain degree of conversion. Since there will be different places in the tubes of a certain degree of conversion, it is not realistic to maintain a certain pressure gradient.
Наиболее близким к предлагаемому устройству для реализации способа является теплообменник-реактор (патент №2511815, МПК F28D 7/00, F28F 9/02, F28F 27/02, опубликовано: 10.04.2014), содержащий корпус в форме усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителя трубного пространства, патрубки ввода и вывода теплоносителя межтрубного пространства, расположенные тангенциально. На центральной части одного из днищ имеется вогнутость, если смотреть снизу днища. Корпус снабжен компенсатором тепловых влияний. В одном из днищ, закреплен тонкостенный полый конус - распределитель потоков с мелкими и крупными отверстиями. Трубки внутри кожуха выполнены наклонными относительно центральной оси и вокруг этой оси с образованием конусообразной полости, Однако, в известном устройстве в местах ввода теплоносителей наблюдаются локальные перегревы трубок.Closest to the proposed device for implementing the method is a heat exchanger-reactor (patent No. 2511815, IPC F28D 7/00, F28F 9/02, F28F 27/02, published: 04/10/2014) containing a housing in the form of a truncated cone with bottoms, pipes the inlet and outlet of the coolant of the pipe space, the nozzles of the input and output of the coolant of the annulus located tangentially. On the central part of one of the bottoms there is a concavity when viewed from the bottom of the bottom. The housing is equipped with a compensator of thermal influences. In one of the bottoms, a thin-walled hollow cone is fixed - a flow distributor with small and large holes. The tubes inside the casing are made inclined with respect to the central axis and around this axis with the formation of a cone-shaped cavity. However, in the known device, local overheating of the tubes is observed in the places of coolant entry.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении равномерности процессов, осуществляемых в реакторе, приводящее к увеличению производительности установок.The technical result to which the invention is directed is to increase the uniformity of the processes carried out in the reactor, leading to an increase in the productivity of the plants.
Технический результат достигается тем, что в способе проведения экзотермических и эндотермических каталитических процессов частичного превращения углеводородов, включающий подачу углеводородной смеси в слой гетерогенного катализатора, контактирование ее с поверхностью данного катализатора, новым является то, что процесс проводят последовательно, по меньшей мере, в двух вертикальных кожухотрубных реакторах, кожух и трубки которых имеют форму усеченных конусов, один из которых является основным, в него направляют углеводородную смесь, реакционную смесь из основного реактора направляют в дополнительный реактор, при этом расход охлаждающего теплоносителя при экзотермическом процессе и горячего теплоносителя при эндотермическом процессе в дополнительном реакторе поддерживают ниже по сравнению с расходом охлаждающего или горячего теплоносителя в основном реакторе.The technical result is achieved by the fact that in the method for conducting exothermic and endothermic catalytic processes of partial conversion of hydrocarbons, including feeding a hydrocarbon mixture into a heterogeneous catalyst layer, contacting it with the surface of the catalyst, it is new that the process is carried out sequentially in at least two vertical shell-and-tube reactors, the casing and tubes of which are in the form of truncated cones, one of which is the main one, a hydrocarbon mixture is sent to it b, the reaction mixture from the main reactor is sent to the additional reactor, while the flow rate of the cooling coolant during the exothermic process and the hot coolant during the endothermic process in the secondary reactor are kept lower compared to the flow rate of the cooling or hot coolant in the main reactor.
При экзотермических процессах с высокими скоростями и тепловым выделением углеводородную смесь подают в основной реактор через малое днище, реакционную смесь из него направляют в дополнительный реактор через большое днище, при этом потоки углеводородной смеси и охлаждающей жидкости в основном и дополнительном реакторе организуют прямотоком.In exothermic processes with high speeds and thermal evolution, the hydrocarbon mixture is fed into the main reactor through a small bottom, the reaction mixture from it is sent to the secondary reactor through the large bottom, while the flows of the hydrocarbon mixture and coolant in the main and secondary reactors are organized by direct flow.
При экзотермических процессах с небольшими скоростями и тепловым выделением углеводородную смесь подают в основной реактор через большое днище, реакционную смесь из него направляют в дополнительный реактор через малое днище, при этом потоки углеводородной смеси и охлаждающей жидкости в основном и дополнительном реакторе организуют прямотоком.In exothermic processes with low speeds and heat evolution, the hydrocarbon mixture is fed into the main reactor through a large bottom, the reaction mixture from it is sent to the secondary reactor through the small bottom, while the flows of the hydrocarbon mixture and coolant in the main and secondary reactors are organized by direct flow.
При экзотермических процессах углеводородную смесь подают в основной реактор в начале процесса с теплосодержанием меньшим по сравнению с теплосодержанием охлаждающего теплоносителя этого же реактора на 9-18%.In exothermic processes, the hydrocarbon mixture is fed into the main reactor at the beginning of the process with a heat content lower by 9-18% compared with the heat content of the cooling medium of the same reactor.
При эндотермических процессах углеводородную смесь подают в основной реактор через малое днище, реакционную смесь из основного реактора подают в дополнительный реактор через большое днище, при этом потоки углеводородной смеси и горячего теплоносителя в основном реакторе организуют противотоком, а в дополнительном реакторе - прямотоком.In endothermic processes, the hydrocarbon mixture is fed into the main reactor through the small bottom, the reaction mixture from the main reactor is fed into the secondary reactor through the large bottom, while the flows of the hydrocarbon mixture and hot coolant in the main reactor are organized in countercurrent flow and in the secondary reactor in direct flow.
При эндотермических процессах углеводородную смесь подают в основной реактор в начале процесса с теплосодержанием, большим по сравнению с теплосодержанием горячего теплоносителя этого же реактора на 8-15%.In endothermic processes, the hydrocarbon mixture is fed into the main reactor at the beginning of the process with a heat content that is 8-15% higher than the heat content of the hot coolant of the same reactor.
Расход охлаждающего теплоносителя при экзотермическом процессе и горячего теплоносителя при эндотермическом процессе в дополнительном реакторе поддерживают ниже по сравнению с расходом охлаждающей или нагревающей жидкостей в основном реакторе на 10-30%.The flow rate of the cooling medium during the exothermic process and the hot medium during the endothermic process in the additional reactor are kept lower by 10-30% compared to the flow rate of the cooling or heating liquids in the main reactor.
Технический результат достигается тем, что в реакторной группе для осуществления способа, включающей основной реактор, кожух и трубки выполнены в форме усеченного конуса, кроме того трубки наклонены относительно центральной оси и вокруг этой оси с образованием конусообразной полости, входные и выходные патрубки расположены тангенциально, новым является то, что введен, по меньшей мере, один дополнительный реактор, идентичный основному, реакторы установлены вертикально и расположены относительно друг друга с чередованием малых и больших днищ, при этом основной и дополнительный реакторы соединены между собой последовательно.The technical result is achieved by the fact that in the reactor group for the implementation of the method, including the main reactor, the casing and tubes are made in the form of a truncated cone, in addition, the tubes are inclined relative to the central axis and around this axis with the formation of a cone-shaped cavity, the inlet and outlet nozzles are located tangentially, new is that at least one additional reactor, identical to the main one, is introduced, the reactors are installed vertically and are arranged relative to each other with alternating small and large heads, wherein the primary and secondary reactors connected in series.
Большое и малое днища реакторов снабжены устройствами, выравнивающими параметры течений в трубном пространстве.The large and small bottoms of the reactors are equipped with devices aligning the flow parameters in the pipe space.
В основном реакторе в межтрубном пространстве на уровне входа теплоносителя установлена защитная сетка, имеющая материал, теплопроводность которого выше теплопроводности материала трубок.In the main reactor in the annulus at the level of the coolant inlet, a protective grid is installed having a material whose thermal conductivity is higher than the thermal conductivity of the tube material.
На фиг. 1, 2 и 3 приведены схемы реакторных групп, состоящие из двух одинаковых и/или отличающихся массогабаритными размерами реакторов, у которых потоки теплоносителей организованы по-разному. На схемах не показан катализатор, загруженный в трубках реакторов в виде сыпучего материала.In FIG. 1, 2 and 3 are diagrams of reactor groups consisting of two identical and / or differing mass and size dimensions of reactors in which the coolant flows are organized differently. The diagrams do not show the catalyst loaded in the tubes of the reactors in the form of bulk material.
На фиг. 1 представлена схема организации потоков углеводородной смеси и теплоносителя-охладителя в реакторной группе для проведения экзотермических процессов, сопровождающихся высокими скоростями реакций и значительными тепловыми эффектами.In FIG. Figure 1 shows a diagram of the organization of flows of a hydrocarbon mixture and a coolant-coolant in a reactor group for conducting exothermic processes, accompanied by high reaction rates and significant thermal effects.
На фиг. 2 представлена схема организации потоков реагирующей углеводородной смеси и теплоносителя-охладителя в реакторной группе для проведения экзотермических процессов, сопровождающихся небольшими тепловыми эффектами и скоростями реакций.In FIG. Figure 2 shows the organization of flows of a reacting hydrocarbon mixture and a coolant-cooler in a reactor group for carrying out exothermic processes, accompanied by small thermal effects and reaction rates.
На фиг. 3 представлена схема организации потоков углеводородной смеси и горячего теплоносителя в реакторной группе для проведения эндотермических процессов.In FIG. Figure 3 shows the organization of flows of a hydrocarbon mixture and a hot coolant in a reactor group for carrying out endothermic processes.
Здесь: 1 - основной реактор; 2 - дополнительный реактор; 3 - патрубок ввода углеводородной смеси в основной реактор; 4 - патрубок ввода охлаждающего или горячего теплоносителя в межтрубное пространство основного реактора; 5 - патрубок выхода реакционной смеси из основного реактора; 6 - патрубок ввода реакционной смеси в дополнительный реактор; 7 - патрубок ввода охлаждающего или горячего теплоносителя в межтрубное пространство дополнительного реактора; 8 - патрубок выхода реакционной смеси из дополнительного реактора; 9 - патрубок выхода охлаждающего или горячего теплоносителя из межтрубного пространства дополнительного реактора; 10 - конусообразные трубки внутри реакторов; 11 - защитная сетка в основном реакторе; 12 - патрубок выхода охлаждающего теплоносителя из межтрубного пространства основного реактора; 13 - малое днище реакторов; 14 - большое днище реакторов; 15 - устройство, выравнивающее параметры течений в трубном пространстве на входе в каждый реактор; 16 - устройство, выравнивающее параметры течений в трубном пространстве на выходе из каждого реактора.Here: 1 - the main reactor; 2 - additional reactor; 3 - pipe input hydrocarbon mixture in the main reactor; 4 - a pipe for introducing cooling or hot coolant into the annular space of the main reactor; 5 - pipe outlet of the reaction mixture from the main reactor; 6 - pipe input of the reaction mixture into an additional reactor; 7 - a pipe for introducing cooling or hot coolant into the annulus of the additional reactor; 8 - pipe outlet of the reaction mixture from the additional reactor; 9 - pipe outlet cooling or hot coolant from the annular space of the additional reactor; 10 - conical tubes inside the reactor; 11 - a protective grid in the main reactor; 12 - pipe outlet cooling fluid from the annular space of the main reactor; 13 - small bottom of the reactor; 14 - a large bottom of the reactor; 15 - a device that aligns the parameters of the flows in the pipe space at the entrance to each reactor; 16 is a device that aligns the flow parameters in the pipe space at the outlet of each reactor.
Реакторная группа включает основной реактор 1 и дополнительный реактор 2. Кожух реакторов 1 и 2 и трубки 10 внутри выполнены в форме усеченного конуса. Кроме того трубки 10 внутри кожуха наклонены относительно центральной оси и вокруг этой оси с образованием конусообразной полости. Входные 3, 4, 6, 7 и выходные 5, 8, 9, 12, патрубки расположены тангенциально. Реакторы 1 и 2 установлены вертикально и расположены относительно друг друга с чередованием малых 13 и больших 14 днищ, при этом основной 1 и дополнительный 2 реакторы соединены между собой последовательно.The reactor group includes a
Малое 13 большое 14 днища реакторов снабжены устройствами 15 и 16, выравнивающими параметры течений в трубном пространстве, которые показаны на фиг. 1 в основном реакторе 1, на фиг. 2 и 3 - не показаны. По ходу потока углеводородной смеси и реакционной массы расположено устройство 15, против хода - 16. Выравнивающее устройство 15 представляет собой вогнутость, направленную в сторону трубной решетки. Выравнивающее устройство 16 представляет собой полый конус с множеством отверстий разного диаметра.Small 13 large 14 bottoms of the reactors are equipped with
В основном реакторе 1 в межтрубном пространстве на уровне входа теплоносителя установлена защитная сетка 11, выполненная из материала, теплопроводность которого выше теплопроводности материала трубок.In the
Основным реактором 1 является тот реактор, в который поступает свежая углеводородная смесь. Если основной реактор 1 размещают малым днищем 13 наверх, то дополнительный - малым днищем 13 вниз и наоборот. Реакторы 1 и 2 совмещают в себе свойства двух цилиндрических аппаратов: аппарата с трубным пучком, состоящим из тонких трубок и аппарата, с трубным пучком, состоящим из более толстых трубок. Более того, успешное проведение процесса зависит от того, с какого конца подают материальные потоки: со стороны малого днища 13 или большого днища 14.The
При проведении экзотермических процессов со значительными тепловыми эффектами и высокими скоростями реакций, начальную температуру углеводородной смеси поддерживают ниже температуры реакции и температуры охлаждающей жидкости. В этом случае углеводородную смесь подают в основной реактор 1 через патрубок 3 и малое днище 13. Из-за высокой линейной скорости потоков в зоне ввода, теплообмен максимальный, что вызывает усиление скорости реакции, несмотря на небольшую температуру среды. По мере прохождения реакционной смеси вдоль трубок 10 и интенсивного реагирования, ее температура повышается до оптимального значения. При плавном поступлении в расширяющиеся участки трубок 10, избыточное тепло, не успевшее перейти в теплоноситель-охладитель и увлекаемое реакционным потоком, рассеивается в катализаторной массе, в участках, увеличивающихся количеств катализатора в единице длины трубок 10. Температура не меняется до выхода реакционной массы из основного реактора 1. Увеличивающиеся объемы поддерживают экзотермический процесс, несмотря на постепенное снижение концентрации реагирующих веществ.When conducting exothermic processes with significant thermal effects and high reaction rates, the initial temperature of the hydrocarbon mixture is maintained below the reaction temperature and the temperature of the coolant. In this case, the hydrocarbon mixture is fed into the
При проведении экзотермических процессов с относительно небольшими тепловыми эффектами и скоростями реакций, углеводородную смесь подают в основной реактор через патрубок 3 большое днище 14. В этом случае полноту реакции в начальной зоне, в зоне ввода теплоносителей, обеспечивают большим объемом катализатора, а по мере прохождения вдоль трубок 10, постепенно усиливающимися скоростями реакций по причине более интенсивного теплообмена в сужающихся участках. В обоих случаях экзотермических процессов реакционную массу основного реактора 1 направляют в дополнительный реактор 2 через патрубок 6 и малое днище 13. Назначение дополнительного реактора 2 заключается в обеспечении полноты реагирования, достижении устойчивого соотношения прямой и обратной реакций, "закаливании" молекул целевых продуктов. Вследствие того, что основная масса веществ реагировала, тепловыделение в дополнительном реакторе 2 меньше, расход охлаждающего теплоносителя поддерживают меньше, чем в основном реакторе 1 на 8-30%. Практикой установлено, что низкий расход теплоносителя в дополнительный реактор 2 относительно расхода в реакторе 1, близко к 8%, устанавливают при ведении процессов с низкой степенью превращения в основном реакторе 1, а высокий процент, близко к 30%, - с высокой степенью превращения. В обоих случаях экзотермических процессов теплосодержание углеводородного потока перед основным реактором 1 поддерживают ниже теплосодержания потока охлаждающего теплоносителя на 9-18%. Данные пределы применимы для большинство процессов неполного превращения и справедливы для крупнотоннажных промышленных процессов и связаны с резким возможным повышением температуры в начале катализаторного слоя. Потоки углеводородной смеси, реакционной массы и теплоносителя-охладителя организуют прямотоком.When carrying out exothermic processes with relatively small thermal effects and reaction rates, the hydrocarbon mixture is fed into the main reactor through the
Эндотермический процесс, сопровождающийся значительным поглощением тепла и увеличением объема, проводят подачей углеводородной смеси в основной реактор 1 через патрубок 3 и малое днище 13. Смесь предварительно доводят до более высокой температуры по сравнению с температурой горячего теплоносителя. Равномерное протекание процесса обеспечивают интенсивным теплообменом в узкой зоне трубного пучка и подачей достаточной тепловой энергии в начале процесса с тем, чтобы избегать резкого падения температуры. Полноту реагирования обеспечивают все более увеличивающимся объемом катализатора в единице длины трубок, где высокая теплопроводность среды с твердым составляющим, а также все более усиливающимся теплосодержанием горячего теплоносителя, подающегося противотоком. Реакционную массу из основного реактора 1 направляют в дополнительный реактор 2 через патрубок 6 и большое днище 14. Стабильность и полноту процесса в нем обеспечивают подачей горячего теплоносителя прямотоком, в зону максимального объема катализатора в единице длины трубок. Равномерное сужение трубок и растущие линейные скорости обеспечивают быстрое удаление реакционной массы из реактора 2. В целях предотвращения развития нежелательных процессов, в дополнительном реакторе 2 поддерживают уменьшенный расход горячего теплоносителя по сравнению с расходом в основном реакторе 1 в пределах 9-18%. Ближе к 9% устанавливают в процессах, протекающих с низкой степенью превращения, а ближе к 18% - с высокой степенью превращения.The endothermic process, accompanied by significant heat absorption and an increase in volume, is carried out by supplying the hydrocarbon mixture to the
Способ проведения экзотермических и эндотермических каталитических процессов частичного превращения углеводородов и реакторная группа для его осуществления реализуют следующим образом: в случае проведения экзотермических реакций, сопровождаемых большими тепловыми эффектами, углеводородную смесь (фиг. 1) в паровой или газовой фазе, с разбавителями или без них подают в основной реактор 1 реакционной группы по патрубку сверху через малое днище 13. Предварительно его теплосодержание устанавливают ниже теплосодержания охлаждающего теплоносителя, поступающего в основной реактор 1 межтрубного пространства со стороны малого днища (прямоток) через патрубок 4. Удаление осуществляется через патрубок 12. Равномерность и полнота реакции обеспечивается тем, что углеводородная смесь поступает в область малых диаметров трубок 10 основного реактора 1 с высокой концентрацией реагирующих веществ, но имея низкое теплосодержание, по сравнению с охлаждающим теплоносителем и большие линейные скорости, его первая встреча с катализатором происходит относительно спокойно, с меньшей скоростью реакций. При дальнейшем продвижении реакционной массы по трубкам 10 с высокой линейной скоростью, с высокой интенсивностью теплообмена, скорость реакции повышается. Усиливается тепловыделение. Часть тепла реакции расходуется на повышение температуры охлаждающего теплоносителя, другая часть - на нагрев катализатора, еще одна порция, не успевшая перейти через стенку, повышает температуру реакционной массы. При дальнейшем продвижении реакционной массы с увеличенной температурой вниз по трубкам 10 через постепенно расширяющиеся участки, где объем катализатора в единице длины трубки все более увеличивается, процесс протекает при неизменной температуре. Последняя упомянутая порция тепла (повышающая температуру реакционной массы) не в состоянии привести к дальнейшему повышению температуры из-за того, что во-первых, тепло рассеивается в катализаторной массе все больше и больше, а концентрация реагентов в реакционной массе становится все меньше и меньше. Температура реакционной массы остается повышенной до температуры реакции и не меняется во всем протяжении реактора.The method of conducting exothermic and endothermic catalytic processes of partial conversion of hydrocarbons and the reactor group for its implementation are as follows: in the case of exothermic reactions accompanied by large thermal effects, the hydrocarbon mixture (Fig. 1) in the vapor or gas phase, with or without diluents, is supplied in the
В случае проведения экзотермических процессов, сопровождающихся небольшими тепловыми эффектами и скоростями реакций, углеводородную смесь подают в основной реактор 1 через патрубок 3 и большое днище 14 сверху. Его теплосодержание поддерживают ниже теплосодержания охлаждающего теплоносителя, поступающего в межтрубное пространство прямотоком через патрубок 4. Поэтому, хотя начальная концентрация реагирующих веществ высокая, начальная встреча с катализатором происходит относительно спокойно. Скорость реакций, соответственно тепловыделение не высокие. Полнота образования целевых продуктов в этой зоне обеспечивается за счет большого количества катализатора в единице длины трубок 10. По мере продвижения реакционной массы вдоль постепенно сужающихся трубок, линейная скорость потоков возрастает. Этот рост вызывает усиление теплообмена, что в свою очередь усиливает скорости экзотермических реакций. Температура повышается до рабочей температуры реакции. Одновременно возрастает влияние на тепловую обстановку повышающаяся скорость потока вследствие сужения кожуха основного реактора 1, а также уменьшающаяся концентрация реагентов в реакционной массе. Система стабилизируется, температура остается постоянной.In the case of exothermic processes, accompanied by small thermal effects and reaction rates, the hydrocarbon mixture is fed into the
Для окончательной выработки реагентов, реакционную массу направляют в дополнительный реактор 2 через патрубок 5 и 6, а также через малые днища 13 в трубное пространство. В нем производят стабилизацию прямой и обратной реакций и "закаливание" целевых продуктов. Потоки реакционной массы и охлаждающего теплоносителя организуют прямотоком. Охлаждающий теплоноситель направляют в межтрубное пространство дополнительного реактора 2 через патрубок 7, удаляют через патрубок 9. Его расход регулируют с коррекцией по концентрациям реагирующего вещества в пределах меньших на 8-30% по сравнению расхода в основной реактор 2.For the final production of reagents, the reaction mass is sent to an
В обоих случаях экзотермических процессов равенство температур теплоносителя (охлаждающего) реакционной смеси в основных реакторах наступает на расстоянии 1/15-1/5 частях катализаторного слоя, считая от начала ввода смеси, после чего температура повышалась до рабочей температуры реакции.In both cases of exothermic processes, the temperature of the coolant (cooling) of the reaction mixture in the main reactors occurs at a distance of 1 / 15-1 / 5 parts of the catalyst layer, counting from the beginning of the introduction of the mixture, after which the temperature rises to the working temperature of the reaction.
В случае проведения эндотермических процессов, сопровождающихся значительным поглощением тепла, процесс начинают подачей углеводородной смеси в основной реактор 1 через патрубок 3 и малое верхнее днище 13. В начальной области полнота реагирования обеспечивается интенсивным теплообменом в тонких участках трубок 10, так как радиальное тепловое сопротивление минимальное. При продвижении реакционной массы поглощение тепла все больше компенсируется поступлением через патрубок 4 более свежего и ускоряющегося горячего теплоносителя, поступающего противотоком и увеличивающимся объемом катализаторной массы в единице длины трубок 10. Горячий теплоноситель удаляют через патрубок 12.In the case of endothermic processes accompanied by significant heat absorption, the process is started by supplying the hydrocarbon mixture to the
В процессах, протекающих с увеличением объема, реакционная масса, попадая в расширяющуюся область, все больше освобождается от действия масс, что способствует полноте реакции. Чтобы обеспечить максимальный выход целевых продуктов реакционную массу из основного реактора 1 направляют из большого днища 14 и через патрубок 5 в дополнительный реактор 2 через его большое днище 14 и патрубок 6. Горячий теплоноситель подают прямотоком через патрубок 7 и большое днище 14 в зону максимального объема катализатора в единице длины трубок 10. Быстрое удаление реакционной массы через малое днище 13 и патрубок 8 после выработки реагентов обеспечивается увеличивающимися линейными скоростями в суживающихся участках трубок 10. Более того, в целях предотвращения нежелательных реакций, в дополнительном реакторе 2 поддерживают уменьшенный расход горячего теплоносителя по сравнению в основной реактор 1.In processes proceeding with an increase in volume, the reaction mass, falling into the expanding region, is more and more freed from the action of the masses, which contributes to the completeness of the reaction. To ensure maximum yield of the target products, the reaction mass from the
Предлагаемые кожухотрубные теплообменные аппараты и реакторы совмещают в себе свойства двух цилиндрических аппаратов: аппарата с трубным пучком, состоящим из тонких трубок и аппарата с трубным пучком, состоящим из более толстых трубок. Основное достоинство заключается в том, что диаметры трубок меняются непрерывно и плавно. Более того, кожух аппарата повторяет контур трубного пучка. Успешное проведение процесса зависит от того, с какого конца подаются материальные потоки: со стороны большого днища или малого днища. В аппаратах реализуются одновременно два противоположных тепловых потоков: начало пикового роста температуры сопровождается усилением теплоотдачи во внутренние стенки трубок 10, или начало затухания реакции (при эндотермических процессах) сопровождается усилением теплоотдачи от внутренних поверхностей трубок 10 в реакционную массу.The proposed shell-and-tube heat exchangers and reactors combine the properties of two cylindrical devices: an apparatus with a tube bundle consisting of thin tubes and an apparatus with a tube bundle consisting of thicker tubes. The main advantage is that the diameters of the tubes change continuously and smoothly. Moreover, the casing of the apparatus follows the contour of the tube bundle. Successful implementation of the process depends on which end flows the material flows: from the large bottom or small bottom. Two opposite heat fluxes are simultaneously realized in the apparatuses: the beginning of the peak temperature increase is accompanied by an increase in heat transfer to the inner walls of the
Из-за равномерного распределения параметров потока в трубном и в межтрубном пространствах, наблюдаемые в классических цилиндрических кожухотрубных аппаратах зоны (точки) перегрева или затухания в применяемых аппаратах, не проявляются. Теплоноситель в межтрубном пространстве омывает трубки сложным образом, приближенным поперечному омыванию.Due to the uniform distribution of flow parameters in the tube and annular spaces, the zones (points) of overheating or attenuation observed in classical cylindrical shell-and-tube apparatuses do not appear in the apparatus used. The coolant in the annular space washes the tubes in a complex way, approximate transverse washing.
Равномерное прохождение реакций по всей длине катализаторного слоя, сформулированного в виде усеченного конуса, исключает импульсные изменения концентраций, что в свою очередь, приводит к увеличению выхода целевых продуктов и селективностей по ним.The uniform passage of reactions along the entire length of the catalyst layer, formulated as a truncated cone, eliminates pulsed changes in concentrations, which in turn leads to an increase in the yield of the target products and selectivities for them.
Все более увеличивающиеся объемы в единице длины катализаторного слоя, вернее реакционного объема, способствуют постоянству коэффициента равновесия, в случаях, когда реакция протекает с увеличением объема. В цилиндрических трубках равновесие смещалась бы в сторону обратной реакции.Increasingly increasing volumes per unit length of the catalyst layer, or rather the reaction volume, contribute to the constancy of the equilibrium coefficient, in cases where the reaction proceeds with an increase in volume. In cylindrical tubes, the equilibrium would shift toward the reverse reaction.
В результате численного моделирования процессов распределения параметров течений в реакторах с разными формами кожуха и трубок определено, что сумма эксергетических потерь ниже суммы потерь, сопровождаемой в классических реакторах в пределах 15-20%. Доля использования тепловой энергии увеличивается выше 40% по сравнению с долей в классических аппаратах.As a result of numerical simulation of the processes of distribution of the flow parameters in reactors with different shell and tube shapes, it is determined that the sum of exergy losses is lower than the sum of losses accompanied in classical reactors within 15-20%. The share of the use of thermal energy increases above 40% compared with the share in classical devices.
При применении в экзотермических и эндотермических каталитических процессах частичного превращения углеводородов реакторной группы с новыми реакторами и теплообменниками достигают увеличение производительности установок, состоящих из классических цилиндрических аппаратов на 10-45%.When used in exothermic and endothermic catalytic processes, partial conversion of the hydrocarbons of the reactor group with new reactors and heat exchangers achieves an increase in the productivity of installations consisting of classical cylindrical apparatuses by 10-45%.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015108543/05A RU2588617C1 (en) | 2015-03-11 | 2015-03-11 | Method for exothermic and endothermic catalytic processes for partial conversion of hydrocarbons and reactor set therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015108543/05A RU2588617C1 (en) | 2015-03-11 | 2015-03-11 | Method for exothermic and endothermic catalytic processes for partial conversion of hydrocarbons and reactor set therefor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2588617C1 true RU2588617C1 (en) | 2016-07-10 |
Family
ID=56370604
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015108543/05A RU2588617C1 (en) | 2015-03-11 | 2015-03-11 | Method for exothermic and endothermic catalytic processes for partial conversion of hydrocarbons and reactor set therefor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2588617C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2053995C1 (en) * | 1993-11-24 | 1996-02-10 | Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН | Method for production of formic acid having no methanol impurities |
| US6726851B1 (en) * | 1999-12-02 | 2004-04-27 | Haldor Topsoe A/S | Process for carrying out non-adiabatic catalytic reactions |
| RU2381207C2 (en) * | 2008-02-14 | 2010-02-10 | Некоммерческая организация Учреждение Институт проблем химической физики Российской академии наук (статус государственного учреждения (ИПХФ РАН) | Membrane reactor and method for synethesis of alkenes via catalytic dehydrogenation of alkanes |
| RU2440400C2 (en) * | 2010-02-01 | 2012-01-20 | Инфра Текнолоджиз Лтд | Method for obtaining synthetic liquid hydrocarbons and reactor for carrying out fischer-tropsch synthesis |
| RU2511815C1 (en) * | 2012-12-11 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Heat exchanger reactor |
-
2015
- 2015-03-11 RU RU2015108543/05A patent/RU2588617C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2053995C1 (en) * | 1993-11-24 | 1996-02-10 | Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН | Method for production of formic acid having no methanol impurities |
| US6726851B1 (en) * | 1999-12-02 | 2004-04-27 | Haldor Topsoe A/S | Process for carrying out non-adiabatic catalytic reactions |
| RU2381207C2 (en) * | 2008-02-14 | 2010-02-10 | Некоммерческая организация Учреждение Институт проблем химической физики Российской академии наук (статус государственного учреждения (ИПХФ РАН) | Membrane reactor and method for synethesis of alkenes via catalytic dehydrogenation of alkanes |
| RU2440400C2 (en) * | 2010-02-01 | 2012-01-20 | Инфра Текнолоджиз Лтд | Method for obtaining synthetic liquid hydrocarbons and reactor for carrying out fischer-tropsch synthesis |
| RU2511815C1 (en) * | 2012-12-11 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Heat exchanger reactor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4323950B2 (en) | Chemical reactor flow reactor with heterogeneous catalyst | |
| RU2234975C2 (en) | Radial-flow through reactor and method for processing of liquid reactant flow | |
| US8034308B2 (en) | Multi-stage multi-tube shell-and-tube reactor | |
| CN109476563B (en) | Oxidative dehydrogenation of ethane (ODH) | |
| JPH01316370A (en) | Production of ethylene oxide | |
| RU2717062C2 (en) | Ammonia converter modernization method | |
| RU2372572C2 (en) | Heat-exchange apparatus (versions) | |
| JPS60106527A (en) | Double pipe reactor for exothermic reaction | |
| SU1205750A3 (en) | Device for conducting reactions of partial oxidation of organic compounds in vapour phase | |
| RU2552623C2 (en) | Heat exchanger for cooling of hot gases, and heat exchange system | |
| US8969634B2 (en) | Combination reactor system | |
| RU2074024C1 (en) | Method for exothermic heterogeneous synthesis and reactor for its embodiment | |
| UA48177C2 (en) | Method and reactor for formaldehyde heterogeneous exothermic synthesis | |
| WO2018006714A1 (en) | Process for preparing gasoline from methanol by means of combined bed | |
| CN105413592A (en) | Combined type fixed bed reactor and device formed thereby | |
| RU2588617C1 (en) | Method for exothermic and endothermic catalytic processes for partial conversion of hydrocarbons and reactor set therefor | |
| JPS6124372B2 (en) | ||
| JPH045487B2 (en) | ||
| SU707509A3 (en) | Reactor for processes of decomposition of gaseous hydrocarbons | |
| CN110327846B (en) | Isothermal reactor, and device and method for methanation reaction by using same | |
| US2034715A (en) | Apparatus for performing chemical reactions | |
| EP0157463A2 (en) | Method for dehydrogenating a hydrocarbon, an apparatus and method for conducting chemical reactions therein | |
| RU2292946C2 (en) | System for carrying out the exothermic reaction | |
| SU1088781A1 (en) | Shell and tube-type reactor | |
| RU85221U1 (en) | HEAT EXCHANGE DEVICE (OPTIONS) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180312 |