RU52738U1

RU52738U1 - REACTOR FOR IMPLEMENTING GAS-PHASE CATALYTIC PROCESSES

Info

Publication number: RU52738U1
Application number: RU2005132591/22U
Authority: RU
Inventors: Андрей Юрьевич Беляев; Генрих Семенович Фалькевич
Original assignee: Андрей Юрьевич Беляев; Генрих Семенович Фалькевич
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Техническое решение 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 technical solution 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.

Description

Известен реактор для получения чистых веществ, в том числе и посредством газофазных реакций (SU, авторское свидетельство 1771805 В 01 J 19/18,1992), содержащий корпус с крышкой, в которой выполнены устройства подачи реагентов, элементы измерительных устройств в виде датчиков содержания реагентов в корпусе, датчиков давления и температуры, узел нагрева и патрубка выгрузки готового продукта, причем узел нагрева выполнен в виде секции наружного токопроводящего покрытия с толщиной равномерно уменьшающейся от центра секции к ее торцам.A reactor for producing pure substances is known, including by means of gas-phase reactions (SU, copyright certificate 1771805 В 01 J 19 / 18,1992), comprising a housing with a cover in which reagent supply devices, elements of measuring devices in the form of reagent content sensors are made in the housing, pressure and temperature sensors, the heating unit and the discharge pipe of the finished product, and the heating unit is made in the form of a section of an external conductive coating with a thickness uniformly decreasing from the center of the section to its ends.

Недостатком известного устройства следует признать невозможность точного поддержания необходимой температуры в зоне осуществления реакции.A disadvantage of the known device should be recognized the impossibility of accurately maintaining the required temperature in the reaction zone.

Известен реактор для переработки отработанных масел (RU, патент 2075506 С 10 М 175/04, 1997), содержащий корпус со средствами загрузки реагентов, узел подачи сжатого воздуха, узел слива готового продукта, узел слива отходов и узел нагрева, выполненный в виде паровой рубашки и змеевиков, проходящих по внутреннему объему корпуса.A known reactor for the processing of waste oils (RU, patent 2075506 C 10 M 175/04, 1997), comprising a housing with reagent loading means, a compressed air supply unit, a finished product discharge unit, a waste discharge unit and a heating unit made in the form of a steam jacket and coils passing through the internal volume of the housing.

Известен также реактор для осуществления газофазных реакций (RU, патент 2011431 В 05 С 9/14, 1994), содержащий стеклянный трубчатый корпус с нагревателем - индуктором, электрически соединенным с источниками напряжения высокой и низкой частоты через развязывающие фильтры. Внутри корпуса установлен источник электронов, а также датчик контроля температуры. Корпус совмещен с вакуумной камерой осаждения, содержащей охлаждаемый столик для образцов.Also known is a reactor for carrying out gas-phase reactions (RU, patent 2011431 B 05 C 9/14, 1994), comprising a glass tubular casing with a heater-inductor electrically connected to high and low frequency voltage sources through decoupling filters. Inside the case, an electron source is installed, as well as a temperature control sensor. The housing is combined with a vacuum deposition chamber containing a cooled sample table.

Техническая задача, решаемая посредством предложенной конструкции реактора, состоит в повышении качества получаемой продукции.The technical problem solved by the proposed reactor design is to improve the quality of the products.

Технический результат, получаемый при реализации предложенной конструкции реактора, состоит в достижении постоянной температуры в катализаторном пространстве по всему объему реактора, что приводит к повышению качества получаемого продукта, а также повышению процента выхода готового продукта за счет повышения доли прореагировавших исходных компонентов.The technical result obtained by implementing the proposed reactor design is to achieve a constant temperature in the catalyst space throughout the reactor volume, which leads to an increase in the quality of the resulting product, as well as an increase in the yield of the finished product by increasing the proportion of reacted starting components.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать реактор для проведения газофазных эндотермических процессов с подводом тепла реакции в зоне реакции, содержащий корпус, средство ввода исходных компонентов, средство вывода готового продукта, узел подвода тепла, причем узел подвода тепла выполнен в виде множества тепловых труб, обогреваемых в To achieve the specified technical result, it is proposed to use a reactor for carrying out gas-phase endothermic processes with a reaction heat supply in the reaction zone, comprising a housing, input components input means, a finished product output means, a heat supply unit, the heat supply unit being made in the form of a plurality of heat pipes heated at

зоне подогрева, внутренний объем реактора разделен на три зоны, при этом в зоне реакции тепловые трубы расположены на расстоянии между их поверхностями не более 150 мм при диаметре труб не более 200 мм, в зоне подогрева трубы расположены на расстоянии не менее 500 мм между их поверхностями, а находящаяся между ними буферная зона образована двумя трубными решетками, при этом за зоной подогрева тепловые трубы объединены группами. Предпочтительно тепловые трубы в зоне реакции и зоне подогрева расположены с образованием взаимоперпендикулярных межтрубных коридоров, что позволяет удобно засыпать и удалять катализатор. Обычно расстояние между трубными решетками в буферной зоне не менее 1000 мм, при этом корпус буферной зоны имеет люки, обеспечивающие доступ в межтрубные коридоры, причем желательно, чтобы корпус буферной зоны содержал компенсаторы терморасширения, которые отслеживают изменение длины тепловых труб между трубными решетками при повышении и понижении температуры. По этой причине корпус буферной зоны может иметь конусную форму с углом конусности, позволяющим компенсировать температурное расширение труб между трубными решетками. В предпочтительном варианте реализации конструкции буферная зона бывает заполнена азотом или другим инертным газом с давлением, по меньшей мере, не меньшим, чем давление в реакционной зоне. Это обеспечивает пожаро-взрывобезопасность конструкции при каких-либо разгерметизациях. При проведении каталитических процессов в нижней части реакционной зоны размещают катализаторный стол с отверстиями для прохода тепловых труб, при этом средство вывода готового продукта расположено под указанным столом. Реактор может дополнительно содержать обечайки высотой 500-1500 мм, предназначенные для засыпки катализатора и устанавливаемые the heating zone, the internal volume of the reactor is divided into three zones, while in the reaction zone the heat pipes are located at a distance between their surfaces of not more than 150 mm with a pipe diameter of not more than 200 mm, in the heating zone of the pipe are located at a distance of at least 500 mm between their surfaces , and the buffer zone located between them is formed by two tube sheets, while the heat pipes are combined in groups behind the heating zone. Preferably, the heat pipes in the reaction zone and the heating zone are arranged to form mutually perpendicular annular corridors, which makes it convenient to fill and remove the catalyst. Typically, the distance between the tube sheets in the buffer zone is at least 1000 mm, while the buffer case body has hatches that provide access to the annular corridors, and it is desirable that the buffer zone case contains thermal expansion joints that track the change in the length of the heat pipes between the tube sheets with increasing and lowering the temperature. For this reason, the housing of the buffer zone may have a conical shape with a taper angle that compensates for the thermal expansion of the pipes between the tube sheets. In a preferred embodiment, the buffer zone is filled with nitrogen or another inert gas with a pressure of at least not less than the pressure in the reaction zone. This ensures fire and explosion safety of the structure with any depressurization. When carrying out catalytic processes, a catalyst table with holes for the passage of heat pipes is placed in the lower part of the reaction zone, while the means for outputting the finished product is located under the specified table. The reactor may additionally contain shells with a height of 500-1500 mm, designed to fill the catalyst and installed

последовательно друг на друга по мере заполнения межтрубного реакционного пространства катализатором, и/или дополнительно содержать в зоне реакции вспомогательный корпус, устанавливаемый после установки обечаек. Преимущественно обечайки имеют перфорацию для ввода газов в пространство, а для вывода продуктовой смеси из зоны реакции в центре реактора установлена перфорированная центральная труба. Устройство для удаления катализатора проходит через катализаторный стол, нижнюю обечайку, при этом, по меньшей мере, одна обечайка имеет выход для удаления катализатора. Корпус в области, по меньшей мере, одной из зон на внутренней поверхности содержит футеровку и/или защитное покрытие из металла, что обеспечивает термостойкость конструкции. Преимущественно в верхней части зоны реакции установлены устройства для обеспечения равномерности газового потока реакционной смеси в реакционном пространстве. В одном из вариантов реализации тепловые трубы могут быть выполнены в виде коаксиальных труб, причем теплоноситель находится между трубами. При этом обычно подвод тепла к тепловым трубам может осуществляться как с внешней стороны тепловых труб, так и с внутренней, т.е. источники подвода тепла к тепловым трубам могут располагаться внутри коаксиальных труб (в пространстве трубы меньшего диаметра).sequentially on top of each other as the annular reaction space is filled with a catalyst, and / or additionally contain an auxiliary housing in the reaction zone, which is installed after the shells are installed. Mostly the shells have a perforation for introducing gases into the space, and a perforated central tube is installed in the center of the reactor to withdraw the product mixture from the reaction zone. The catalyst removal device passes through the catalyst table, the lower shell, with at least one shell having an outlet for removing the catalyst. The housing in the region of at least one of the zones on the inner surface contains a lining and / or a protective coating of metal, which ensures thermal stability of the structure. Advantageously, devices are installed in the upper part of the reaction zone to ensure uniformity of the gas flow of the reaction mixture in the reaction space. In one embodiment, the heat pipes can be made in the form of coaxial pipes, the heat transfer medium being between the pipes. In this case, usually, heat can be supplied to the heat pipes both from the outside of the heat pipes and from the inside, i.e. sources of heat supply to the heat pipes can be located inside coaxial pipes (in the space of a pipe of a smaller diameter).

Используемый термин «тепловая труба» соответствует значению, общепринятому в науке и технике (см., например. Большой энциклопедический словарь «Политехнический». М., Научное издание «Большая Российская энциклопедия», 1998, стр.524).The term "heat pipe" used corresponds to the meaning generally accepted in science and technology (see, for example, the Big Encyclopedic Dictionary "Polytechnic". M., Scientific publication "Big Russian Encyclopedia", 1998, p. 544).

Кроме газофазных каталитических процессов данный реактор может быть использован и для жидкофазных каталитических процессов.In addition to gas-phase catalytic processes, this reactor can also be used for liquid-phase catalytic processes.

Использование тепловых труб с заранее подобранным составом находящихся в них веществ позволяет точно дозировать количество тепловой энергии, подводимой в каталитическую зону, что обеспечивает проведение химического процесса в оптимальных условиях с уменьшенным содержанием побочных веществ и с максимальным выходом целевого продукта. Указанное размещение по объему корпуса тепловых труб позволяет равномерно распределить поступающую тепловую энергию по объему реакционной зоны. В преимущественном варианте реализации средства ввода исходных компонентов и средство вывода готового продукта бывают расположены по противоположным стенам корпуса, по обе стороны от каталитической зоны. Это позволяет пропустить прямотоком исходные компоненты через каталитическую зону. В корпусе могут быть расположены датчики, позволяющие контролировать технологический процесс (датчики температуры, давления, содержания отдельных компонентов газовой смеси на входе и выходе реактора). Датчики могут быть подключены к системе автоматического управления процессом, в том числе, и к системе подачи тепловой энергии на тепловые трубы. Вокруг и/или внутри корпуса могут быть дополнительно расположены средства регулирования температуры процесса. Эти средства (рубашки теплоносителем, змеевики, слои электронагревателя и т.д.) облегчают поддержание необходимой температуры в корпусе, особенно при больших размерах корпуса.The use of heat pipes with a pre-selected composition of the substances contained in them allows you to accurately dose the amount of thermal energy supplied to the catalytic zone, which ensures the chemical process under optimal conditions with a reduced content of by-products and with a maximum yield of the target product. The specified placement in the volume of the casing of heat pipes allows you to evenly distribute the incoming thermal energy over the volume of the reaction zone. In an advantageous embodiment, the implementation of the input means of the initial components and the means of output of the finished product are located on opposite walls of the housing, on both sides of the catalytic zone. This allows direct flow of the starting components through the catalytic zone. Sensors can be located in the housing, which allow controlling the technological process (sensors of temperature, pressure, content of individual components of the gas mixture at the inlet and outlet of the reactor). Sensors can be connected to an automatic process control system, including a system for supplying thermal energy to heat pipes. Around and / or inside the housing can be additionally located means for controlling the process temperature. These tools (coolant shirts, coils, electric heater layers, etc.) make it easier to maintain the required temperature in the case, especially when the case is large.

На рисунке приведен базовый вариант заявленной конструкции, при этом использованы следующие обозначения: корпус 1, средства 2 ввода исходных компонентов, средство 3 вывода готового продукта, каталитическая область 4, теплоизоляция 5, The figure shows the basic version of the claimed design, with the following notation: housing 1, means 2 for inputting the initial components, means 3 for outputting the finished product, catalytic region 4, thermal insulation 5,

тепловые трубы 6, область 7 подогрева, буферная зона 8, обечайки 9, центральная труба 10, катализаторный стол 11, зона реакции 12.heat pipes 6, heating region 7, buffer zone 8, shells 9, central pipe 10, catalyst table 11, reaction zone 12.

Предлагаемый реактор с эндотермической химической реакцией работает следующим образом. Предварительно определяют оптимальные тепловые режимы проведения процесса. Подбирают вещество, температура парообразования которого соответствует оптимальной температуре проведения реакции. Рассчитывают суммарную площадь тепловых труб, расположенную в каждой зоне. Создают при необходимости каталитическую зону путем размещения и фиксации (на столе) катализатора. При необходимости с использованием дополнительных средств регулирования температуры создают в корпусе необходимый тепловой режим. Подводят тепловую энергию к концам тепловых труб, размещенных в зоне подогрева. Подают в корпус исходные компоненты, пропускают их через зону реакции, корректируя при необходимости по показаниям датчиков режимы подачи исходных компонентов. Отводят из корпуса готовый продукт, при необходимости отделяя его от непрореагировавших исходных компонентов. При протекании в реакторе экзотермической реакции тепловые трубы по приведенной выше схеме отводят из реактора тепло.The proposed reactor with an endothermic chemical reaction works as follows. Preliminarily determine the optimal thermal conditions of the process. A substance is selected whose vaporization temperature corresponds to the optimum reaction temperature. Calculate the total area of the heat pipes located in each zone. If necessary, create a catalytic zone by placing and fixing (on the table) of the catalyst. If necessary, using additional means of temperature control create the necessary thermal regime in the housing. Heat energy is brought to the ends of the heat pipes located in the heating zone. The initial components are fed into the housing, they are passed through the reaction zone, adjusting, if necessary, according to the readings of the sensors, the feed modes of the initial components. The finished product is removed from the housing, if necessary, separating it from the unreacted starting components. When an exothermic reaction takes place in the reactor, heat pipes remove heat from the reactor according to the above scheme.

Использование предложенной конструкции реактора иллюстрировано на примере паровой конверсии метана.The use of the proposed reactor design is illustrated by the example of methane steam reforming.

Трубы реактора представляют собой тепловые трубы, заполненные натрием. Процесс в реакторе проводится при давлении 7 мПа и температуре 900°С.The tubes of the reactor are heat pipes filled with sodium. The process in the reactor is carried out at a pressure of 7 MPa and a temperature of 900 ° C.

При этом при сохранении стандартного процесса паровой конверсии метана объем катализаторного пространства уменьшен на 30÷40% при сохранении времени реакционного пробега. Резко Moreover, while maintaining the standard methane steam reforming process, the volume of the catalyst space is reduced by 30–40% while maintaining the reaction run time. Sharp

уменьшены капитальные затраты на создание системы реактор-печь, минимум на 60-80%.reduced capital costs for the creation of a reactor-furnace system, at least 60-80%.

Использование реактора предложенной конструкции позволяет достичь постоянства температуры в катализаторном пространстве по всему объему реактора, что приводит к повышению качества получаемого продукта, а также повышению процента выхода готового продукта (до, примерно, 16,4%) за счет повышения доли прореагировавших исходных компонентов.Using the reactor of the proposed design allows to achieve a constant temperature in the catalyst space throughout the reactor volume, which leads to an increase in the quality of the obtained product, as well as an increase in the yield of the finished product (up to about 16.4%) by increasing the proportion of reacted starting components.

Claims

1. A reactor for carrying out gas-phase endothermic processes with the supply of reaction heat in the reaction zone, comprising a housing, input means for the initial components, means for outputting the finished product, a heat supply unit, characterized in that the heat supply unit is made in the form of a plurality of heat pipes heated in the zone heating, the internal volume of the reactor is divided into three zones, while in the reaction zone heat pipes are located at a distance between their surfaces of not more than 150 mm with a pipe diameter of not more than 200 mm, in the zone of heating of the pipe s at a distance of not less than 500 mm between their surfaces, and the buffer zone located between them is formed by two tube sheets, while the heat pipes are combined in groups behind the heating zone.

2. The reactor according to claim 1, characterized in that the heat pipes in the reaction zone are located with the formation of mutually perpendicular annular corridors.

3. The reactor according to claim 1, characterized in that the heat pipes in the buffer zone and the heating zone are located with the formation of mutually perpendicular annular corridors.

4. The reactor according to claim 3, characterized in that the distance between the tube sheets in the buffer zone is at least 1000 mm, while the buffer zone body has hatches that provide access to the annular corridors.

5. The reactor according to claim 3, characterized in that the housing of the buffer zone contains expansion joints, allowing compensation for the thermal expansion of the heat pipes between the tube sheets.

6. The reactor according to claim 3, characterized in that the housing of the buffer zone has a conical shape with a taper angle, which allows to compensate for the thermal expansion of the pipes between the tube sheets.

7. The reactor according to claim 1, characterized in that the buffer zone is filled with nitrogen or other inert gas with a pressure of at least not less than the pressure in the reaction zone.

8. The reactor according to claim 1, characterized in that in the lower part of the reaction zone there is a catalyst table with holes for the passage of heat pipes, while the means for outputting the finished product is located under the specified table.

9. The reactor according to claim 1, characterized in that it additionally contains shells with a height of 500 ÷ 1500 mm, designed to fill the catalyst and stacked sequentially on top of each other as the annular reaction space is filled with the necessary materials and devices.

10. The reactor according to claim 9, characterized in that it further comprises in the reaction zone an auxiliary housing, which is installed after installing the shells.

11. The reactor according to claim 9, characterized in that the shells have a perforation for introducing gases into the space, and a perforated central tube is installed in the center of the reactor to withdraw the mixture of reaction products from the reaction zone.

12. The reactor of claim 8, characterized in that the device for removing the catalyst from the catalyst table passes through the lower shell.

13. The reactor according to p. 12, characterized in that at least one shell has an outlet for removing the catalyst.

14. The reactor according to claim 1, characterized in that the housing in the region of at least one of the zones on the inner surface contains a lining.

15. The reactor according to claim 1, characterized in that the housing in the region of at least one of the zones on the inner surface contains a protective coating of metal.

16. The reactor according to claim 1, characterized in that in the upper part of the reaction zone, devices are installed to ensure uniform flow of the reaction mixture in the reaction space.

17. The reactor according to claim 1, characterized in that the heat pipes are made in the form of coaxial pipes, the heat transfer medium being between the pipes.

18. The reactor according to 17, characterized in that the sources of heat supply to the heat pipes are located on the outside of the heat pipes (in the annulus).

19. The reactor according to claim 17, characterized in that the sources of heat supply to the heat pipes are located inside the coaxial pipes (in the space of the pipe of a smaller diameter).