каталитический реактор и способ осуществления сильно экзотермических реакций

Формула изобретения

1. Каталитический реактор трубчатого типа для проведения сильно экзотермических реакций с адиабатическими разогревами 500 - 2500^oC, состоящий из корпуса, трубных решеток, устройств для ввода и вывода реагентов и хладагентов, каталитически активных теплообменных трубок, соединенных с трубными решетками, отличающийся тем, что каталитически активные теплообменные трубки представляют собой металлические непроницаемые трубки, на внешнюю поверхность которых нанесен слой каталитически активного армированного порометаллического материала, образованного плоскими и гофрированными лентами.

2. Каталитический реактор по п.1, отличающийся тем, что слой катализатора на поверхности непроницаемой трубки имеет толщину 1 - 10 мм.

3. Каталитический реактор по п.1, отличающийся тем, что слой катализатора на поверхности непроницаемой трубки нанесен равномерно или неравномерно по ее длине.

4. Способ осуществления сильно экзотермических реакций с адиабатическими разогревами 500 - 2500^oC в каталитическом реакторе трубчатого типа, отличающийся тем, что реагирующую смесь стехиометрического или близкого к нему состава подают в межтрубное пространство, образованное каталитически активными теплообменными трубками, а хладоагент подают внутрь указанных трубок, при этом каталитически активные теплообменные трубки представляют собой металлические непроницаемые трубки, на внешнюю поверхность которых нанесен слой каталитически активного армированного порометаллического материала, образованного плоскими и гофрированными лентами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической технологии, к ее области, связанной с проведением сильно экзотермических реакций с адиабатическими разогревами 500-2500^oC, например гидрирования, окисления и др. Изобретение также может быть использовано и в энергетике для получения горячей воды или пара в бытовых и промышленных условиях.

В настоящее время в химической технологии для осуществления химических реакций с большими тепловыми эффектами используются многополочные адиабатические реакторы с промежуточным теплообменом, либо реакторы трубчатого типа. Последние представляют собой аппараты, состоящие из цилиндрического корпуса 1, внутри которого находятся трубки 2, заполненные гранулированным катализатором, трубных решеток 3, устройств для ввода и вывода реагентов 4, 5 и хладоагентов 6, 7 (фиг. 1). Реагирующую смесь подают внутрь этих трубок, где на гранулах катализатора протекает экзотермическая реакция с выделением тепла. В межтрубное пространство реактора подают хладоагент, обеспечивающий за счет теплоотвода из зоны реакции необходимый температурный режим.

Одним из недостатков данного типа реакторов является наличие тепловых сопротивлений внутри трубки и через ее стенку к хладоагенту. При проведении сильно экзотермических реакций из-за указанных сопротивлений невозможно обеспечить необходимый теплосъем, что приводит к перегреву зерен катализатора, их спеканию, повышению роста гидравлического сопротивления в отдельных трубках, снижению активности катализатора и его селективности.

Применяемые обычно технические приемы, такие как уменьшение диаметра трубок, разбавление смеси реагентов, увеличение скорости газа, принципиально не устраняют указанные недостатки, которые присущи данной конструкции реактора.

Следующим недостатком трубчатых реакторов является сложность в равномерном распределении потоков реагентов по каждой трубке при общем фиксированном перепаде давления в реакторе и флуктуациях пористости в засыпках катализатора, которые обычно возникают при его загрузке в трубки. Наличие неравномерности потоков приводит к различным степеням превращения в отдельных трубках, локальным перегревам уже в масштабе реактора и, как следствие, неустойчивой работе реактора, вплоть до возникновения аварийных режимов.

Таким образом, поддержание определенного температурного режима для сильно экзотермической реакции в трубчатом реакторе может быть затруднено или вообще невозможно в случае, если тепловыделение в единице объема зернистого слоя значительно превосходит отвод тепла из слоя к теплообменной поверхности.

Для решения этих проблем предложен вариант трубчатого реактора с трубками, имеющими проницаемую боковую поверхность [M.Jacoby/ New Reactor boosts, yield, Reduces waste. Chemical and Engineering News. 1997. N 4. p.51.]. В этой конструкции реактора катализатор также, как и в традиционном трубчатом реакторе, размещен внутри трубок. Наличие проницаемой стенки позволяет осуществить раздельную подачу реагентов и этим самым снизить теплонапряженность единицы объема реакционного пространства и обеспечить тепловую устойчивость проведения экзотермических реакций в таком реакторе.

Недостатками данного реактора являются, во-первых, использование большого количества трубок с проницаемой боковой поверхностью, что приводит к разбросу проницаемости стенок и, соответственно, к гидродинамическим неоднородностям; во-вторых, остается проблема низкой радиальной теплопроводности слоя катализатора внутри трубок.

Наиболее близкими к данному изобретению являются способ и аппарат трубчатого типа [H.Hameyama, M.Yamashita, K.Yamashita, T.Kabe. Study of catalyst-assisted chemical couple of benzene hydrogenation/cyclohexane dehydrogenation. In World Congress III of Chemical Engineering, Tokyo, 1986. V., p. 649-652] для проведения реакции гидрирования бензола. Реагирующую смесь водорода и бензола подают в межтрубное пространство, а хладоагент - воду - внутрь трубок. Теплообменные трубки выполнены из алюминия, на их внешней поверхности методом анодного окисления алюминий переведен в тонкую пленку оксида алюминия. В дальнейшем на эту поверхность в качестве активного компонента нанесена платина.

Учитывая технологию приготовления оксидной пленки, ее толщина составляет не более 0,1-0,5 мм. Образование нетеплопроводной оксидной пленки на поверхности металла значительно уменьшает теплопроводность стенки трубки, что приводит к необходимости снизить тепловыделение за счет проведения реакции гидрирования при соотношениях H₂/C₆H₆=10, т.е., значительно выше стехиометрического. Достигнутая в экспериментах степень превращения в зависимости от условий находится в пределах 5-10%.

Недостатками этого реактора и способа, выбранного в качестве прототипа, являются:

1. Наличие значительного теплового сопротивления пленки оксида алюминия, образованной на поверхности трубы.

2. Малая толщина каталитического слоя, приводящая к низким степеням превращения и малой объемной производительности реактора.

3. Необходимость проводить реакцию при соотношениях реагентов, значительно превышающих стехиометрические.

Изобретение решает задачу создания трубчатого реактора для проведения сильно экзотермических реакций при стехиометрических или близких к ним соотношениях реагентов, без перегревов слоя катализатора и уменьшенным гидравлическим сопротивлением.

Поставленная задача решается созданием каталитического реактора трубчатого типа, в котором совмещаются тепловыделяющие и теплообменные поверхности без их пространственной разделенности. Это достигается за счет использования каталитически активных теплообменных трубок. Каталитически активные теплообменные трубки представляют собой металлические непроницаемые трубки, на внешнюю поверхность которых нанесен слой каталитически активного армированного порометаллического материала, образованного плоскими и гофрированными лентами, создающими бидисперсную структуру нанесенного на поверхность трубки слоя. Слой катализатора на поверхности непроницаемой трубки имеет толщину 1 -10 мм и нанесен равномерно или неравномерно по ее длине.

Поставленная задача решается также использованием способа осуществления сильно экзотермических реакций с адиабатическими разогревами 500-2500^oC в каталитическом реакторе трубчатого типа, в котором реагирующую смесь стехиометрического или близкого к нему состава подают в межтрубное пространство, образованное каталитически активными теплообменными трубками, а хладоагент подают внутрь указанных трубок.

Каталитический реактор трубчатого типа для проведения сильно экзотермических реакций с адиабатическими разогревами 500- 2500^oC (фиг. 2) состоит из корпуса 1, трубных решеток 2, устройств для ввода и вывода реагентов 3, 4 и вывода хладагентов 5, 6, каталиически активных теплообменных трубок 7, соединенных с трубными решетками 2, на внешнюю поверхность которых нанесен слой каталитически активного армированного порометаллического материала, образованного плоскими и гофрированными лентами 8. Слой катализатора имеет толщину 1-10 мм и нанесен равномерно или неравномерно по ее длине.

Реагирующую смесь стехиометрического или близкого к нему состава подают в межтрубное пространство, образованное каталитически активными теплообменными трубками, а хладоагент подают внутрь указанных трубок, при этом каталитически активные теплообменные трубки представляют собой металлические непроницаемые трубки, на внешнюю поверхность которых нанесен слой каталитически активного армированного порометаллического материала, образованного плоскими и гофрированными лентами.

В этом слое протекает химическая реакция с выделением тепла. Реакционная смесь движется в межтрубном пространстве, обтекая трубки снаружи в поперечном направлении и проникая за счет диффузии внутрь каталитического слоя. Выделяющееся в результате реакции тепло отводят в радиальном направлении к внутренней части теплообменной трубки. Для обеспечения высокой теплопроводности каталитического слоя используют порометаллический носитель, получаемый спеканием металлического порошка. Для увеличения теплопроводности этот носитель может быть армирован металлической сеткой. В случае необходимости для развития внутренней поверхности, увеличения дисперсности, создания необходимой пористой структуры на порометаллический носитель дополнительно наносят подложку из оксида алюминия или диоксида кремния. В дальнейшем на носитель наносят активный компонент в зависимости от типа реализуемой реакции.

Приготовленный таким образом слой катализатора либо спекают непосредственно с теплообменной трубкой, либо наносят на металлическую гофрированную ленту, которую наматывают на трубку и спекают с нею. Первый способ формирования каталитического слоя предпочтительнее использовать в случае реакций, протекающих в области внешней диффузии. Второй способ выгоднее применять для реакций в кинетической или внутридиффузионной области, когда важно увеличить поверхность катализатора на единичной длине трубки. При этом проницаемость слоя обеспечивается его бидисперсной структурой, поскольку гофрированная лента образует достаточно широкие каналы (макропоры), по которым реакционная смесь получает свободный доступ ко всей внешней поверхности ленты, а достаточно малая толщина ленты обеспечивает высокую степень использования ее внешней поверхности (микропоры).

Отличительными признаками предлагаемого технического решения по отношению к прототипу являются:

- каталитически активные теплообменные трубки, представляющие собой металлические непроницаемые трубки, на внешнюю поверхность которых нанесен слой каталитически активного армированного порометаллического материала, образованного плоскими и гофрированными лентами, создающими бидисперсную структуру нанесенного на поверхность трубки слоя; слой катализатора на поверхности непроницаемой трубки имеет толщину 1-10 мм и нанесен равномерно или неравномерно по ее длине;

- способ проведения реакций, заключающийся в том, что реагирующую смесь стехиометрического или близкого к нему состава подают в межтрубное пространство, образованное каталитически активными теплообменными трубками, а хладоагент подают внутрь указанных трубок, при этом каталитически активные теплообменные трубки представляют собой металлические непроницаемые трубки, на внешнюю поверхность которых нанесен слой каталитически активного армированного порометаллического материала, образованного плоскими и гофрированными лентами, создающими бидисперсную структуру нанесенного на поверхность трубки слоя.

Вариант технической реализации технологической схемы с использованием реактора - каталитического теплообменника дан на фиг. 3. Реагент 1 подается в аппарат 3, где производится очистка от примесей и подогрев до необходимой температуры. Аналогичные операции проводятся с реагентом 2 в аппарате 4. После предварительной подготовки реагенты поступают в узел смешения 5, где подготавливается реакционная смесь в стехиометрическом соотношении. Затем эта смесь поступает в межтрубное пространство реактора 6, где на поверхности каталитически активных трубок 7 происходит экзотермическая реакция с выделением тепла и образованием продуктов реакции. Последние после реактора поступают в аппарат 8, где производится их разделение либо подготовка для хранения на складе, куда они поступают по трубопроводу 11. Для съема тепла, образующегося в реакторе 6, внутрь теплообменных трубок поступает теплоноситель 10 (хладоагент), который в теплообменнике 9 отдает тепло, подаваемое по трубопроводу 12 для бытовых или производственных целей. После теплообменника, с помощью циркуляционного насоса 11, хладоагент поступает на вход в реактор.

Сущность изобретения иллюстрируют проведением сильноэкзотермических реакций окисления водорода, гидрирования бензола и нитробензола.

Пример 1. Реакцию окисления водорода с адиабатическим разогревом 1560^oC осуществляют в следующих условиях: соотношение H₂/O₂=0,26/0,16, скорость смеси в межтрубном пространстве 9,8 м/с; диаметр каталитически активной теплообменной трубки 10 мм, толщина каталитического слоя 2 мм, носитель Ti-Al, активный компонент 0,5 мас.% Pt на Al₂O₃, длина трубки 490 мм, температура воды на входе в трубку 20^oC, скорость воды в трубке 0,12 м/с. При этом степень превращения по водороду - 99,9%, температура охлаждающей воды на выходе - 78^oC, максимальная температура слоя катализатора - 260^oC.

Пример 2. Реакцию гидрирования бензола с адиабатическим разогревом 1920^oC осуществляют в следующих условиях: соотношение C₆H₆/H₂=0,24/0,76, скорость реакционной смеси 4,8-5,1 см/с; диаметр каталитически активной теплообменной трубки 8 мм, длина 300 мм, толщина каталитического слоя 4 мм, носитель Ni: Al, активный компонент, мас.%: 20-Ni + 0,5Cr₂O₃ на Al₂O₃, температура хладоагента на входе в трубку 170^oC. При этом степень превращения бензола - 99%, температура хладоагента на выходе из трубки - 172^oC, максимальная температура в слое катализатора - 175^oC.

Пример 3. Реакцию гидрирования нитробензола с адиабатическим разогревом 2400^oC осуществляют в следующих условиях: соотношение H₂/C₆H₅NO₅=0,86/0,14, скорость реакционной смеси 4,8 см/с; диаметр каталитически активной теплообменной трубки 8 мм, длина 300 мм, толщина каталитического слоя 4 мм, носитель Ni: Al, активный компонент 15 мас.% Cu на SiO₂, температура хладоагента на входе в трубку 200^oC. При этом степень превращения нитробензола - 99,9%, температура хладоагента на выходе из трубки - 203^oC, максимальная температура в слое катализатора - 210^oC.

Как следует из приведенных примеров, предлагаемое изобретение обеспечивает достижение следующего технического результата: возможность проведения сильно экзотермических реакций при стехиометрических соотношениях смеси и без перегревов слоя катализатора и может найти широкое применение в химической технологии и энергетике.