Хімічний реактор, спосіб проведення каталітичних хімічних реакцій

1. Хімічний реактор для проведення каталітичних реакцій з циліндричним корпусом (2), закритим із протилежних кінців відповідними кришками (3, 4), принаймні одною зоною реакції (7, 8), у якій знаходяться шари (9, 10) каталізатора і велика кількість теплообмінників (25), який відрізняється тим, що теплообмінники (25) об'єднані в конструкти вно незалежні блоки (U1, U2), у які через сполучні пристрої (27, 29, 39) подаються відповідні потоки різних робочих текучих теплоносіїв. 2. Реактор за п. 1, який відрізняється тим, що він має принаймні дві зони (7, 8) реакції, кожна з відповідним шаром (9, 10) каталізатора, та принаймні один блок (U1, U2) теплообмінників і сполучних пристроїв (27, 29, 30), призначених для подачі в блоки (U1, U2) теплообмінників відповідних потоків робочи х текучих теплоносіїв. 3. Реактор за п. 1, який відрізняється тим, що принаймні один з великої кількості теплообмінників (25) виконаний у вигляді пластинчастого прямокутного теплообмінника коробчастої форми. 4. Реактор за п. 3, який від різняє ться тим, що теплообмінники (25) розташовані радіально з орієнтованими паралельно осі (А-А) корпусу (2) довгими сторонами (26). 5. Реактор за п. 3 , який відрізняє ться тим, що розміри поперечного перерізу теплообмінників (25) є меншими, ніж розміри отворів, зокрема люків, які виконані у нижній і/або верхній кришках (3, 4) корпусу реактора, діаметр яких є істотно меншим, ніж діаметр корпусу (2). 6. Реактор за п. 3, який відрізняється тим, що сполучні пристрої (27, 29, 39), які призначені для 2 (19) 1 3 80203 4 якій знаходиться шар каталізатора з великою кількістю занурених у нього теплообмінників, які об'єднані в конструктивно незалежні блоки, і в кожний з цих блоків теплообмінників подають відповідні різні робочі текучі теплоносії, якими контролюють температуру реакції, яка протікає при псевдоізотермічних умовах. 15. Спосіб за п. 14, який відрізняє ться тим, що різні робочі текучі теплоносії вибирають із групи, яка включає газоподібні реагенти, воду, котлову воду та розплавлені солі. 16. Спосіб за п. 14, який відрізняється тим, що вихідні реагенти подають принаймні в одну зону реакції хімічного реактора, який має принаймні дві зони реакції, у кожній з яких знаходиться шар відповідного каталізатора і принаймні один блок теплообмінників, при цьому в блоки теплообмінників, які розташовані в різних зонах реакції, подають різні робочі текучі теплоносії. Даний винахід стосується хімічного реактора, який призначений для проведення каталітичних реакцій. Винахід стосується, зокрема, хімічного реактора з закритим із протилежних боків відповідними кришками по суті циліндричним корпусом, який утворює зону реакції принаймні з одним шаром каталізатора. Більш конкретно даний винахід стосується хімічного реактора описаного вище типу, який має принаймні один так називаний псевдоізотермічний шар каталізатора, у якому температур у реакції, яка відбувається в ньому, шляхом відповідного регулювання підтримують на постійному рівні у вузькому діапазоні відхилень від заданої температури. Відомо, що останнім часом при проведенні каталітичних реакцій все більш і більш гострою стає проблема підвищення продуктивності та конверсійного виходу реакторів і одночасного зниження споживаної ними енергії і витрат на їх створення й експлуатацію. Для рішення цієї проблеми в останні роки було запропоновано багато різних конструкцій псевдоізотермічних хімічних реакторів. Під "псевдоізотермічними" реакторами в даному контексті маються на увазі реактори, які призначені для проведення хімічних реакцій, у яких температуру реакції в зоні реакції постійно підтримують у вузькому діапазоні відхилень від заданого оптимального значення за допомогою розташованих у зоні реакції теплообмінників, наприклад, трубчастого або пластинчастого типу. Однак при всіх перевагах відомих реакторів подібного типу жоден з них повною мірою не відповідає зазначеним вище вимогам, які пов'язані з підвищенням продуктивності та конверсійного виходу реактора й одночасним зниженням споживаної енергії та витрат на його створення й експлуатацію. Практично всі відомі в даний час "псевдоізотермічні" реактори або забезпечують високу продуктивність і високий вихід, але складну конструкцію і споживають багато енергії та вимагають високих витрат на створення й експлуатацію, або, навпаки, при відносно простій конструкції та низьких витратах на створення й експлуатацію не забезпечують високої продуктивності та високого конверсійного виходу. В основу даного винаходу була покладена задача розробити хімічнийреактор зазначеного на початку опису типу, який мав би певні конструкти вні та функціональні особливості і, як наслідок цього, забезпечував би високу продуктивність і високий конверсійний вихід при низькому споживанні енергії та низьких витратах на його створення й експлуатацію. Зазначена вище задача вирішується за допомогою пропонованого у винаході хімічного реактора, який призначений для проведення каталітичних реакцій і основні відмітні риси якого в повному обсязі розкриті та заявлені у формулі винаходу. Інші особливості та переваги пропонованого у винаході реактора більш докладно розглянуті нижче на прикладі кращого варіанта його можливого здійснення, який не обмежує обсяг винаходу, з посиланням на додані до опису креслення, які його ілюструють. На доданих до опису кресленнях показано: на Фіг.1 - схематичне зображення в поздовжньому розрізі хімічного реактора, який пропонується в кращому варіанті здійснення даного винаходу, і на Фіг.2 та 3 - схематичні зображення показаного на Фіг.1 реактора в поперечному перерізі площинами В-В та С-С відповідно. На Фіг.1 схематично показаний псевдоізотермічний хімічний реактор 1 з вертикальною віссю АА, призначений для проведення хімічних реакцій у шарі каталізатора, а в даному конкретному (але такому, що не обмежує обсяг винаходу) випадку для синтезу аміаку, метанолу або формальдегіду. Реактор 1 має циліндричний корпус 2, закритий із протилежних боків днищем 3 та кришкою 4. На кришці 4 розташовані патрубки 5, 5' та 5" для подачі в реактор вихідних реагентів, а на днище 3 - патрубок 6 для відбору з реактора продуктів реакції. Відповідно до першої особливості даного винаходу в корпусі 2 реактора розташовані дві зони 7 та 8 реакції з відповідними шарами 9 та 10 каталізатора. Вихідні реагенти, які подаються до реактора, проходять через відкритий зверху в площині 11 та обмежений знизу перфорованим днищем 12 шар 9 каталізатора в напрямку подовжньої осі реактора. Нижній шар 10 каталізатора обмежений у напрямку, паралельному осі А-А, вн утрішньою 13 та зовнішньою 14 перфорованими стінками по суті циліндричного кошика 15, отвори яких призначені для проходу реагентів через шар 10 каталізатора в радіальному напрямку. 5 80203 Нижній шар каталізатора 10 зверху відкритий і займає в реакторі простір між верхньою і нижньою площинами 16 та 17. Розташований нижче площини 16 у днищі 3 реактора простір 18 заповнюють відповідним (не показаним на кресленні) гранульованим інертним матеріалом, який утворює основу нижнього шару 10 каталізатора. Зазор 19 між кошиком 15 нижнього шару каталізатора і корпусом 2 реактору призначений для проходу та розподілу реагентів у шарі 10 каталізатора. Зазор 19 і верхня границя (площина 16) нижнього шару 10 каталізатора сполучаються з верхнім шаром 9 каталізатора через перфороване днище 12 та колектор 20, у якому збираються реагенти і продукти реакції, які виходять з верхнього шару 9 каталізатора. Розташована між кошиком 15 і віссю А-А корпусу 2 реактора камера 21, у якій збираються продукти, які виходять з нижнього шару 10 каталізатора, з'єднана відвідною трубою 22 з розташованим на днище 3 вихідним патрубком 6. Пристрої для кріплення в корпусі реактора верхнього і нижнього шарів 9 та 10 каталізатора добре відомі і тому докладно не розглядаються. Для заміни каталізатора верхнього і нижнього шарів 9 та 10 призначені розташовані в середній і нижній частинах корпусу 2 реактора патрубки 23 та 24. Іншою особливістю пропонованого у винаході реактора є наявність у ньому великої кількості занурених у верхній і нижній шари 9 та 10 каталізатора теплообмінників 25. Як такі теплообмінники 25 бажано використовувати пластинчасті теплообмінники прямокутної коробчастої форми. Такі теплообмінники звичайно виготовляють із двох покладених один на одного металевих листів (пластин), які зварюванням з'єднують один з одним таким чином, що між ними залишається вільний простір певної ширини, через який прокачують робочий текучий теплоносій. Теплообмінники 25 бажано розташовувати радіально з витягнутими паралельно осі А-А корпусу 2 реактора довгими боками 26. Площа поперечного перерізу теплообмінників 25 бажано повинна бути меншою, ніж площа наявних у корпусі реактора отворів, зокрема, площа не показаного на кресленнях звичайного люка, розташованого в днище і/або у верхній кришці реактора. Такі люки, розміри яких є значно меншими ніж діаметр корпусу, можна використовувати при складанні реактора для розміщення теплообмінників 25 у шарах каталізатора, а також їх заміни і поточного ремонту й обслуговування. У пропонованому у винаході реакторі в кожному шарі каталізатора розташовані концентрично навколо центральної осі корпусу 2 реактора теплообмінники 25 об'єднані в декілька (у даному варіанті, який не обмежує обсяг винаходу - у два) незалежні кільцеві блоки, у яких вони з'єднані між собою послідовно і/або паралельно, про що більш докладно сказано нижче. Кожен теплообмінник 25 повинен мати вхідний 27 і вихідний 28 патрубки, призначені для подачі і відбору з теплообмінника робочого текучого теплоносія. У показаному на кресленнях варіанті вхі 6 дний і вихідний патрубки розташовані на протилежних коротких боках теплообмінників 25. Верхні боки теплообмінників 25, які розташовані у верхньому шарі 9 каталізатора, з'єднані через патрубки 27 трубами 29 із вхідними патрубками 5 та 5' реактора. Одночасно нижні боки теплообмінників 25 через патрубки 28, бічні відводи 30, центральну трубу 31 і колектор 32 з'єднані з відкритим зверху (площина 11) верхнім шаром 9 каталізатора. Розташована на осі корпусу 2 реактора центральна циліндрична труба 31 проходить через весь верхній шар 9 каталізатора. Труба має закритий не перфорованим листом 33 нижній кінець і закритий перфорованим листом 34 верхній кінець, через який вона сполучається з колектором 32. Центральну трубу 31 бажано також з'єднати трубою 35, яка проходить через верхній перфорований лист 34, з вхідним патрубком 5", який призначений для подачі в реактор додаткових газоподібних реагентів. Робочий текучий теплоносій подають у теплообмінники 25 нижнього шару 10 каталізатора і відбирають з них через вхідний та вихідний патрубки відповідно, які розташовані на днищі 3 корпусу реактора. Для цього, зокрема, призначені показані на днищі 3 корпусу реактора вхідні патрубки 36 та 37 і вихідні патрубки 38. Нижні боки теплообмінників 25, які розташовані у нижньому шарі 10 каталізатора, через патрубки 27 з'єднані з вхідними патрубками 36 та 37 трубами 39. Теплообмінники нижнього шару каталізатора мають також патрубки 28, з'єднані також з вихідними патрубками 38 трубами 40. Однією з особливістю пропонованого в даному винаході реактора є наявність у ньому труб 41, які з'єднують між собою патрубки 27 та 28 сусідніх теплообмінників 25 нижнього шару каталізатора 10. У показаному на Фіг.1-3 реакторі в кожному шарі 9 та 10 каталізатора розташовано два окремих блоки U1 та U2 теплообмінників 25. У верхньому шарі 9 каталізатора об'єднані в блоки теплообмінники з'єднані паралельно, а в нижньому шарі 10 каталізатора - послідовно. Відповідно до іншої відмітної риси винаходу висота (довгий бік) теплообмінників 25 менша за осьову довжину шарів 9 та 10 каталізатора, і тому в пропонованому у винаході реакторі верхня частина 42 кожного шару 9 та 10 каталізатора, у якій немає теплообмінників, працює в адіабатичному режимі. Під час роботи вихідні реагенти в описаний вище реактор 1 безупинно подаються через патрубки 5, 5', 5". Вихідні реагенти, які подаються у реактор через труби 29 і патрубки 27 попадають у розташовані в першій зоні 7 реакції та об'єднані в блоки U1 і U2 теплообмінники 25 верхнього шару 9 каталізатора. Усередині теплообмінників 25 вихідні реагенти виконують функцію (першого) робочого текучого теплоносія. 7 80203 Реагенти, які проходять через теплообмінники 25, через патрубки 28 і труби 30 попадають у центральну трубу 31. Одночасно в центральну тр убу 31 через патрубок 5" і тр убу 35 подаються "свіжі" реагенти, які змішуються в ній з реагентами, які пройшли через теплообмінники 25 та у загальному потоці попадають у колектор 32, а потім в осьовому напрямку проходять через шар 9 каталізатора, у якому частково вступають у реакцію. Суміш реагентів і продуктів реакції, яка утворюється в зоні 7 реакції, проходить через перфороване днище 12 верхнього шару каталізатора і збирається в колекторі 20, з якого вона в осьовому напрямку (через площину 16) і в радіальному напрямку (через зазор 19) попадає в другу зону 8 реакції. В другій зоні 8 реакції, через яку суміш реагентів і продуктів реакції проходить у радіальноосьовому напрямку, реакція закінчується. Продукти, які виходять з другої зони 8 реакції, збираються в камері 21 і попадають у тр убу 22, з'єднану з призначеним для відбору з реактора продуктів реакції патрубком 6. Для регулювання температури в др угій зоні 8 реакції використовують другий робочий текучий теплоносій, зокрема, звичайну або котлову воду або розплавлені солі, який прокачують через занурені в нижній шар 10 каталізатора теплообмінники 25. В другій зоні 8 реакції відбувається теплообмін між реагентами і продуктами реакції і другим робочим текучим теплоносієм, який спочатку через патрубки 36 та 27 по трубах 39 подають у теплообмінники 25 зовнішнього блоку U2. З теплообмінників зовнішнього блоку другий робочий текучий теплоносій через патрубки 28 та 27 по труба х 41 подають у теплообмінники 25 внутрішнього блоку U1. Другий робочий текучий теплоносій, який пройшов через теплообмінники 25 внутрішнього блоку U1, виводять з реактора через патрубки 38, з'єднані трубами 40 з патрубками 28 теплообмінників 25 блоку U2. У цьому зв'язку необхідно відзначити, що в одному з кращих варіантів здійснення винаходу частину др угого робочого текучого теплоносія через патрубки 37 по трубах 39 прямо подають у теплообмінники 25 внутрішнього блоку U1, у яких він змішується з текучим теплоносієм, який потрапляє в них з теплообмінників зовнішнього блоку U2. З приведеного вище опису випливає, що блоки U1 та U2 теплообмінників 25 у першій зоні 7 реакції працюють паралельно, а в другій зоні 8 реакції -послідовно. При цьому по суті й у першому, і в другому шарах 9 та 10 каталізатора реакція протікає в "псевдоізотермічних" умовах, за винятком невеликої верхньої частини 42 шару каталізатора, у якій через відсутність теплообмінників і регулювання температури вона протікає в адіабатичних умовах. У деяких окремих випадках у корпусі 2 реактора можна розташува ти ще один (не показаний на кресленні) додатковий шар каталізатора, який працює тільки в адіабатичному режимі. 8 Пропоновані у винаході рішення можна використовувати і для створення нових реакторів, і для доробки та модернізації існуючих реакторів псевдоізотермічного типу шляхом заміни їх вн утрішніх елементів (зокрема, для модернізації і використання реакторів, визнаних непридатними для подальшої експлуатації). Ці рішення можна також використовува ти і для створення на базі існуючих реакторів адіабатичного типу (реакторів без будьякого внутрішнього устаткування) реакторів псевдоізотермічного типу. Описані вище рішення дозволяють створити хімічний реактор, який забезпечує високу продуктивність і високий вихід, є простим у виготовленні, споживає мало енергії і не потребує високих капіталовкладень і великих поточних витрат. Усі ці переваги пропонованого у винаході реактора пов'язані з наявністю двох шарів каталізатора з осьовим і відповідно радіально-осьовим напрямком потоку газоподібних реагентів, які протікають через них, і можливістю підвищення ефективності процесу теплообміну, який відбувається в каталізаторі, і оптимального регулювання падіння тиску газу. Використання одного загального корпусу з двома зонами реакції істотно знижує витрати на створення реактора і помітно спрощує його конструкцію. Крім того, використання в пропонованому у винаході реакторі з одним корпусом двох різних робочих текучи х теплоносіїв дозволяє додатково збільшити конверсійний вихід реакції (завдяки кращому контролю температури реакції) і, підвищивши ефективність теплообміну, знизити споживання енергії. Показаний на Фіг.1-3 варіант виконання реактора слід розглядати тільки як кращий приклад можливого здійснення винаходу, що не виключає й інших варіантів його здійснення і внесення в розглянутий варіант різних спрямованих на рішення зазначених вище те хнічних проблем змін і удосконалень, які не виходять за його обсяг, визначений його формулою. Так, зокрема, у винаході відповідно до іншого варіанта його здійснення пропонується реактор 1 (не показаний на кресленнях), у якому в розташовані паралельно блоки U1 та U2 теплообмінників 25 нижнього псевдоізотермічного шару 10 каталізатора подають два різних, не зв'язаних один з одним потоки робочого текучого теплоносія. Пропонований у цьому варіанті здійснення винаходу реактор не має внутрішніх тр уб 41, які з'єднують один з одним теплообмінники 25 різних блоків, що у цьому варіанті з'єднані з зовнішніми джерелами робочого текучого теплоносія через відповідні патрубки та труби 27, 29, 39 та 40. Функції одного з робочих текучих теплоносіїв у цьому варіанті виконують безпосередньо самі газоподібні регенти. На базі пропонованого у винаході реактора у винаході пропонується також новий спосіб проведення каталітичних хімічних реакцій, наприклад, реакції синтезу аміаку, метанолу або формальдегіду, який полягає у тому, що реагенти подають принаймні в одну зону реакції, у якій знаходиться шар каталізатора з великою кількістю занурених у 9 80203 нього й об'єднаних у конструктивно незалежні блоки теплообмінників, у які одночасно подають відповідні різні робочі текучі теплоносії, якими конт Комп’ютерна в ерстка Т. Чепелев а 10 ролюють температуру реакції, що протікає в шарі каталізатора в псевдоізотермічних умовах. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601