Спосіб і установка для гетерогенного синтезу хімічних сполук

1. Спосіб гетерогенного синтезу метанолу шляхом каталітичної конверсії газоподібних реагентів у псевдоізотермічних умовах у двох послідовно розташованих зонах реакції (2) та (3), який відрізняється тим, що в зоні реакції (2) газоподібні реагенти пропускають через нерухому масу відповідного каталізатора, у який занурені розташовані поруч один з одним коробчасті теплообмінні елементи (21), які мають форму пластин, через які пропускають робочий текучий теплоносій. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що тиск у зоні реакції (2) дорівнює тиску у зоні реакції (3). 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що газоподібні реагенти подають у зону реакції (2) після непрямого теплообміну у зоні реакції (3) з реакційною сумішшю, яку подають у зону реакції (3) з зони реакції(2). 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у зону реакції (3) подають реакційну суміш з зони реакції (2) після регулювання температури на вході у зону реакції (3) в процесі непрямого теплообміну. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у зону реакції (2) подають суміш газоподібних реагентів, яка складається з "свіжих" газоподібних реагентів і газоподібних реагентів, виділених з реакційної суміші, одержаної у зоні реакції (3). 2 (19) 1 3 81221 Даний винахід стосується способу гетерогенного синтезу хімічних сполук, таких як метанол і аміак. Винахід стосується, зокрема, способу гетерогенного синтезу хімічних сполук, у якому використовують дві послідовно з'єднані зони реакції, у яких у так званих псевдоізотермічних умовах у шарі каталізатора відбуваються хімічні реакції, температур у яких контролюють у вузькому діапазоні значень біля попередньо заданого оптимального значення. Даний винахід стосується також установки для гетерогенного синтезу хімічних сполук таким способом. Промислове одержання хімічних сполук, таких як метанол і аміак, потребує, як відомо, розробки способів гетерогенного синтезу з високим конверсійним виходом реагентів і створення установок великої продуктивності, що не потребують великих капіталовкладень і споживають порівняно мало енергії. Для вирішення цієї задачі був запропонований спосіб синтезу метанолу в двох послідовно з'єднаних зонах реакції, які працюють у псевдоізотермічних умовах, тобто з відведенням тепла, яке виділяється в процесі реакції, при цьому надлишок тепла, що виділяється в другій зоні реакції, відбирають з неї непрямим теплообміном з потоком свіжих газоподібних реагентів, які повертаються в першу зону реакції. Такий спосіб синтезу метанолу описаний у [ЕР-А 0790226]. Для більш точного підтримання оптимального режиму роботи й одержання дешевого метанолу запропонованим у цій публікації способом у першій зоні реакції необхідно установити трубчастий теплообмінник із заповненими відповідним каталізатором трубками. Через заповнені каталізатором трубки теплообмінника пропускають газоподібні реагенти (Н2 і CO), а зовні трубки охолоджують потоком води (одержуючи при цьому водяну пару), яку використовують як робочий текучий теплоносій. Реактор з теплообмінником подібного типу описаний, наприклад, у US 4559207. Необхідність використання такого специфічного реактора в першій зоні реакції при двоступінчастому синтезі метанолу підтверджується також у [GB-A 2203427]. При усіх своїх безсумнівних перевагах описаний вище спосіб синтезу метанолу має й один істотний і технічно значимий недолік, який при промисловому одержанні метанолу перешкоджає розвитку або знижує повноту хімічної реакції (конверсійний вихід) і обмежує продуктивність відповідної установки. Дійсно, згадані вище реактори з пучком теплообмінних труб мають порівняно складну конструкцію і вимагають ретельного обслуговування і тому не придатні, як випливає з [ЕР-А 0790226], для створення установок з великим об'ємом зони реакції, що мають високий конверсійний вихід і високу продуктивність. Створення установок з великим об'ємом зони реакції в реакторах із трубним пучком не просто 4 пов'язано з дуже великими і реально нерозв'язними труднощами, але і вимагає настільки великих інвестицій, що весь процес синтезу з двоступінчастою реакцією стає економічно неефективним. Для усунення цього недоліку в [GB-A 2203427] було запропоновано використовувати високоефективний каталізатор, який, частково підвищуючи конверсійний вихід реакторів із трубним пучком і збільшуючи їх продуктивтсть, має дуже високу вартість. Таким чином, відомі в даний час способи, які мають ті чи інші вказані вище недоліки, не дозволяють знайти порівняно дешевий і технічно простий і надійний шляхстворення установок, які мають високий конверсійний вихід і високу продуктивність. В основу даного винаходу була покладена задача розробити позбавлений згаданих вище недоліків спосіб гетерогенного синтезу хімічних сполук, таких як метанол і аміак, який був би простим у здійсненні при високому конверсійному виході на хімічних установках великої продуктивності при низьких капіталовкладеннях і низькій витраті енергії. Вказана вище задача вирішується за допомогою запропонованого у винаході способу гетерогенного синтезу хімічних сполук, таких як метанол і аміак, шляхом каталітичної конверсії відповідних газоподібних реагентів у псевдоізотермічних умовах у двох послідовно розташованих зонах реакції, який відрізняється тим, що в першій зоні реакції газоподібні реагенти пропускають через нерухому масу відповідного каталізатора, у який занурені розташовані поруч один з одним по суті коробчасті теплообмінники, які мають форму пластин, через які пропускають робочий текучий теплоносій. На відміну від загальноприйнятої думки було встановлено, що запропоновані рішення дозволили досить простим, надійним і дешевим шляхом істотно збільшити конверсійний вихід і продуктивність першої зони реакції в описаному вище процесі. Запропоновані в даному винаході рішення дозволяють одержувати згадані вище хімічні сполуки у великих кількостях і з високим конверсійним виходом на великих хімічних установках, які мають високу продуктивність, досить простих у виго товленні, які споживають порівняно невелику кількість енергії і дешевих в експлуатації. У даному винаході пропонується також хімічна установка, на якій завдяки її відповідним конструктивним і функціональним особливостям можна здійснити вказаний вище спосіб. Інші відмінні риси і переваги запропонованого у винаході способу більш докладно розглянуті нижче на прикладі варіанта його можливого здійснення, що ілюструє, але не обмежує обсяг винаходу, з посиланням на додані креслення. Короткий опис креслень На доданих до опису кресленнях показано: 5 81221 на фіг.1 - загальна принципова схема установки для здійснення одного з варіантів запропонованого у винаході способу і на фіг.2 - схематичне зображення в поздовжньому розрізі одного з реакторів установки, схема якої показана на фіг.1. Кращий варіант здійснення винаходу На фіг.1 схематично показані основні компоненти позначеної на схемі позицією 1 установки для одержання метанолу або аміаку запропонованим у даному винаході способом. Установка 1 містить першу зону 2 реакції і з'єднану з нею послідовно другу зону 3 реакції. У кожній із зон 2, 3 реакції є розташований в корпусі добре відомим способом реакційний простір 4, у якому знаходиться не показана на схемі нерухома маса відповідного каталізатора. Реакція в зонах 2, З реакції відбувається в псевдоізотермічних умовах, які підтримуються за допомогою теплообмінників 5 і 6, занурених у каталізатор, що знаходиться в реакційному просторі 4. Температура реакції в реакційному просторі 4 першої зони 2 реакції контролюється непрямим теплообміном реагентів з робочим текучим теплоносієм, який протікає через теплообмінник 5 у напрямку, позначеному стрілками. При регулюванні температури екзотермічних реакцій, таких як реакції синтезу метанолу або аміаку, як робочий текучий теплоносій, який прокачується через теплообмінник, використовують звичайно воду. Всередині теплообмінника вода, яка нагрівається в ньому, перетворюється у водяну пару або попередньо нагрівається до певної температури і потім використовується для одержання водяної пари в спеціально призначених для цієї мети парогенераторах (котлах), розташованих поза зоною реакції і на кресленні не показаних. Температура реакції в реакційному просторі 4 другої зони 3 реакції також контролюється за рахунок непрямого теплообміну з використанням як робочого текучого теплоносія в теплообміннику 6 газоподібних реагентів, які подаються у першу зону 2 реакції. Для цього газоподібні реагенти по трубі 7 спочатку пропускають через розташований у др угій зоні 3 реакції теплообмінник 6 і лише потім подають у реакційний простір 4 першої зони 2 реакції. По трубі 7 у теплообмінник 6 подають не лише свіжі, але і газоподібні реагенти, які повертаються в зону реакції зокрема Н 2 і СО при синтезі метанолу і Н2 і N2 при синтезі аміаку. Труба, яка позначена на схемі позицією 8 і яка з'єднує ви хід реакційного простору 4 першої зони 2 реакції з входом реакційного простору 4 другої зони реакції, призначена для подачі в реакційний простір другої зони реакції отриманої в першій зоні 2 реакції реакційної суміші, яка містить метанол або аміак і газоподібні реагенти, які не вступили в реакцію. Отриману в реакторі реакційну суміш, у якій крім метанолу або аміаку також міститься деяка кількість газоподібних реагентів, які не вступили в 6 реакцію, виводять з реакційного простору 4 другої зони 3 реакції по трубі 9. У звичайної, не зображеної на кресленні частини показаної на фіг.1 установки, з'єднаної з другою зоною 3 реакції трубою 9, з отриманої реакційної суміші виділяють метанол або аміак, а газоподібні реагенти, які містяться в ній і які не вступили в реакції, повертають назад у першу зону 2 реакції по трубі 7 разом зі свіжими газоподібними реагентами. На фіг.2 показаний теплообмінник 5, який використовується у запропонованій у винаході установці, занурений у каталізатор, що знаходиться в реакційному просторі 4, і зібраний з множини окремих розташованих поруч один з одним коробчастих, пластинчастих теплообмінних елементів, через які проходить робочий текучий теплоносій. Показана на фіг.2 перша зона 2 реакції являє собою докладно описаний нижче псевдоізотермічний реактор з циліндричним корпусом 10, закритим із протилежних кінців відповідно верхнім 11 і нижнім 12 днищами, всередині якого розташований зібраний з окремих пластинчастих теплообмінних елементів теплообмінник 5. На верхньому днищі 12 реактора 2 розташований патрубок 13, через який у реактор по показаній на фіг.1 тр убі 7 подаються газоподібні реагенти, і патрубки 14, 15 відповідно для підведення в теплообмінник 5 і відведення з нього робочого текучого теплоносія. На нижньому днищі 11 розташований з'єднаний з показаною на фіг.1 трубою 8 патр убок 16, через який з реактора 2 виходить реакційна суміш, яка утворилася в ньому. У реакційному просторі 4 всередині корпуса 10 реактора 2 знаходиться по суті відомий відкритий зверху кільцевий шар 17 каталізатора з перфорованими бічними стінками, через які в радіальному і радіально-осьовому напрямку проходять газоподібні реагенти. Внутрішня бічна стінка шару 17 каталізатора утворює отвір 18, який зверху закритий кришкою 19 і з'єднаний трубою 20 з патрубком 16, через який з реактора виходить реакційна суміш, яка утворилася в ньому. У реакційному просторі 4 і, зокрема, у шарі 17 каталізатора розташований закріплений звичайним способом теплообмінник 5, занурений у масу відповідного, не показаного на кресленні каталізатора. У цьому варіанті теплообмінник 5 має по суті циліндричну форму і складається з множини розташованих поруч один з одним на одній осі концентричних (по суті радіальних) плоских, коробчастих, пластинчастих теплообмінних елементів 21, що мають форму паралелепіпеда. Кожен такий окремо не показаний на кресленні теплообмінний елемент 21 переважно складається з двох металевих пластин, які прилягають одна до одної і з'єднані одна з одною по зовнішньому краї паянням, які утворюють розташовану між ними внутрішню порожнину 21а 7 81221 (зображену пунктирними лініями), через яку проходить робочий текучий теплоносій. Кожен теплообмінний елемент 21 має розташовані уздовж його довгих сторін 22 розподільну трубу 23 і виконаний у вигляді труби колектор 24 для робочого текучого теплоносія. Труби 23 і 24 з'єднані з однієї сторони з внутрішньою порожниною 21а теплообмінного елемента принаймні через одне, переважно через декілька вікон або отворів (на кресленнях не показані), розташованих уздовж однієї або декількох утворюючих, а з іншої сторони впускними і випускними трубками 25 і 26 відповідно з'єднані з розташованим поза теплообмінним елементом 21 контуром, по якому проходить робочий текучий теплоносій. Трубки 25 і 26 з'єднані з відповідними патрубками 14 і 15. Для формування в теплообміннику 6 радіального або по суті радіального потоку робочого текучого теплоносія порожнини 21а теплообмінних елементів переважно розділені на множину більш дрібних порожнин, які не сполучаються напряму одна з одною і утворених, наприклад, множиною зварних швів або роздільних перегородок (зображених на кресленні пунктирними лініями), які проходять перпендикулярно до розподільної труби 23 і виконаного у вигляді тр уби колектору 24 теплообмінного елемента 21. Завдяки такому виконанню першої зони 2 реакції створюється можливість одержувати метанол або аміак запропонованим у винаході способом, у якому газоподібні реагенти пропускають через нерухому масу розташованого в цій зоні реакції відповідного каталізатора, у який занурено множина розташованих поруч один з одним по суті коробчастих теплообмінників, які мають форму пластин, через які проходить робочий текучий теплоносій. Запропоноване в даному винаході рішення являє собою досить простий, надійний, економічно вигідний і не пов'язаний з великою витратою енергії шлях для створення першої зони 2 реакції з великим за розмірами (об'ємом) реакційним простором. Іншими словами, пластинчасті теплообмінники, занурені в масу каталізатора, не лише є ефективним засобами непрямого теплообміну, але і дозволяють оптимальним чином вибирати розміри першої зони 2 реакції й істотно підвищити її конверсійний вихід і продуктивність, а також конверсійний вихід і продуктивність всієї установки. Даний винахід не виключає можливості внесення в розглянутий ви ще варіант різних змін і удосконалень, які не виходять за обсяг винаходу, який визначається наведеною нижче формулою винаходу. Так, наприклад, в одному з переважних варіантів реакційну суміш, яку з першої зони 2 реакції по трубі 8 подають у другу зону 3 реакції, охолоджують шляхом непрямого теплообміну в теплообміннику 27 звичайного типу, зображеному на фіг.1 пунктирними лініями. Наявність такого теплообмінника не лише дозволяє 8 використовува ти тепло, що міститься в реакційній суміші, яка відбирається з першої зони реакції, наприклад для одержання водяної пари, яку можна використовувати в інших місцях (паросилової) установки, але і регулювати температуру на вході в другу зону 3 реакції для підвищення її конверсійного виходу. Альтернативно до розглянутого ви ще варіанту частину "свіжих" газоподібних реагентів і/або повторно синтезованих реагентів можна подавати безпосередньо в першу зону 2 реакції по трубі 28 в обхід другої зони 3 реакції. Як теплообмінник 6 можна використовувати звичайний теплообмінник, наприклад теплообмінник з пучком труб або трубчастим змійовиком, однак більш переважно використовува ти теплообмінник, зібраний з множини пластинчастих теплообмінних елементів описаного вище і показаного на фіг.2 типу. Використання такого теплообмінника дозволяє додатково збільшити конверсійний вихід і продуктивність усієї хімічної установки. В іншому, не показаному на кресленнях варіанті першу і др угу зони 2, З реакції пропонується виконати не у вигляді двох показаних на фіг.1 окремих реакторів, а у вигляді одного реактора синтезу. Температурний режим у зонах реакції підтримують на рівні, звичайному для синтезу метанолу або аміаку. Що стосується робочого тиску, то найкращих результатів можна домогтися по суті при рівному в обох зонах 2 і 3 реакції тиску, який при синтезі метанолу повинен переважно становити від 50 до 100бар, а при синтезі аміаку від 50 до 300, переважно від 80 до 150бар. 9 81221 10