Спосіб і пристрій для виділення рідини з газового сировинного струменя в каталітичному реакторі

Реферат: Спосіб і пристрій для виділення рідкого продукту реакції з газового струменя в каталітичному реакторі за допомогою металічного листа, який опосередковано охолоджується охолоджувальною поверхнею і має певну кількість перколяційних елементів у формі геометричних виступів на обох своїх сторонах, кожен з яких має відкриту основу, яка на стороні листа, яка повернута до шару каталізатора, орієнтована вгору, а на стороні листа, яка повернута до охолоджувальної поверхні, орієнтована вниз. UA 104958 C2 (12) UA 104958 C2 UA 104958 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Представлений винахід головним чином пов'язаний з виділенням рідкого продукту реакції, який одержується контактуванням сировинного газу з твердим каталізатором, запакованим у вигляді нерухомих шарів в каталітичних трубах. В ряді каталітичних процесів вигідно безперервно видаляти продукт реакції з хімічно активного сировинного газу для покращення рівноважного виходу або швидкості протікання реакції до одержання продукту при переведенні його з газової фази у рідку фазу шляхом конденсації. Прикладом такої реакції є перетворення синтез-газу на метанол. Патент US 5262443 описує спосіб одержання метанолу з синтез-газу за умов процесу, де одержаний метанол видаляють з газової фази шляхом конденсації його на частинках каталізатора. За допомогою цього способу термодинамічна рівноважна межа газової фази для одержання метанолу усувається і вихід метанолу, який наближається до 100 в шарі каталізатора, може досягатися за одну операцію. Конденсація рідкого метанолу на частинках каталізатора має шкідливий вплив на активність частинок каталізатора. Заявка на патент WO 2009/106232 описує вдосконалений каталітичний спосіб і реактор для одержання метанолу, у яких метанол, коли він одержується, переводиться з газової фази у рідку фазу без зниження активності каталізатора. За допомогою способу і реакції цієї заявки на патент температуру рідкого охолоджувального агента, який опосередковано контактує з частинками каталізатора, і спеціальне відношення об'єму шару каталізатора до площі охолоджувальної поверхні регулюють так, щоб конденсація метанолу відбувалась головним чином на охолоджувальній поверхні. Головним чином, бажано перешкоджати конденсації рідини на частинках каталізатора в газових каталітичних реакціях, де продукт реакції переводять з газової фази у рідку фазу. Замість цього вигідно надавати можливість протіканню процесу конденсації і транспортуванню рідкого конденсату назовні шару каталізатора на поверхні, яка не має або має слабкий контакт з частинками каталізатора. Відповідно, цей винахід є способом виділення рідкого продукту реакції з газового струменя в каталітичному реакторі, у якому: в реакторі, який має нерухомий шар твердих частинок каталізатора, металічний лист розташовують між нерухомим шаром каталізатора і охолоджувальною поверхнею; в металічному листі, який опосередковано охолоджується охолоджувальною поверхнею, на обох його сторонах передбачають певну кількість перколяційних елементів у формі геометричних виступів, кожен з яких має відкриту основу, яка на одній стороні листа, яка повернута до шару каталізатора, орієнтована вгору, а на стороні листа, яка повернута до охолоджувальної поверхні, орієнтована вниз; конденсують газоподібний продукт реакції, який одержується з реакції газового струменя в шарі каталізатора, з одержанням рідкого продукту реакції на металічному листі і подають рідкий продукт реакції крізь відкриту основу, яка спрямована вгору, до охолоджувальної поверхні; і пропускають конденсований рідкий продукт реакції по охолоджувальній поверхні і/або металічному листі і відводять його з дна реактора. Термін "геометричний виступ", як зазначено вище і в наступному описі, означає виступ, який має форму, яка задовольняє законам геометрії. Розташовуючи перколятор у формі металічного листа з виступами, які мають відкриту основу, спрямовану вгору на стороні листа, яка повернута до шару каталізатора у відповідності з винаходом, сторона листа, яка контактує з частинками каталізатора і газовим струменем, буде діяти як колектор для збирання і транспортування рідини, тоді як протилежна сторона діє як ректифікатор рідини. Таким чином, по суті уникається шкідливе спрямовування рідкого продукту реакції в шар каталізатора. Термін "вгору" і "вниз", як зазначено вище і в наступному описі, означає напрям, який орієнтований проти напряму безнапірного потоку рідкого продукту реакції і, відповідно, в напрямі безнапірного потоку. В переважному варіанті виконання винаходу, геометричною формою виступів є половина піраміди, половина конусу або півсфера, які забезпечують кращу ректифікацію рідини. В подальшому переважному варіанті виконання винаходу, геометричні виступи на внутрішній стороні листа з'єднують на їх відкритій основі з геометричними виступами на зовнішній стороні листа так, що вони мають спільну відкриту основу. Як зазначено вище, спосіб винаходу спрямований на видалення рідкої фази з газової фази, яка в більшості випадків з'являється з конденсації продукту реакції, який одержується реакцією 1 UA 104958 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 газових реагентів у нерухомому шарі каталізатора так, що зовні шару каталізатора одержується рідка фаза. Каталітичні реакції часто здійснюються в каталітичних трубах. Тому, бажано формувати трубчастий металічний лист для узгодження з формою внутрішньої трубчастої сторони каталітичних труб. Частинки каталізатора потім поміщаються на сторону труби, тобто на внутрішню сторону трубчастого металічного листа. У такій структурі, охолоджувальна поверхня типово буде трубчастою стороною каталітичних труб, яка потім охолоджується охолоджувальним агентом, який протікає по зовнішній стороні каталітичних труб. В деяких каталітичних реакціях, які здійснюються в реакторі, який містить один або більшу кількість шарів каталізатора у своїй загальній оболонці, бажано встановлювати один або більшу кількість металічних листів згідно з винаходом у формі труби в шар каталізатора так, щоб частинки каталізатора оточували зовнішню сторону трубчастого металічного листа, який потім опосередковано охолоджується охолоджувальною поверхнею. Охолоджувальна поверхня у такому варіанті виконання переважно має трубчасту форму і розташована на стороні труби, тобто всередині трубчастого металічного листа. Винахід додатково надає пристрій, який використовується у способі згідно з винаходом. Пристрій згідно з винаходом для виділення рідкого продукту реакції з газового струменя в каталітичному реакторі містить: металічний лист, розташований паралельно охолоджувальній поверхні, при цьому на обох сторонах металічного листа передбачена певна кількість перколяційних елементів у формі геометричних виступів, кожен з яких має відкриту основу, яка на стороні листа, яка повернута до шару каталізатора в каталітичному реакторі, орієнтована вгору і на стороні листа, яка повернута до охолоджувальної поверхні, орієнтована вниз. В переважному варіанті виконання пристрою винаходу, геометричні виступи мають форму половини піраміди. В ще іншому переважному варіанті виконання пристрою винаходу, геометричні виступи мають форму половини конуса. В подальшому переважному варіанті виконання пристрою винаходу, геометричні виступи на внутрішній стороні листа з'єднуються на своїй відкритій основі з геометричними виступами на зовнішній стороні листа і мають спільну основу. В подальшому переважному варіанті виконання пристрою винаходу, металічний лист має форму труби. В подальшому переважному варіанті виконання пристрою, охолоджувальна поверхня має трубчасту форму. В подальшому описі, винахід розкривається детальніше з посиланням на креслення, на яких: Фіг. 1 зображає вид в перспективі частини перколятора у формі металічного листа з виступами згідно із спеціальним варіантом виконання винаходу; Фіг. 2 зображає вид поперечного перерізу частини металічного листа з виступами згідно з спеціальним варіантом виконання винаходу для використання в каталітичній трубі; Фіг. 3 зображає вид поперечного перерізу реактора, який має ряд перколяторів у формі металічних листів згідно з спеціальним варіантом виконання винаходу. Фіг. 1 зображає металічний лист 2 для використання у способі згідно з винаходом, який має перколяційні елементи 4, 6, 8 і 10. Виступи формуються як половини конусів на передній стороні 2а і тильній стороні 2b листа 2. Виступи 4 і 8, які виходять з передньої сторони 2а, і виступи 6 і 10, які виходять з тильної сторони 2b, з'єднані і мають спільну відкриту основу 12 і, відповідно, 14. Частинки каталізатора (не зображена) розташовані на тильній стороні 2b листа. Конічний кінець половин конусів 4 і 8 розташований на передній стороні 2а і спрямований вгору, тобто у напрямі, протилежному до напряму безнапірного потоку рідини, як вказано стрілками 16а і 16b. На тильній стороні 2b конічний кінець половин конусів 6 і 10 спрямований вниз у тому ж напрямі що й безнапірний потік рідини. Частина відкритої основи 12 і 14, яка виступає з тильної сторони 2b у простір з частинками каталізатора, орієнтована в напрямі, протилежному до потоку рідини, і функціонує як колектор рідини, а частина відкритої основи 12 і 14 орієнтована в напрямі потоку рідини і діє як випускний отвір для рідини на передній стороні 2а листа 2. Таким чином, потік рідини, яка конденсується на тильній (внутрішній) стороні 2b, збирається на відкритій основі 12 і 14, і подається до передньої сторони 2а. Фіг. 2 представляє вид поперечного перерізу металічного листа для застосування у способі згідно з винаходом з перколяційними елементами у формі виступів 4, 6, 8, 10, які мають форму половини конуса або половини піраміди, і відкритими основами 12, 13, 14, 15, які поперемінно орієнтовані вгору і вниз по відношенню до напряму безнапірного потоку 16 рідини. Частинки 2 UA 104958 C2 5 10 15 20 25 каталізатора (не зображені) розташовані у просторі, який повернутий до внутрішньої сторони 2b листа 2. Як вказано стрілками 16, газоподібний продукт реакції з шару частинок каталізатора конденсується на внутрішній стороні 2b і буде спрямовуватися крізь відкриті основи 12, 13, 14, 15 до зовнішньої сторони 2а. Менша частина газоподібного продукту буде також протікати крізь відкриті основи і конденсуватися потім на зовнішній стороні 2а і протікати вниз разом з струменем рідкого продукту вздовж зовнішньої сторони 2а до нижньої частини листа. Фіг. 3 зображає каталітичний реактор, який має ряд металічних листів (зображений тільки один) в шарі каталізатора згідно з варіантом виконання винаходу. Реактор 20 містить в оболонці 22 шар 24 частинок каталізатора. Металічний лист 2 у формі труби розташований в шарі каталізатора і оточений частинками каталізатора. Металічний лист 2 має певну кількість виступів 6 і 4, які мають спільну основу, як додатково зображено на Фіг. 1. Частина спільної відкритої основи 12, яка повернута до шару каталізатора, орієнтована у напрямі, протилежному до напряму безнапірного потоку конденсованого рідкого продукту 16 реакції, а частина основи 12, яка виступає з внутрішньої сторони листа 2, орієнтована в напрямі потоку рідини. Трубчастий лист 2 охолоджується охолоджувальною поверхнею охолоджувальної труби 26. Під час роботи реактора 20, газовий струмінь пропускають крізь шар 24 каталізатора. В шарі каталізатора, газовий струмінь реагує з газоподібним продуктом 30. Продукт 30 реакції головним чином конденсується на зовнішній стороні трубчастого листа 2 і формує рідкий продукт 32 реакції. Рідкий продукт реакції, при протіканні вздовж зовнішньої сторони трубчастого листа 2, охолоджується відкритими основами 12, які виступають в напрямі шару частинок каталізатора і переноситься до внутрішньої сторони листа 2 крізь частину відкритої основи 12, яка виступає з внутрішньої сторони трубчастого листа в напрямі охолоджувальної труби 26. Пройшовши до внутрішньої сторони трубчастого листа 2, рідкий продукт реакції протікає вздовж внутрішньої сторони і по охолоджувальній трубі до дна реактора 2, і відводиться крізь випускний отвір (не зображений) з реактора. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 50 55 60 1. Спосіб виділення рідкого продукту реакції з газового струменя в каталітичному реакторі, у якому: в реакторі, який містить нерухомий шар твердих частинок каталізатора, металічний лист розташовують між охолоджувальною поверхнею і нерухомим шаром каталізатора; передбачають в металічному листі, який опосередковано охолоджується охолоджувальною поверхнею, певну кількість перколяційних елементів у формі геометричних виступів на обох сторонах листа, кожен з яких має відкриту основу, яка на стороні листа, яка повернута до шару каталізатора, орієнтована вгору, а на стороні листа, яка повернута до охолоджувальної поверхні, орієнтована вниз; конденсують газоподібний продукт реакції, який одержується реакцією газового струменя в шарі каталізатора, з одержанням рідкого продукту реакції на металічному листі і подають рідкий продукт реакції крізь відкриту основу, яка орієнтована вгору, до охолоджувальної поверхні; і пропускають конденсований рідкий продукт реакції вздовж охолоджувальної поверхні і/або металічного листа і відводять його з дна реактора. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що геометричні виступи мають форму половини піраміди. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що геометричні виступи мають форму половини конуса. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що геометричні виступи мають форму півсфери. 5. Спосіб за будь-яким із пп. 1-4, який відрізняється тим, що геометричні виступи на внутрішній стороні листа з'єднують на їх основі з геометричними виступами на зовнішній стороні листа і вони мають спільну відкриту основу. 6. Спосіб за будь-яким із пп. 1-5, який відрізняється тим, що металічний лист має форму труби. 7. Спосіб за будь-яким із пп. 1-6, який відрізняється тим, що охолоджувальна поверхня має трубчасту форму. 8. Спосіб за п. 6 або п. 7, який відрізняється тим, що нерухомий шар каталізатора розташовують на зовнішній стороні трубчастого металічного листа. 9. Спосіб за п. 6 або п. 7, який відрізняється тим, що нерухомий шар каталізатора розташовують на внутрішній стороні трубчастого металічного листа. 10. Реактор для виділення рідкого продукту реакції з газового струменя, який містить металічний лист; охолоджувальну поверхню; і шар каталізатора, при цьому металічний лист розташований коаксіально з охолоджувальною поверхнею, при цьому на обох сторонах 3 UA 104958 C2 5 10 15 металічного листа розташована певна кількість перколяційних елементів у формі геометричних виступів, кожен з яких має відкриту основу, яка на стороні листа, яка повернута до шару каталізатора, орієнтована вгору і на стороні листа, яка повернута до охолоджувальної поверхні, орієнтована вниз. 11. Реактор за п. 10, який відрізняється тим, що геометричні виступи мають форму половини піраміди. 12. Реактор за п. 10, який відрізняється тим, що геометричні виступи мають форму половини конуса. 13. Реактор за будь-яким із пп. 10-12, який відрізняється тим, що геометричні виступи на внутрішній стороні листа з'єднані на своїй відкритій основі з геометричними виступами на зовнішній стороні листа і мають спільну відкриту основу. 14. Реактор за будь-яким із пп. 10-13, який відрізняється тим, що металічний лист має форму труби. 15. Реактор за будь-яким із пп. 10-14, який відрізняється тим, що охолоджувальна поверхня має трубчасту форму. 4 UA 104958 C2 5 UA 104958 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6