Способ проведения химических реакций в псевдоизотермических условиях

Способ проведения химических реакций в псевдоизотермических условиях

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к способу проведения химических реакций в контролируемых псевдоизотермических условиях или, иными словами, в условиях, в которых температуру реакции поддерживают в узком интервале значений с небольшими отклонениями от заданной температуры реакции Т. Настоящее изобретение относится, в частности, к способу регулирования температуры реакции в слое катализатора реактора, в котором реакцию проводят в псевдоизотермических условиях с помощью по меньшей мере одного погруженного в слой катализатора теплообменника, через который пропускают соответствующий текучий теплоноситель.

Уровень техники

Известно, что в настоящее время температуру псевдоизотермических реакций в каталитических реакторах контролируют путем теплообмена пропускаемого через соответствующие теплообменники текучего теплоносителя со слоем катализатора, в который погружены теплообменники и в котором протекает реакция.

Известно также, что для повышения выхода реакции постоянно ведутся различного рода исследования, направленные на оптимизацию такого теплообмена. В процессе теплообмена необходимо обеспечить максимальную теплопередачу между текучим теплоносителем и слоем катализатора, т.е. максимально повысить коэффициент теплопередачи и в теплообменниках, через которые пропускают текучий теплоноситель, и в слое катализатора.

Было установлено, однако, что при такой оптимизации процесса теплообмена в слое катализатора возникает значительный перепад температуры. При этом, в частности, температура в слое катализатора меняется от температуры теплообменников, а точнее, от температуры наружной стенки теплообменников, до второй температуры в тех точках слоя катализатора, которые максимально удалены от теплообменников.

В приведенном ниже описании и в формуле изобретения вторая температура называется "предельной температурой" T₁.

При проведении в реакторе экзотермических реакций предельная температура T₁ должна соответствовать заданному максимальному значению температуры T_max, выше которой эффективность реакции резко падает из-за возникновения побочных реакций, уменьшающих выход реакции, и снижения эффективности катализатора.

При проведении в реакторе эндотермических реакций предельная температура T₁ должна соответствовать температуре, ниже которой реакция прекращается.

При неравномерном распределении температуры условия в слое катализатора уже не являются псевдоизотермическими, и общий выход реакции соответственно падает.

Краткое изложение сущности изобретения

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать простой в осуществлении способ контроля псевдоизотермичности химической реакции в слое катализатора за счет уменьшения разности (ΔТ) температур между температурой слоя катализатора у стенок теплообменников и предельной температурой T₁ или, иными словами, уменьшения перепада температур между температурой наружной стенки теплообменника и предельной температурой T₁.

Предлагаемое в изобретение решение устраняет недостатки известных в настоящее время способов проведения химических реакций в контролируемых псевдоизотермических условиях.

Указанная выше задача решается с помощью предлагаемого в изобретении способа контроля температуры химической реакции, протекающей в имеющемся в реакторе слое катализатора в псевдоизотермических условиях, поддерживаемых с помощью по меньшей мере одного погруженного в слой катализатора теплообменника, через который пропускают соответствующий текучий теплоноситель, отличающегося тем, что скорость текучего теплоносителя в соответствующем теплообменнике поддерживают в определенном интервале, в котором коэффициент теплопередачи в теплообменнике меньше коэффициента теплопередачи в слое катализатора.

Уменьшение коэффициента теплопередачи в теплообменнике до величины, меньшей коэффициента теплопередачи в слое катализатора, позволяет увеличить перепад температур внутри теплообменника и соответственно повысить температуру его стенки. В результате этого происходит снижение упомянутой выше разности температур ΔТ между температурой слоя катализатора у стенки теплообменника и предельной температурой T₁.

При этом неожиданно было установлено, что в отличие от известных рекомендаций соответствующее снижение коэффициента теплопередачи в теплообменниках существенно увеличивает равномерность температуры (снижает перепад температур ΔТ) проходящей через слой катализатора смеси исходных реагентов и продукта реакции, позволяет повысить эффективность реакции и увеличить общий конверсионный выход реакции.

В предпочтительном, но не ограничивающем объем изобретения варианте скорость текучего теплоносителя в соответствующем теплообменнике регулируют в определенных пределах таким образом, чтобы коэффициент теплообмена в теплообменниках не превышал 2/3 от коэффициента теплообмена в слое катализатора.

Предлагаемый в изобретении способ позволяет решить указанную выше задачу и устранить указанные выше недостатки известных способов проведения химических реакций в псевдоизотермических условиях.

В одном из наиболее предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается использовать по меньшей мере два погруженных в слой катализатора теплообменника, при этом описанный выше способ отличается тем, что в процессе проведения реакции в слое катализатора непрерывно измеряют разность температур ΔТ между температурой слоя катализатора у теплообменников и предельной температурой T₁ в средней точке между теплообменниками и на основе измеренной разности температур ΔТ регулируют скорость пропускаемого через теплообменники текучего теплоносителя, соответствующим образом изменяя коэффициент теплопередачи в теплообменниках.

Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере одного из не ограничивающих объем изобретения вариантов осуществления предлагаемого в нем способа со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

На прилагаемых к описанию чертежах показаны:

на фиг.1 - схематичное изображение в продольном разрезе псевдоизотермического реактора, предназначенного для проведения химических реакций предлагаемым в изобретении способом,

на фиг.2 - схематичное изображение реактора, предназначенного для проведения псевдоизотермических реакций известным способом и кривая относительных значений его температурного поля,

на фиг.3 - схематичное изображение в продольном разрезе участка псевдоизотермического реактора, показанного на фиг.1, и кривая относительных значений его температурного поля,

на фиг.4 - схематичное увеличенное изображение в поперечном разрезе отдельных деталей псевдоизотермического реактора, показанного на фиг.1.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

На фиг.1 показан обозначенный позицией 1 псевдоизотермический химический реактор, предназначенный для синтеза различных химических веществ, таких как аммиак, метанол, формальдегид и азотная кислота, предлагаемым в изобретении способом.

Реактор 1 имеет цилиндрический корпус 2, крышку 3 и днище 4, патрубок 5 для подачи исходных реагентов, патрубок 6 для отбора продуктов реакции, патрубок 7 для подачи текучего теплоносителя в теплообменники и патрубок 8 для выхода текучего теплоносителя из реактора.

Реактор 1 имеет также ограниченный пунктирными линиями 24а и 24b слой 24 удерживаемого в нем известным образом катализатора, внутри которого расположен блок 9 теплообменников, состоящий из нескольких теплообменников 12. Снизу теплообменники 12 через распределитель 10 соединены с патрубком 7, через который в них подается текучий теплоноситель, а сверху через коллектор 11 соединены с патрубком 8, через который из реактора выходит прошедший через теплообменники текучий теплоноситель. Теплообменники 12 можно выполнить, например, по типу обычных трубчатых или пластинчатых теплообменников.

На фиг.2 и 3 более детально показан один из участков псевдоизотермического реактора, предназначенного для проведения различных химических реакций известным способом и, соответственно, такой же участок реактора 1, предназначенного для проведения различных химических реакций предлагаемым в изобретении способом.

Изображенные на этих чертежах детали реакторов, аналогичные друг другу и/или аналогичные таким же деталям реактора, показанного на фиг.1, обозначены одними и теми же позициями.

Позицией 13 на чертежах обозначены стенки расположенных в слое 24 катализатора теплообменников 12. При этом позицией 13а обозначена наружная или примыкающая к катализатору поверхность стенки 13 теплообменника 12.

Во время работы реактора текучий теплоноситель проходит через зону 14 внутри теплообменников 12, а смесь исходных реагентов и продуктов реакции проходит между соседними теплообменниками 12 через расположенную в слое 24 катализатора зону 15 реакции.

Температурное поле реакторов показано на фиг.2 и 3 в виде кривых 17 и 19. Кривой 17 изображено распределение температуры в зоне 14 внутри теплообменников 12, а кривой 19 изображено распределение температур в зоне 15 внутри слоя 24 катализатора. Общее поле температур внутри соответствующего псевдоизотермического реактора определяется обеими линиями 17 и 19.

В известных реакторах (фиг.2) кривые 17 имеют небольшую кривизну и практически представляют собой прямые линии, перпендикулярные стенкам 13 теплообменников 12. Обусловлено это высоким коэффициентом передачи тепла (максимально возможным) внутри теплообменников 12.

И наоборот, кривые 19, отражающие распределение температур в зоне 15 слоя 24 катализатора, в известных реакторах (фиг.2) имеют значительную кривизну и по существу форму дуги. Связано это с существенно меньшим коэффициентом передачи тепла в слое 24 катализатора относительно коэффициента передачи тепла в теплообменниках 12 и, как следствие этого, с большой разницей (неоднородностью температурного поля) между температурой стенки (поверхность 13а) теплообменников 12 и температурой протекающей через зону 15 реакции смеси исходных реагентов и продуктов реакции.

Иными словами, температура в двух зонах 14 и 15 меняется от минимального значения T_min, равного температуре внутри теплообменников 12 в центре зоны 14, до максимального значения T_max (эквивалентного указанной выше предельной температуре T₁) в центре зоны 15 слоя 24 катализатора (т.е. до температуры в средней точке между двумя соседними теплообменниками 12).

Между двумя зонами 14 и 15 существует значительный перепад температур ΔТ_tot, который, как показано на фиг.2, возникает главным образом в зоне 15 и создает большую неравномерность температуры в слое 24 катализатора, которая снижает эффективность реактора и приводит по указанным выше причинам к снижению конверсионного выхода.

Расположенная в зоне 15 часть перепада температур ΔТ_tot обозначена символом ΔT и равна описанной выше разнице между предельной температурой T₁ (соответствующей максимальной температуре T_max) и температурой наружной поверхности 13а теплообменников 12.

В зоне 15 на определенном участке интервала (или при определенном перепаде) температур ΔТ реакция протекает в нормальных условиях и обеспечивает оптимальный выход реакции (в псевдоизотермических условиях). Этот участок расположен между температурой T_max (равной температуре T₁) и температурой Т₀, ниже которой реакция либо вообще прекращается, либо протекает в неоптимальных условиях.

Как показано на фиг.2, в значительной части зоны 15 слоя 24 катализатора, обозначенной позицией 18, температура реакции ниже оптимальных значений, результатом чего является снижение общей эффективности реактора и падение конверсионного выхода реакции.

Предлагаемый в изобретении способ позволяет уменьшить коэффициент теплопередачи в теплообменниках 12 до значений, меньших коэффициента теплопередачи в слое 24 катализатора, путем соответствующего регулирования скорости проходящего через теплообменники 12 текучего теплоносителя (в частности, как показано на фиг.3, ее уменьшением по сравнению с обычным реактором, показанным на фиг.2).

При этом, как показано на фиг.3, происходит увеличение перепада температур в теплообменниках 12 (кривая 17 на фиг.3 имеет большую кривизну, чем на фиг.2) и увеличение температуры их наружной поверхности 13а.

Предлагаемый в изобретении способ позволяет при таком же, что и в известном реакторе (фиг.2), перепаде температур ΔТ_tot между зонами 14 и 15 уменьшить перепад температур в зоне 15 слоя 24 катализатора, т.е. уменьшить разницу ΔТ между предельной температурой T₁ (соответствующей максимальной температуре T_max) и температурой наружной поверхности 13а теплообменников 12.

При этом существенно снижается кривизна кривой изменения температуры (линия 19) в зоне 15 и, как показано на фиг.3, температура в слое катализатора меняется в интервале температур (T_max-Т₀), при которых реакция протекает в оптимальных (псевдоизотермических) условиях с высокой эффективностью и высоким выходом.

Такое выравнивание температуры обеспечивает возможность эффективного протекания реакции практически во всей зоне 15 слоя 24 катализатора и соответствующее увеличение общего выхода реакции.

Согласно наиболее предпочтительному варианту предлагается непрерывно измерять разность ΔТ между предельной температурой T₁ (соответствующей максимальной температуре T_max) и температурой наружной поверхности 13а теплообменников 12 и в зависимости от этой разности температур ΔТ регулировать скорость текучего теплоносителя в теплообменниках 12, соответствующим образом изменяя коэффициент теплопередачи внутри теплообменников 12 и разность (перепад) температур ΔТ в зоне 15 слоя 24 катализатора.

Для этого показанный на фиг.1 псевдоизотермический реактор оборудуют схематично показанной на фиг.4 системой 20, предназначенной для непрерывного измерения температуры в зоне 15 слоя 24 катализатора и также непрерывного изменения в зависимости от измеренного перепада температур скорости текучего теплоносителя в теплообменниках 12.

Изображенные на фиг.4 детали реактора, аналогичные показанным на других чертежах, обозначены теми же позициями.

В состав системы 20 (фиг.4) входит по меньшей мере один датчик 23 (например, термопара), расположенный в зоне 15 реакции и предназначенный для непрерывного измерения разности ΔТ между температурой в центральной части зоны 15 и температурой наружной поверхности 13а теплообменников 12.

В состав системы 20 входит также блок 21 управления, соединенный линией 25 с датчиком 23 температуры и предназначенный для обработки измеренных датчиком данных, и соединенный с блоком 21 управления (линией 26) регулятор 22 расхода F_o текучего теплоносителя в теплообменниках 12. В качестве такого регулятора расхода можно использовать, например, обычный клапан или насос, предназначенный для подачи в теплообменники текучего теплоносителя.

Буквой P на фиг.4 обозначена граница внутренней части показанного на фиг.1 реактора 1 с изображением в более крупном масштабе отдельных элементов предлагаемой в изобретении системы 20 регулирования температурного поля реактора.

Предлагаемая в изобретении система позволяет непрерывно контролировать перепад температур ΔТ в зоне 15 реакции и в динамическом режиме с высокой точностью в соответствии с данными калибровки регулировать расход F_o текучего теплоносителя через теплообменники 12.

Изобретение не исключает возможности других очевидных для специалистов вариантов его осуществления и внесения в рассмотренные выше варианты изменений и усовершенствований, не выходящих за объем изобретения, определяемый его формулой.

1. Способ контроля температуры химической реакции, протекающей в имеющемся в реакторе (1) слое (24) катализатора в псевдоизотермических условиях, поддерживаемых с помощью по меньшей мере одного погруженного в слой (24) катализатора теплообменника (12), через который пропускают соответствующий текучий теплоноситель, отличающийся тем, что скорость текучего теплоносителя в соответствующем теплообменнике (12) поддерживают в определенном интервале, в котором коэффициент теплопередачи в теплообменнике (12) меньше коэффициента теплопередачи в слое (24) катализатора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость текучего теплоносителя в соответствующем теплообменнике регулируют в определенных пределах таким образом, чтобы коэффициент теплообмена в теплообменниках (12) не превышал 2/3 от коэффициента теплообмена в слое (24) катализатора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что псевдоизотермическую реакцию проводят в реакторе (1) по меньшей мере с двумя погруженными в слой (24) катализатора теплообменниками (12), при этом в ходе реакции в слое катализатора непрерывно измеряют разность ΔТ между температурой слоя катализатора у теплообменников и предельной температурой T₁ в средней точке между теплообменниками и на основе измеренной разности температур ΔТ регулируют скорость пропускаемого через теплообменники текучего теплоносителя, соответствующим образом изменяя коэффициент теплопередачи в теплообменниках.

4. Псевдоизотермический химический реактор со слоем (24) катализатора и по меньшей мере двумя погруженными в катализатор теплообменниками (12), отличающийся тем, что он снабжен системой (20) регулирования температуры в расположенной между теплообменниками (12) зоне (15) реакции в слое катализатора, содержащей датчик (23) для непрерывного измерения разности ΔТ между температурой в центральной части зоны (15) и температурой этой зоны (15) у теплообменников (12), соединенный с датчиком (23) блок (21) управления и соединенный с блоком (21) управления регулятор (22) расхода, регулирующий расход (F_o) текучего теплоносителя через теплообменники (12).