Способ регулирования температуры экзотермических каталитических реакций

Способ регулирования температуры экзотермических каталитических реакций

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу проведения экзотермических химических реакций в псевдоизотермических условиях или, иными словами, в условиях, в которых температуру реакции регулированием поддерживают в узком диапазоне отклонений от заданного оптимального значения. Настоящее изобретение относится, в частности, к способу регулирования температуры реакции указанного выше типа, основанному на использовании трубчатых или пластинчатых теплообменников, погруженных в слой катализатора, в котором протекает реакция. Более конкретно настоящее изобретение относится к способу указанного выше типа, обеспечивающему возможность регулирования температуры экзотермической реакции и одновременного получения водяного пара.

Известно, что в настоящее время для регулирования температуры каталитической реакции, протекающей в псевдоизотермических условиях, чаще всего используют теплообмен между слоем катализатора, в котором протекает реакция, и определенным текучим теплоносителем, пропускаемым через погруженные в слой катализатора соответствующие теплообменники.

Известно также, что для регулирования температуры экзотермических или высокоэкзотермических реакций в качестве текучего теплоносителя обычно используют воду, из которой в результате теплообмена со слоем катализатора получают водяной пар. По существу, в этих случаях в качестве текучего теплоносителя в теплообменниках используют кипящую воду.

Протекающая через теплообменники кипящая вода отбирает определенное количество тепла и превращается в пар. На выходе из теплообменников водяной пар отделяют от кипящей воды и на установках с большим количеством тепла, выделяющегося при экзотермической реакции, используют в самых различных целях.

Кипящую воду подают обратно в теплообменники и снова используют для охлаждения слоя катализатора.

Такой способ (например, описанный в ЕР 1393798) при всех его несомненных преимуществах и широком распространении обладает и определенным недостатком, связанным с тем, что на входе в теплообменники температура текучего теплоносителя равна температуре кипения воды. По этой причине использование в теплообменниках в качестве текучего теплоносителя кипящей воды существенно ограничивает возможности регулирования температуры реакции в тех случаях, когда ее минимальное значение превышает температуру кипения воды.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ регулирования температуры экзотермической реакции и одновременного получения водяного пара, который позволял бы устранить недостатки, присущие известным способам.

Эта задача решается с помощью предлагаемого способа регулирования температуры экзотермической реакции и одновременного получения водяного пара, основанного на использовании теплообменников, через которые пропускают кипящую воду по траектории, проходящей внутри них между входным отверстием кипящей воды и выходным отверстием, причем через еще одно входное отверстие, расположенное относительно направления проходящего по указанной внутренней траектории потока перед упомянутым входным отверстием кипящей воды, подают по меньшей мере в один из теплообменников дополнительный поток воды с температурой ниже температуры подаваемой в этот теплообменник кипящей воды.

В предпочтительном варианте теплообменник представляет собой пластинчатый теплообменник.

Все преимущества и отличительные особенности изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере одного из вариантов его возможного осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, которые лишь иллюстрируют изобретение и не ограничивают его объем:

на фиг.1 в продольном разрезе схематично показан реактор, в котором температуру протекающей в нем реакции регулируют предлагаемым в изобретении способом,

на фиг.2 в поперечном разрезе схематично показан реактор, изображенный на фиг.1.

На фиг.1 позицией 1 обозначен реактор, в котором температуру протекающей в нем реакции регулируют предлагаемым в изобретении способом.

Реактор 1 имеет вертикальный цилиндрический корпус 2 с центральной осью Х-Х и верхним днищем 3 с входным патрубком 3а, через который в реактор подают исходные реагенты, и нижним днищем 4 с выходным патрубком 4а, через который из реактора отбирают продукты реакции.

Внутри реактора 1 между двумя показанными на фиг.1 горизонтальными плоскостями А и В находится блок 5 пластинчатых теплообменников, расположенных в параллельных оси Х-Х цилиндрического корпуса 2 плоскостях (как в показанном на фиг.2 примере, однако чаще пластинчатые теплообменники располагают в радиальных плоскостях) и погруженных в слой 6 катализатора с известными и поэтому не показанными на чертеже устройствами, удерживающими его в корпусе реактора. Пластинчатые теплообменники имеют форму плоских параллелепипедов с двумя большими стенками, изготовленными из уложенных друг на друга и соединенных по периметру листов, предпочтительно из металла, образующих внутри теплообменника сообщающуюся с расположенными снаружи входным и выходным патрубками полость для прохода текучего теплоносителя.

Каждый пластинчатый теплообменник 5а блока 5 теплообменников имеет верхнюю короткую сторону 5b, нижнюю короткую сторону 5с и две длинные вертикальные стороны 5d и 5е.

Блок 5 теплообменников соединен с выходящей из реактора наружу подводящей трубой 7, трубой 8 для подачи в теплообменники рециркулирующего потока текучего теплоносителя и отводящей трубой 9.

Подводящая труба 7 соединена с каждым теплообменником 5а патрубком (входным отверстием) 5g, расположенным на длинной вертикальной стороне 5е у нижней короткой стороны 5с, а отводящая труба 9 соединена с каждым теплообменником 5а патрубком (выходным отверстием) 5f, расположенным на длинной вертикальной стороне 5е у верхней короткой стороны 5b.

Труба 8 для подачи в теплообменники рециркулирующего потока текучего теплоносителя соединена с каждым теплообменником 5а патрубком (входным отверстием) 5h, расположенным на длинной вертикальной стороне 5d на определенном расстоянии от нижней короткой стороны 5с.

Выходящая из реактора наружу труба 8 для подачи в теплообменники рециркулирующего потока текучего теплоносителя и отводящая труба 9 соединяют все теплообменники блока 5 с расположенным рядом с реактором паросборником 10.

При регулировании температуры реакции предлагаемым в изобретении способом подаваемые в реактор 1 через входной патрубок 3а исходные реагенты проходят параллельно оси Х-Х в направлении выходного патрубка 4а через слой 6 катализатора, в котором в результате экзотермической реакции образуются продукты реакции. Выходящие из слоя 6 катализатора продукты реакции (например, аммиак или метанол) собираются в нижнем днище 4 и выводятся из реактора через выходной патрубок 4а.

Выходящий из паросборника 10 поток кипящей воды, который подают в реактор 1 по трубопроводу 8, проходит через расположенные в слое катализатора теплообменники 5 по определенной траектории от входного патрубка 5h до выходного патрубка 5f. В не ограничивающем объем изобретения примере, показанном на фиг.1, кипящая вода движется в противотоке к реагентам, проходящим через слой 6 катализатора.

Кроме того, в теплообменники через патрубок 5g по трубе 7 подают воду, температура которой меньше температуры кипящей воды, подаваемой в теплообменники через патрубок 5h, расположенный выше по ходу потока жидкости внутри теплообменников.

Внутри теплообменников 5а сравнительно холодная вода смешивается с кипящей водой.

Протекающая через теплообменники 5а вода через стенки теплообменников отбирает тепло, которое выделяется в слое 6 катализатора в результате протекающей в нем экзотермической реакции и частично превращается в пар.

Выходящий из теплообменников 5а поток кипящей воды и водяного пара по трубопроводу 9 направляют в паросборник 10, в котором кипящая вода отделяется от водяного пара. Кипящую воду по трубопроводу 8 возвращают обратно в реактор 1, а пар из паросборника направляют в паропровод 11.

Предлагаемый способ позволяет добиться того, чтобы минимальная температура текучего теплоносителя внутри теплообменников 5а была ниже температуры кипения воды, в частности в зоне между патрубками 5g и 5h, т.е. в зоне между точкой подачи в теплообменники воды с температурой, меньшей температуры кипения воды, и точкой подачи в них кипящей воды.

При регулировании температуры предлагаемым в изобретении способом нижняя часть реактора работает при температуре, меньшей температуры кипения воды, которую можно менять по мере необходимости, а верхняя часть реактора работает при этом при температуре, большей температуры кипения воды.

Предлагаемый способ позволяет, таким образом, решить упомянутые проблемы, присущие известным реакторам, которые должны работать в псевдоизотермических условиях.

Основным преимуществом предлагаемого способа является возможность более интенсивного охлаждения нижней примыкающей к днищу 4 части слоя 6 катализатора, которую в последнюю очередь пересекают проходящие через слой катализатора реагенты, и повышения конверсионного выхода ограниченно-равновесных реакций, таких, например, как реакции синтеза аммиака или метанола.

Еще одно преимущество предлагаемого способа заключается в том, что подача дополнительного количества воды в нижнюю часть пластинчатого теплообменника, в которую одновременно подают кипящую воду из паросборника, с определенной скоростью, которая больше скорости воды в самом теплообменнике, позволяет проще обеспечить режим естественной циркуляции кипящей воды, поступающей в реактор из паросборника.

Очевидно, что в соответствии с конкретными требованиями в описанный выше вариант осуществления способа регулирования температуры экзотермических реакций можно вносить различные изменения и усовершенствования, которые в любом случае не выходят за объем изобретения, определяемый его формулой.

1. Способ регулирования температуры экзотермической реакции и одновременного получения водяного пара, основанный на использовании блока теплообменников (5а), через которые пропускают кипящую воду по траектории, проходящей внутри них между входным отверстием (5h) кипящей воды и выходным отверстием (5f), отличающийся тем, что через еще одно входное отверстие (5g), расположенное перед упомянутым входным отверстием (5h) кипящей воды относительно направления потока, проходящего по указанной внутренней траектории, подают по меньшей мере в один из теплообменников (5а) дополнительный поток воды с температурой, ниже температуры подаваемой в этот теплообменник кипящей воды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один теплообменник (5а) представляет собой пластинчатый теплообменник.