Смеситель потоков газов с различной температурой, предназначенный в частности для реакторов гетерогенного экзотермического синтеза - RU2135274C1
Код документа: RU2135274C1
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к смесителю потоков газов с различной температурой, в частности для реакторов гетерогенного экзотермического синтеза, в которых имеется несколько расположенных друг над другом слоев катализатора и в которых по крайней мере один из этих слоев имеет газопроницаемую стенку для выхода потока горячего газа, включающему: отражающую перегородку, которая расположена параллельно под газопроницаемой стенкой и которая вместе с этой стенкой образует воздушный объем, в котором собирается горячий газ; кольцевое отверстие для выхода потока горячего газа из воздушного объема, образованное между отражающей перегородкой и боковой стенкой, служащей опорой по крайней мере для одного имеющегося в реакторе слоя катализатора; перфорированный распределитель для охлаждающего газа, установленный под отражающей перегородкой на заданном расстоянии от кольцевого отверстия.
В приведенных ниже описании и формуле изобретения под горячим газом подразумевается частично прореагировавший газ или газовая смесь на выходе из слоя катализатора реактора синтеза, в котором происходит экзотермическая реакция. Так, например, при экзотермическом гетерогенном синтезе метанола температура указанного газа лежит в пределах от 240oC до 290oC.
Под охлаждающим же газом подразумевается охлаждающий газ, температура которого ниже температуры частично прореагировавшего газа на выходе из слоя катализатора. Обычно этот газ представляет собой заранее определенную часть участвующих в реакции газов, и при синтезе метанола его температура лежит в пределах от 60oC до 200oC.
Часто, когда речь идет о подобных процессах, такой охлаждающий газ называют также "гасящим газом" или газом быстрого охлаждения.
Как известно, при проведении реакции экзотермического гетерогенного синтеза выходящий из слоя катализатора горячий газ необходимо охладить так, чтобы его температура понизилась до температуры, позволяющей обеспечить максимальную степень конверсии в следующем слое катализатора.
С этой целью реакторы, предназначенные для проведения подобных реакций синтеза, оснащаются устройствами или смесителями, охлаждающими частично прореагировавшие газовые смеси, которые пропускаются через один или несколько расположенных друг над другом слоев катализатора.
Так, например, в заявке на Европейский патент EP-A-0359952 описан реактор для экзотермического гетерогенного синтеза, в котором имеется несколько расположенных друг над другом на некотором расстоянии друг от друга слоев катализатора и который снабжен соответствующими смесителями, предназначенными для промежуточного охлаждения продуктов реакции потоком охлаждающего газа.
Указанные смесители имеют отражающую перегородку, расположенную параллельно под газопроницаемым основанием по крайней мере одного слоя катализатора, с которым она образует воздушный объем, в котором собирается выходящий по крайней мере из одного слоя горячий газ. Между отражающей перегородкой и боковой стенкой реактора, несущей по крайней мере один слой катализатора, имеется кольцевое отверстие для выхода горячего газа из воздушного объема.
Ниже отражающей перегородки на заданном расстоянии от кольцевого отверстия установлен перфорированный распределитель потока охлаждающего газа.
Смешивание горячего синтез-газа с потоком охлаждающего газа происходит в периферийной зоне реактора вблизи боковой стенки, несущей слои катализатора.
С одной стороны, смеситель такого типа позволяет получить определенную степень смешивания потоков газов, однако, с другой стороны, при этом не удается обеспечить по существу полное смешивание горячих и холодных газов, прежде чем они войдут в контакт со следующим слоем катализатора.
Кроме того, известное устройство не позволяет устранить и выровнить любые местные выбросы скоростей и температур горячих газов, вытекающих через кольцевое отверстие.
Такие местные выбросы скорости и температуры возникают из-за того, что истечение горячего газа из слоя, в котором содержится в основном гранулированная масса катализатора, сопровождается неконтролируемым изменением его скорости, а также изменением температуры газа при очень высокой степени так называемого "заполнения" слоя катализатора.
Иными словами, описанный выше смеситель не только не позволяет обеспечить оптимальную степень смешивания потоков горячих и холодных газов, но и не компенсирует самостоятельно любые местные выбросы скорости и температуры потока горячего газа.
Неизбежным недостатком при использовании известных устройств, не устраняющих такие выбросы скорости и температуры, является неоптимальное смешивание горячих и холодных газов и, как следствие этого, наличие в потоке выходящего из смесителя газа местных перепадов температуры, превышающих 20o C.
В конечном итоге это приводит к фактическому снижению по сравнению с теоретически возможным конверсионного выхода используемого для синтеза реактора.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании смесителя потоков газов с различной температурой, в частности смесителя для реакторов гетерогенного экзотермического синтеза, позволяющего обеспечить по существу полное и равномерное смешивание горячих и холодных газов и самостоятельно устраняющего любые местные выбросы скорости горячего газа.
Эта проблема решается при помощи устройства описанного выше типа, которое отличается тем, что воздушный объем, в котором собирается поток горячего газа, имеет постоянную толщину, соответствующую размерам кольцевого отверстия, и тем, что отношение ширины кольцевого отверстия к толщине воздушного объема составляет от 0,2 до 1.
В соответствии с настоящим изобретением было установлено, что при постоянной толщине воздушного объема, соответствующей размерам кольцевого отверстия, и выборе отношения ширины кольцевого отверстия к толщине воздушного объема в указанных выше пределах из-за определенного заданного значения возникающего при этом перепада давления, действующего на поток горячего газа, устраняются любые местные выбросы в потоке горячего газа, выходящего из воздушного объема.
Скорость выровненного таким образом потока горячего газа остается равномерной в течение промежутка времени, обратно пропорционального указанному выше соотношению.
Такие условия позволяют обеспечить равномерную температуру во всем объеме вытекающего из смесителя газа и ограничить возможные отклонения его температуры от среднего значения несколькими градусами Цельсия.
Указанный перепад давления, под действием которого находится поток горячего газа, зависит от отношения ширины кольцевого отверстия к толщине воздушного объема, и выбирается предпочтительно в пределах от 0,5•10-3 бар до 6•10-3 бар в зависимости от параметров процесса гетерогенного синтеза.
В реакторах экзотермического гетерогенного синтеза рассматриваемого типа толщина воздушного объема зависит от размеров соответствующих слоев катализатора и составляет минимально 60 мм, а максимально 300 мм, и обычно лежит в пределах от 120 мм до 180 мм.
Распределитель предпочтительно имеет по существу тороидальную форму и содержит по крайней мере один ряд отверстий, расположенных на генератрисе тороида с определенным шагом.
Диаметр расположенных в ряд или в ряды отверстий должен быть таким, чтобы струи вытекающего из них охлаждающего газа не только создавали всасывающее воздействие и увлекали выходящий сверху из воздушного объема поток горячего газа, но и эффективно проникали в него. Шаг этих отверстий выбирается, кроме того, таким образом, чтобы струи охлаждающего газа оказывали незначительное воздействие друг на друга.
С этой целью диаметр отверстий выбирается в пределах от 5 мм до 15 мм, а их шаг предпочтительно составляет от 20 мм до 60 мм.
Выбор конкретных значений диаметра и шага из указанных выше интервалов зависит от физических характеристик смешиваемых газов и, в частности, от отношения их скоростей.
При указанных выше значениях перепада давления и создании эффектов увлечения горячего газа и проникновения охлаждающего газа в поток горячего газа достигается оптимальная степень смешивания горячих и холодных газов непосредственно за распределителем.
В зависимости от параметров процесса гетерогенного синтеза, количества рядов и диаметра отверстий и выбранного шага для специалиста в данной области техники представляется очевидным, какое нужно создать в распределителе давление охлаждающего газа для того, чтобы создать описанные выше эффекты увлечения горячего газа и проникновения струй холодного газа в поток горячего газа.
В конкретном и предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении смесителя распределитель имеет первый и второй ряды совмещенных отверстий, расположенных по отношению к горизонтальной плоскости, проходящей через ось распределителя, под углом от -10o до +10o и от -20o до -40o соответственно.
Второй ряд отверстий обеспечивает полное увлечение потока газа, в котором содержится также охлаждающий газ, инжектируемый из отверстий первого ряда, и дополнительно способствует более полному смешиванию газов.
Было также установлено, что для оптимального смешивания горячего газа с охлаждающим газом тороидальный распределитель предпочтительно не должен оказывать непосредственного воздействия на поток горячего газа, вытекающего из воздушного объема.
При этом становится возможным обеспечить равномерное распределение давления за кольцевым отверстием и за счет этого равномерное распределение скорости потока горячего газа и, как было установлено, его эффективную рециркуляцию вокруг распределителя и подход его к отверстиям без значительных местных потерь давления.
В соответствии с настоящим изобретением расстояние между распределителем и боковой стенкой реактора, несущей слой или слои катализатора, предпочтительно должно в 1-3 раза превышать ширину кольцевого отверстия.
Отношение расстояния от распределителя до отражающей перегородки к расстоянию между распределителем и боковой стенкой предпочтительно должно лежать в пределах от 0,25 до 0,5.
Смеситель целесообразно снабдить дефлектором или генератором турбулентности, расположенным под отражающей перегородкой на расстоянии от 300 мм до 500 мм, который дополнительно способствует смешиванию горячих и холодных газов.
В конкретном и предпочтительном варианте выполнения дефлектор имеет плоский участок и конический участок, на котором расположен ряд перпендикулярных его плоскости лопаток, отогнутых в направлении отражающей перегородки, под действием которых смешенный газ движется в окружном направлении.
Такое движение смешенного газа в окружном направлении дополнительно выравнивает температуру в потоке смешенного газа, компенсируя местный разброс температур, обусловленный неравномерным распределением катализатора в слое, связанным с так называемым эффектом "заполнения" слоя.
В соответствии с другим предметом настоящего изобретения предлагается способ смешивания потоков газов с различной температурой, в частности применительно к реакторам гетерогенного экзотермического синтеза, в которых имеется несколько расположенных друг над другом слоев катализатора и в которых по крайней мере один из слоев катализатора имеет газопроницаемую стенку для выхода из него потока горячего газа, включающий следующие стадии: подачу газообразных реагентов по крайней мере к одному слою катализатора; взаимодействие газообразных реагентов по крайней мере в одном слое катализатора; сбор потока горячего газообразного продукта реакции, проходящего через газопроницаемую перегородку в воздушном объеме, расположенном между по крайней мере одним слоем катализатора и отражающей перегородкой, расположенной параллельно под ним; выравнивание скорости потока горячего газа, вытекающего из воздушного объема путем воздействия на него перепадом давления заданной величины; инжекцию в такой поток горячего газа потока охлаждающего газа, вытекающего с заданной скоростью из перфорированного распределителя, закрепленного под отражающей перегородкой на заданном расстоянии от кольцевого отверстия.
Перепад давления целесообразно поддерживать в пределах от 0,5•10-3 бар до 6•10-3, предпочтительно в пределах от 2,5•10-3 бар до 4•10-3 бар.
Такой способ позволяет получить равномерную скорость в потоке горячего газа на выходе из воздушного объема без каких-либо местных отклонений и близкую к постоянной температуру потока газа на выходе из смесителя с максимально возможным отклонением от среднего значения до 3oC.
Скорость потока охлаждающего газа на выходе из распределителя должна быть такой, чтобы струи охлаждающего газа не только увлекали или всасывали выходящий из расположенного выше воздушного объема горячий газ, но и оптимальным образом проникали в него.
Было установлено, что такой способ может обеспечить быстрое перемешивание потоков газов, в которых отсутствуют местные перепады температуры.
С этой целью скорость потока охлаждающего газа на выходе из перфорированного распределителя выбирается в пределах от 20 до 50 м/с.
Выбор конкретного значения скорости в указанном выше диапазоне зависит от физических характеристик смешиваемых газов и, в частности, от соотношения их скоростей.
Отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения более подробно описаны ниже на примере выполнения изобретения, не ограничивающего его объем, со ссылкой на приложенные чертежи.
На чертежах изображено: фиг. 1 - продольный поперечный разрез реактора гетерогенного экзотермического синтеза, снабженного предлагаемым в настоящем изобретении смесителем; фиг. 2 - в увеличенном масштабе поперечное сечение отдельных деталей смесителя, которым снабжен показанный на фиг. 1 реактор; на фиг. 3 - в увеличенном масштабе поперечное сечение отдельных деталей другого, отличного от показанного на фиг. 2 варианта смесителя.
На фиг. 1 показан реактор 1 гетерогенного экзотермического синтеза, предназначенный в частности для синтеза метанола.
Реактор 1 имеет наружный трубчатый корпус 2, в верхней части которого расположен патрубок 3 для подачи в реактор газообразных реагентов, а в нижней части расположен патрубок 4, через который из реактора выводятся продукты реакции.
На оси корпуса расположена несущая труба 7, предназначенная для размещения внутри корпуса 2 на некотором расстоянии друг от друга нескольких слоев 5a-5d катализатора.
Слои 5a-5c катализатора имеют выполненное в виде газопроницаемой стенки 6 основание, которое разделяет соседние слои друг от друга.
Как показано на фиг. 1-3, реактор снабжен предназначенными для смешивания потоков газов устройствами 9, выполненными в соответствии с настоящим изобретением.
Смеситель 9 имеет отражающую перегородку 10, расположенную параллельно под газопроницаемой стенкой 6, например, газопроницаемой стенкой 6 слоя 5a, вместе с которой она образует воздушный объем II, в котором собирается поток A частично прореагировавшего горячего газа.
Между отражающей перегородкой 10 и внутренней стенкой корпуса 2 имеется кольцевое отверстие 12, через которое из воздушного объема II выходит поток A газа.
Под отражающей перегородкой 10 на заданном расстоянии от кольцевого отверстия закреплен перфорированный распределитель 13 потока B охлаждающего газа. Распределитель 13 имеет по существу тороидальную форму и содержит два ряда отверстий 14, расположенных с определенным шагом вдоль генератрисы тороида.
В предпочтительном варианте отверстия 14 распределителя 13 имеют диаметр от 6 мм до 12 мм, а шаг между двумя соседними отверстиями 14 двух рядов лежит в пределах от 20 мм до 60 мм.
Два ряда отверстий расположены по отношению к горизонтальной плоскости, проходящей через ось распределителя 13, под углом α, величина которого лежит в пределах от +10o до -20o соответственно.
При указанных выше значениях шага и диаметра отверстий 14 обеспечивается оптимальное проникновение потока B охлаждающего газа в поток A горячего газа и всасывание им из воздушного объема 11 всего количества поступающего в него горячего газа.
Ширину b отверстия 12 предпочтительно выбрать в пределах от 24 мм до 180 мм, расстояние с между распределителем 13 и внутренней стенкой корпуса 2 в пределах от 1,5 до 2,5 от значения b, а расстояние d между распределителем 13 и отражающей перегородкой 10 в пределах от 0,25 до 0,4 значения с.
В примере, показанном на фиг. 3, смеситель 9 имеет дефлектор 15 с плоским участком 15' и коническим участком 15'' различной длины, закрепленный под отражающей перегородкой 10 предпочтительно на расстоянии от 350 мм до 450 мм, под действием которого осуществляется рециркуляция и полное смешивание потоков A и B.
Угол наклона конического участка 15'' по отношению к плоскому участку 15' предпочтительно не должен превышать 45o.
На коническом участке дефлектора 15 целесообразно разместить ряд лопаток 16, перпендикулярных его плоскости и отогнутых в направлении отражающей перегородки 10, которые сглаживают местные перепады температуры в потоке обтекающего их газа.
В альтернативном, не показанном на чертежах варианте выполнения дефлектор 15 может иметь по крайней мере три участка различной длины, наклоненных к горизонтальной плоскости под углом от 0o до 90o, т.е., например, три участка с углом наклона 0o, 25o и 90o соответственно.
С использованием описанного выше смесителя 9 предлагаемый в настоящем изобретении способ смешивания осуществляется между соседними слоями катализатора реактора, например, между слоями 5a-5b, следующим образом.
На первом этапе газообразные реагенты подаются к слою 5a, снабженному газопроницаемой стенкой 6, в котором происходит их частичное взаимодействие друг с другом.
На втором этапе поток A горячего газа, проходящий через газопроницаемую стенку 6, собирается в воздушном объеме 12, образованном между слоем 5a и расположенной параллельно под ним отражающей перегородкой 10.
На третьем этапе под действием заданного перепада давления, действующего на вытекающий из воздушного объема 11 поток A горячего газа, происходит максимально возможное выравнивание скоростей в потоке горячего газа по всему наружному контуру отражающей перегородки 10.
Перепад давления целесообразно поддерживать на уровне от 2,5•10-3 бар до 4•10-3 бар.
На четвертом этапе в поток A горячего газа, вытекающего с равномерной скоростью из воздушного объема 11, инжектируется поток B охлаждающего газа, вытекающего с заданной скоростью из распределителя 13.
Скорость потока B охлаждающего газа на выходе из распределителя 13 предпочтительно поддерживать на уровне от 28 до 45 м/с.
Таким путем эффективно удается достичь практически полного отсутствия радиальных перепадов температуры за распределителем 13 в потоке A-B смешанного газа.
Предлагаемые в настоящем изобретении конструкция смесителя и способ смешивания газов могут также найти успешное применение в реакторах, в которых проводят реакции гетерогенного синтеза других типов, например, реакцию синтеза аммиака. В этом случае в наружный корпус реактора помещают гильзу со слоями катализатора.
Смеситель размещают между соседними находящимися в гильзе слоями катализатора практически таким же способом, как и в показанном на фиг. 1 реакторе для синтеза метанола.
Пример 1. Способность компенсировать местные отклонения скорости в потоке горячего газа с помощью смесителя, показанного на фиг. 3, и смесителя, описанного в заявке на Европейский патент EP-A-0359952, моделировали с использованием программы динамического моделирования жидкости, известной под названием "Fluent", разработанной фирмой Fluent Europe Ltd, Sheffield, UK.
В приведенных таблицах I и II приведены сравнительные данные по местным перепадам температуры в. потоке A-B смешенного газа на выходе из смесителей (см. табл. I и II в конце описания).
В обоих случаях температуры, указанные в табл. II, представляют собой температуры потока A-B газа в пяти различных точках замера, расположенных за дефлектором на равном расстоянии друг от друга по полуокружности, радиус которой равен половине радиуса реактора или смесителя.
Для моделирования влияния местных отклонений скорости потока газа на выходе из воздушного объема при измерениях в различных точках задавали 50% отклонения от средней, соответствующей стационарному и постоянному режиму работы скорости потока горячего газа в центральной точке замера.
Используя такую программу моделирования в каждой точке замера определяли температуры потока смешенных газов.
Как видно из табл. II, использование предлагаемого в настоящем изобретении смесителя позволяет в отличие от известного смесителя осуществить оптимальное смешивание потоков газа даже при наличии местных выбросов скорости в потоке газа, вытекающего из воздушного объема.
Из всего вышесказанного следует, что предлагаемый в настоящем изобретении смеситель обладает многими преимуществами, заключающимися в получении оптимальной степени смешивания потоков газов, имеющих различную температуру; способности компенсировать возможные местные изменения скорости в потоке горячего газа и благодаря этому способности поддерживать на постоянном уровне условия, в которых происходит процесс смешивания газов; способности дальнейшего повышения конверсионного выхода реактора гетерогенного экзотермического синтеза.
Реферат
В заявке описан смеситель потоков газа с различной температурой, предназначенный в частности для реакторов гетерогенного экзотермического синтеза, содержащий воздушный объем 11, в котором собирается поток А горячего газа, кольцевое отверстие 12, через которое поток А горячего газа выходит из воздушного объема 11, и перфорированный распределитель 13 для потока В охлаждающего газа, расположенный под воздушным объемом 11, отличающийся тем, что воздушный объем 11 имеет постоянную толщину, соответствующую размерам кольцевого отверстия 12, и тем, что отношение ширины кольцевого отверстия 12 к толщине воздушного объема 11 составляет от 0,2 до 1. Предлагаемый смеситель позволяет компенсировать местные изменения скорости потока (А) горячего газа, вытекающего из воздушного объема 11. 3 с. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.
