способ и реактор для гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида

Формула изобретения

1. Способ гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида в реакторе (7) с несколькими соединенными последовательно адиабатическими каталитическими слоями (11а-11е), включающий следующие стадии: подачу в реактор (7) газообразных реагентов, содержащих метанол и избыточное количество кислорода, в процессе которой подаваемый в реактор (7) метанол разделяется на несколько частей, первая из которых подается в первый каталитический слой, а по крайней мере вторая подается в другой каталитический слой, расположенный за первым каталитическим слоем; прохождение газообразных реагентов через адиабатические каталитические слои (11а-11е), в процессе которого происходит частичное окисление метанола, отличающийся тем, что указанная первая часть составляет большую часть подаваемого в реактор (7) синтеза метанола.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первая часть составляет около 82% от общего количества подаваемого в реактор (7) синтеза метанола.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразные реагенты проходят через по крайней мере один из каталитических слоев (11а-11е) в радиальном направлении.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что газообразные реагенты проходят через по крайней мере один из каталитических слоев (11а-11е) в осерадиальном направлении.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что газообразные реагенты движутся, по существу, в радиальном направлении к центру реактора.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что по крайней мере часть потока горячего газа, прошедшего через по крайней мере один из каталитических слоев (11а-11е), охлаждают за счет теплопередачи в теплообменнике (12), установленном в центре реактора (7) и вытянутом вдоль его продольной оси.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что подаваемый в реактор (7) синтеза кислород распределяют на по крайней мере две части, которые подают к разным каталитическим слоям (11а-11d).

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в поток газа, прошедшего через по крайней мере один из каталитических слоев (11а-11d), инжектируют кислородсодержащий поток газа или жидкости.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что из реактора (7) отбирают по крайней мере часть потока газа, прошедшего через по крайней мере один из каталитических слоев (11а-11d).

10. Реактор для гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида, состоящий из вертикального наружного корпуса (8), по существу, цилиндрической формы; нескольких адиабатических каталитических слоев (11а-11е), расположенных с промежутками друг над другом в корпусе (8); распределителя (26) метанолсодержащего потока газа или жидкости, который установлен в корпусе (8) между по крайней мере двумя соседними каталитическими слоями (11а-11е), отличающийся тем, что по крайней мере один из каталитических слоев (11а-11е) имеет противоположные газопроницаемые боковые стенки (13, 14) для подвода и отвода газа и нижнюю газонепроницаемую стенку (15).

11. Реактор по п.10, отличающийся тем, что в нем имеется устройство (12) охлаждения, предназначенное для охлаждения по крайней мере части потока газа, прошедшего через по крайней мере один из каталитических слоев (11а-11е).

12. Реактор по п. 11, отличающийся тем, что устройство охлаждения представляет собой теплообменник (12), установленный в центре реактора (7) и вытянутый вдоль его продольной оси.

13. Реактор по п. 12, отличающийся тем, что в качестве теплообменника (12) используется трубчатый теплообменник или теплообменник байонетного типа с набором труб.

14. Реактор по п. 13, отличающийся тем, что в качестве теплообменника (12) используется трубчатый теплообменник с оребренными трубками.

15. Реактор для гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида, состоящий из вертикального наружного корпуса (8) по существу цилиндрической формы; нескольких адиабатических каталитических слоев (11а-11е), расположенных с промежутками друг над другом в корпусе (8); распределителя (26) метанолсодержащего потока газа или жидкости, который установлен в корпусе (8) между по крайней мере двумя соседними каталитическими слоями (11а-11е), отличающийся тем, что в нем имеется распределитель (27) потока газа или жидкости, содержащей кислород, который установлен в корпусе (8) между по крайней мере двумя соседними каталитическими слоями (11а-11е).

16. Реактор для гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида, состоящий из вертикального наружного корпуса (8) по существу цилиндрической формы; нескольких адиабатических каталитических слоев (11а-11е), расположенных с промежутками друг над другом в корпусе (8); распределителя (26) метанолсодержащего потока газа или жидкости, который установлен в корпусе (8) между по крайней мере двумя соседними каталитическими слоями (11а-11е), отличающийся тем, что в нем имеется устройство для отбора из реактора по крайней мере части потока газа, прошедшего через по крайней мере один из каталитических слоев (11а-11d).

17. Реактор по п.16, отличающийся тем, что указанное устройство представляет собой патрубок для вывода из реактора газа, который расположен на корпусе реактора между двумя соседними каталитическими слоями (11а-11е).

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида при избыточном количестве кислорода, в частности в реакторе синтеза, который имеет несколько соединенных последовательно адиабатических каталитических слоев, включающий следующие стадии:

- подачу газообразных реагентов, содержащих метанол и избыточное количество кислорода в первый из указанных каталитических слоев; в процессе которой подаваемый в реактор (7) синтеза метанол распределяется на несколько частей, первая из которых подается в первый каталитический слой, а по крайней мере вторая подается в другой, расположенный ниже первого каталитический слой;

- прохождение указанных газообразных реагентов через адиабатические каталитические слои, сопровождающееся частичным окислением метанола.

В настоящем изобретении предлагается также реактор для гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида.

В приведенном ниже описании и в формуле изобретения под "адиабатическим каталитическим слоем" подразумевается слой, содержащий катализатор, в котором реакция синтеза протекает по существу при постоянном давлении без отвода тепла.

В последнее время, решая проблемы гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида, с одной стороны, стремятся повысить производительность используемых для этого реакторов синтеза, а с другой стороны, стараются уменьшить возможность взрыва газообразных реагентов, содержащих метанол и избыточное количество кислорода, одновременно снизив потребление энергии, капиталовложения и производственные затраты.

Уровень техники

Для решения указанных выше проблем в последнее время все большее распространение находят трубчатые реакторы с отводом тепла обтекающей трубы снаружи охлаждающей жидкостью. Реактор такого типа с большим количеством заполненных катализатором труб небольшого диаметра имеет очень сложную конструкцию и ограниченную производительность.

Во второй половине восьмидесятых годов в Институте катализа им. Борескова был разработан способ синтеза формальдегида, основанный на взаимодействии метанола с избыточным количеством кислорода в нескольких соединенных последовательно адиабатических каталитических слоях. Газообразные реагенты проходят через слои катализатора в осевом направлении. После прохождения одного слоя до попадания в следующий слой поток газа должным образом охлаждается за счет теплопередачи в соответствующем теплообменнике. Такой способ позволяет создавать реакторы большого размера, имеющие более высокую по сравнению с обычными трубчатыми реакторами производительность, поскольку при таком способе не только появляется возможность увеличить как объем реакционного пространства, так и расход проходящих через реактор газообразных реагентов, но и создать условия для повышения селективности реакции окисления метанола.

При всех преимуществах по сравнению с трубчатыми реакторами производительность таких реакторов остается ограниченной допустимой концентрацией метанола, содержащегося в подаваемых в реактор газообразных реагентах. Известно, что концентрация метанола для предотвращения возможного образования взрывчатых или воспламеняющихся смесей с кислородом не должна превышать определенных значений, которые в зависимости от концентрации кислорода, которая может изменяться от 5 до 21 об.%, обычно не превышают 6-9 об.%. Такая относительно низкая концентрация метанола позволяет, кроме того, ограничить амплитуду колебаний температуры в массе катализатора. Известно, что при температуре свыше 300^oC возникает опасность дезактивации катализатора, происходит уменьшение срока его службы и создаются возможности для интенсивного возникновения нежелательных побочных реакций, которые могут привести к прямому разложению метанола или получаемого формальдегида. Кроме того, создание крупного реактора с большим расходом газа, выполненного по типу реактора, разработанного Институтом катализа им. Борескова, требует решения серьезных технических проблем, сопряжено с большими капиталовложениями и большим расходом энергии.

В патенте US 2504402 также описан способ гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида в реакторе с несколькими соединенными последовательно адиабатическими каталитическими слоями, по которому в каждый слой катализатора подается стехиометрическое количество метанола.

Краткое описание сущности изобретения

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в повышении производительности реакторов синтеза формальдегида и уменьшении опасности, связанной с возможным взрывом газообразных реагентов, содержащих метанол и избыточное количество кислорода, при одновременном снижении затрат энергии, капиталовложений и производственных расходов.

Эта задача решается с помощью предлагаемого в изобретении способа указанного выше типа, который отличается тем, что первая часть метанола составляет основную часть метанола, подаваемого в реактор синтеза. По предлагаемому в настоящем изобретении способу на участке между выходом из одного слоя катализатора и входом в следующий слой катализатора в газообразные реагенты подается содержащая метанол жидкость. При этом вместо подачи в первый слой катализатора всего необходимого для проведения реакции количества метанола последний в контролируемом количестве постепенно добавляют в подлежащий синтезу газ во время его прохождения через реактор, в котором происходит реакция превращения метанола в формальдегид.

Такой способ позволяет контролировать концентрацию метанола в потоке газа, поступающего в слои катализатора. При этом концентрация метанола поддерживается на оптимальном уровне, который обычно составляет от 6 до 9 об.%, что обеспечивает высокую производительность реактора синтеза, не увеличивая при этом возможность взрыва смеси метанол/кислород.

Целесообразно, чтобы газообразные реагенты проходили через по крайней мере один из слоев катализатора по существу в радиальном, предпочтительно к центру, направлении. По существу радиальное течение газообразных реагентов сопровождается равномерным распределением газа по объему слоя катализатора и, что особенно важно, обеспечивает равномерное распределение температуры в слое катализатора и, как следствие этого, высокую селективность превращения метанола в формальдегид и оптимальное использование всей массы катализатора.

Предлагаемый в изобретении способ позволяет существенно повысить производительность реактора синтеза.

Кроме того, при радиальном течении газообразных реагентов через слои катализатора появляется возможность лучше использовать внутренний объем реактора и увеличить за счет этого реакционное пространство и производительность реактора.

Преимуществом предлагаемого способа является возможность создания более простого по конструкции и более компактного по сравнению с известными реактора.

В соответствии с другим предметом настоящего изобретения предлагаемый в нем способ позволяет обеспечить охлаждение по крайней мере части горячего газа, прошедшего через по крайней мере один из слоев катализатора, пропусканием его через теплообменник, расположенный в центре реактора и вытянутый вдоль его продольной оси.

При этом появляется возможность оптимально использовать внутренний объем реактора, уменьшив до минимума промежутки между соседними слоями катализатора. Такое выполнение внутреннего пространства реактора позволяет еще больше увеличить его производительность и одновременно упростить конструкцию реактора и сделать его более компактным.

В предпочтительном варианте предлагаемого в настоящем изобретении способа подаваемый в реактор кислород разделяется на по крайней мере две части, которые подаются в различные слои катализатора.

Отличительной особенностью предлагаемого в настоящем изобретении способа является инжекция в поток газа, прошедшего через по крайней мере один из слоев катализатора, потока кислородсодержащего газа или жидкости. Промежуточный подвод кислорода в поток движущегося в поперечном направлении газа обеспечивает получение двойного положительного эффекта. С одной стороны, при этом появляется возможность уменьшить концентрацию кислорода в подаваемом в первый слой катализатора потоке газа и одновременно увеличить начальную концентрацию метанола, не доводя ее до максимально допустимого уровня с учетом возможного взрыва полученной смеси двух реагентов. С другой стороны, такой способ подачи кислорода в слой катализатора позволяет постоянно удерживать катализатор в окисленном состоянии, защищая его от возможной потери активности. Обычно потеря активности катализатора происходит на последней стадии реакции окисления, когда концентрация кислорода падает ниже определенной пороговой величины, составляющей, например, около 3-4 об.%.

Кроме того, предлагаемый в настоящем изобретении способ в оптимальном варианте предусматривает отбор из реактора по крайней мере части потока газа, прошедшего через по крайней мере один из слоев катализатора. При этом появляется возможность отбирать из реактора синтеза не только газообразный поток практически вообще не содержащего метанола формальдегида, сразу же используя его, например, для получения смолы, но и один или несколько промежуточных потоков газа, содержащих формальдегид и метанол, которые можно использовать для прямого приготовления водных формальдегидных растворов, в которых метанол в концентрациях от 7 до 12% действует как ингибитор полимеризации.

В соответствии с еще одним предметом изобретения в нем предлагаются реакторы для гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида по п.п. 10, 15 и 16 формулы изобретения.

Отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения рассмотрены в описании не ограничивающего объем изобретения примера его выполнения со ссылками на приложенные к описанию чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - блок-схема предлагаемого в настоящем изобретении способа гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида.

Фиг. 2 - продольный разрез предпочтительного варианта предлагаемого в настоящем изобретении реактора для гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида.

Предпочтительный вариант выполнения изобретения

На фиг. 1 показана блок-схема, иллюстрирующая стадии предлагаемого в настоящем изобретении способа гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида при низком давлении (1-3 бар абс.) и высокой температуре (200-350^oC).

На показанной на фиг. 1 схеме под позициями 1a-1c изображены отдельные стадии или зоны реакции, которые вместе образуют адиабатическое реакционное пространство реактора, в котором происходит синтез формальдегида. Через все зоны 1a-1c реакции проходит изображенный линией 2 поток газообразных реагентов, включающий метанол и избыточное количество кислорода. Линиями 3 изображены потоки жидкости или газа, содержащего метанол, который дополнительно подается в основной поток 2 между соседними зонами 1a-1c реакции.

На фиг. 1 показано также несколько зон 4a-4b охлаждения, в которых происходит отбор по крайней мере части тепла, выделяющегося при реакции синтеза. Конструктивно зоны 4a-4b охлаждения можно выполнить в виде нескольких теплообменников, расположенных между соседними зонами 1a-1c реакции, или более предпочтительно в виде одного теплообменника.

В соответствии с предлагаемым в настоящем изобретении способом газообразные реагенты подаются по линии 2 в зону 1a первой стадии реакции и, проходя через все зоны 1a-1c реакции, превращаются при частичном окислении метанола в формальдегид.

В соответствии с другой стадией предлагаемого в настоящем изобретении способа необходимый для реакции синтеза метанол разделяется на по крайней мере две части, которые по отдельности подаются в разные зоны 1a-1c реакции. Тем самым создается возможность контролировать концентрацию метанола, подаваемого в следующую зону реакции, поддерживая ее на оптимальном уровне, обеспечивающем увеличение общего количества получаемого в реакторе синтеза формальдегида. Концентрацию метанола в синтез-газе можно поддерживать на уровне, существенно меньше концентрации, при которой происходит взрыв газообразной смеси, при этом производительность реактора не ограничивается.

На фиг. 1 показаны также пунктирные линии 5 и 6, которые изображают соответственно подачу в поток 2 исходных реагентов дополнительного количества жидкости или газа, содержащего кислород, и отбор из реактора 1 газа, содержащего формальдегид и метанол.

В первом варианте выполнения изобретения предлагаемый в нем способ предусматривает также стадию обогащения проходящего через реактор потока газа кислородом, содержащимся, например, в подаваемом в реактор воздухе. В этом случае появляется возможность обеспечить оптимальный контроль содержания кислорода в проходящем через реактор потоке 2 газа и увеличить тем самым общее количество подаваемого в реактор метанола и начальную концентрацию метанола в синтез-газе, подаваемом в первый слой катализатора. Такая схема, кроме того, обеспечивает постоянное окисление катализатора, содержащегося в зонах 1a-1c реакции.

В альтернативном варианте кислород можно подавать в ту же самую жидкость, в которой содержится метанол, дополнительно подаваемый в поток газа, проходящий через реактор синтеза. В этом случае на схеме, показанной на фиг. 1, линия 5 будет объединена с линией 3.

Температура метанола и/или кислорода, которые подаются в синтез-газ в газообразной форме, лежит предпочтительно в пределах соответственно от 70 до 250^oC и от 0 до 250^oC.

Метанол и/или кислород предпочтительно подавать в синтез-газ в жидком виде раздельно, поскольку при этом они выполняют дополнительную функцию отвода тепла и охлаждения выходящего из зоны реакции потока 2 горячего газа. При таком способе охлаждения снижается нагрузка на теплообменники, расположенные в зонах 4a-4b охлаждения, и появляется возможность вообще отказаться от применения таких теплообменников.

В другом варианте изобретения предлагаемый в нем способ предусматривает стадию постепенного отбора из реактора формальдегида, образующегося в процессе синтеза в зонах 1a-1c реакции. Такой вариант предлагаемого в настоящем изобретении способа позволяет получить на выходе из реактора 1 поток 2 газа, в котором по существу не содержится метанола, и одновременно отбирать из промежуточных зон реактора потоки 6 газа, содержащего формальдегид и метанол, которые можно использовать для прямого приготовления устойчивых водных растворов формальдегида.

Подачу в реактор дополнительного потока, содержащего кислород, и промежуточный отбор из реактора потока, содержащего формальдегид, предпочтительно выполнять во время одного и того же процесса синтеза за одной или несколькими зонами реакции.

Показанный на фиг. 2 реактор 7 для гетерогенного экзотермического синтеза формальдегида при низком давлении (1-3 бар абс.) и высокой температуре (200-350^oC) имеет вертикальный трубчатый корпус 8, на концах которого расположены патрубки 9 и 10 соответственно для подвода предварительно нагретых газообразных реагентов и выхода из реактора продуктов реакции. Поступающие в реактор 7 реагенты проходят через него в виде потока газа, содержащего метанол и избыточное количество кислорода.

Внутри корпуса 8 находится несколько расположенных на определенном расстоянии друг над другом имеющих форму кольца каталитических слоев 11a- 11e и теплообменник 12, расположенный в центре реактора 7 и вытянутый вдоль его продольной оси. Каталитические слои 11a-11e заполнены гранулированным катализатором на основе Fe-Mo, например железным молибдатом с возможными добавками таких элементов, как Mn, Cr, Ti или Co.

В показанном на фиг. 2 реакторе каждый каталитический слой 11a-11e имеет противоположные газопроницаемые боковые стенки 13 и 14, снизу и сверху ограниченные газонепроницаемыми соответственно нижней 15 и верхней 16 кольцевыми перегородками.

По предлагаемому в настоящем изобретении способу газообразные реагенты, содержащие метанол и избыточное количество кислорода, проходят через по крайней мере один из каталитических слоев 11a-11e по существу в радиальном направлении. При этом поток газа равномерно проходит через всю находящуюся в каталитических слоях каталитическую массу, обеспечивая равномерное распределение температуры катализатора и, как следствие этого, высокую селективность превращения метанола в формальдегид и оптимальное использование каталитической массы с соответствующим увеличением производительности реактора синтеза.

В другом, не показанном на чертежах варианте предлагаемого в настоящем изобретении способа проходящий через катализатор поток газа имеет осерадиальное направление. В этом случае слои 11a-11e катализатора либо вообще не имеют верхних перегородок 16, либо эти перегородки выполняются газопроницаемыми.

Как показано на фиг. 2, нижняя перегородка 15 примыкает одним своим краем к внутренней поверхности стенки корпуса 8 и образует вместе с ней кольцевую полость 17, из которой газ попадает в слои 11a-11e катализатора. Часть слоев 11a-11d катализатора, например слой 11b, имеют выполненную заодно с нижней перегородкой 15 кольцевую перегородку 18, которая расположена между слоем 11b катализатора и теплообменником байонетного типа 12. Такая кольцевая перегородка образует кольцевую полость 19, в которую попадает прошедший через слой 11b катализатора газ и которая сообщается с теплообменником 12 и через отверстие 20 сообщается с кольцевой полостью 17, из которой газ поступает в следующий слой 11c катализатора. Газообразные продукты реакции, прошедшие через слой 11e катализатора, собираются в камере 21 и выводятся из реактора 7 через сообщающийся с этой камерой патрубок 10.

Предлагаемая в настоящем изобретении конструкция показанного на фиг. 2 реактора обеспечивает возможность выполнения предлагаемого в настоящем изобретении способа, который предусматривает прохождение синтез-газа через слои 11a-11e катализатора по существу в радиальном направлении снаружи внутрь реактора 7 в сторону его центральной оси.

Поступающий в реактор 7 по патрубку 9 синтез-газ попадает в первую подводящую полость 17 и, пройдя в радиальном направлении через первый слой 11a катализатора, собирается в полости 19, из которой он через отверстие 20 попадает в подводящую полость 17 следующего слоя 11b катализатора. Таким же способом синтез-газ проходит через остальные слои 11b-11e катализатора и, собираясь в камере 20, выводится из реактора 7 через выходной патрубок 10.

Реакция окисления метанола протекает последовательно в каталитических слоях 11a-11e, при этом в каждом слое степень конверсии метанола ограничена величиной, предпочтительно не превышающей 25% от общего количества метанола, подаваемого в предназначенный для синтеза реактор 7. Оптимальная степень конверсии метанола в отдельных слоях катализатора обеспечивается соответствующим ограничением объема находящегося в каждом слое катализатора.

Реакция синтеза в каталитических слоях 11a-11e протекает при адиабатических условиях без отвода тепла, выделяющегося при прохождении газообразных реагентов через каталитическую массу. Выделяющееся в процессе реакции тепло повышает температуру синтез-газа, прошедшего через каждый из слоев 11a-11e катализатора.

Увеличение температуры газообразной смеси в слое катализатора пропорционально количеству окисленного метанола, которое необходимо удерживать в определенных пределах во избежание нагревания катализатора до слишком больших температур, например выше 330-350^oC, которые могли бы привести к снижению эффективности реакции превращения метанола в формальдегид и сокращению срока службы катализатора.

Между слоем 11a-11d катализатора и следующим слоем 11b-11e газообразные реагенты проходят через межтрубную зону теплообменника 12 и охлаждаются за счет теплопередачи до температуры, которая обычно лежит в интервале от 200 до 250^oC и при которой при попадании содержащего метанол и кислород газа в массу катализатора следующего слоя 11b-11e реакция окисления возобновляется самопроизвольно.

В качестве теплообменника 12 предпочтительно использовать трубчатый теплообменник, состоящий из большого количества труб 22, положение которых определяется двумя расположенными на концах труб трубными решетками 23. Охлаждающая жидкость, которая отводит тепло, выделяющееся в процессе реакции, подается в реактор 7 по подводящему трубопроводу 25, который сообщается с нижней трубной решеткой 23, и, пройдя внутри труб 22, выводится в нагретом состоянии из реактора 7 через верхнюю трубную решетку 23, которая сообщается с отводящим трубопроводом 24. Обычно в качестве охлаждающей жидкости используют диатермическое минеральное или синтетическое масло, смесь расплавленных солей, испаряющуюся жидкость типа Dowtherm или газ. Предпочтительно в качестве охлаждающей жидкости использовать перегретую или испаряющуюся воду, получая из нее пар, который можно использовать в промышленных целях.

Используя в теплообменнике 12 так называемые слабооребренные трубы 22, можно существенно уменьшить его габариты и соответственно увеличить объем реакционного пространства реактора, увеличив тем самым его производительность.

Как показано на фиг. 2, из последнего слоя 11e катализатора выходит неохлажденный поток газа с максимально допустимой температурой, который можно использовать для предварительного подогрева свежего газа, подаваемого в первый слой 11a катализатора. Для теплообмена между потоком горячего газа и холодными газообразными реагентами можно использовать не показанный на чертежах теплообменник или предварительный нагреватель обычного типа, расположив его либо снаружи, либо внутри корпуса 8.

В альтернативном варианте весь поток прошедшего через слои катализатора горячего газа можно охлаждать с помощью одного теплообменника 12, расположив его в центре предлагаемого в настоящем изобретении показанного на фиг. 2 реактора вдоль всех слоев 11a-11e катализатора.

В еще одном альтернативном варианте (на чертежах не показан) используется теплообменник, расположенный снаружи корпуса 8 реактора. В этом случае поток проходящего через слои катализатора синтез-газ предпочтительно направлять по радиусу от центра реактора 7 наружу.

Позициями 26 и 27 на фиг. 2 обозначены тороидальные распределители, предназначенные для подачи в нижние слои катализатора потока жидкости или газа, содержащего метанол или кислород соответственно. Особенности работы этих распределителей и преимущества, которые обеспечивает промежуточный подвод в реактор метанола и кислорода, рассмотрены выше в описании показанной на фиг. 1 схемы (см. линии 3 и 5). Такие распределители 26 и 27 размещают между соседними слоями катализатора вблизи полости 17 для подвода газа.

В показанном на фиг. 2 предпочтительном варианте реактора во второй и третий каталитические слои 11b и 11e инжектируется жидкость, содержащая метанол, а в последний слой 11e - жидкость, содержащая кислород.

Количество и конструкция размещаемых в корпусе 8 распределителей 26 и 27 могут быть самыми разными и определяются конкретными требованиями, предъявляемыми к реактору синтеза.

Содержание метанола в потоке жидкости или газа, который подается в каталитические слои 11b, 11e, целесообразно поддерживать на уровне от 6 до 8 об. %.

В соответствии с другим не показанным на чертежах вариантом выполнения изобретения между по крайней мере двумя соседними слоями катализатора имеется патрубок для отбора из реактора 7 части проходящего через слои катализатора потока газа, содержащего формальдегид (см. приведенное выше описание показанной на фиг. 1 схемы, линия 6).

Промежуточный отбор формальдегида, равно как и распределение по каталитическим слоям метанола и/или кислорода на части можно в альтернативе осуществлять в специальном аппарате, расположенном вне реактора 7.

В другом варианте предлагаемого в настоящем изобретении показанного на фиг. 2 реактора часть потока газа, прошедшего через слои 11a-11d катализатора, направляется по перепускной магистрали (на чертежах не показана) непосредственно в следующий слой 11b-11e катализатора, минуя теплообменник 12. Такая схема позволяет при соответствующем контроле изменять температуру потока газа, поступающего в следующий слой 11b-11e катализатора.

Преимуществом показанного на фиг. 2 реактора с несколькими радиальными слоями катализатора и одним центральным теплообменником является его компактность, технологическая простота конструкции и высокая экономичность, а также оптимальное использование внутреннего объема, позволяющее увеличить реакционное пространство и повысить производительность реактора.

Кроме того, разделение реакционного пространства на несколько соединенных последовательно каталитических слоев позволяет оптимально контролировать протекание реакции окисления метанола, ограничивая тем самым возможность возникновения побочных реакций и увеличивая срок службы катализатора.

Изменяя количество имеющихся в реакторе по фиг. 2 слоев катализатора и объем катализатора в каждом слое, можно определенным образом контролировать протекающую в реакторе реакцию, обеспечив, например, нормальную скорость конверсии метанола при пониженной и соответствующей более низкой скорости реакции концентрации реагентов. В оптимальном варианте количество слоев катализатора в реакторе колеблется от 4 до 10. В частности, вполне удовлетворительные результаты были получены при использовании реакторов с 5 или 6 слоями катализатора.

Проведенные исследования показали, что в реакторе с 5 слоями катализатора, конструкция которого показана на фиг. 2, долю метанола, подвергающегося конверсии в каждом слое катализатора, можно ограничить приблизительно 20% от общего количества метанола, подаваемого в реактор синтеза. При этом появляется возможность поддерживать в каждом слое катализатора оптимальную температуру реакции в пределах от 220 до 310^oC, которая ниже температуры, например, в реакторе с четырьмя слоями катализатора, в каждом из которых конверсии подвергается около 25% от общего количества метанола, в результате чего увеличивается селективность превращения метанола в формальдегид, а следовательно, и производительность реактора.

И, наконец, простота и компактность предлагаемого в настоящем изобретении реактора позволяют по сравнению с известными реакторами существенно упростить и ускорить его обслуживание и операции по загрузке и извлечению каталитической массы.

Приведенные ниже примеры носят иллюстративный и не ограничивающий объем изобретения характер и позволяют сравнить производительность нескольких вариантов предлагаемого в настоящем изобретении реактора с производительностью реактора известной конструкции.

ПРИМЕР 1

В этом примере производительность предлагаемого в настоящем изобретении реактора с промежуточным подводом метанола сравнивалась с производительностью реактора обычного типа с осевыми слоями катализатора. Каждый из двух реакторов, на которых проводили испытания, имел внутри четыре расположенных на определенном расстоянии друг над другом адиабатических каталитических слоя.

Реакторы имели следующие размеры:

внутренний диаметр корпуса: 3,0 м

общая высота реактора: 20,0 м

внутренний объем реактора: 140 куб.м

объем катализатора первого слоя: 1300 л

объем катализатора второго слоя: 1400 л

объем катализатора третьего слоя: 1600 л

объем катализатора четвертого слоя: 2800 л

Рабочий режим реакторов:

среднее давление: 1,3 атм., абс.

температура на входе в слой катализатора: 230^oC

температура на выходе из слоя катализатора: 330^oC,

концентрация метанола (вход в первый слой): 6,5 об.%

концентрация кислорода (вход в первый слой): 8,0 об.%

Общее количество метанола, подаваемое в известный реактор, было эквивалентно количеству метанола, подаваемому в первый слой катализатора и равному 3130 кг/ч. В первый слой катализатора в предлагаемом в настоящем изобретении реакторе подавали 3130 кг/ч метанола и одновременно во второй слой дополнительно подавали 750 кг/ч метанола, так что общее количество подаваемого в реактор метанола составляло 3880 кг/ч. Метанол, подаваемый в оба реактора в газообразном состоянии, проходил через слои катализатора в осевом направлении.

Ниже указаны данные, характеризующие количество полученного в реакторах формальдегида:

обычный реактор: 2720 кг/ч

предлагаемый в изобретении реактор: 3360 кг/ч

Увеличение количества получаемого в предлагаемом в изобретении реакторе на 640 кг/ч соответствует увеличению производительности реактора на 23,5%, что можно считать очень хорошим результатом, учитывая при этом, что снижение затрат энергии на единицу получаемого продукта составило около 24%.

ПРИМЕР 2

В этом примере производительность реактора показанного на фиг. 2 типа сравнивалась с производительностью обычного реактора с осевыми каталитическими слоями. Параметры обычного реактора, который испытывался в этом примере, соответствуют параметрам обычного реактора, который использовался в примере 1. Предлагаемый в изобретении реактор, который испытывали в этом примере, имел пять слоев катализатора, через которые синтез-газ проходил в радиальном направлении. Общее количество катализатора в реакторе синтеза в этом случае составляло 8450 литров, а температура на выходе из слоев катализатора была равна приблизительно 310^oC. Остальные данные, характеризующие работу реактора предлагаемой конструкции, указаны в примере 1. Общее количество формальдегида, полученного в этом реакторе, составило 3430 кг/ч. За счет определенной конструкции производительность предлагаемого в настоящем изобретении реактора была выше производительности реактора, описанного в примере 1, на 1,9% при одновременном уменьшении объема реактора приблизительно в три раза.

ПРИМЕР 3

В этом примере предлагаемый в настоящем изобретении реактор, описанный в примере 2, был также оборудован над пятым слоем катализатора распределителем газа для дополнительного подвода в реактор воздуха, как показано на фиг. 2. При этом к последнему слою катализатора подавали 4000 норм. куб.м воздуха в час. По сравнению с примером 2 дополнительная подача в реактор кислородсодержащего газа обеспечила практически полную конверсию метанола, что привело к увеличению количества получаемого формальдегида (3470 кг/ч вместо 3369 кг/ч) и позволило уменьшить объем катализатора в последнем слое на 12%.