Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_5832
.pdf
снижена до очень низкого уровня, что также приведет к неэкономичному использованию катализатора.
Дополнительные трудности возникают из-за того, что охлаждение, которое может быть достаточным и
необходимым для тех участков катализатора, которые контактируют со свежими газами, может быть слишком
сильным для тех участков, которые контактируют с частично прореагировавшими газами.
В соответствии с настоящим изобретением, в системе преобразователей достигается высокая выходная
мощность и превосходное регулирование температуры за счет использования множества преобразователей,
первый из которых снабжен средствами охлаждения для охлаждения путем теплопередачи через
перегородку, отделяющую катализатор от реакционного газа, а соответствующий преобразователь не
снабжен средствами охлаждения вообще или снабжен менее интенсивными средствами охлаждения, в
зависимости от необходимой разницы температур между различными преобразователями.
Подходящее промежуточное охлаждение обычно устанавливается между сильно охлаждаемым и менее
сильно охлаждаемым преобразователями, если необходимо поддерживать температуру во втором
преобразователе ниже, чем температура, достигаемая в сильно охлаждаемом преобразователе. В качестве
промежуточного охлаждения могут использоваться обычные трубчатые охладители или теплообменники, а во
многих случаях, когда два каталитических нейтрализатора разделены значительным расстоянием, одной
только трубопроводной системы будет достаточно для обеспечения промежуточного охлаждения. В тех
случаях, когда два или более каталитических нейтрализатора расположены один над другим, разумеется,
необходимо использовать дополнительное промежуточное охлаждение, если требуется разница температур
между нейтрализатором с более мощным охлаждением и нейтрализатором с менее мощным охлаждением. В
реакциях, когда оба нейтрализатора должны работать при одинаковой температуре, средства
промежуточного охлаждения, разумеется, не требуются.
Значительно увеличить выходную мощность можно, запустив первый конвертер с мощным охлаждением при
скоростях потока газа, намного превышающих экономически целесообразные скорости в одном конвертере.
Мощная система охлаждения предотвращает перегрев, и тот факт, что чрезмерные скорости потока газа не
обеспечивают достаточно высокого процента выхода продукта для промышленного применения, не имеет
значения, поскольку частично прореагировавшие газы затем пропускаются через другие конвертеры, в
которых катализатор расположен таким образом, чтобы обеспечить максимальный процент конверсии. В
некоторых случаях общая производительность может быть в два-пять раз выше, чем у одного
каталитического нейтрализатора с тем же количеством катализатора.
Для обеспечения точного контроля температуры газа на входе в любой из конвертеров могут быть
предусмотрены соответствующие теплообменники, как стационарные, так и регулируемые, расположенные
между различными конвертерами.
Это имеет важное значение для облегчения протекания некоторых реакций, таких как каталитическое
окисление диоксида серы, где крайне важно контролировать температуру не только в каталитических слоях,
подвергающихся воздействию свежих газов, но и в последних каталитических слоях, необходимых для
осуществления последних нескольких процентов реакции, поскольку эта реакция является равновесной и
относительно чувствительна к температуре. Расположение теплообменников между конвертерами также
имеет важное значение во многих процессах окисления органических соединений, например, при окислении
ароматических соединений, где образуются промежуточные компоненты с низкой термостойкостью и где
необходимо быстро охладить частично прореагировавшие газы перед тем, как подвергнуть их контакту с
дополнительными слоями катализатора. Примерами таких органических окислений являются окисление
нафталина до альфанафтахинона, фталевого ангидрида или малеиновой кислоты; антрацена до
антрахинона; фенантрена до фенантрахинона, дифеновой кислоты, фталевого ангидрида или малеиновой
кислоты; замещенных и незамещенных толуолов и их гомологов до соответствующих альдегидов и кислот;
бенрола, толуола, фенола, смолистых фенолов и фурфурала до малеиновой кислоты; аценафтена до
аценафтилена, аценафтохинона, бисаценафтилидендиена, нафтальдегидной кислоты, нафталевого
ангидрида и гемимеллитовой кислоты; крезола до салицилальдегида и салициловой кислоты; флуорена до
флуоренона, эвгенола и изоэвгенола до ванилина и ванилиновой кислоты.
Алифатические соединения также могут быть окислены в конвертерах, описанных в настоящем изобретении.
Примерами таких реакций являются превращение метилового спирта и метана в формальдегид, этилового
спирта в уксусную кислоту, этиленхлорлидрина в хлоруксусную кислоту и тому подобное.
К другому классу важных реакций окисления относится очистка путем селективного каталитического
окисления сырых соединений каменноугольной смолы, таких как сырые антрацены (путем селективного
полного сгорания карбазола), сырой фенантрен (с сгоранием тех же примесей); сырые нафталины, сырые
бензольные фракции и тому подобные. Примеси, содержащие аммиак в каменноугольной смоле, такие как
фенолы, также могут быть каталитически очищены в конвертерах настоящего изобретения путем
селективного окисления этих примесей в условиях, которые оставляют аммиак практически неизменным.
Также могут проводиться реакции соединения, например, очистка неочищенного антрацена в первом случае.
конвертер с последующим окислением очищенного антрацена до антрахинона. Также применима аналогичная
реакция, в которой неочищенный фенантрен сначала очищают, а затем окисляют до фенантрахинона или
других продуктов окисления.
Помимо органических окислений, в аппарате, описанном в настоящем изобретении, могут быть проведены
многие другие органические реакции, требующие точного контроля температуры, такие как различные
реакции гидрирования, конденсации, полимеризации, галогенирования, получение монокарбоновых кислот
или ангидридов из поликарбоновых кислот и другие хорошо известные типы каталитических реакций.
Автоматический теплообменник, который предпочтительно используется в преобразователе с мощным
охлаждением, также обладает тем преимуществом, что не требует внутренней затяжки.
Таким образом, никакие внутренние конструкции не могут использоваться как для высокого давления, так и
для давления масла, а в некоторых случаях и для вакуума.
На практике система преобразователей может включать в себя множество последовательно соединенных
преобразователей с мощным охлаждением, эффективность охлаждения которых уменьшается в направлении
потока газа, и/или может включать в себя множество последовательно соединенных преобразователей с
гораздо меньшей охлаждающей способностью, эффективность охлаждения которых уменьшается в
направлении потока газа.
Изобретение будет описано более подробно в связи с чертежами. На фиг. 1 показано сочетание конвертера с
автоматическим газовым охлаждением и обычного многослойного конвертера типа Грилло, между
конвертерами которого предусмотрены теплообменники; на фиг. 2 показана модифицированная конструкция
конвертера с автоматическим газовым охлаждением и многослойного конвертера с регулируемым
промежуточным охладителем; на фиг. 3 показана модифицированная форма конвертера с автоматическим
газовым охлаждением и индивидуальным теплообменником, объединенного с обычным многослойным
конвертером; на фиг. 4 показан комбинированный конвертер с автоматическим газовым охлаждением и
многослойный конвертер, соединенный с отдельным многослойным конвертером и теплообменником; на фиг.
5 показано сочетание конвертера Тентелеу с многослойным конвертером без промежуточного охладителя; на
фиг. 6 показан модифицированный конвертер Тентелеу с однослойным конвертером без промежуточного
охладителя; на фиг. 7 показан модифицированный конвертер с автоматическим газовым охлаждением,
соединенный с двухслойным конвертером без промежуточного охладителя; на фиг. 8 показан горизонтальный
разрез фиг. 7 по линии 84. На рис. 9 показан конвертер типа «саудовский анне», соединенный с отдельным
двухслойным конвертером без промежуточного охладителя; на рис. 10 показан конвертер Книча, соединенный
с трехслойным конвертером без промежуточного охладителя; на рис. 11 показана комбинация другого типа
трубчатого конвертера Книча с многослойным конвертером; на рис. 12 показано соединение двух
автоматических газоохлаждаемых конвертеров последовательно с отдельным многослойным конвертером; на
рис. 13 и 14 показано соединение двух автоматических газоохлаждаемых конвертеров последовательно, один
из которых снабжен испарительным устройством для выравнивания охлаждения.
В конструкции, показанной на рис. 1, газоохлаждаемый конвертер 1 состоит из корпуса 1, верхней части 2,
нижней части 8, перфорированной опоры катализатора 4 и верхней перегородки 5.
Катализатор 6 установлен на пластине 4 и простирается почти до пластины 5. В катализатор встроены трубки
7 с закрытым дном, открытые концы которых выступают над уровнем катализатора. Открытые трубки 8
свисают с пластины 5 и доходят практически до дна трубок 7. В верхних концах периферических трубок 8
установлены соответствующие диафрагменные пластины 9, размер отверстий которых уменьшается от
центральных трубок к периферийным.
Перегородки 10 также расположены во входной камере, образованной между пластиной 5 и верхней частью 2.
Катализатор заполняет каталитический нейтрализатор через отверстия в пластине 5, которые затем
закрываются заглушками 11. Аварийный газопровод 12 соединяется с верхней частью каталитического
пространства короткими соединительными трубами 13, а также предусмотрена соответствующая дренажная
труба 14 для удаления отработанного катализатора.
К преобразователю прилагается второй преобразователь II простого двухслойного типа Грилло. Данный
конвертер состоит из корпуса 15, верхней части 16, нижней части 17, перфорированных каталитических
тарелок 18 и каталитических лотков 19. Перегородки 90 размещены во входной камере между нижней частью
17 и нижней поддоном 1S для распределения и смешивания поступающих газов.
К конвертерам относятся два теплообменника III и IV, состоящие соответственно из кожухов 30 и 40, верхних
частей 31 и 41, нижних частей 32 и 42, теплообменных трубок 33 и 43, а также перегородок 34 и 44.
Труба 21 соединяет нижнюю камеру преобразователя I с нижней камерой преобразователя II и снабжена
клапаном 22. В трубу 21 между преобразователем I и клапаном 22 входит ответвление 23, снабженное
клапаном 24, и соединяет трубу с нижней частью 32 теплообменника III. Труба 25 соединяет верхнюю часть 16
преобразователя II с верхней частью 41 теплообменника IV, а труба 26, снабженная клапаном 27, соединяет
верхнюю часть корпуса 40 теплообменника IV с верхней частью 2 преобразователя I. Ответвление 28 идет от
верхней части корпуса 30 теплообменника III к трубе 26, входя в последнюю в точке между клапаном 27 и
преобразователем I. Труба 29 соединяет трубу 26 с нижней частью корпуса 30 теплообменника III, а труба 35
соединяет верхнюю часть 31 того же теплообменника с трубой 21. Труба 29, снабженная клапаном 36, входит
в трубу 26 между клапаном 27 и теплообменником IV, тогда как труба 35 входит в трубу 21 между клапаном 22
и преобразователем I1.
Теплообменник IV дополнительно снабжен входным отверстием 45 в нижнюю часть корпуса и выходным
отверстием 46 из нижней части 42.
В процессе работы газы проходят в направлении, указанном стрелками, в корпус теплообменника IV через
входную трубу 45 и, протекая по трубкам 43 по извилистому пути, образованному перфорированными
перегородками 44, проходят через трубу 26 в верхнюю часть 2 конвертера I. Газы могут поступать
непосредственно в конвертер или проходить через трубу 29 в теплообменник III, протекая по трубкам 33 по
извилистому пути, образованному перфорированными перегородками 34, и, наконец, поступать в трубу 96
через трубу 28. Относительная доля газов, поступающих непосредственно в конвертер, и газов, поступающих
через теплообменник, определяется соответствующей регулировкой клапанов 27 и 36. Таким образом, газам
можно придать необходимую степень нагрева перед поступлением в конвертер.
После центрирования конвертера основания тщательно перемешиваются и распределяются перегородками
10 и проходят через центральные трубки 8 в количествах, которые увеличиваются от периферии к центру,
поскольку диафрагмы 9 обеспечивают меньшие каналы вблизи периферии, постепенно увеличивающиеся к
центру до полного размера трубок. Пройдя через трубки S, газы обтекают дно трубок 7, их поток меняет
направление, и они поднимаются вверх по этим трубкам, обмениваясь теплом с катализатором, и, наконец,
выходят из верхней части трубок, где их направление снова меняется, и они текут вниз через катализатор,
выходя через перфорированную пластину 4 в нижнюю камеру каталитического нейтрализатора.
Дополнительные горячие или холодные газы могут подаваться непосредственно в катализатор из основного
трубопровода 12 через трубы 13.
Поскольку центральные части катализатора охлаждаются не так эффективно, как периферийные, из-за
отсутствия излучения от оболочки, дополнительный поток газа компенсирует этот эффект и обеспечивает
равномерную температуру по всему слою катализатора, предотвращая нежелательный перегрев в центре
тюля. Поскольку охлаждающий эффект теплообменных элементов существенно изменяется — прямо
пропорционально количеству газа, проходящего через конвертер, и количеству выделяемого тепла, которое
также существенно пропорционально количеству протекающего через него газа, — конвертер будет
удовлетворительно охлаждаться в широком диапазоне скоростей газа и автоматически подстраиваться к их
колебаниям, действуя таким образом как автоматический газоохлаждаемый конвертер. Однако, поскольку
излучение от оболочки не увеличивается с увеличением потока газа, может быть целесообразно
компенсировать отсутствие увеличения охлаждающего эффекта путем прямой подачи холодного газа через
основной 12. Аналогичным образом, температуру можно изменять, варьируя температуру поступающих газов,
то есть изменяя долю поступающих газов, проходящих через теплообменник III.
Функция автоматического охлаждения преобразователя позволяет эксплуатировать его при огромных
перегрузках, иногда превышающих в пять раз номинальную мощность преобразователя, без нежелательного
перегрева. При значительном увеличении скорости газа процент конверсии, естественно, снизится, но
поскольку частично прореагировавшие газы впоследствии будут подвергнуты дальнейшей конверсии, этот
фактор, естественно, не имеет значения, и каталитический нейтрализатор нельзя использовать на пределе
его возможностей, что позволяет получать огромную производительность на единицу катализатора.
Горячие газы из конвертера I поступают в конвертер II, где проходят через каталитические слои, и реакция
завершается. Температура газов на выходе из конвертера I, особенно когда последний работает на
мощности, во много раз превышающей обычно достигаемые значения, может быть слишком высокой для
охлаждения реакции до удовлетворительной степени завершения, даже если она недостаточно высока, чтобы
повредить катализатор в конвертере II. По этой причине температуру газов, выходящих в трубу 21,
целесообразно снижать, пропуская часть или все газы через теплообменник III. Это достигается путем
соответствующей регулировки клапанов 22 и 24, которые определяют относительные пропорции газов,
протекающих через теплообменник III. Поток, конечно же, проходит непосредственно через трубки 33 в
верхнюю часть 31, а затем через трубу 35 обратно в трубу 21. Когда через теплообменник III проходит лишь
часть газов, температура объединенных газовых потоков, поступающих в нижнюю часть 17 конвертера II,
может быть неравномерной, и для этой цели в конвертере II предусмотрены перегородки 20, обеспечивающие
тщательное регулирование и, следовательно, выравнивание температуры поступающих газов.
Тепло, отводимое в теплообменнике, разумеется, используется для нагрева холодных газов, которые
направляются к преобразователю I.
Проходя через конвертер II, газы, конечно же, дополнительно нагреваются, хотя обычно в меньшей степени,
чем в конвертере I, поскольку в конвертере II происходит лишь небольшой процент реакции. Последний
конвертер имеет пластинчатую конструкцию с минимальным или полным отсутствием охлаждения, которое
осуществляется исключительно за счет излучения корпуса конвертера, чему способствует тот факт, что
перегородки направляют газы из центра конвертера в контакт с корпусом.
В конвертере второго типа обычно не требуется интенсивное охлаждение, поскольку в ходе реакции не
выделяется достаточно тепла, чтобы стать опасной. Реакционные газы, которые, конечно же, имеют
приблизительно температуру реакции или выше, проходят из верхней части 16 через этот вход в верхнюю
часть 41 теплообменника IV, протекая через трубки 43 в нижнюю часть 42 и оттуда выходя через выпускное
отверстие 46. При прохождении через теплообменник прореагировавшие газы отдают значительную часть
своего тепла, нагревая при этом восходящие холодные газы.
Следует отметить, что расположение двух преобразователей, не находящихся в теплообменном контакте
друг с другом, обладает рядом преимуществ. Во-первых, преобразователь I, который может выдавать
огромные выходные мощности, относительно мал по сравнению с его выходной мощностью, и, поскольку он
представляет собой более дорогой тип преобразователя, экономия при этом оказывается незначительной.
Конвертер 11, который может быть слоистым и требует минимального охлаждения, имеет максимально
дешевую конструкцию и может быть L-образного размера, что достаточно для получения
удовлетворительного процента выхода продукта. Другими словами, производительность более
дорогостоящей части установки значительно увеличивается, что приводит к существенной экономии. Еще
одно очень важное преимущество заключается в том, что два каталитических нейтрализатора полностью
независимы по своему расположению, и скорость потока газа через катализатор в нейтрализаторах, которая,
конечно же, определяется площадью поперечного сечения катализатора, может изменяться для достижения
наилучших результатов.
Таким образом, например, в большинстве реакций достигается огромный выход продукта, но относительно
меньший процент выхода может быть достигнут за счет использования огромных скоростей газа, и,
соответственно, конвертер 1 обычно строится с относительно небольшим поперечным сечением
катализатора. С другой стороны, для достижения максимальной процентной эффективности желательно
замедлить скорость потока газа через последние каталитические слои, чтобы дать реакции, которая
практически всегда является равновесной, время как можно полнее протекать в желаемом направлении.
Этого легко добиться, обеспечив очень большое поперечное сечение в конвертере II с соответственно вялым
потоком газа и, как следствие, высоким процентом выхода продукции. Эта особенность не акцентируется на
рисунках, которые носят чисто схематический характер. Следует понимать, что относительные поперечные
сечения газового канала в конвертерах I и II определяются конкретными условиями реакции, которая должна в
них протекать.
Ещё одной важной особенностью многих реакций является то, что каталитический слой в каталитическом
конвертере II не подвергается воздействию лучистого тепла от катализатора в каталитическом конвертере I. В
результате отсутствует тенденция к перегреву какой-либо части катализатора в каталитическом конвертере II,
и его температура определяется исключительно состоянием проходящего через него газа.
Следует понимать, что чертежи носят исключительно схематический характер, на них показаны только те
структурные элементы, которые необходимы для понимания изобретения. В каждом случае требования
конкретных проводимых реакций будут определять, какая конструкция будет использоваться, и все
необходимые конструктивные элементы, принадлежности и тому подобное будут применяться в той мере, в
какой это будет «очевидно» для квалифицированного инженера-химика. Также будет предусмотрено
соответствующее устройство для заправки каталитического нейтрализатора катализатором, как показано на
некоторых чертежах. Данные конструктивные особенности и комплектующие сами по себе не являются
частью настоящего изобретения, которое, напротив, применимо к любой желаемой конструкции
преобразователя.
На рис. 2 показана несколько измененная схема расположения двух преобразователей, аналогичная
показанной на рис. 1. Аналогичным компонентам присвоены одинаковые опорные символы.
Установка состоит из преобразователей I и II, промежуточного охладителя III и теплообменника IV.
Конструкция теплообменника IV идентична показанной на рис. 1, и преобразователь II также имеет
аналогичную компоновку.
Преобразователь I представляет собой модифицированный тип преобразователя. В этом конвертере верхняя
часть тюля 2 не соединена напрямую с оболочкой 1, а отделена от нее двумя фланцевыми сегментами
оболочки 38, несущими дополнительную перфорированную перегородку 39, которая снабжена трубками 47,
проходящими через дополнительные отверстия в перегородке 5 и снабженными отклоняющими пластинами
48 и перфорациями 49 на своих нижних концах.
Верхняя часть 2 соединена с газопроводом 50, снабженным клапаном 51; верхняя часть корпуса 40
теплообменника IV соединяется с камерой, образованной фланцем 38 и перегородками 5 и 39, через трубу 26,
в которую вводится дополнительный газопровод 52, снабженный клапаном 53. Вместо трубок с одним
открытым и одним закрытым концом, встроенных в катализатор, в трубках 57 предусмотрены рассеивающие
элементы, такие как ребра или тому подобное.
Часть или все горячие газы в трубе 21 могут проходить по всей длине U-образной трубки или поперек
поперечной трубы 60 U-образной трубки по желанию. В первом случае клапан 61 отпускается, клапан 59
закрывается, а клапан 61 открывается.
Относительное количество газа, проходящего через U-образную трубу и непосредственно через трубу 21,
разумеется, определяется соответствующей регулировкой клапанов 22 и 58.
В процессе работы газ поступает через трубу 45, а затем через теплообменник IV в камеру между
перегородками 5 и s39 аналогично тому, как это описано в связи с рис. 1. Затем газ проходит вниз через
внутренние трубки 8, вверх вдоль внутренней стенки трубок 57, выходит через перфорации 56 и проходит
вниз через каталитический слой. Дополнительный холодный газ может подаваться через основной
трубопровод 50 в верхнюю часть 2, откуда он проходит через трубки 47 и непосредственно через катализатор.
Отклоняющие пластины 48 предотвращают попадание потоков холодного газа на ограниченные участки
катализатора и их охлаждение до такой степени, что реакция перестанет протекать. При прохождении через
трубы 47 газ, разумеется, частично нагревается за счет нагретого газа, поступающего через трубу 26. Общий
эффект аналогичен показанному на рис. 1, но для некоторых целей предпочтительнее, поскольку
дополнительный холодный газ, вместо того чтобы поступать непосредственно в каталитическое
пространство, как показано на рис. 1, сначала частично нагревается нагретыми газами и с меньшей
вероятностью вызывает резкие или локальные изменения температуры.
В случаях, когда требуется дополнительное охлаждение, холодный газ может подаваться через основной
трубопровод 52 в трубу 26. В целом, модификация, показанная на рис. 2, предпочтительна в случаях, когда
встречаются сильно экзотермические реакции. Он не так хорошо подходит для реакций, требующих высокой
температуры входящего газа. Разумеется, следует понимать, что особой необходимости в сочетании
интеркулера со специфической конструкцией каталитического нейтрализатора 1 нет. Напротив, в схеме,
показанной на рис. 1, вместо теплообменника III может использоваться промежуточный охладитель, и
наоборот, в схеме, показанной на рис. 2, вместо промежуточного охладителя может использоваться
теплообменник. В целом, на чертежах мы постарались проиллюстрировать несколько различных типов
преобразователей, однако не ограничивали изобретение конкретной комбинацией показанных
преобразователей.
На рис. 3 показана комбинация преобразователя I, второго преобразователя II и теплообменника IV, без
внешнего теплообменника или промежуточного охладителя между преобразователями. Их функцию
выполняет продолжение трубок 7 и 8, проходящих через каталитический слой, нижняя часть которых
выполняет функцию теплообменников, охлаждая нагретые газы и одновременно нагревая поступающие газы;
для увеличения пути движения газа предусмотрены перегородки 62.
Расположение преобразователя II и теплообменника IV идентично показанному на рис. 1, и поток газа во
время работы аналогичен, что наглядно показано стрелками.
Внутренний теплообменник объединен с преобразователем I в единый блок.
Данная конструкция чрезвычайно компактна и позволяет поддерживать относительно равномерную
температуру по всей зоне катализатора, поскольку газы, проходящие вверх по трубкам 7, сначала
нагреваются не только во время своего прохождения по трубкам 8, но и горячими реакционными газами,
протекающими по их нижним участкам, так что ни в одной точке относительно холодные газы не нагреваются,
исключая контакт с катализатором. Такое равномерное умеренное охлаждение, обладающее, однако, всеми
преимуществами автоматического увеличения тепловыделения, особенно подходит для реакций, требующих
высоких температур входящего газа и не являющихся чрезмерно экзотермическими.
В преобразователе не предусмотрено изменение относительного потока газа через центральный и
периферийный теплообменные элементы, однако это может быть осуществлено, как показано на рис. 1 и 2,
там, где это окажется желательным.
На рис. 4 показано несколько иное расположение каталитических нейтрализаторов без промежуточных
охладителей. Преобразователь I представляет собой инвертированный преобразователь, снабженный
дополнительным каталитическим слоем 63, расположенным несколько аналогично тому, как показано на фиг.
11 того же применения. Перегородка 64 размещается между основным слоем катализатора и слоем 63 для
предотвращения прямого контакта газов из основного слоя катализатора со слоем 63 и для обеспечения
более тщательного перемешивания частично прореагировавших газов. Перегородка также служит для
направления газов к корпусу каталитического нейтрализатора, тем самым улучшая охлаждение. В конвертере
II следует отметить, что глубина каталитических слоев увеличивается в направлении потока газа, что во
многих случаях желательно, поскольку для достижения практически полной конверсии газам, вступающим в
реакцию, требуется все более длительный контакт с катализатором. Аналогичное изменение глубины
катализатора, разумеется, может быть использовано и во вторых каталитических нейтрализаторах,
показанных на других рисунках.
Теплообменник IV и конвертер II перевернуты, но работают точно так же, как и на других рисунках.
Схема, представленная на рис. 4, обладает определенными преимуществами, поскольку экзотермическая
реакция протекает с чрезвычайной скоростью в той части контактирующей массы, которая соприкасается со
свежими газами, но замедляется при прохождении через дополнительные слои катализатора и может
оказаться недостаточной для поддержания достаточного количества тепла для завершения реакции.
Инвертированная конструкция каталитического нейтрализатора, показанная на рис. 4, и отсутствие
промежуточного охладителя между нейтрализаторами позволяют поддерживать каталитический слой 63 и
каталитический мох во втором нейтрализаторе при подходящих температурах.
Также возможно использование каталитических слоев большой толщины во втором эонвертере, что выгодно
для «полного преобразования».
Также часто бывает желательно использовать второй каталитический нейтрализатор с гораздо более
активными катализаторами, чтобы компенсировать снижение концентрации непрореагировавших газов. В
таких оазисах может быть даже желательно обеспечить определенное накопление углей в газах между
конвертером I и конвертером II. Этого можно добиться, отказавшись от теплоизоляции трубы 21 или
установив подходящий промежуточный охладитель или теплообменник. В целом следует понимать, что
везде, где соединительная труба или трубы между каталитическими преобразователями излучают
значительное количество тепла, они фактически действуют как промежуточные охладители, и невозможно
провести четкую границу между простой соединительной трубой и специально спроектированным
промежуточным охладителем.
Фактически, каждую неизолированную соединительную трубу следует рассматривать как промежуточный
охладитель.
На рис. 5 показана очень простая комбинация хорошо известного преобразователя Tentelew и простого
многослойного преобразователя типа Grill@. Конвертер Tentelew I состоит из внешней оболочки 64, верхней
части 65, нижней части 66, перегородки 67, каталитических трубок 68 и отражающих пластин 69. Газ поступает
через магистрали 60 и 52, причем последняя снабжена клапаном 53, а магистраль 50 соединена с верхней
частью 65. Газы, тщательно перемешиваясь и отклоняясь перегородкой 69, окружают каталитические трубки
и, наконец, проходят вниз через катализатор в этих трубках.
Благодаря огромной поверхности излучения трубок достигается удовлетворительное охлаждение, которое
носит полуавтоматический характер: охлаждение в определенной степени усиливается с увеличением потока
газа, но не строго пропорционально ему, как в газоохлаждаемом преобразователе, показанном на
приведенных выше рисунках. Таким образом, при использовании реакций, не обладающих чрезмерной
чувствительностью, можно довести выходную мощность конвертера Tentelew до значений, значительно
превышающих его нормальную мощность, что, разумеется, приведет к соответствующему снижению
процентного выхода.
Затем частично прореагировавшие газы проходят по трубе 21 в конвертер II, как показано на других рисунках.
При желании можно использовать промежуточный охладитель или теплообменник, либо же трубу 21 можно
оставить неизолированной, чтобы она выполняла функции промежуточного охладителя. Разумеется, газы,
выходящие из конвертера II, могут проходить через внешний теплообменник для нагрева поступающих газов,
входящих в основной теплообменник 50, как показано на других рисунках.
Рис. 6 аналогичен рис. 5, но иллюстрирует модификацию преобразователя Тентелеу. В этой модификации
закрытые концевые трубки 70, снабженные на своих нижних концах перфорациями 71, размещаются поверх
каждой из трубок 68 Тентелеу. Таким образом, поступающие газы вынуждены проходить вниз по трубкам 70,
через перфорации 71 и вверх между трубками 70 и 68, прежде чем пройти через катализатор в последней.
Таким образом, конвертер Tentelew, в котором охлаждение осуществляется излучением, превращается в
автоматический газоохлаждаемый конвертер огромной эффективности, причем степень охлаждения прямо
пропорциональна скорости газа, что позволяет значительно увеличить выходную мощность. Расположение
двух преобразователей, за исключением дополнительных трубок 70, идентично расположению на рис. 5, и те
же соображения и преимущества, описанные в отношении них, применимы к преобразователям, показанным
на рис. 6, которые, кроме того, обладают преимуществом полностью автоматического газоохлаждаемого
преобразователя I.
На рисунках 7 и 8 показано сочетание газоохлаждаемого преобразователя другого типа с обычным
многослойным преобразователем. Газоохлаждаемый конвертер состоит из корпуса 72, верхней части 73,
нижней части 74 и перфорированной перегородки 75. На перегородке размещена трубка 76 с закрытым
концом, при этом закрытый конец тюля направлен вниз. Вокруг этой трубки расположен ряд концентрических
цилиндрических желобов 77 и 78. Между трубкой 77 и желобами 78 катализатор расположен в
концентрических кольцевых углублениях 79 (см. рис. 8). Между наружным каталитическим кольцом 79 и
корпусом каталитического нейтрализатора 72 расположено кольцевое полое металлическое кольцо 80,
предназначенное для предотвращения чрезмерного охлаждения наружного каталитического кольца
излучением.
Закрытое с конца полое металлическое кольцо 81 устанавливается поверх закрытой с конца трубки 76 и
кольца 77 таким образом, что открытый конец внутренней стенки доходит до дна трубки 76 и снабжен
перфорацией 82, а наружная стенка доходит до дна кольца 77 и снабжена на его нижнем конце перфорацией
83. Второе концентрическое кольцо 84 аналогично имеет внутреннюю стенку, проходящую в кольцо 77 и
снабженную на конце, обращенном к сеятелю, перфорациями 85, - и внешнюю стенку, проходящую вниз во
внешнее кольцо 78 и снабженную на нижнем конце перфорациями 86. Третий концентрический кольцевой
элемент 87 с L-образным поперечным сечением расположен таким образом, что его внешний конец
горизонтальной грани соединен с оболочкой 72, а вертикальная часть выступает в кольцо 78 и снабжена на
нижнем конце выступами 8-8. Становится очевидным, что внутренняя стенка внутреннего кольца 81 образует
трубку, открытую с обоих концов и входящую в трубку 76, а внешняя стенка этого кольца вместе с внутренней
стенкой кольца 84 образует кольцевое пространство, простирающееся вниз в кольцо 77.
Аналогичное пространство также образовано вертикальной ножкой кольца 87 и внешней стенкой кольца 84 и
простирается в кольцо 78. При необходимости газ, поступающий через основные 50 смесителей, вместе с
другими газами, поступающими через основной 52, снабженный клапаном 53, проходит вниз через
центральное пространство кольцевого зазора 81 и пространства между кольцевыми зазорами 81, 84 и 87 к
дну трубки 76 и кольцевым зазорам 77 и 78, где направление потока газа меняется на противоположное, и
газы проходят вверх, контактируя с внутренними стенками трубок 76 и кольцевых зазоров 77 и 78 в процессе
теплообмена с кольцами. Выйдя из верхней части этих пространств, они затем снова меняют направление и
проходят вниз через катализатор. Следует отметить, что эффект практически идентичен эффекту
каталитических нейтрализаторов, показанных на рис. 1–4, за исключением того, что вместо небольших
трубчатых элементов, встроенных в катализатор, в него встроены кольцевые охлаждающие элементы.
Охлаждение, разумеется, прямо пропорционально количеству проходящего через него газа, и чрезмерное
охлаждение внешнего каталитического кольца предотвращается воздушным пространством между ним и
корпусом каталитического нейтрализатора.
Принцип работы преобразователя аналогичен показанному, например, на рис. 1, однако кольцевая
конструкция элементов обладает множеством преимуществ с точки зрения конструкции. Легко можно
изменять толщину каталитических колец из тюля для достижения абсолютно равномерного охлаждения, что
гораздо сложнее сделать с встроенными элементами, поскольку расстояние между элементами не является
полностью равномерным, тогда как в каталитических кольцах, показанных на рис. 7, расстояние между
стенками тюлевых колец постоянно.
Преобразователь II по конструкции аналогичен показанному на рисунках выше, и принцип его работы тот же.
При желании между каталитическими преобразователями можно установить промежуточный охладитель или
теплообменник, либо трубу 21 можно оставить неизолированной, чтобы она выполняла функции
промежуточного охладителя, как описано в связи с приведенными выше рисунками.
На рис. 9 изображен преобразователь типа Audianne. Перфорированная пластина 80 расположена над
нижней пластиной 67, а катализатор размещен вокруг трубок 68. Газ поступает снизу каталитического
нейтрализатора, проходит вверх по трубкам 68, меняет направление потока и проходит вниз через
катализатор в пространство, образованное перегородками 67 и 89, а затем выходит через трубу 21, которая
соединяет это пространство с каталитическим нейтрализатором II.
Охлаждение газа полностью автоматическое, но полного изменения направления потока газа, как в
автоматических газоохлаждаемых конвертерах, показанных, например, на рис. 1 и 2, не происходит.
На рисунке 10 изображен конвертер Книча, в котором в верхней части конвертера расположена перегородка
67, а газ подается в отсек, образованный между перегородкой 67 и дополнительной перфорированной
перегородкой 90, в которой установлены наружные трубки 70. Катализатор помещен в трубки 68, которые
отходят от перегородки 67 и закрыты снизу перфорированными пластинами. Поток газа направлен вниз через
трубки 70, находящиеся в теплообменном контакте с трубками 68, а затем вверх через катализатор и через
трубу 21 в конвертер II, который изображен с тремя слоями катализатора вместо двух. Данная конструкция
имеет автоматическое газовое охлаждение, но не обладает преимуществами, которые имеют автоматические
газоохлаждаемые конвертеры, показанные, например, на рис. 1 и 2, поскольку необходимо предусмотреть
газонепроницаемые перегородки, тогда как в газоохлаждаемых конвертерах, показанных, например, на рис. 1
и 2, нет необходимости в газонепроницаемых перегородках, что является существенным преимуществом.
Чем меньше требуется газонепроницаемых перегородок, тем проще и дешевле конвертер и тем меньше
вероятность утечки.
Хотя с самых разных точек зрения комбинация, показанная на других рисунках, не столь желательна, как
показанная на них, она, тем не менее, эффективна и выгодна в некоторых установках, особенно там, где уже
установлен преобразователь типа Книча, и может быть легко адаптирована к настоящему изобретению с
минимальной перестройкой.
На рис. 11 показано сочетание хорошо известного типа конвертера Книча, широко используемого для
катализируемой серной кислоты, с обычным слоистым конвертером. В каталитическом конвертере I
катализатор расположен в трубках 91, которые установлены в перегородках 92 и 93 и образуют с трубками и
верхними элементами 94 внутренний блок. Данный блок окружен промежуточной оболочкой 95 и внешней
оболочкой 96. Газы из основного трубопровода 50 поступают непосредственно в пространство между
оболочками 95 и 96, входя в верхнюю часть оболочки и проходя вниз в перфорированные распределительные
трубки 98, откуда газы поднимаются между и вокруг каталитических трубок 91 и, наконец, через пространство
между внешней верхней частью 99 и верхней частью 94 в последнюю, тщательно перемешиваясь, проходя
вокруг перегородок 100. Таким образом, газы образуют газовую рубашку, которая предотвращает потери
тепла за счет излучения из оболочки 95. Часть газов проходит через трубу 97, снабженную клапаном 101,
непосредственно в нижнюю распределительную трубу 9S. После прохождения вниз по трубам в нижний отсек
под перегородкой 93 газы попадают в конвертер II через трубу 21.
Конвертер I не имеет полностью автоматического газового охлаждения, поскольку охлаждение не
увеличивается пропорционально потоку газа, но достигается отличное охлаждение, и преобразователь может
работать на выходной мощности, во много раз превышающей нормальную, без перегрева, особенно в таких
реакциях, как каталитическое окисление диоксида серы. Процент выхода, конечно, снижается, но благодаря
конвертеру II он достигает высокого уровня. Разумеется, могут быть использованы подходящие
теплообменники и промежуточные охладители, как показано на некоторых других рисунках.
На рисунке 12 показано сочетание двух газоохлаждаемых конвертеров Ia и Ib с однослойным конвертером II.
Конвертер Ia представляет собой высокоэффективный модифицированный тип Tentelew, показанный на
рисунке 6, тогда как конвертер Ib аналогичен типу, показанному на рисунке 4, и снабжен очень глубоким слоем
катализатора. Труба 121 соединяет два конвертера Ia и Ib, а труба 21 соединяет конвертеры Ib и II,
представляющие собой обычный трехслойный конвертер с каталитическими слоями, толщина которых
увеличивается в направлении потока газа. Такое расположение катализаторов позволяет достигать огромных
скоростей газа в реакциях, которые являются очень сильно экзотермическими. Количество катализатора по
отношению к охлаждающей поверхности в каталитическом нейтрализаторе Ia очень мало, и, несмотря на
бурную реакцию, опасности перегрева нет. В каталитическом преобразователе Ib каталитический слой
значительно толще, а охлаждение газа гораздо менее эффективно, поскольку сами газы, естественно,
горячие. Заключительная реакция происходит в конвертере II, где слои становятся все глубже и глубже, что
позволяет достичь последних нескольких процентов выхода продукта.
Представленная схема двух типов газоохлаждаемых конвертеров, оба из которых являются автоматическими,
отличается необычайной эффективностью.
Не только конвертеры автоматически охлаждаются пропорционально количеству протекающих через них
газов, но и вся система в целом в значительной степени самобалансируется. Таким образом, например,
увеличение скорости потока газа в конвертере Ia усиливает охлаждение в этом конвертере и снижает процент
выхода и, следовательно, температуру на выходе газов, которые затем поступают в конвертер Ib при более
низкой температуре и с большей скоростью, чтобы компенсировать усиленный тепловой эффект в этом
последнем конвертере из-за большей доли реакции, происходящей в нем. Таким образом, осуществляется
автоматическое распределение охлаждения между двумя конвертерами, что позволяет значительно
увеличить выход продукции в единицу времени и на единицу оборудования за счет существенного
увеличения скорости газа, что было бы нецелесообразно при использовании одного конвертера, поскольку
это привело бы к слишком низкому процентному выходу. Однако в схеме, показанной на рис. 12, это снижение
процентного выхода компенсируется увеличением количества реакций, происходящих в двух других
конвертерах, так что система в целом позволяет достигать очень высоких показателей выхода в час без
снижения процентного выхода и с наиболее удовлетворительным регулированием охлаждения.
Конечно, можно использовать и другие комбинации газоохлаждаемых конвертеров, и рис. 12 предназначен
только для иллюстрации двух типичных газоохлаждаемых конвертеров; таким образом, например, один
конвертер может быть автоматическим, а другой — полуавтоматическим и тому подобное.
В целом, желательно устанавливать наиболее эффективный, полностью автоматический каталитический
нейтрализатор первым в серии, поскольку количество выделяемого при этом тепла, как правило, составляет
максимум на фунт катализатора. Точное расположение и пропорции, а также эффективность охлаждения,
разумеется, будут определяться в каждом конкретном случае квалифицированным инженером-механиком.
На рис. 13 показана комбинация двух различных типов автоматических газоохлаждаемых преобразователей,
соединенных с теплообменниками. Первый преобразователь обеспечивает двухфазную систему
выравнивания температуры жидкого пара, тогда как второй преобразователь представляет собой обычный
автоматический газоохлаждаемый тип. Первый конвертер выполнен в виде, показанном на рис. 6, но снабжен
трубками выравнивания температуры 140, которые входят в трубки 170 через сальниковые уплотнения 141 и
проходят практически по всей длине катализатора. Эти трубки частично заполнены жидкостью,
предпочтительно той, которая кипит примерно при температуре реакции, например, ртутью, или
Соседние файлы в папке патенты