RU2058186C1

RU2058186C1 - Reactor for catalytic processes realization

Info

Publication number: RU2058186C1
Application number: RU94009092A
Authority: RU
Inventors: О.П. Кленов
Original assignee: Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН
Priority date: 1994-03-16
Filing date: 1994-03-16
Publication date: 1996-04-20

Abstract

FIELD: chemical engineering. SUBSTANCE: reactor has bottom, lid and body, inside which there is central hollow column with coaxially located in it column of smaller diameter, less height and blind upper butt. Body inner volume is vertically divided by solid partitions for three reaction chambers. Fire-grate with layer of catalyst is mounted in each of chambers. In middle reaction chamber over fire-grate there are rows of through holes located in both columns opposite to each other and linked to each other by radial gas passages. In lower reaction chamber under fire-grate in both columns there are through holes and horizontal solid partition is mounted at level of fire-grate in ring-type space between columns. In upper and lower reaction chambers above fire-grates there are through holes in central column. Gas inlet and outlet couplings are mounted under supporting grates in upper and middle reaction chambers. In middle chamber in ring-type space between columns and inside additional column there are gas distributors made in the form of tore with uniform perforation in walls. Each distributor is linked by branch pipe with coupling on lid or bottom. EFFECT: increased quality of gasses purification. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области химического машиностроения, а именно к конструкциям каталитических реакторов, и может быть использовано, например, для очистки дымовых газов ТЭЦ от оксидов азота. The invention relates to the field of chemical engineering, and in particular to designs of catalytic reactors, and can be used, for example, for purification of flue gases from thermal power plants from nitrogen oxides.

Известен реактор, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса, крышки и днища, центральной колонны с отверстиями для прохождения газа. Внутренний его объем разделен на несколько реакционных камер посредством герметичных перегородок, установленных либо горизонтально, либо под углом 8-25^о к горизонтальной поверхности. В каждой реакционной камере имеется одна или более опорная решетка, на которой размещен слой катализатора. Такие реактора используются в промышленности, однако их конструкция не предусматривает возможности дополнительного подвода газа в основной поток после частичного прохождения им слоев катализатора и качественного перемешивания основного и дополнительного потоков, что особенно важно при реализации некоторых каталитических процессов, например процесса селективного восстановления оксидов, азота до молекулярного азота.A reactor is known, consisting of a vertical cylindrical body, a cover and a bottom, a central column with openings for the passage of gas. Its inner volume is divided into multiple sealed reaction chambers by partition walls mounted either horizontally or at an angle ^of 8-25 with the horizontal surface. Each reaction chamber has one or more support lattices on which a catalyst bed is placed. Such reactors are used in industry, but their design does not provide for the possibility of additional gas supply to the main stream after partial passage of the catalyst layers and high-quality mixing of the main and additional flows, which is especially important when implementing some catalytic processes, for example, the process of selective reduction of oxides, nitrogen to molecular nitrogen.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому является конструкция реактора, содержащая вертикальный цилиндрический корпус, крышку и днище, полую центральную колонну со сквозными отверстиями для прохождения газа, герметичные перегородки, разделяющие его внутренний объем на три реакционные камеры, в каждой из которых на опорных решетках размещены слои катализатора. В верхнем торце центральной колонны установлен штуцер для подачи в реактор дополнительного потока исходного газа. Основной поток газа вводится в реактор и выходит из него посредством двух других штуцеров, расположенных на его корпусе. По наибольшему количеству сходных признаков этот реактор принят за прототип предлагаемого изобретения. The closest in technical essence to the claimed one is the design of the reactor, containing a vertical cylindrical body, a cover and a bottom, a hollow central column with through holes for the passage of gas, sealed walls, dividing its internal volume into three reaction chambers, in each of which are placed on the support lattices catalyst layers. A fitting is installed at the upper end of the central column for supplying an additional stream of source gas to the reactor. The main gas stream is introduced into and out of the reactor by means of two other fittings located on its body. For the largest number of similar features, this reactor is taken as a prototype of the invention.

Однако известная конструкция не решает в полной мере задачу качественного перемешивания основного и дополнительного потоков исходного газа, что приводит к снижению степени превращения при реализации в нем химических процессов. Недостаточное перемешивание обусловлено тем, что путь, проходимый совместно двумя потоками в центральной колонне слишком короткий, а интенсификации процесса смешения в конструкции не предусмотрено. However, the known design does not fully solve the problem of high-quality mixing of the main and additional streams of the source gas, which leads to a decrease in the degree of conversion during the implementation of chemical processes in it. Insufficient mixing is due to the fact that the path traveled jointly by two streams in the central column is too short, and the intensification of the mixing process in the design is not provided.

Цель изобретения увеличение степени превращения исходных компонентов посредством полного и качественного перемешивания газовых потоков. The purpose of the invention is to increase the degree of conversion of the starting components through complete and high-quality mixing of gas flows.

Предлагаемый реактор содержит вертикальный цилиндрический корпус: крышку, днище, полую центральную колонну с выполненными в ней рядами сквозных отверстий для прохождения газа, в верхнем торце которой установлены штуцера для подвода в реактор дополнительных потоков газа. Внутренний объем реактора разделен по высоте герметичными перегородками на три реакционные камеры. В каждой камере установлены опорные решетки, несущие на себе слои катализатора. Внутри центральной колонны соосно ей установлена дополнительная колонна меньшего диаметра, герметично соединенная с днищем. Между колоннами имеется свободное кольцевое пространство. Дополнительная колонна выполнена ниже центральной колонны приблизительно на высоту верхней реакционной камеры, а ее верхний торец герметично заглушен. На уровне средней реакционной камеры выше опорной решетки со слоем катализатора в центральной и дополнительной колоннах напротив друг друга выполнены рядами сквозные отверстия. Отверстия центральной колонны соединены с отверстиями в дополнительной колонне радиальными газоходами. Такие же ряды отверстий в центральной и дополнительной колоннах выполнены в нижней реакционной камере под опорной решеткой со слоем катализатора, но они не соединены между собой газоходами. Над рядами отверстий нижней камеры и ниже опорной решетки с катализатором в кольцевом пространстве между основной и дополнительной колоннами установлена глухая перегородка. В центральной колонне выполнены два ряда отверстий для прохода газа следующим образом. Первый ряд на уровне верхней реакционной камеры над опорной решеткой со слоем катализатора, второй ряд на уровне средней реакционной камеры также над опорной решеткой со слоем катализатора. The proposed reactor contains a vertical cylindrical body: a cover, a bottom, a hollow central column with rows of through holes for passing gas, made in it, in the upper end of which there are fittings for supplying additional gas flows to the reactor. The internal volume of the reactor is divided in height by airtight partitions into three reaction chambers. In each chamber, support grids are installed that carry catalyst layers. An additional column of a smaller diameter is installed coaxially inside the central column, hermetically connected to the bottom. Between the columns there is a free annular space. The additional column is made below the central column approximately to the height of the upper reaction chamber, and its upper end is hermetically sealed. At the level of the middle reaction chamber above the support lattice with a catalyst layer in the central and additional columns opposite holes are made in rows through holes. The openings of the central column are connected to the holes in the additional column by radial flues. The same rows of holes in the central and additional columns are made in the lower reaction chamber under the support lattice with a catalyst layer, but they are not interconnected by gas ducts. Over the rows of openings of the lower chamber and below the support lattice with the catalyst in the annular space between the main and additional columns a blind partition is installed. In the Central column made two rows of holes for the passage of gas as follows. The first row at the level of the upper reaction chamber above the support lattice with a catalyst layer, the second row at the level of the middle reaction chamber also above the support lattice with a catalyst layer.

Штуцеры для ввода и вывода исходного газа размещены на корпусе реактора в верхней и средней реакционных камерах ниже уровня размещения опорных решеток. В двух верхних реакционных камерах между слоем катализатора и опорной решеткой размещен слой инертных частиц, устраняющий входные температурные неоднородности исходного потока, поступающего на слой катализатора через штуцеры входа/выхода. Для обеспечения перемешивания основного и дополнительного потоков ввод дополнительного газа осуществляется через горизонтально расположенные распределители газа, выполненные из изогнутой в форме тора трубы с равномерно распределенной по длине трубы перфорацией. Один из распределителей размещен в кольцевом пространстве между основной и дополнительной колоннами, а другой внутри дополнительной колонны. Распределители соединены патрубками со штуцерами подвода дополнительного потока, расположенными на торце центральной колонны. The fittings for input and output of the source gas are placed on the reactor vessel in the upper and middle reaction chambers below the level of placement of the support gratings. In the upper two reaction chambers, a layer of inert particles is placed between the catalyst layer and the support lattice, which eliminates the input temperature inhomogeneities of the initial stream entering the catalyst layer through the inlet / outlet fittings. To ensure mixing of the main and additional flows, additional gas is introduced through horizontally located gas distributors made of a pipe curved in the shape of a torus with perforation uniformly distributed along the length of the pipe. One of the distributors is placed in the annular space between the main and additional columns, and the other inside the additional column. The distributors are connected by nozzles to the additional flow supply fittings located at the end of the central column.

На фиг.1 представлена схема реактора; на фиг. 2 разрез А-А на фиг.1. Figure 1 presents the diagram of the reactor; in FIG. 2 section aa in figure 1.

Реактор содержит корпус 1, крышку 2, днище 3, штуцеры 4 ввода/вывода исходного газа, основную центральную колонну 5, штуцеры 6 для подвода дополнительного потока, герметичные перегородки 7, разделяющие реактор по высоте на три реакционных камеры, опорные решетки 8, слои 9 катализатора, слои 10 инертного материала, дополнительную колонну 11, соединенную газоходами 12 с реакционной камерой, между газоходами расположены каналы 13 для прохода газа, глухую перегородку 14, распределители дополнительного потока газа 15. В колоннах 5 и 11 расположены ряды отверстий 16. The reactor contains a housing 1, a cover 2, a bottom 3, fittings 4 input / output of the source gas, the main Central column 5, fittings 6 for supplying additional flow, sealed walls 7, dividing the reactor in height into three reaction chambers, support lattices 8, layers 9 catalyst, layers 10 of inert material, an additional column 11 connected by gas ducts 12 to the reaction chamber, channels 13 for gas passage are located between the gas ducts, a blank partition 14, distributors of the additional gas flow 15. In the columns 5 and 11 there are rows of holes sty 16.

Реактор работает следующим образом. Основной поток исходного газа поступает в реактор через штуцер 4, проходит через слой 10 инертного материала и часть слоя 9 катализатора. При прохождении потока через слой инертного материала происходит радиальное перемешивание потока и снижение пространственных неоднородностей, обусловленных влиянием входных условий. Затем поток проходит через слой катализатора и поступает в основную колонну через верхний ряд отверстий и через каналы 13 поступает в кольцевое пространство между основной и дополнительной колоннами, где смешивается с дополнительным потоком газа, который поступает через входной штуцер 6 и распределитель 15. Интенсивная турбулизация основного потока при прохождении через отверстия в колонне и через каналы 13 обеспечивает качественное перемешивание основного и дополнительного потоков, чему способствует также подача дополнительного потока в реактор через распределитель 15. Далее поток через отверстия в основной колонне поступает в нижнюю реакционную камеру, проходит через слой 9 катализатора и через отверстия в основной и дополнительной колоннах поступает в дополнительную колонну 11. Там поток смешивается с дополнительным потоком, поступающим через штуцер 6 и распределитель 15. Интенсификация перемешивания достигается прохождением основного потока через отверстия в основной и дополнительной колоннах и вводом дополнительного потока через распределитель 15 и дальнейшим прохождением потока в общем канале смешения в колонне 11, а также в газоходах 12. Далее поток поступает в среднюю реакционную камеру, проходит через слой катализатора 9 и инертного материала 10 и через штуцер 4 выходит из реактора. The reactor operates as follows. The main stream of the source gas enters the reactor through the nozzle 4, passes through the inert material layer 10 and part of the catalyst layer 9. When the flow passes through a layer of inert material, the flow is radially mixed and the spatial inhomogeneities decrease due to the influence of input conditions. Then, the stream passes through the catalyst bed and enters the main column through the upper row of holes and through the channels 13 enters the annular space between the main and additional columns, where it is mixed with the additional gas stream, which enters through the inlet 6 and distributor 15. Intensive turbulization of the main stream when passing through holes in the column and through channels 13 provides high-quality mixing of the main and additional flows, which is also facilitated by the supply of an additional stream and into the reactor through the distributor 15. Then, the stream through the holes in the main column enters the lower reaction chamber, passes through the catalyst layer 9 and through the holes in the main and additional columns enters the additional column 11. There, the stream is mixed with the additional stream entering through the nozzle 6 and a distributor 15. The intensification of mixing is achieved by passing the main stream through the holes in the main and additional columns and introducing an additional stream through the distributor 15 and then by passing the flow in the common mixing channel in the column 11, as well as in the flues 12. Next, the flow enters the middle reaction chamber, passes through the catalyst bed 9 and inert material 10, and leaves the reactor through the nozzle 4.

Указанная конструкция реактора обеспечивает практически полное перемешивание основного потока на входе в первый слой катализатора и основного и дополнительного потоков на входе в остальные слои. Это позволяет увеличить степень превращения очистки газовых выбросов на 2-3% (с 94-95 до 97-98%), что значительно снижает выбросы вредных веществ в окружающую среду. The specified reactor design provides almost complete mixing of the main stream at the entrance to the first catalyst bed and the main and additional flows at the entrance to the remaining layers. This allows you to increase the degree of conversion of purification of gas emissions by 2-3% (from 94-95 to 97-98%), which significantly reduces emissions of harmful substances into the environment.

П р и м е р 1. В реакторе по прототипу размещено три слоя катализатора из частиц в форме цилиндрических гранул диаметром 5 мм и длиной 10 мм. Каждый слой катализатора содержит 6,8 м³ катализатора. В реакторе также размещено два слоя инертного материала из частиц в форме колец Рашига с внешним диаметром 8 мм, высотой 10 мм и толщиной стенки 2 мм. Каждый слой инерта содержит 56 м³ частиц. Через реактор пропускает газовую смесь, подлежащую очистке, в количестве 100 тыс. м³/ч. Концентрация токсичных компонент-оксидов азота, на входе в реакторе составляет 0,05%-ный объем. Между слоями катализатора в основной поток реакционной смеси вводят дополнительный газ, содержащий аммиачную воду. Суммарный расход дополнительного газа составляет 4 тыс. м³/ч. Каталитический процесс осуществляют с периодическим изменением направления движения потока реакционной смеси через реактор, изменяя местами вход и выход газа в реакторе с помощью внешних переключателей потока. Максимальная температура в слоях катализатора 310-330^оС. Средняя степень очистки от NO_x составила 90% при расчетной 95%
П р и м е р 2. В заявляемом реакторе размещено три слоя катализатора из частиц в форме цилиндрических гранул диаметром 5 мм и длиной 10 мм. Каждый слой катализатора содержит 6,8 м³ катализатора. В реакторе также размещено два слоя инертного материала из частиц в форме колец Рашига с внешним диаметром 8 мм, высотой 10 мм и толщиной стенки 2 мм. Каждый слой инерта содержит 56 м³ частиц. Через реактор пропускают газовую смесь, подлежащую очистке, в количестве 100 тыс.м³/ч. Концентрация токсичных компонент-оксидов азота, на входе в реактор составляет 0,05%-ный объем. Между слоями катализатора в основной поток реакционной смеси вводят дополнительный газ, содержащий аммиачную воду. Суммарный расход дополнительного газа составляет 4 тыс.м³/ч. Каталитический процесс осуществляют с периодическим изменением направления движения потока реакционной смеси через реактор, изменяя местами вход и выход газа в реакторе с помощью внешних переключателей потока. Максимальная температура в слоях катализатора 310-330^оС. Средняя степень очистки от NO_x составила 93-94% при расчетной 95% Увеличение степени очистки связано с достижением полного перемешивания основного и дополнительного потоков газа между слоями катализатора, что обусловлено заявляемой конструкцией реактора.PRI me R 1. In the reactor of the prototype placed three layers of catalyst from particles in the form of cylindrical granules with a diameter of 5 mm and a length of 10 mm Each catalyst bed contains 6.8 m ^{3 of} catalyst. The reactor also contains two layers of inert material from particles in the form of Raschig rings with an external diameter of 8 mm, a height of 10 mm, and a wall thickness of 2 mm. Each inert layer contains 56 m ³ particles. Through the reactor passes the gas mixture to be cleaned in an amount of 100 thousand m ³ / h The concentration of toxic component-nitrogen oxides at the inlet to the reactor is 0.05% volume. Between the catalyst beds, an additional gas containing ammonia water is introduced into the main stream of the reaction mixture. The total consumption of additional gas is 4 thousand m ³ / h. The catalytic process is carried out with a periodic change in the direction of flow of the reaction mixture through the reactor, interchanging the inlet and outlet of the gas in the reactor using external flow switches. The maximum temperature in the catalyst layers 310-330 ^about C. The average degree of purification from NO _x was 90% with a calculated 95%
PRI me R 2. In the inventive reactor placed three catalyst layers of particles in the form of cylindrical granules with a diameter of 5 mm and a length of 10 mm Each catalyst bed contains 6.8 m ^{3 of} catalyst. The reactor also contains two layers of inert material from particles in the form of Raschig rings with an external diameter of 8 mm, a height of 10 mm, and a wall thickness of 2 mm. Each inert layer contains 56 m ³ particles. A gas mixture to be purified is passed through the reactor in an amount of 100 thousand m ³ / h. The concentration of toxic component-nitrogen oxides at the inlet of the reactor is 0.05% volume. Between the catalyst beds, an additional gas containing ammonia water is introduced into the main stream of the reaction mixture. The total consumption of additional gas is 4 thousand m ³ / h. The catalytic process is carried out with a periodic change in the direction of flow of the reaction mixture through the reactor, interchanging the inlet and outlet of the gas in the reactor using external flow switches. The maximum temperature in the catalyst layers 310-330 ^about C. The average degree of purification from NO _x amounted to 93-94% with a calculated 95%. The increase in the degree of purification is associated with the achievement of complete mixing of the main and additional gas flows between the catalyst layers, which is due to the claimed reactor design.

Claims

1. REACTOR FOR CARRYING OUT THE CATALYTIC PROCESSES, comprising a housing, a cover, a bottom, fittings for gas inlet-outlet, a hollow central column with rows of through holes for passing gas therein, sealed partitions that divide the inner volume of the reactor into three reaction chambers, in each of which support lattices are installed, bearing catalyst layers, characterized in that, inside the central column, coaxially with it, an additional, connected to the bottom and muffled from the upper end is installed a smaller diameter column in the middle reaction chamber above the support lattice with a catalyst layer in both columns opposite each other is made in rows through holes, interconnected by radial gas ducts, through holes are made in the lower reaction chamber under the support lattice in both columns, and at the level of the support lattice in the annular space between the columns a blank horizontal partition is installed, in the upper and lower reaction chambers above the support lattices with catalyst layers, through holes are made Holes in the main column, and in the upper and middle reaction chambers under the support lattices on the reactor vessel, gas inlet-outlet fittings are installed.

2. The reactor according to claim 1, characterized in that in the middle chamber in the annular space between the columns and inside the additional column there are horizontally arranged gas distributors made in the form of a torus with uniformly perforated walls, each of which is connected by means of a pipe to mounted on the lid or bottom reactor fittings for supplying additional gas.

3. The reactor according to claim 1, characterized in that a layer of inert permeable material is placed in the upper and middle reaction chambers between the support lattice and the catalyst layer.