RU2104767C1

RU2104767C1 - Device for conducting of processes of liquefaction with magnetocontrolled layer of catalyst

Info

Publication number: RU2104767C1
Application number: RU96100665A
Authority: RU
Inventors: Ю.Г. Головин; М.Л. Щипко; В.В. Головина; А.С. Еремина; Б.Н. Кузнецов
Original assignee: Институт химии природного органического сырья СО РАН
Priority date: 1996-01-10
Filing date: 1996-01-10
Publication date: 1998-02-20

Abstract

FIELD: apparatuses of coal, heavy petroleum residue liquefaction, in chemical and petrochemical industries. SUBSTANCE: reactor is made of non-magnetic material with a catalyst fluidized bed electromagnetic control system brought to it. The solenoid coils are brought out of the zone of influence of high temperatures, and superposition of magnetic field on catalyst particles with a size up to 4 mm is accomplished through the magnetic circuit lugs located in pairs perpendicularly in reactor height by successive change-over of electromagnets at a frequency of 0.1 to 2.0 Hz. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к аппаратам химической технологии, в которых при повышенном давлении, температуре и различной вязкости сред осуществляются реакции между твердой, жидкой и газообразной фазами в присутствии катализатора, в условиях, когда частицы катализатора введены в режим автоколебаний силами электромагнитного поля и образуют псевдоожиженный слой. The invention relates to apparatuses of chemical technology in which, at elevated pressure, temperature and various viscosity of the media, reactions are carried out between the solid, liquid and gaseous phases in the presence of a catalyst, under conditions when the catalyst particles are introduced into self-oscillation by the forces of an electromagnetic field and form a fluidized bed.

Известен реактор для проведения процессов в "кипящем" слое (Авт.св. СССР N 168264, 1963 г., кл. В 01 J 8/42 "Реактор для проведения процессов в кипящем слое"). По авт.св. 168264 корпус реактора помещен внутрь статора с вращающимся магнитным полем. Недостатком этого устройства является то, что процессы могут проводиться только при низких температурах и давлениях из-за требований неэлектропроводности стенок реактора, а также из-за того, что статор расположен непосредственно на стенке реактора. Known reactor for carrying out processes in a fluidized bed (Autost. St. USSR N 168264, 1963, CL 01 J 8/42 "Reactor for carrying out processes in a fluidized bed"). By auto 168264 the reactor vessel is placed inside a stator with a rotating magnetic field. The disadvantage of this device is that the processes can be carried out only at low temperatures and pressures due to the requirements of the electrical conductivity of the walls of the reactor, and also because the stator is located directly on the wall of the reactor.

Развитие этого устройства представлено в описании изобретения "Vorriehtung zur Durchfuhrung von physikalischen und chemischen Prozessen in einer Wirbelschicht aus ferromagnetischen Teilchen" (Патент ФРГ N 2153872, 1975 г. , кл. В 01 J 8/38). Достоинством этого устройства является допустимость высоких температур и давлений и возможность использования различных реакционных сред. К недостаткам можно отнести недостаточную интенсификацию процесса, обусловленную конструктивными особенностями реактора, где перемешивание осуществляется возвратно-поступательными движением реакционного сосуда перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля. The development of this device is presented in the description of the invention "Vorriehtung zur Durchfuhrung von physikalischen und chemischen Prozessen in einer Wirbelschicht aus ferromagnetischen Teilchen" (German Patent No. 2153872, 1975, CL 01 J 8/38). The advantage of this device is the permissibility of high temperatures and pressures and the possibility of using various reaction media. The disadvantages include insufficient intensification of the process due to the design features of the reactor, where mixing is carried out by the reciprocating movement of the reaction vessel perpendicular to the direction of the magnetic field lines.

К развитию процессов в кипящем слое с электромагнитными системами относится еще один вариант усовершенствования реактора по авт. св. 168264 "Устройство для проведения физико-химических процессов" (Авт.св. СССР N 936982, 1982 г., кл. B 01 J 8/18 Н.Г.Журавского), отличающийся (недостатки) сложностью оформления реакционной камеры: внутри камеры содержатся покрытые изолирующим материалом токопроводы в виде колец, а внутренняя поверхность камеры требует специальных выемок и выступов. The development of processes in a fluidized bed with electromagnetic systems is another option for improving the reactor according to ed. St. 168264 "Device for carrying out physicochemical processes" (Aut. St. USSR N 936982, 1982, class B 01 J 8/18 N.G. Zhuravsky), characterized by (complexity) the design of the reaction chamber: inside the chamber conductors coated with insulating material in the form of rings, and the inner surface of the chamber requires special notches and protrusions.

Известны аппараты более узкого целевого назначения - смесители, выполненные из немагнитного материала (Авт.св. СССР N 611661, 1978 г., кл. B 01 F 13/08 Д. Г. Цитрона "Смеситель непрерывного действия" ; Авт.св. СССР N 1168279, 1985 г. , кл. B 01 F 13/08 С.Г.Перковича "Смеситель непрерывного действия"), который не требует специальных приспособлений внутри камеры (смешения) и где используются перемещения ферромагнитных тел внутри камеры под воздействием магнитного поля установленных снаружи на поверхности камеры источников вращающегося магнитного поля. При этом аппараты характеризуются высокой интенсивностью перемешивания и расширением диапазона "обрабатываемых сред". Достигается это определенным расположением линейных индукторов по длине камеры смешения. Known devices for a narrower purpose - mixers made of non-magnetic material (Aut. St. USSR N 611661, 1978, CL B 01 F 13/08 D. G. Citron "Continuous Mixer"; Aut. St. USSR N 1168279, 1985, class B 01 F 13/08 S. G. Perkovich “Continuous mixer”), which does not require special devices inside the chamber (mixing) and where the movement of ferromagnetic bodies inside the chamber under the influence of a magnetic field is used outside on the surface of the chamber sources of a rotating magnetic field. At the same time, the apparatuses are characterized by a high intensity of mixing and the expansion of the range of "processed media". This is achieved by a certain arrangement of linear inductors along the length of the mixing chamber.

Однако указанные смесители предназначены лишь для смешивания компонентов и имеют ограничения по температурным режимам (в случае разогрева смеси используется охлаждение) за счет расположения источников магнитного поля непосредственно на стенках аппарата. However, these mixers are intended only for mixing components and have limitations on temperature conditions (in the case of heating the mixture, cooling is used) due to the location of magnetic field sources directly on the walls of the apparatus.

Известен способ получения углеводородов из угля и установка для его осуществления (Авт. св. SU 1058508, кл. C 10 G 1/06, 1983 г.), где камера гидрогенизации снабжена ротором с лопастями, расположенными по ее оси, запирающим клапаном, расположенным на ее выходном конце, и теплообменной рубашкой. Установка допускает использование высоких температур и давления, но имеет принципиально иное и более сложное конструктивное техническое решение реакционной камеры гидрогенизации и не преследует цель использования магнитоуправляемого слоя катализатора. A known method of producing hydrocarbons from coal and installation for its implementation (Ed. St. SU 1058508, class C 10 G 1/06, 1983), where the hydrogenation chamber is equipped with a rotor with blades located along its axis, a locking valve located at its output end, and a heat-exchange jacket. The installation allows the use of high temperatures and pressures, but has a fundamentally different and more complex structural solution to the hydrogenation reaction chamber and does not pursue the goal of using a magnetically controlled catalyst layer.

Задачей настоящего изобретения является увеличение интенсивности тепло- и массообмена в трехфазной реакционной среде различной вязкости при повышенной температуре и давлении, расширение диапазона величины используемых ферромагнитных частиц до крупности 4 мм, улучшение управляемости псевдоожиженным слоем частиц катализатора в процессе гидрогенизации. The objective of the present invention is to increase the intensity of heat and mass transfer in a three-phase reaction medium of various viscosities at elevated temperature and pressure, expanding the range of magnitude of the used ferromagnetic particles to a particle size of 4 mm, improving the controllability of the fluidized bed of catalyst particles during hydrogenation.

Поставленные задачи решаются путем введения непрерывного чередования импульсов магнитного поля путем переключения электромагнитов, расположенных вне зоны реактора особым образом и создающих магнитную индукцию в реакторе через наконечники магнитопроводов. Наиболее простая схема реактора с расположенными на нем тремя магнитопроводами и электромагнитными катушками представлена на чертеже. The tasks are solved by introducing a continuous alternation of magnetic field pulses by switching electromagnets located outside the reactor zone in a special way and creating magnetic induction in the reactor through the tips of the magnetic cores. The simplest reactor diagram with three magnetic circuits and electromagnetic coils located on it is shown in the drawing.

Устройство содержит 1 - слой теплоизоляции реактора, 2 - реакционную емкость (реактор), выполненную из немагнитного материала (нержавеющая сталь типа X18H10), 3 - магнитопроводы, 4 - электромагнитные катушки; систему переключения электромагнитов (на схеме не показано); стандартную систему подвода исходных веществ и вывода продуктов гидрогенизации (на схеме не приведена). The device contains 1 - a layer of thermal insulation of the reactor, 2 - a reaction vessel (reactor) made of non-magnetic material (stainless steel type X18H10), 3 - magnetic cores, 4 - electromagnetic coils; electromagnet switching system (not shown in the diagram); standard system for supplying starting materials and outputting hydrogenation products (not shown in the diagram).

Устройство предназначено для использования в проточных установках каталитической гидрогенизации тяжелых нефтяных продуктов и бурого угля. The device is intended for use in flow-through installations for the catalytic hydrogenation of heavy oil products and brown coal.

Устройство работает следующим образом. В начальный период времени ферромагнитный катализатор помещается в реактор и удерживается одним включенным электромагнитом в стационарном состоянии между наконечниками электромагнита. Одновременно с подачей исходного сырья включается система переключения электромагнитов, приводящая в движение частицы ферромагнитного катализатора, образующие управляемый псевдоожиженный слой. The device operates as follows. In the initial period of time, the ferromagnetic catalyst is placed in the reactor and is held by one electromagnet switched on in a stationary state between the tips of the electromagnet. Simultaneously with the supply of feedstock, a switching system of electromagnets is activated, which drives the particles of the ferromagnetic catalyst, forming a controlled fluidized bed.

Для обеспечения движения частиц катализатора по всему объему реактора предложена схема из трех (и более) электромагнитов с магнитопроводами, расположенными по всей длине реакционной зоны. Расположение наконечников магнитопроводов электромагнитов взаимно перпендикулярно относительно друг друга по высоте реактора. Расстояние между магнитопроводами электромагнитов и их число по длине реактора определяется длиной реакционной зоны, размером частиц используемого катализатора и его магнитной восприимчивостью. Питание электромагнитов осуществляется через регулируемый источник питания с системой переключения электромагнитов. To ensure the movement of catalyst particles throughout the reactor volume, a scheme of three (or more) electromagnets with magnetic cores located along the entire length of the reaction zone is proposed. The location of the tips of the magnetic circuits of the electromagnets is mutually perpendicular to each other along the height of the reactor. The distance between the magnetic circuits of the electromagnets and their number along the length of the reactor is determined by the length of the reaction zone, the particle size of the catalyst used and its magnetic susceptibility. The electromagnets are powered through an adjustable power source with an electromagnet switching system.

Одним из основных критериев выбора в качестве индуктора магнитного поля электромагнитов с магнитопроводами является высокая температура стенки реактора, которая отрицательно влияет на электрические эксплуатационные характеристики электромагнитов. Использование удлиненных магнитопроводов позволяет вынести катушку электромагнита из зоны действия высоких температур. One of the main criteria for choosing electromagnets with magnetic circuits as an inductor of a magnetic field is the high temperature of the reactor wall, which negatively affects the electrical performance of electromagnets. The use of elongated magnetic circuits makes it possible to remove the coil of an electromagnet from the zone of action of high temperatures.

Магнитопроводы для электромагнитов изготовлены из листовой трансформаторной стали толщиной 0,33-0,50 мм и отличаются малыми потерями на вихревые токи и гистерезис (коэффициент потерь на гистерезис менее 0,001). Для изготовления обмоток электромагнитных катушек был использован эмаль-провод класса нагревостойкости С. Magnetic cores for electromagnets are made of sheet transformer steel with a thickness of 0.33-0.50 mm and are characterized by low eddy current and hysteresis losses (hysteresis loss coefficient is less than 0.001). For the manufacture of windings of electromagnetic coils, an enamel wire of heat resistance class C was used.

Величина магнитной индукции по центральной линии реактора между наконечниками магнитопровода определяется характеристиками реакционной среды (вязкостью многокомпонентной реакционной смеси, линейной скоростью движения смеси в реакторе); величиной и магнитной восприимчивостью ферромагнитного материала (катализатора). В частности электромагнитная сила (F_t), действующая на частицу ферромагнитного катализатора, связана с величиной магнитной индукции (B) магнитной восприимчивостью материала (μ_o) по формуле

где S_c - площадь сечения сердечника электромагнита.The magnitude of the magnetic induction along the center line of the reactor between the tips of the magnetic circuit is determined by the characteristics of the reaction medium (viscosity of a multicomponent reaction mixture, linear velocity of the mixture in the reactor); the magnitude and magnetic susceptibility of the ferromagnetic material (catalyst). In particular, the electromagnetic force (F _t ) acting on a particle of a ferromagnetic catalyst is related to the magnitude of the magnetic induction (B), the magnetic susceptibility of the material (μ _o ) according to the formula

where S _c is the cross-sectional area of the core of the electromagnet.

Для реактора объемом V_p, равного 0,5 дм³ и внутренним диаметром 0,05 м длина рабочей зоны L_p составляет 0,2 м, в этом случае можно использовать систему из трех электромагнитов, при этом расстояние между полюсами наконечников электромагнитов по длине реактора составляет 0,05 м. В этих условиях оптимальная скорость перемещения частицы катализатора размером 1-4 мм составляет ≈0,1 м/с при вязкости маслоугольной пасты 0,05 Па•с. Электромагнит с магнитопроводом и тангенциальными наконечниками имел следующие характеристики: длина средней линии магнитопровода 275 мм; площадь сердечника электромагнита 300 мм² катушка электромагнита содержала 6500 витков; активное сопротивление катушки электромагнита 440 0м; величина воздушного зазора магнитопровода 55 мм.For a reactor with a volume of V _p equal to 0.5 dm ³ and an inner diameter of 0.05 m, the length of the working zone L _p is 0.2 m, in this case a system of three electromagnets can be used, while the distance between the poles of the tips of the electromagnets along the length of the reactor is 0.05 m. Under these conditions, the optimal speed of movement of a catalyst particle with a size of 1-4 mm is ≈0.1 m / s with an oil-coal paste viscosity of 0.05 Pa • s. An electromagnet with a magnetic circuit and tangential tips had the following characteristics: the length of the centerline of the magnetic circuit is 275 mm; the area of the core of the electromagnet 300 mm ^{2 the} coil of the electromagnet contained 6500 turns; active resistance of an electromagnet coil 440 0m; the magnitude of the air gap of the magnetic circuit is 55 mm.

Использован катализатор на магнитомягкой ферритсодержащей основе для гидрогенизации бурого угля, который имеет относительную магнитную проницаемость 1450. Температура реакционной среды составляла 430^oC, давление в реакторе 10,0 МПа.A soft magnetic ferrite-containing catalyst was used for hydrogenation of brown coal, which has a relative magnetic permeability of 1450. The temperature of the reaction medium was 430 ^° C and the pressure in the reactor was 10.0 MPa.

При больших значениях вязкости среды 0,5 Па•с скорость движения частиц катализатора составляет 0,03 - 0,05 м/c. При этом она мало зависит от величины магнитной индукции в интервале от 0,05 до 0,10 Тл и определяется гидродинамическим сопротивлением среды. С уменьшением вязкости среды до 0,02 - 0,05 Па•с скорость перемещения частиц катализатора возрастает до 0,10-0,15 м/с. При таких значениях вязкости среды существенно сказывается влияние величины магнитной индукции на скорость перемещения частиц катализатора, она возрастает от 0,10 до 0,20 м/c при увеличении магнитной индукции от 0,05 до 0,10 Тл. Частота переключения магнитного поля может варьироваться от 0,1 до 2,0 Гц. Для оценки эффективности тепло- и массообмена, каталитической активности кипящего слоя использована степень конверсии органической массы угля (ОМУ) и выход жидких продуктов при гидрогенизации бурого угля Березовского месторождения, данные представлены в табл.1. At high values of the viscosity of the medium 0.5 Pa • s, the velocity of the particles of the catalyst is 0.03 - 0.05 m / s. Moreover, it depends little on the magnitude of the magnetic induction in the range from 0.05 to 0.10 T and is determined by the hydrodynamic resistance of the medium. With a decrease in the viscosity of the medium to 0.02-0.05 Pa • s, the velocity of the movement of the catalyst particles increases to 0.10-0.15 m / s. At such values of the viscosity of the medium, the effect of the magnitude of the magnetic induction on the speed of movement of the catalyst particles is significantly affected; it increases from 0.10 to 0.20 m / s with an increase in magnetic induction from 0.05 to 0.10 T. The switching frequency of the magnetic field can vary from 0.1 to 2.0 Hz. To assess the efficiency of heat and mass transfer, the catalytic activity of the fluidized bed, the degree of conversion of the organic mass of coal (OMU) and the yield of liquid products during the hydrogenation of brown coal of the Berezovsky deposit were used, the data are presented in Table 1.

Для сравнения приведены данные для катализатора в стационарном магнитоудерживаемом слое. Описанное выше устройство позволяет использовать в процессе гидрогенизации частицы катализатора крупностью до 4 мм (табл.2) и за счет этого применимо во всех промышленных типах реакторов гидрогенизации. For comparison, data are presented for the catalyst in a stationary magnetically held layer. The device described above allows the use of catalyst particles with a particle size of up to 4 mm (Table 2) in the process of hydrogenation and, due to this, is applicable in all industrial types of hydrogenation reactors.

Предлагаемое устройство может использоваться для интенсификации высокотемпературных физико-химических процессов в трехкомпонентных сложных смесях (газ, жидкость, твердая фазы). Электромагнитная система управления кипящим сдоем катализатора позволяет увеличить удельную нагрузку на реактор и соответственно повысить экономичность процесса. Реактор гидрогенизации с электромагнитной системой управления слоем катализатора может иметь сравнительно небольшие размеры и технологически не сложен в изготовлении. При необходимости увеличения объема реактора может быть использовано простое масштабирование. The proposed device can be used to intensify high-temperature physico-chemical processes in three-component complex mixtures (gas, liquid, solid phase). The electromagnetic control system of fluidized bed catalyst allows you to increase the specific load on the reactor and, accordingly, increase the efficiency of the process. The hydrogenation reactor with an electromagnetic catalyst bed control system can be relatively small and technologically not difficult to manufacture. If necessary, increase the volume of the reactor can be used simple scaling.

Claims

1. A device for carrying out hydrogenation processes with a magnetically controlled catalyst layer, characterized in that the cylindrical reactor is made of non-magnetic material, magnetic field sources are installed on the outside of the reactor at a distance from it to exclude the direct action of high temperatures, made with elongated tangential magnetic circuits arranged in pairs perpendicular to the height of the reactor and having tips for acting on the particles of the ferromagnetic catalyst material, placed go into the reactor by sequentially switching electromagnets with a frequency of 0.1 to 2.0 Hz.

2. The device according to p. 1, characterized in that the reactor is configured to conduct the process at temperatures up to 430 ^o C and pressure up to 10 MPa.

3. The device according to p. 1, characterized in that the fluidized bed of the catalyst contains particles up to 4 mm