Химический реактор с индукционным нагревом

Мы имеем более чем 20-летний опыт работы в индукционный нагрев Индукционный нагрев воплощает в себе все удобства электричества, подводимого непосредственно к процессу и преобразующегося в тепло именно там, где оно требуется. Он может быть успешно применен практически к любому сосуду или системе труб, нуждающихся в источнике тепла.

Индукция дает множество преимуществ, недостижимых другими способами, и позволяет повысить эффективность производства и улучшить условия эксплуатации, поскольку отсутствует значительное выделение тепла в окружающую среду. Система особенно подходит для реакционных процессов с жестким контролем, таких как производство синтетических смол в опасной зоне.

По мере того как каждый индукционный нагревательный сосуд Мы предлагаем различные размеры с разной скоростью нагрева. Наши инженеры имеют многолетний опыт в разработке индивидуальных конструкций. системы индукционного нагрева для широкого спектра применений в различных отраслях промышленности. Нагреватели разрабатываются в соответствии с точными требованиями технологического процесса и предназначены для быстрой установки на емкость как на нашем заводе, так и на месте.

УНИКАЛЬНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА

- Отсутствие физического контакта между индукционной катушкой и стенками нагреваемой емкости.
- Быстрый запуск и остановка. Отсутствие тепловой инерции.
- Низкая потеря тепла
- Точный контроль температуры продукта и стенок емкости без перегрева.
- Высокая потребляемая энергия. Идеально подходит для автоматического или микропроцессорного управления
- Безопасная опасная зона или стандартная промышленная эксплуатация при сетевом напряжении.
- Равномерный нагрев без загрязнения при высокой эффективности.
- Низкие эксплуатационные расходы.
- Работа при низких и высоких температурах.
- Простота и гибкость в управлении.
- Минимальный уход.
- Неизменное качество продукции.
- Нагреватель автономно размещается на судне, занимая минимум площади.

Конструкции катушек индукционного нагрева доступны для металлических емкостей и резервуаров большинства форм и очертаний, используемых в настоящее время. От нескольких сантиметров до нескольких метров в диаметре или длину. Сосуды из низкоуглеродистой стали, плакированной низкоуглеродистой стали, цельной нержавеющей стали или цветных металлов могут быть успешно нагреты. Как правило, рекомендуется минимальная толщина стенки 6 мм.

Номинальная мощность агрегатов варьируется от 1 кВт до 1500 кВт. В системах индукционного нагрева нет ограничений на потребляемую мощность. Любое существующее ограничение накладывается максимальной теплоемкостью продукта, технологическим процессом или металлургическими характеристиками материала стенок емкости.

Индукционный нагрев воплощает в себе все удобства электричества, подводимого непосредственно к процессу и преобразующегося в тепло именно там, где оно требуется. Поскольку нагрев происходит непосредственно в стенке емкости в контакте с продуктом, а тепловые потери чрезвычайно малы, система отличается высокой эффективностью (до 90%).

Индукционный нагрев обладает множеством преимуществ, недостижимых другими способами, и обеспечивает повышение эффективности производства и улучшение условий эксплуатации, поскольку отсутствует значительное выделение тепла в окружающую среду.

Типичные отрасли промышленности, использующие индукционный технологический нагрев:

- Реакторы и чайники
- Клеящие и специальные покрытия
- Химическая, газовая и нефтяная промышленность
- Пищевая промышленность
- Металлургия и обработка металлов

- Предварительный подогрев сварки
- Покрытие
- Нагрев плесени
- Подходит и не подходит
- Тепловая сборка
- Сушка продуктов
- Нагрев жидкостей в трубопроводах
- Обогрев и изоляция резервуаров и сосудов

Индукционный линейный нагреватель HLQ может использоваться в таких областях, как:

- Воздушное и газовое отопление для химической и пищевой промышленности
- Нагрев горячего масла для технологических процессов и пищевых масел
- Парообразование и перегрев: Мгновенный подъем пара, низкая и высокая температура / давление (до 800ºC при 100 бар)

В число предыдущих проектов по производству сосудов и непрерывных нагревателей входят:

Реакторы и чайники, автоклавы, технологические сосуды, резервуары для хранения и отстаивания, ванны, чаны и натюрморты, сосуды под давлением, парообразователи и перегреватели, теплообменники, вращающиеся барабаны, трубы, сосуды с двухтопливным обогревом

Предыдущие проекты In-Line Heater включают:

Паровые нагреватели высокого давления, регенеративные воздухонагреватели, нагреватели смазочных масел, нагреватели пищевых масел и масла для приготовления пищи, газовые нагреватели, включая азотные, азотно-аргоновые и каталитические нагреватели богатых газов (CRG).

Индукционный нагрев представляет собой бесконтактный метод избирательного нагрева электропроводящих материалов путем приложения переменного магнитного поля для наведения электрического тока, известного как вихревой ток, в материале, известном как сусцептор, тем самым нагревая сусцептор. Индукционный нагрев уже много лет используется в металлургической промышленности для нагрева металлов, например, для плавки, рафинирования, термообработки, сварки и пайки. Индукционный нагрев практикуется в широком диапазоне частот, от частоты переменного тока в сети до 50 Гц до частот в десятки МГц.

При заданной частоте индукции эффективность нагрева индукционным полем возрастает, если в объекте имеется более длинный проводящий путь. Крупные твердые заготовки можно нагревать на более низких частотах, в то время как для небольших объектов требуются более высокие частоты. Для нагрева объекта определенного размера слишком низкая частота обеспечивает неэффективный нагрев, поскольку энергия индукционного поля не создает желаемой интенсивности вихревых токов в объекте. Слишком высокая частота, с другой стороны, приводит к неравномерному нагреву, поскольку энергия индукционного поля не проникает внутрь объекта, и вихревые токи индуцируются только на поверхности или вблизи нее. Однако индукционный нагрев газопроницаемых металлических конструкций не известен из уровня техники.

Известные из уровня техники процессы каталитических реакций в газовой фазе требуют, чтобы катализатор имел высокую площадь поверхности, чтобы молекулы реагирующего газа имели максимальный контакт с поверхностью катализатора. В процессах предшествующего уровня техники для достижения требуемой площади поверхности обычно используется либо пористый материал катализатора, либо множество мелких каталитических частиц, поддерживаемых соответствующим образом. Для обеспечения необходимого тепла на катализаторе в этих процессах, известных из уровня техники, используются теплопроводность, излучение или конвекция. Для достижения хорошей селективности химической реакции все части реагирующих веществ должны иметь одинаковую температуру и каталитическую среду. Поэтому для эндотермической реакции скорость подвода тепла должна быть как можно более равномерной по всему объему каталитического слоя. Как проводимость, так и конвекция, а также излучение по своей природе ограничены в своей способности обеспечить необходимую скорость и равномерность доставки тепла.

В патенте GB 2210286 (GB '286), который является типичным для уровня техники, описано крепление мелких частиц катализатора, которые не являются электропроводящими, на металлической опоре или легирование катализатора, чтобы сделать его электропроводящим. Металлическая опора или легирующий материал нагреваются индукционным способом и, в свою очередь, нагревают катализатор. В настоящем патенте предлагается использовать ферромагнитный сердечник, проходящий по центру через слой катализатора. Предпочтительным материалом для ферромагнитного сердечника является железо с кремнием. Хотя устройство из патента GB 2210286 полезно для реакций при температуре до 600 градусов C., оно имеет серьезные ограничения при более высоких температурах. Магнитная проницаемость ферромагнитного сердечника значительно ухудшается при более высоких температурах. Согласно Erickson, C. J., "Handbook of Heating for Industry", pp 84-85, магнитная проницаемость железа начинает ухудшаться при 600 C и фактически исчезает к 750 C. Поскольку в устройстве GB '286 магнитное поле в слое катализатора зависит от магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника, такое устройство не сможет эффективно нагревать катализатор до температуры свыше 750 C, не говоря уже о достижении более 1000 C, необходимой для производства HCN.

Аппарат из патента GB 2210286 также считается химически непригодным для получения HCN. HCN получают путем реакции аммиака и углеводородного газа. Известно, что железо вызывает разложение аммиака при повышенных температурах. Считается, что железо, присутствующее в ферромагнитном сердечнике и в опоре катализатора в реакционной камере GB '286, вызовет разложение аммиака и будет препятствовать, а не способствовать желаемой реакции аммиака с углеводородом с образованием HCN.

Цианистый водород (HCN) - важное химическое вещество, нашедшее широкое применение в химической и горнодобывающей промышленности. Например, HCN является сырьем для производства адипонитрила, цианогидрина ацетона, цианида натрия, а также промежуточных продуктов для производства пестицидов, сельскохозяйственной продукции, хелатирующих агентов и кормов для животных. HCN - высокотоксичная жидкость, кипящая при 26 градусах Цельсия, и поэтому к ней предъявляются строгие требования по упаковке и транспортировке. В некоторых случаях HCN требуется в отдаленных местах, расположенных вдали от крупных заводов по производству HCN. Транспортировка HCN в такие места сопряжена с серьезными опасностями. Производство HCN на объектах, где он будет использоваться, позволит избежать опасностей, возникающих при его транспортировке, хранении и обращении. Мелкомасштабное производство HCN на месте с использованием известных технологий экономически нецелесообразно. Однако мелкомасштабное, а также крупномасштабное производство HCN на месте технически и экономически осуществимо с использованием способов и устройств настоящего изобретения.

HCN может быть получен при соединении водорода, азота и углерода при высоких температурах, с катализатором или без него. Например, HCN обычно получают в результате реакции аммиака и углеводорода - реакции, которая является высокоэндотермичной. Три коммерческих процесса получения HCN - это Blausaure aus Methan und Ammoniak (BMA), Andrussow и Shawinigan. Эти процессы можно различить по способу выделения и передачи тепла, а также по тому, используется ли в них катализатор.

В процессе Андруссова для обеспечения тепла реакции используется тепло, выделяемое при сгорании углеводородного газа и кислорода в объеме реактора. Процесс BMA использует тепло, генерируемое внешним процессом горения, для нагрева внешней поверхности стенок реактора, которая, в свою очередь, нагревает внутреннюю поверхность стенок реактора и, таким образом, обеспечивает тепло реакции. В процессе Шаунигана для получения тепла реакции используется электрический ток, проходящий через электроды в псевдоожиженном слое.

В процессе Андруссова смесь природного газа (смесь углеводородных газов с высоким содержанием метана), аммиака и кислорода или воздуха вступает в реакцию в присутствии платинового катализатора. Катализатор обычно состоит из нескольких слоев платиновой/родиевой проволочной сетки. Количество кислорода таково, что частичное сгорание реактивов обеспечивает достаточную энергию для предварительного нагрева реактивов до рабочей температуры свыше 1000° C., а также необходимую теплоту реакции для образования HCN. Продуктами реакции являются HCN, H2, H2O, CO, CO2 и следовые количества высших нитритов, которые затем должны быть отделены.

В процессе BMA смесь аммиака и метана протекает внутри непористых керамических труб, изготовленных из высокотемпературного огнеупорного материала. Внутренняя поверхность каждой трубки выложена или покрыта частицами платины. Трубки помещаются в высокотемпературную печь и нагреваются извне. Тепло проходит через керамическую стенку к поверхности катализатора, который является неотъемлемой частью стенки. Реакция обычно протекает при температуре 1300° C., когда реактивы контактируют с катализатором. Необходимый тепловой поток высок из-за высокой температуры реакции, большой теплоты реакции и того факта, что коксование поверхности катализатора может происходить ниже температуры реакции, что дезактивирует катализатор. Поскольку диаметр каждой трубки обычно составляет около 1″, для удовлетворения производственных потребностей требуется большое количество трубок. Продуктами реакции являются HCN и водород.

В процессе Шауинигана энергия, необходимая для реакции смеси, состоящей из пропана и аммиака, обеспечивается электрическим током, проходящим между электродами, погруженными в псевдоожиженный слой некаталитических частиц кокса. Отсутствие катализатора, а также отсутствие кислорода или воздуха в процессе Шавинигана означает, что реакция должна протекать при очень высоких температурах, обычно превышающих 1500 градусов С. Необходимые высокие температуры накладывают еще большие ограничения на конструкционные материалы для процесса.

Хотя, как раскрыто выше, известно, что HCN может быть получен в результате реакции NH3 и углеводородного газа, такого как CH4 или C3H8, в присутствии катализатора из металлов группы Pt, все еще существует необходимость в повышении эффективности таких процессов и связанных с ними процессов, чтобы улучшить экономику производства HCN, особенно для небольших масштабов производства. Особенно важно минимизировать потребление энергии и прорыв аммиака при максимальном увеличении скорости производства HCN по сравнению с количеством используемого катализатора из благородных металлов. Кроме того, катализатор не должен негативно влиять на производство HCN, способствуя нежелательным реакциям, таким как коксование. Кроме того, желательно повысить активность и срок службы катализаторов, используемых в данном процессе. Значительная часть инвестиций в производство HCN приходится на катализаторы платиновой группы. В настоящем изобретении катализатор нагревается непосредственно, а не опосредованно, как в предшествующем уровне техники, и таким образом достигаются эти желаемые результаты.

Как обсуждалось ранее, известно, что относительно низкочастотный индукционный нагрев обеспечивает хорошую равномерность подвода тепла при высоких уровнях мощности к объектам, имеющим относительно длинные пути электропроводности. При подводе энергии реакции к эндотермической каталитической реакции в газовой фазе тепло должно быть доставлено непосредственно к катализатору с минимальными потерями энергии. Требования равномерной и эффективной доставки тепла к катализатору с большой площадью поверхности и газопроницаемой массой, как представляется, противоречат возможностям индукционного нагрева. Настоящее изобретение основано на неожиданных результатах, полученных при использовании конфигурации реактора, в котором катализатор имеет новую структурную форму. Эта структурная форма сочетает в себе следующие особенности: 1) эффективно большую длину пути электропроводности, что способствует эффективному прямому индукционному нагреву катализатора равномерным образом, и 2) катализатор с высокой площадью поверхности; эти особенности взаимодействуют для облегчения эндотермических химических реакций. Полное отсутствие железа в реакционной камере облегчает получение HCN в результате реакции NH3 и углеводородного газа.

Расчет мощности индукционного нагрева

Пример: Реактор атмосферного давления
Материал: 304 нержавеющая сталь
Размеры: 2м (диаметр)*3м (высота)
Толщина стенок: 8 мм
Вес реактора: 1000 кг (приблизительно)
Объем: 7 м³
Вес жидкого материала: 7 т
Удельная теплоемкость жидкого материала: 4200 Дж/кг*ºC
Требования: нагрев с 20ºC до 280ºC в течение 3 часов

Формула расчета тепла: Q=cm▲t+km
Формула расчета мощности: удельная теплоемкость Дж/(кг*ºС)×разница температурºС×вес КГ ÷ время S = мощность W
i.e. P=4200J/kg*ºC×(280-20)ºC×7000kg÷10800s=707777W≈708kW

Заключение
Теоретическая мощность составляет 708 кВт, но фактическая мощность обычно увеличивается на 20% из-за учета тепловых потерь, то есть фактическая мощность составляет 708 кВт*1,2≈850 кВт. Требуется семь комплектов индукционной системы отопления мощностью 120 кВт в комбинации.

Реакторы с индукционным нагревом