Настоящее изобретение относится к способу модернизации на месте реактора гетерогенного экзотермического синтеза, в особенности так называемого реактора Келлога, состоящего из внешнего кожуха, в котором размещено несколько расположенных на определенном расстоянии друг от друга слоев катализатора.
Более конкретно настоящее изобретение относится к способу модернизации, включающему следующие предварительные шаги:
- создание первого и второго слоев катализатора в верхней части кожуха и по меньшей мере третьего слоя в нижней части кожуха;
- обеспечение каждого из слоев средствами подачи в них радиального или аксиально-радиального потока газообразных реагентов;
- размещение в области первого и второго слоев катализатора первого газо-газового теплообменника.
В приведенном ниже описании и в следующих за ним пунктах формулы изобретения термин "модернизация на месте" означает способ внесения изменений в уже существующий реактор непосредственно на рабочей площадке с тем, чтобы улучшить его рабочие характеристики и добиться, например, уровня производительности и/или степени конверсии, сравнимых с аналогичными характеристиками вновь построенного реактора.
Согласно применяемой в данной области техники терминологии, модернизацию такого типа называют реконструкцией или обновлением.
Как известно, в области гетерогенного экзотермического синтеза в целом и более конкретно в области производства аммиака и метанола необходимо удовлетворить две потребности, т.е. с одной стороны, увеличить производительность уже существующих реакторов синтеза и, с другой стороны, добиться повышения степени конверсии и уменьшения потребления энергии реактором.
Для удовлетворения указанных потребностей все более широкое применение находит так называемая техника модернизации уже существующих реакторов, направленная на то, чтобы избежать дорогостоящей замены последних при одновременном достижении максимальной степени конверсии, совместимой с имеющимися объемами катализатора.
Первый способ модернизации, основывающийся на замене слоев катализатора в уже существующих реакторах новыми слоями высокого производительного радиального или аксиально-радиального типа описан в патенте США N 4755362 того же заявителя.
В соответствии с указанным способом промежуточное охлаждение между различными слоями катализатора - необходимое для осуществления реакции экзотермического синтеза с точки зрения термодинамики - осуществляется в модернизированном реакторе путем перемешивания с холодным реагентом или газами "гашения".
Однако охлаждение путем непосредственного перемешивания с непрореагировавшими газами влечет за собой в качестве неизбежного результата эффект разбавления с соответствующим понижением концентрации продуктов реакции в газах, покидающих реактор и соответственно понижением конечной степени конверсии.
В соответствии с патентом США N 5254316, являющимся наиболее близким аналогом изобретения, были сделаны попытки исправить этот недостаток путем создания в реакторе по меньшей мере одной системы непрямого охлаждения газов, проходящих между слоями катализатора.
Это непрямое охлаждение осуществляется в газо-газовом теплообменнике, расположенном или в промежуточном слое катализатора, или в обоих верхних слоях катализатора.
Хотя применение этих способов модернизации позволяет повысить производительность и снизить потребление энергии трудность обновления конструкции существующего реактора не позволяет, с другой стороны, ликвидировать или хотя бы уменьшить количество систем охлаждения "гашением".
Этот недостаток в особенности трудно преодолеть в случае так называемых реакторов гетерогенного синтеза Келлога, поскольку их конструкционные особенности накладывают в процессе модернизации ряд ограничений, которые чрезвычайно затрудняют установку дополнительных теплообменников для непрямого охлаждения газов, протекающих между слоями катализатора.
Первый фактор, затрудняющий размещение дополнительных теплообменников между слоями катализатора, связан с невозможностью приспособления высоты слоев катализатора к конструкционной высоте теплообменника.
Положение опорных плит, поддерживающих слои катализатора, не может быть в действительности изменено без серьезной угрозы устойчивости всей конструкции.
Второй фактор, затрудняющий размещение дополнительных теплообменников между слоями катализатора, связан с ограниченными размерами существующих смотровых отверстий, что накладывает непреодолимые ограничения на диаметр теплообменника, который может быть помещен между слоями катализатора.
Именно из-за этих ограничивающих факторов проблема дальнейшего повышения степени конверсии за счет достаточного сокращения количества систем непрямого охлаждения или охлаждения "гашением" не решена способами модернизации, предложенными до сих пор.
Таким образом, техническая задача, лежащая в основе настоящего изобретения, заключается в предложении способа модернизации реактора гетерогенного экзотермического синтеза, в особенности, но не исключительно, так называемого реактора Келлога, позволяющего добиться дальнейшего увеличения степени конверсии по сравнению с достигаемым с помощью способов модернизации в соответствии с описанными выше техническими решениями.
Указанная проблема решается способом, относящимся к типу, описанному выше, и отличающимся тем, что он дополнительно включает следующие шаги:
- размещение средств непрямого охлаждения газов, проходящих между первым и вторым слоями катализатора в первом теплообменнике;
- размещение второго газо-газового теплообменника в третьем слое катализатора и
- размещение средств для непрямого охлаждения газов, проходящих между вторым и третьим слоями катализатора во втором теплообменнике.
Преимуществом способа, являющегося предметом настоящего изобретения, является то, что он позволяет получить без изменения наружных конструкций более эффективный с точки зрения термодинамики реактор, что связано с отсутствием эффекта разбавления при промежуточном охлаждении "гашением" газов, проходящих между слоями катализатора.
В предпочтительном и более эффективном варианте реализации настоящего способа модернизации газо-газовые теплообменники для непрямого охлаждения продуктов реакции размещаются в области и коаксиально со слоями катализатора с использованием для этого промежутков, обозначенных по центру слоев кольцевыми удерживающими катализатор корзинами.
Таким образом оптимизируются термодинамическая конфигурация реактора и использование имеющегося объема, который удачно применяется для размещения или катализатора, или теплообменника, предназначенного для непрямого охлаждения газа между слоями катализатора.
В предпочтительном варианте реализации изобретения первый и второй газо-газовые теплообменники размещаются в верхнем слое катализатора и соответственно в нижнем слое катализатора и последовательно соединяются со стороны труб.
В соответствии с настоящим изобретением в первом теплообменнике продукты реакции, покидающие первый слой катализатора, охлаждают с помощью охлаждающей текучей среды, представленной в основном газообразной смесью, состоящей из газообразных реагентов, частично поступающих извне и частично из находящегося ниже второго теплообменника, в котором они частично нагреваются.
Благодаря этой особенности способ, являющийся предметом настоящего изобретения, позволяет добиться чрезвычайно гибкого и эффективного контроля температуры газов, подаваемых как во второй, так и в третий слои катализатора, путем простого регулирования расхода холодных газообразных реагентов, образующих указанную смесь.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения оно позволяет использовать способ осуществления гетерогенных реакций экзотермического синтеза с высокой степенью конверсии типа, включающего следующие шаги:
- подачу газообразных реагентов в реактор синтеза, в котором размещены по меньшей мере три взаимно перекрывающих слоя катализатора, расположенных на определенном расстоянии друг от друга,
- осуществление реакции указанных газообразных реагентов в слоях катализатора и
- отвод из реактора синтеза продуктов реакции, покидающих по меньшей мере один из слоев катализатора,
который отличается тем, что включает следующие дополнительные шаги:
- подачу реакционной смеси, покидающей первый слой катализатора, в первый теплообменник, простирающийся коаксиально в первом и втором слоях катализатора,
- охлаждение этой реакционной смеси в первом теплообменнике,
- подачу полученной охлажденной реакционной смеси во второй слой катализатора,
- подачу реакционной смеси, покидающей второй слой катализатора, во второй теплообменник, простирающийся коаксиально в последнем слое катализатора,
- охлаждение этой реакционной смеси во втором теплообменнике и
- подачу полученной охлажденной реакционной смеси в последний слой катализатора.
Особенности и преимущества настоящего изобретения перечислены в описании примера осуществления способа модернизации в соответствии с настоящим изобретением, приведенном далее в качестве не ограничивающей рамки изобретения иллюстрации и со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показан продольный разрез обычного реактора Келлога, предназначенного для осуществления гетерогенных реакций экзотермического синтеза;
на фиг. 2 показан продольный разрез реактора, полученного в результате модификации реактора Келлога на фиг.1 с помощью способа модернизации, являющегося предметом настоящего изобретения;
На фиг.1 позицией 1 обозначен реактор Келлога, предназначенный для осуществления гетерогенных реакций экзотермического синтеза при высокой температуре, например, при производстве аммиака.
Реактор 1 состоит из трубчатого корпуса или кожуха 2, закрытого сверху колоколообразным колпаком 3 и оборудованного снизу отверстием 4 для подачи газов, принимающих участие в реакции.
Насадка 5, состоящая из четырех слоев катализатора L1, L2, L3 и L4, размещенных друг над другом и разделенных определенным расстоянием, установлена известным образом в кожухе 2.
Воздушный зазор 6, имеющий в основном кольцевую форму, проходит между насадкой 5 и кожухом 2, простираясь между отверстием 4 и газо-газовым теплообменником 7, предназначенным для предварительного нагрева газообразных реагентов и в свою очередь обычным способом остановленным в колпаке 3.
Реактор 1 включает также множество распределителей тороидальной формы 8a - 8d, предназначенных для подачи холодных или охлаждающих газообразных реагентов по направлению вверх от каждого из слоев катализатора L1-L4.
В реакторе 1 выполнен трубопровод 9, проходящий через слои катализатора L1-L4 по их оси и предназначенный для подачи продуктов реакции, покидающих самый нижний слой катализатора L4, в газо-газовый теплообменник 7, в котором производится их охлаждение перед окончательным отводом через отверстие 10.
На фиг. 1 стрелкой F показаны различные траектории прохождения газов по воздушному зазору 6 и через слои катализатора L1-L4 и теплообменник 7.
На фиг. 2 показан реактор гетерогенного экзотермического синтеза, полученный в результате модификации реактора с фиг. 1 в соответствии со способом модернизации, являющимся предметом настоящего изобретения.
На указанной фиг.2 детали реактора 1, конструкционно и функционально равнозначные показанным на фиг.1, обозначены теми же позициями и дополнительно не описаны.
В соответствии с предварительным шагом настоящего способа, насадку 5 реактора 1 предварительно освобождают от ее содержимого и оборудуют аксиально-радиальными слоями катализатора 11, 12 и 13.
В предпочтительном варианте способа настоящего изобретения достигается оптимальное распределение объемов катализатора путем размещения слоев катализатора 11 и 12 в верхней части 2a кожуха 2 путем использования уже существующих опор первоначальных слоев L1 и L2, в то время как слой катализатора 13 занимает нижнюю часть 2d кожуха 2, в котором ранее размещались слои L3 и L4.
Каждый из указанных слоев катализатора 11-13 снабжен также известными средствами для обеспечения радиального и аксиально-радиального протекания газа через них. Указанные средства могут включать, например, кольцевые корзины для катализатора 14, 15 и 16, снабженные расположенными напротив друг друга должным образом перфорированными газопроницаемыми стенками для подвода и отвода газа.
Средства такого типа для создания аксиально-радиального потока газа в слоях катализатора описаны, например, в патенте США N 4755362, описание которого включено в качестве ссылки.
В ходе следующего шага настоящего способа модернизации между слоями катализатора 11 и 12, расположенными в верхней части 2a кожуха 2, размещают газо-газовый теплообменник 18.
Предпочтительно теплообменник 18 размещают в слоях 11 и 12 и коаксиально последним, используя пространство, образуемое кольцевыми корзинами 14 и 15 в центре каждого из слоев.
Согласно настоящему изобретению, средства для непрямого охлаждения газов, протекающих между верхними слоями катализатора 11 и 12, располагаются в теплообменнике 18.
Указанные средства включают набор труб 19, размещенный в трубчатом кожухе 22 и снабженный противоположными отверстиями для ввода и вывода газа 20 и 21 со стороны кожуха, а также средствами для подачи холодных газообразных реагентов в отверстие для ввода газа 23 со стороны трубы теплообменника 18.
Согласно настоящему изобретению, отверстие для ввода газа 20 в наборе труб 19 сообщается со слоем катализатора 11 через кольцевой воздушный зазор 24, образованный между наружной стенкой трубчатого кожуха 22 и стенкой газоотвода корзины 14.
Отверстие 21 для вывода газа из набора труб 19 в свою очередь сообщается со слоем катализатора 12 через второй кольцевой воздушный зазор 25, образованный между первым набором труб 19 и коаксиальной стенкой 26, проходящей между набором труб 19 и вторым слоем 12 катализатора.
В проиллюстрированном варианте реализации средства подачи холодных газообразных реагентов в отверстие 23 со стороны трубы теплообменника 18 состоят из канала 27, проходящего между отверстиями 23 и входным отверстием 28 для холодных газообразных реагентов.
В ходе другого шага настоящего способа модернизации второй теплообменник в газовой фазе 29 размещается в третьем слое катализатора 13, расположенном в нижней части 2 кожуха 2.
Предпочтительно теплообменник размещают в слое 13 и соосно с ним, используя отверстие, образуемое кольцевой корзиной 16 в центре указанного слоя.
Согласно изобретению, средства для непрямого охлаждения газов, протекающих между верхними слоями катализатора 12 и 13, располагаются в теплообменнике 29.
Указанные средства включают набор труб 30, размещенный в трубчатом кожухе 31 и снабженный противоположными отверстиями для ввода и вывода газа 32 и 33 со стороны кожуха, а также средствами для подачи холодных газообразных реагентов в трубопровод для ввода газа 37 со стороны трубы теплообменника 29.
Согласно настоящему изобретению, отверстие для ввода газа 32 сообщается со слоем катализатора 12 через в основном кольцевой газовый канал 34, простирающийся коаксиально с реактором 1 между слоем 12 и набором труб 30.
Отверстие 33 для вывода газа в свою очередь сообщается со слоем катализатора 13 через третий кольцевой воздушный зазор 35, образованный между вторым набором труб 30 и коаксиальной стенкой 36, проходящей между набором труб 30 и третьим слоем 13 катализатора.
В проиллюстрированном варианте реализации средства подачи холодных газообразных реагентов в трубопровод 37 состоят из одного или нескольких каналов 38, проходящих между входным отверстием 39 для холодных газообразных реагентов и входным отверстием указанного трубопровода.
В соответствии с особенностями настоящего изобретения, газогазовые теплообменники 18 и 29 взаимно последовательно соединены с трубной стороны, например, посредством лабиринтного соединения 40.
В результате выполнения описанных шагов в реакторе 1 образуется траектория для газа, позволяющая охлаждать горячие продукты реакции, покидающие слои катализатора 11 и 12, используя для этого исключительно непрямой теплообмен.
С помощью модернизованного таким образом реактора 1 появляется возможность выполнять гетерогенные реакции экзотермического синтеза с высокой степенью конверсии следующим образом.
Газообразные реагенты, поступающие в реактор 1 через отверстие 4, пропускаются в зазор 6, предварительно нагреваются в теплообменнике 7 и затем подаются в первый слой катализатора 11.
Температуру газообразных реагентов, поступающих в первый слой катализатора 11, регулируют в нужных пределах с помощью первой порции холодных газообразных или "гасящих" реагентов, которые подаются в реактор 1 с помощью распределителя 8a, и второй порции газообразных реагентов, предварительно нагретых в теплообменниках 18 и 29 так, как это объяснено ниже.
Реакционная смесь, выходящая из слоя катализатора 11, который пересекает центростремительный аксиально-радиальный поток, собирается затем в воздушном зазоре 24 и подается в теплообменник 18, в котором она охлаждается непрямым теплообменом.
Согласно настоящему изобретению, частичное охлаждение указанной смеси, проходящей со стороны кожуха теплообменника 18, осуществляется за счет более холодной охлаждающей текучей среды, протекающей в противотоке со стороны трубы.
Согласно изобретению, эта охлаждающая среда состоит в основном из смеси газообразных реагентов, поступающих частично извне по каналу 27 и частично из расположенного ниже теплообменника 29, в котором они частично нагревались, как более полно разъясняется ниже.
Охлажденная таким образом реакционная смесь затем поступает в следующий слой катализатора 12 после прохождения через воздушный зазор 25.
Из слоя катализатора 12, который пересекается центростремительным аксиально-радиальным потоком, выходит вторая реакционная смесь, дополнительно обогащенная продуктами реакции, которая поступает по газовой траектории 34 в теплообменник 29, в котором она частично охлаждается за счет непрямого теплообмена, прежде чем поступить в третий и последний слой катализатора 13.
Согласно настоящему изобретению, частичное охлаждение реакционной смеси, выходящей из второго слоя катализатора 12 и протекающей по стороне кожуха теплообменника 29, имеет место под воздействием более холодной охлаждающей текучей среды, протекающей в противотоке со стороны трубы.
В соответствии с настоящим изобретением эта охлаждающая текучая среда состоит в основном из холодных газообразных реагентов, поступающих извне по каналу или каналам 38.
Охлажденная таким образом реакционная смесь поступает затем в следующий и последний слой катализатора 13, пройдя перед этим через кольцевой воздушный зазор 35.
Из слоя катализатора 13, который также пересекается центростремительным аксиально-радиальным потоком газа, выходит конечная реакционная смесь, которая до заключительного отвода из реактора 1 через отверстие 10 поступает по центральному каналу 9 в теплообменник 7.
Очевидно, что тепло реакционной смеси, покидающей реактор, может и далее использоваться для нагрева другой текучей среды или предварительного нагрева холодных газообразных реагентов в другом теплообменнике, расположенном далее по технологической цепочке от реактора.
Среди преимуществ, которые можно получить благодаря способу модернизации, являющемуся предметом настоящего изобретения, выделяется легкость управления охлаждением в теплообменнике 18 и 29, которое осуществляется путем регулирования расхода холодных газообразных реагентов, поступающих в них со стороны трубы.
Более конкретно степень охлаждения продуктов реакции из слоя катализатора 11, осуществляемого в теплообменнике 18, может очень гибко регулироваться путем соответствующего смешивания холодных газообразных реагентов, поступающих извне реактора, с уже подогретыми в расположенном ниже теплообменнике 29.
Особые преимущества в гибкости и быстроте регулирования наблюдаются также в тех случаях, когда от 20 до 40% от суммарного потока охлаждающего газа, поступающего в теплообменник 18, приходится на долю холодных газообразных реагентов, поступающих через канал 27.
В не ограничивающем рамки изобретения примере 1, приведенном ниже, степени конверсии, достижимые в реакторе модернизированным способом, являющимся предметом настоящего изобретения, сравниваются с теми, которые достижимы при неизменном уровне техники.
Пример 1
Степень конверсии, которую можно достичь в обычном реакторе Келлога (реактор A), сравнивали с тем же показателем, достижимым в реакторе, модернизированном в соответствии со способом, предложенным в патенте США N 5254316 (реактор B), и в реакторе, модернизированном в соответствии со способом, являющимся предметом настоящего изобретения (реактор C).
В трех рассматриваемых реакторах распределение объема катализатора соответствует показанному в табл. 1.
Химический состав газов, поступающих в реакторы, и предусмотренные условия работы являются следующими:
Состав газов на входе:
H2 - 69,01
N2 - 23,00
NH3 - 1,85
CH3 - 3,84
Ar - 2,30
Условия работы:
Давление на выходе реактора: 145 бар
Температура охлаждающего газа: 142oC
Производительность: 1156 т аммиака в сутки
С помощью консолидированной кинетической модели, описанной Д.К.Дейсоном и др. в "A. Kinetic expression with diffusion correction for amonia syntesis on industrial catalust" 1 & EC Fundamentals, 7(4): 605-610 (1968), определяли показатели конверсии (в молярных %) за каждым из слоев катализатора реактора.
Эти данные приведены в табл. II.
Из данных, приведенных в таблицах, можно видеть, что реактор, модернизированный в соответствии с настоящим изобретением, позволяет добиться дальнейшего и неожиданного повышения степени конверсии по сравнению с той, которая достигается способом реконструкции в соответствии с известными техническими решениями.
Эта увеличенная степень конверсии достигает 99% от теоретически достижимого максимума (19,9 молярных %) в новом трехслойном каталитическом реакторе с таким же объемом катализатора.
И, наконец, следует отметить, что этот результат более заметен в сфере, где даже минимальное повышение степени конверсии дает значительные выгоды с технической (уменьшение объемов рециркуляции потоков в реактор) и экономической точек зрения.
Способ модернизации, являющийся предметом настоящего изобретения, позволяет достичь следующих преимуществ:
- оптимальное использование рабочих объемов реактора для размещения как катализатора, так и теплообменников 18 и 29 для непрямого охлаждения реакционных смесей между слоями катализатора;
- достижение чрезвычайно удачной термодинамической конфигурации за счет резкого дополнительного увеличения степени конверсии по сравнению с достижимой в существовавшем ранее реакторе гетерогенного экзотермического синтеза;
- возможность чрезвычайно гибкого и эффективного регулирования температуры реакционных смесей, проходящих между слоями катализатора, путем регулирования расхода холодных газообразных 2 реагентов, поступающих со стороны трубы в теплообменники 18 и 29.
Способ модернизации на месте реактора для осуществления гетерогенной реакции экзотермического синтеза, в частности реактора Келлога, включающий предварительный шаг по созданию по меньшей мере трех радиальных или аксиально-радиальных слоев катализатора (11, 12, 13), дальнейшие шаги по созданию первого газо-газового теплообменника (18) между первым (11) и вторым (12) слоями катализатора и второго газогазового теплообменника (29) в третьем слое катализатора (13). Благодаря установке двух теплообменников (18, 29), предназначенных для охлаждения газов, проходящих между слоями катализатора посредством непрямого теплообмена, данный способ модернизации позволяет получить реактор с высокой степенью конверсии. 3 c. и 17 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.
| US 5254316 A, 19.10.1993 | |||
| СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НА МЕСТЕ РЕАКТОРА ТИПА "КЕЛЛОГГ" | 1989 |
|
RU2045330C1 |
| Способ синтеза метанола и реактор для его осуществления | 1989 |
|
SU1773236A3 |
| US 4755362 A, 17.08.1988 | |||
| ПРИВОД КЛЕТИ СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ | 0 |
|
SU386692A1 |
| US 4935210 A, 19.06.1990 | |||
| US 5254316 A, 19.10.1993 | |||
| Способ получения синтетического моющего средства | 1976 |
|
SU666197A1 |
