СПОСОБ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ МОНОКСИДА УГЛЕРОДА Российский патент 2002 года по МПК C01B31/20 B01J8/04 

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу высокоэффективной каталитической конверсии моноксида углерода (СО) в диоксид углерода (СО₂), который включает следующие стадии:
- подачу с заданной скоростью содержащего моноксид углерода потока газа в реакционное пространство;
- конверсию моноксида углерода в этом пространстве с образованием потока газа, содержащего диоксид углерода.

В приведенном ниже описании и в формуле изобретения под "реакционным пространством" в принципе понимается пространство, в котором находится содержащее катализатор устройство, в котором происходит реакция конверсии моноксида углерода в диоксид углерода по следующей схеме:
СО+Н₂O(пар)<-->СО₂+Н₂
Реакция конверсии моноксида углерода имеет большое промышленное значение, поскольку она позволяет получить один из главных реагентов для многих реакций синтеза (например, для реакции синтеза аммиака), в частности водород (Н₂).

Настоящее изобретение относится также к реактору и установке для осуществления указанного выше способа, а также к способу модернизации реактора и установки для каталитической конверсии моноксида углерода.

Как известно, в области каталитической конверсии моноксида углерода остро ощущается необходимость в создании легко осуществимых способов конверсии, позволяющих обеспечить более высокую производительность процесса при низких эксплуатационных затратах, низких капиталовложениях и низком расходе энергии.

Уровень техники
Для промышленного решения указанной задачи был предложен целый ряд способов конверсии моноксида углерода, в которых газообразные реагенты пропускали по существу в осевом, радиальном или радиально- осевом направлении через реакционное пространство по крайней мере с одним слоем катализатора.

Один из таких способов описан, например, в ЕР-А-0372453.

При всех своих преимуществах такие известные способы обладают и серьезным недостатком, связанным с наличием воды, например, в виде капель, в потоке содержащего моноксид углерода газа.

Очевидно, что вода, попадающая вместе с моноксидом углерода в реакционное пространство, необратимо разрушает поверхностный слой находящегося в реакционном пространстве катализатора и делает его очень компактным или плотным.

Связано это в основном с местным тепловым ударом, который возникает из-за мгновенного испарения воды при ее попадании на нагретый до высокой температуры катализатор, а также с механическим ударным воздействием, которое вода оказывает на поверхностный слой катализатора.

Основным следствием такого уплотнения поверхностного слоя катализатора является заметное увеличение падения давления, протекающего через каталитическую массу потока газа, и снижение активности катализатора, что, в свою очередь, приводит к снижению конверсионного выхода (а следовательно, и производительности процесса конверсии) и большому расходу энергии.

Основной недостаток известных способов конверсии моноксида углерода известен уже более двадцати лет, однако до настоящего времени единственное решение указанной проблемы было основано на извлечении вручную из реактора потерявшего свои качества катализатора и замене его новым катализатором.

Кроме того, происходящее достаточно быстро уплотнение катализатора нарушает естественный ход всего технологического процесса, поскольку катализатор обычно следует заменять не реже одного раза в год (обычно с интервалами от 3 до 9 месяцев).

Очевидно, что такой способ решения указанной выше проблемы нельзя признать приемлемым в промышленных условиях, поскольку он связан с необходимостью остановки всей связанной с процессом конверсии установки, перерывами в процессе получения конечных продуктов и определяет высокие затраты на обслуживание и ремонт оборудования и высокое потребление энергии.

Краткое изложение сущности изобретения
В основу настоящего изобретения была положена задача создать такой способ конверсии моноксида углерода, который обладал бы высокой производительностью и реализация которого не была бы связана ни с большими эксплуатационным затратами и большими капиталовложениями, ни с большими затратами на обслуживание и большим расходом энергии.

Еще одна задача, которую в частности позволяет решить настоящее изобретение, состоит в том, чтобы сделать доступным такой способ конверсии моноксида углерода, при котором поверхностное уплотнение катализатора не происходило таким же образом, как и в известных способах.

Эта задача решается с помощью предлагаемого в настоящем изобретении вышеуказанного способа конверсии моноксида углерода, который отличается тем, что он предусматривает проведение следующей предварительной стадии:
- ускорение содержащего моноксид углерода потока газа до его попадания в реакционное пространство.

Благодаря ускорению содержащего моноксид углерода потока, подаваемого в реакционное пространство газа, создается возможность распыления содержащейся в газе воды на капли небольшого диаметра, в частности на капли диаметром от 100 до 600 мкм, которое сопровождается по крайней мере частичным испарением этих капель в потоке подаваемого в реакционное пространство газа, который при этом в принципе остается ненасыщенным водяным паром.

Кроме того, неожиданно было обнаружено, что после ускорения потока газа все образовавшиеся в результате распыления капли воды собираются в центре подаваемого в реакционное пространство потока газа и попадают на очень небольшой ограниченный окружностью участок поверхности находящейся в реакционном пространстве каталитической массы, существенно снижая тем самым падение давления на катализаторе, связанное с его уплотнением.

И, наконец, указанное выше распыление воды на отдельные капли небольшого диаметра в значительной степени снижает разрушение катализатора из-за ударного механического воздействия капель на поверхность катализатора.

Таким образом, предлагаемый в настоящем изобретении способ, с одной стороны, по крайней мере частично уменьшает содержание воды в потоке поступающего в каталитическую массу газа, а с другой стороны, существенно сокращает размеры той части катализатора, на которую оставшиеся в потоке газа капли воды оказывают ударное воздействие, являющееся причиной снижения эффективности катализатора.

Предпочтительно поток содержащего моноксид углерода газа ускорять таким образом, чтобы его скорость возрастала в 1,5-5 раз, обеспечивая тем самым эффективное и полное превращение в мелкие капли всей содержащейся в потоке газа воды.

Содержащий моноксид углерода поток газа предпочтительно пропускать через реакционное пространство по существу в радиальном или радиально-осевом направлении.

При этом присутствие следов воды в поступающем на конверсию потоке газа не создает заметных проблем в отношении уплотнения катализатора и падения давления на нем, поскольку та часть катализатора, на которую воздействуют находящиеся в потоке газа мелкие капли воды, крайне незначительна и несоизмерима по своим размерам с остальной частью катализатора.

Для осуществления указанного выше способа в настоящем изобретении предлагается реактор для высокоэффективной каталитической конверсии моноксида углерода в диоксид углерода, включающий:
- по существу цилиндрический наружный корпус;
- по крайней мере один слой катализатора, который находится внутри наружного корпуса;
- подводящий патрубок, который сообщается с корпусом и через который по крайней мере в один слой катализатора подается поток содержащего моноскид углерода газа;
и отличающийся тем, что в нем предусмотрено
- устройство для ускорения потока газа, расположенное в направлении движения газа до по крайней мере одного слоя катализатора.

В качестве альтернативного варианта в настоящем изобретении предлагается установка для высокоэффективной каталитической конверсии моноксида углерода в диоксид углерода, включающая:
- реактор, в котором происходит конверсия и который имеет, по существу, цилиндрический корпус и по крайней мере один расположенный в корпусе слой катализатора;
- трубопровод, через который в реактор подается содержащий моноксид углерода поток газа,
и которая отличается тем, что в ней также предусмотрено
- расположенное в трубопроводе устройство для ускорения потока газа.

Еще одним объектом настоящего изобретения является способ модернизации реактора для каталитической конверсии моноксида углерода в диоксид углерода, включающего
- по существу, цилиндрический наружный корпус;
- по крайней мере один слой катализатора, который находится внутри наружного корпуса;
- подводящий патрубок, который сообщается с корпусом и через который по крайней мере в один слой катализатора подается поток содержащего моноскид углерода газа,
отличающийся тем, что он предусматривает
- установку по крайней мере до одного слоя катализатора устройства для ускорения потока газа.

Далее, еще одним объектом настоящего изобретения является способ модернизации установки для каталитической конверсии моноксида углерода в диоксид углерода, включающей
- реактор, в котором происходит конверсия и который имеет, по существу, цилиндрический наружный корпус и по крайней мере один расположенный в корпусе слой катализатора;
- трубопровод, через который в реактор подается содержащий моноксид углерода поток газа,
отличающийся тем, что он предусматривает
- установку в трубопроводе устройства для ускорения потока газа.

Предлагаемые в изобретении способы модернизации существующего реактора или установки позволяют достаточно просто осуществлять способ конверсии моноксида углерода, который обеспечивает высокую производительность при низких эксплуатационных затратах и низком расходе энергии и при котором не происходит поверхностного уплотнения катализатора, находящегося по крайней мере в одном каталитическом слое.

Отличительные особенности и преимущества предлагаемого в настоящем изобретении способа приведены ниже в описании одного из его вариантов, в котором описан со ссылками на чертеж не ограничивающий объема изобретения пример его возможной реализации.

На чертеже показан продольный разрез предлагаемого реактора для конверсии моноксида углерода.

Предпочтительный вариант выполнения изобретения
Позицией 1 обозначен весь реактор, предназначенный для высокоэффективной каталитической конверсии моноксида углерода.

Как правило, реакция конверсии протекает при температуре от 180 до 500^oС и при давлении от 1 до 100 бар.

Реактор 1 имеет, по существу, цилиндрический наружный корпус 2, внутри которого образовано реакционное пространство 3 с каталитическим слоем 4, заполненным катализатором 5.

В показанном на чертеже примере весь катализатор 5 находится в одном каталитическом слое 4. Очевидно, однако, что в реакционном пространстве 3 катализатор 5 можно распределить по нескольким каталитическим слоям 4, например по двум или трем.

Каталитический слой 4 имеет конструкцию радиально-осевого типа и его верхний торец 6 и боковая стенка 7 выполнены газопроницаемыми. Каталитический слой 4 имеет также внутреннюю газопроницаемую боковую стенку 8, которая сообщается с патрубком 9 и внутри которой собирается газ, прошедший через каталитический слой 4.

Каталитический слой такого типа описан, например, в ЕР-А-0372453.

Для предотвращения нежелательного уноса катализатора 5 верхний торец 6 обычно закрывают сеткой, которая имеет известную конструкцию и на чертеже не показана.

В альтернативном, не показанном на чертеже варианте настоящего изобретения, верхний торец 6 выполнен газонепроницаемым, а катализатор работает как катализатор чисто радиального типа.

Позициями 10 и 11 на чертеже обозначены соответственно входной и выходной патрубки, расположенные соответственно в верхней и нижней частях корпуса 2.

До каталитического слоя в предлагаемом реакторе расположено соответствующим образом закрепленное устройство 12, предназначенное для ускорения потока подаваемого в реакционное пространство 3 газа.

В показанном на чертеже примере устройство 12 расположено во входном патрубке 10, предпочтительно рядом с корпусом 2.

Такой вариант является наиболее предпочтительным, поскольку позволяет создать простое по конструкции и небольшое по размерам устройство 12, которое можно легко обслуживать.

В этой связи необходимо отметить, что в корпусе 2 рядом с входным патрубком 10 обычно имеется называемое в технике "смотровым люком" окно (не показано), которое используют для осмотра и обслуживания предназначенного для конверсии реактора 1.

Устройство 12 можно выполнить в виде имеющего сужение элемента 13, проходной диаметр которого меньше проходного диметра входного патрубка 10. В качестве таких имеющих сужение элементов 13 можно использовать трубки Вентури или дроссельные калиброванные шайбы.

Наиболее оптимальные результаты были получены при соотношении указанных диаметров от 0,45 до 0,85.

Наличие ускоряющего устройства 12 позволяет распылять содержащуюся в потоке подаваемого в реактор газа воду на капли небольшого диаметра и обеспечить по крайней мере частичное испарение воды, а также существенно уменьшить опасность снижения эффективности катализатора.

На чертеже стрелками F_g условно показано направление движения через реактор 1 потока газа, а позицией 14 обозначены капли содержащейся в газе воды.

Состав подаваемого в реактор и содержащего моноксид углерода и водяной пар газа, обозначенного стрелками F_g, меняется в процессе конверсии по мере его прохождения через каталитический слой 4 и на выходе из реактора 1 этот газ состоит в основном из диоксида углерода и водорода.

Благодаря ускорению потока газа F_g, которое создается устройством 12, водяные капли 14 концентрируются в центральной зоне реакционного пространства и ударяют только в небольшую ограниченную окружностью часть поверхности катализатора 5.

Кроме того, ударное воздействие имеющих очень небольшие размеры капель 14 на каталитическую массу практически не создает никаких ощутимых проблем, связанных с уплотнением катализатора.

В соответствии с предлагаемым в настоящем изобретении способом конверсии поток содержащего моноксид углерода газа F_g подается с заданной скоростью в реакционное пространство 3, в котором в результате взаимодействия моноксида углерода с водой образуется поток газа F_g, содержащего диоксид углерода.

В предлагаемом в изобретении способе до попадания в реакционное пространство 3 содержащий моноксид углерода поток газа F_g предварительно ускоряется.

В результате такого ускорения содержащиеся в потоке газа F_g водяные капли 14 превращаются в более мелкие капли, которые по крайней мере частично испаряются, в результате чего исключается или по крайней мере существенно снижается образование на поверхности находящегося в реакционном пространстве 3 катализатора плотного поверхностного слоя.

Условия (давление и температура), при которых происходит конверсия по предлагаемому способу, указаны выше и соответствуют обычным условиям известных способов каталитической конверсии моноксида углерода.

Было установлено, что при соответствующем увеличении скорости потока газа F_g можно обеспечить практически полное испарение водяных капель 14. Для этого, в частности, ускорение должно быть таким, чтобы скорость потока газа F_g возросла в 4-5 раз.

В показанном на чертеже реакторе такое увеличение скорости можно обеспечить с помощью выполненного предпочтительно в виде трубки Вентури имеющего сужение элемента 13 при отношении проходного диаметра элемента 13 к проходному диаметру входного патрубка 10 в пределах от 0,45 до 0,5.

При радиально-осевом выполнении находящегося в реакционном пространстве 3 каталитического слоя 4 направление движения поступающего в реактор 1 потока газа F_g предпочтительно также сделать по существу радиально-осевым.

Такая схема обладает двойным преимуществом: с одной стороны, при этом компенсируется падение давления, обусловленное наличием имеющего сужение элемента 13, а с другой стороны, значительно уменьшается площадь того участка поверхностного слоя катализатора, который при необходимости следует заменять из-за его уплотнения.

Действительно, по сравнению с чисто осевым радиально-осевое направление движения потока газа F_g через каталитическую массу сопровождается существенно меньшим падением давления и поэтому, несмотря на высокие потери давления, возникающие при прохождении потока газа F_g через имеющий сужение элемент 13, работа такого реактора характеризуется достаточно высокой производительностью.

Кроме того, как показано на чертеже, движение водяных капель 14 через каталитический слой 4 ограничено очень небольшой по размерам зоной, которая, в частности, расположена в центре вдоль оси слоя 4, при этом, поскольку остальная часть катализатора не испытывает никакого воздействия со стороны водяных капель и поэтому не уплотняется, работа такого реактора не сопровождается дополнительными нежелательными потерями давления в каталитическом слое 4.

С точки зрения потерь давления схема с чисто радиальным каталитическим слоем по сравнению со схемой с радиально-осевым катализатором имеет такие же преимущества, однако в такой схеме при одинаковых условиях из-за менее полного и менее эффективного использования каталитической массы, обусловленного отсутствием осевой составляющей траектории движения газов через катализатор, производительность реактора будет ниже.

В наиболее предпочтительном варианте изобретения ускоряющее устройство 12 выполнено в виде элемента 13, представляющего собой трубку Вентури, которая создает необходимое увеличение скорости поступающего в реактор потока газа F_g при меньшем по сравнению с имеющими сужение элементами в виде калиброванных дроссельных шайб или других аналогичных устройств падения давления.

В качестве альтернативы предлагаемый в настоящем изобретении способ можно реализовать на установке (не показана), в которой имеются
- реактор для конверсии с по существу цилиндрическим наружным корпусом и по крайней мере одним слоем катализатора;
- трубопровод для подачи в реактор потока содержащего моноксид углерода газа.

Трубопровод соединяет реактор с расположенным до него технологическим котлом.

Под "технологическим котлом" подразумевается котел для производства водяного пара за счет косвенного теплообмена между потоком нагревающего газа, содержащего моноксид углерода, и потоком воды. Обычно такие котлы выполняются в виде трубчатых теплообменников с двумя трубными решетками, в которых закреплены концы соответствующих труб.

В соответствии с настоящим изобретением установка должна быть оборудована установленным в трубопроводе устройством для ускорения потока газа F_g.

Ускоряющее устройство предпочтительно выполнить в виде имеющего сужение элемента с меньшим, чем у трубопровода, проходным диаметром.

Предпочтительно, чтобы отношение указанных диаметров лежало в интервале от 0,45 до 0,5, а имеющий сужение элемент был выполнен в виде трубки Вентури.

Необходимо отметить, что касательно проблем, связанных с уплотнением катализатора, предлагаемая установка ничем не отличается от описанного выше и показанного на чертеже реактора.

При этом, однако, ускоряющее устройство размещается внутри трубопровода, и поэтому его установка и обслуживание связаны с большими трудностями.

В настоящем изобретении предлагаются также соответствующие способы модернизации реактора и установки для каталитической конверсии моноксида углерода.

В соответствии с изобретением эти способы предусматривают установку до реакционного пространства устройства для соответствующего ускорения подаваемого на конверсию потока содержащего моноскид углерода газа.

В этом аспекте изобретение позволяет технически просто и с минимальными затратами модернизировать существующие реакторы или установки, которые при этом приобретают указанные выше достоинства и перестают обладать недостатками, присущими известным реакторам и установкам.

Предпочтительно ускоряющее устройство размещать в подводящем патрубке реактора или в подающем трубопроводе, выполнив его в виде имеющего сужение элемента, в частности в виде трубки Вентури, с меньшим, чем у патрубка или трубопровода, диаметром проходного сечения.

В приведенном выше описании полностью раскрыты все многочисленные преимущества настоящего изобретения, в частности возможность эффективного или даже практически полного решения проблемы уплотнения находящегося в реакционном пространстве катализатора, причем указанная задача решается с помощью предлагаемого в изобретении способа конверсии, который легко реализуется на практике и обеспечивает высокую производительность при низких эксплуатационных затратах и низком расходе энергии.

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при получении аммиака. Реактор включает цилиндрический корпус 2, заполненный по крайней мере одним слоем катализатора 4, подводящий патрубок 10 для подачи газа, содержащего моноксид углерода, выходной патрубок 11. Реактор содержит устройство 12 для ускорения потока, содержащее элемент, имеющий сужение 13. При прохождении потока газа, содержащего СО и воду, через устройство 12 его скорость возрастает в 1,5-5 раз. Ускоренный поток 14 попадает в реакционное пространство 3, где происходит конверсия СО в СО₂. Отношение диаметра элемента 13 к проходному диаметру подводящего патрубка 10 0,45-0,85. Элемент 13 может представлять собой трубу Вентури. Способ высокопроизводителен, исключает поверхностное уплотнение катализатора и его разрушение. 5 с. и 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ высокоэффективной каталитической конверсии моноксида углерода (СО) в диоксид углерода (СО₂), который включает следующие стадии: подачу с заданной скоростью содержащего моноксид углерода потока газа в реакционное пространство (3), конверсию моноксида углерода в этом реакционном пространстве (3) с образованием потока газа, содержащего диоксид углерода, отличающийся тем, что в нем предусмотрена следующая предварительная стадия: ускорение потока, содержащего моноксид углерода газа до его попадания в реакционное пространство (3). 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время ускорения содержащего моноксид углерода потока газа его скорость возрастает от 1,5 до 5 раз. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержащий моноксид углерода поток газа проходит через реакционное пространство (3) по существу в радиальном или радиально-осевом направлении. 4. Реактор для высокоэффективной каталитической конверсии моноксида углерода (СО) в диоксид углерода (СО₂), включающий по существу цилиндрический наружный корпус (2), по крайней мере один слой (4) катализатора, который находится внутри наружного корпуса (2), подводящий патрубок (10), который сообщается с корпусом (2) и через который по крайней мере в один слой (4) катализатора подается поток содержащего моноксид углерода газа, отличающийся тем, что в нем предусмотрено устройство (12) для ускорения потока газа, расположенное в направлении движения газа по крайней мере до одного слоя (4) катализатора. 5. Реактор по п. 4, отличающийся тем, что ускоряющее устройство (12) расположено внутри подводящего патрубка (10). 6. Реактор по п. 4, отличающийся тем, что ускоряющее устройство (12) представляет собой имеющий сужение элемент (13), проходной диаметр которого меньше проходного диаметра подводящего патрубка (10). 7. Реактор по п. 6, отличающийся тем, что отношение проходного диаметра имеющего сужение элемента (13) к проходному диаметру подводящего патрубка (10) составляет 0,45-0,85. 8. Реактор по п. 6, отличающийся тем, что имеющий сужение элемент (13) представляет собой трубку Вентури. 9. Реактор по п. 4, отличающийся тем, что имеющийся в нем по крайней мере один слой (4) катализатора представляет собой катализатор радиального или радиально-осевого типа. 10. Установка для высокоэффективной каталитической конверсии моноксида углерода (СО) в диоксид углерода (СО₂), включающая реактор, в котором происходит конверсия и который имеет по существу цилиндрический наружный корпус и по крайней мере один расположенный в корпусе слой катализатора, трубопровод, через который в реактор подается содержащий моноксид углерода поток газа, отличающаяся тем, что в ней также предусмотрено расположенное в трубопроводе устройство для ускорения потока газа. 11. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что включает имеющий сужение элемент, проходной диаметр которого меньше проходного диаметра трубопровода. 12. Установка по п. 11, отличающаяся тем, что отношение проходного диаметра имеющего сужение элемента к проходному диаметру трубопровода составляет 0,45-0,85. 13. Установка по п. 11, отличающаяся тем, что имеющий сужение элемент представляет собой трубку Вентури. 14. Способ модернизации реактора для каталитической конверсии моноксида углерода (СО) в диоксид углерода (СО₂), включающего по существу цилиндрический наружный корпус (2), по крайней мере один слой (4) катализатора, который находится внутри наружного корпуса (2), подводящий патрубок (10), который сообщается с корпусом (2) и через который по крайней мере в один слой (4) катализатора подается поток содержащего моноксид углерода газа, отличающийся тем, что он предусматривает установку устройства (12) для ускорения потока газа по крайней мере до одного каталитического слоя (4). 15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что ускоряющее устройство (12) размещается внутри подводящего патрубка (10). 16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что ускоряющее устройство (12) представляет собой имеющий сужение элемент (13), проходной диаметр которого меньше проходного диаметра подводящего патрубка (10). 17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что имеющий сужение элемент (13) представляет собой трубку Вентури. 18. Способ модернизации установки для каталитической конверсии моноксида углерода (СО) в диоксид углерода (СО₂), включающий реактор, в котором происходит конверсия и который имеет по существу цилиндрический наружный корпус и по крайней мере один расположенный в корпусе слой катализатора, трубопровод, через который в реактор подается содержащий моноксид углерода поток газа, отличающийся тем, что он предусматривает установку в трубопроводе устройства для ускорения потока газа.