ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ СИНТЕЗА УГЛЕВОДОРОДОВ ПО МЕТОДУ ФИШЕРА-ТРОПША Российский патент 2005 года по МПК B01J8/04 

Изобретение относится к химической промышленности, в частности, реакторам синтеза углеводородов из синтез газа (смеси СО и Н₂) по методу Фишера-Тропша (ФТ-синтез).

На сегодняшний день практическое использование получили два типа реакторов ФТ-синтеза, а именно трехфазные, т.н. slurry-реакторы, и трубные реакторы. В трехфазных реакторах применяют тонкодисерсный катализатор, распределенный в ванне высокотемпературного масла, через которое барботируют синтез-газ, а охлаждение осуществляют водой с помощью встроенных теплообменников. Трубные реакторы выполняют с неподвижным катализатором, который в виде зерен или гранул размещают в трубах, закрепленных в трубных досках, а охлаждение осуществляют кипящей водой, заполняющей большую часть межтрубного пространства, имеющего вверху паровую зону, из которой насыщенный пар отводится во внешний паросборник.

Известен горизонтальный реактор, содержащий однотипные по конструкции соосные горизонтальные реакционные секции, каждая из которых установлена на колесной тележке с регулируемыми опорами и имеет в своем составе силовой корпус, закрепленную в нем через переходники катализаторную коробку со встроенным в нее теплообменником, через который принудительно прокачивается теплоноситель, а также закрепленные на корпусе или катализаторной коробке устройства для загрузки-выгрузки насыпного катализатора в виде мелких частиц или гранул, контур теплоносителя, внешний теплообменник или паросборник, магистрали подвода-отвода конвертируемого газа и теплоносителя, средства контроля и управления режимными параметрами по трактам теплоносителя и газа (RU 2174869 С1, 20.10.2001).

Недостатком данного реактора является то, что он не может быть использован в классическом ФТ-синтезе.

Наиболее близким по назначению к предложенному реактору является горизонтальный реактор для синтеза углеводородов по методу Фишера-Тропша, состоящий из однотипных по конструкции соосных горизонтальных реакционных секций (US 2002/0143075, 03.10.2002).

Недостатком данного реактора является сложность конструкции и невозможность его использования во всех климатических зонах, в частности на севере.

Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в обеспечении условий, близких к изотермическим условиям синтеза, по всему объему реакционной зоны, в регулировании и стабилизации номинальной температуры процесса, простой утилизации реакционного тепла, в обеспечении максимально полного использования ресурсных характеристик катализатора, в возможности его пассивации и регенерации в составе реактора, в обеспечении простоты монтажа и обслуживания реактора во всех климатических зонах, а также в обеспечении его надежности, транспортабельности и ремонтопригодности.

Указанный технический результат достигается тем, что в горизонтальном реакторе для синтеза углеводородов из синтез-газа по методу Фишер-Тропша, состоящем из однотипных по конструкции соосных горизонтальных реакционных секций, каждая из которых установлена на колесной тележке с регулируемыми опорами и имеет в своем составе силовой корпус, закрепленную в нем через переходники катализаторную коробку со встроенным в нее теплообменником, через который принудительно прокачивается теплоноситель, а также закрепленные на корпусе или катализаторной коробке устройства для загрузки-выгрузки насыпного катализатора в виде мелких частиц или гранул, контур теплоносителя, внешний теплообменник или паросборник, магистрали подвода-отвода конвертируемого газа и теплоносителя, средства контроля и управления режимными параметрами по трактам теплоносителя и газа, катализаторную коробку выполняют в виде сборки пакета однотипных катализаторных модулей, выполняемой разъемным образом с использованием крепежных стяжек и уплотнительных прокладок, а катализаторный модуль собирают с использованием сварки из продольных или поперечных по отношению к продольной оси секций, прямоугольных плоских паяных по гофрам или ребрам двухстеночных панелей с общей толщиной 5...15 мм при толщине стенок 1...2 мм, высоте гофров или ребер 3...9 мм при их толщине 0,3...2,0 мм, с приваренными к ним хвостовиками, замыкающими внутренние полости панелей и сообщающими их с коллекторами подвода-отвода теплоносителя, выводимыми через силовой корпус секции или через проставки между секциями, при этом катализаторная зона формируется за счет выбора толщины хвостовиков большей, чем толщина панелей, благодаря чему при их сборке по хвостовикам с помощью сварки между панелями образуются вертикальные щели шириной 5...20 мм, где и размещают частицы-гранулы катализатора, при этом щели сверху открыты для прохода синтез-газа и для загрузки частиц-гранул, а снизу закрываются перфорированными поворотными заслонками с механическим приводом, открываемыми при обслуживании секции и выгрузке катализатора.

В нижней части корпуса секции под катализаторной коробкой установлен приемный бункер с наклонными стенками, в который при выгрузке катализаторной корзины ссыпаются сухие или смоченные жидкофазными продуктами синтеза и/или промывочной жидкостью таблетки, гранулы или зерна катализатора, которые отводят через секционный люк выгрузки катализатора в кюбель, установленный под секцией, с помощью винтового шнека, расположенного в нижней части бункера по всей длине во внешнем цилиндрическом канале, закрепленном герметично с корпусом секции.

Газожидкостной поток продуктов синтеза и непрореагировавшего синтез-газа отводится через патрубок из нижней части бункера за пределы корпуса секции и подается в мелкоячеистый циклонный сепаратор жидкой фазы, входящий в состав секции, с выхода которого парогазовый поток подается по секционному трубопроводу к коммутационному узлу секции, а из него в любую другую секцию реактора или в систему разделения легких фракций, а жидкофазные продукты синтеза отводятся в общереакторную отводную магистраль и далее на фракционирование.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена общая схема реакторного блока в целом; на фиг.2 - вид с торца типовой реакторной секции; на фиг.3 - поперечные сечения некоторых зон типовой реакторной секции.

В соответствии с фиг.1 реактор состоит из однотипных секций 1, расположенных горизонтально и соосно. Секции соединяются между собой разъемным способом с помощью фланцев или бугелей с уплотняющими кольцами. Первая и последняя секции закрыты крышками 2. Каждая секция установлена на колесную тележку 3 с регулируемыми опорами, обеспечивающими соосность секций при их стыковке. Все тележки 3 размещаются на общей рельсовой колее 4 стандартной или нестандартной ширины. Одна из секций реактора фиксируется на колее башмаками или иным способом. Прочие секции сохраняют свободу перемещения на колее. Количество секций в реакторе определяется по требуемой общей загрузке катализатора, оптимальное их число рекомендуется выбирать в пределах 5...12.

Силовым элементом каждой секции, см. фиг.1 и 2, является цилиндрический корпус 5, теплоизолированный с наружной стороны (не показано). Внутри корпуса с помощью торцевых переходников 6, боковых переходников 7 и 8 устанавливают разъемным способом катализаторную корзину 9 примерно квадратного сечения, см. сечение А-А на фиг.1 и 2. Корзину 9 набирают в виде пакета из типовых катализаторных модулей 10, которые соединяют разъемным способом с помощью крепежных стяжек 18 и уплотнительных прокладок, а модули выполняют в виде пластинчатого теплообменника с вертикальными щелями для размещения частиц или гранул катализатора, см. сечение Б-Б на фиг.3. Ширину щелей выбирают по условиям теплоотвода в пределах 5...20 мм. При этом характерный наибольший размер катализаторных частиц должен быть в 2,5...3 раза меньше размера щели. Основными элементами катализаторного модуля 10 являются плоские, спаяные по гофрам или ребрам двухстеночные панели 11 и 12 прямоугольной формы, по внутреннему тракту которых прокачивается теплоноситель, см. фиг.3. Каждая панель состоит из теплообменной части, стенки которой контактируют с катализатором, и хвостовиков. Стенки гофрированной теплообменной части панелей 11 и 12 выполняют из листового материала толщиной 1...2 мм, внутреннюю гофрированную стенку 4 выполняют из листового материала толщиной 0,3...0,8 мм. Общую толщину теплообменной части панели задают в пределах 5...10 мм. В оребренном варианте теплообменной части внутренние ребра толщиной 1...2 мм выполняют на одной из стенок панелей 11 и 12 фрезерованием, ширину канавки задают равной 1...3 мм. Общую толщину оребренной панели задают в тех же пределах 5...10 мм, что и для гофрированного варианта. Сочетания указанных размеров элементов теплообменной части определяют по расчетам теплообмена и прочности. Материалы для изготовления катализаторной корзины - нержавеющие и легированные стали.

К боковым торцам теплообменной части панелей в гофрированном и оребренном вариантах приваривают хвостовики 13 (до пайки) и 14, 15 (после пайки), которыми с помощью сварки панели соединяют в модули 10, по 4...10 панелей, имеющих общее коллекторы 17 для подачи и отвода охладителя, см. фиг.3. При сборке модулей 10 используют сухари 16. Толщина хвостовиков на 5...20 мм больше толщины теплообменной части панели, относительно которой хвостовики можно располагать симметрично или асимметрично, вплоть до совмещения одной из боковых поверхностей хвостовика с одной из боковых поверхностей теплообменной части. Верхние края стенок гофрированных и оребренных панелей в модулях свариваются между собой, например, как показано на сечениях В-В фиг.3. Дополнительно плоские стыки уплотняются уже при работе за счет обжатия всех модулей и пакета в целом по боковым поверхностям крайних панелей входным давлением конвертируемого газа, которое всегда несколько выше давления газа в катализаторной щели из-за гидравлического сопротивления насыпки катализатора.

Конвертируемый газ подается в корзину 9 сверху, см. фиг.1 и 2, перпендикулярно продольной оси секции. Теплоноситель протекает во внутреннем тракте панелей, в основной конструктивной схеме, параллельно продольной оси, т.е. теплообмен осуществляется по перекрестной схеме. В оребренном варианте тракта теплоносителя могут быть реализованы и другие схемы теплообмена - противоточная, прямоточная, различные смешанные варианты.

В каждую катализаторную щелевую полость панелей 11 и 12, см. фиг.3, между панелями устанавливают несколько вертикальных прямоугольного или круглого сечения прокладок 19, препятствующих потере устойчивости панелей от наружного обжатия входным давлением конвертируемого газа. Прокладки 19 используются также при операциях загрузки и выгрузки катализатора для передачи механического, в том числе вибрационного, воздействия на слой насыпки для ее уплотнения при загрузке и для облегчения ее высыпания в приемный бункер 20 при выгрузке, см. фиг.1 и 2. Для облегчения выгрузки катализатора можно использовать также гидросмыв промывочной жидкостью, которую подают сверху на слой насыпки.

Бункер 20 расположен в нижней части секции под корзиной 9, имеет наклонные стенки по торцевым и боковым поверхностям и закреплен с использованием компенсаторов 21 на корпусе 5 секции. Боковые грани бункера 20 в нижней их части сближены на ширину бокового прохода в цилиндрическом приямке 22, закрепленного на корпусе 5 секции. Приямок 22 имеет поперечные ребра жесткости по длине бокового прохода (не показаны). В приямке размещен винтовой шнек 23 по всей длине нижнего проходного сечения бункера 20. Шнек 23 приводится во вращение от электродвигателя 24 через понижающий редуктор.

В бункере 20 установлена провальная решетка с вращающимися валами 25, на которых монтируются поворотные перфорированные створки 26, закрывающие снизу щели корзины 9. Поворот створок осуществляется, например, с помощью зубчатых реечных передач 27. Привод реек осуществляется с помощью пневцилиндров 28 и/или механически через их крышки, вскрываемые при операциях загрузки-выгрузки катализатора.

В верхней части корпуса 5 размещены патрубок 29 для подачи конвертируемого газа и люки 30 для загрузки катализатора и проведения операций по его выгрузке. В нижней части корпуса 5 размещены патрубок 31 для отвода газожидкостных продуктов синтеза вместе с непрореагировавшим синтез-газом и люк 32 для выгрузки сухих или смоченных жидкофазными продуктами синтеза частиц катализатора с использованием шнека. На корпусе 5, на его фланцах или боковой поверхности размещены коллекторы 33 и 34 для подвода-отвода теплоносителя. С этими коллекторами стыкуют трубопроводы 35 и 36 для подвода-отвода теплоносителя к коллекторам 17 модулей 10 корзины 9. Трубопроводы 35, 36 и их монтажные узлы размещены в торцевых зонах секции. Трубопроводы 35 и 36 могут также выводится из внутренней полости секции через проставки между корпусами смежных секций (не показано). На корпусе 5 выполняют соединяемые с ним сваркой элементы для разъемного соединения с корпусом 5 переходников 6, 7 и 8, приямка 22, различных кронштейнов, опор тележки 3 и др. Функционально в состав каждой секции входят также, см. фиг.1:

- паросборник или теплообменник 37 (условно они показаны совмещенными в одном аппарате), соединяемый с коллекторами 33 и 34;

- циклонный мелкоячеистый сепаратор 42 для разделения жидкостных и парогазовых продуктов синтеза;

- кюбель 46, соединяемый с люком 32 через пневмоуправляемую заслонку - шибер 47, предназначенный для приема и последующей транспортировки всего объема загрузки катализатора.

Если охлаждение катализаторной корзины 9 осуществляется кипящей водой, то аппарат 37 - это паросборник насыщенного пара. Кипящая вода циркулирует по контуру 38, оснащенному насосом 39. Давление в контуре устанавливают с помощью редуктора 40, температура в контуре 38 контролируется термопарами. Из паросборника 37 пар отводится в магистраль 41 и далее в энергоблок завода. Подпитку контура 38 кипящей водой осуществляют от внешних систем реакторного блока. Если охлаждение корзины 9 осуществляют без фазового перехода (в циркуляционный контур 38 залиты масло или горячая вода), то аппарат 37 - это теплообменник, теплосъем в котором осуществляют внешним теплоносителем, тепло которого также утилизируют в смежных системах реакторного блока.

Жидкую фазу продуктов синтеза (тяжелую широкую фракцию углеводородов, ТШФУ) с выхода сепаратора 42 отводят по магистрали 48 в отделение фракционирования и дистилляции. Парогазовые продукты синтеза с выхода сепаратора 42 подают в коммутационный узел 43, имеющий два отвода с пускоотсечными клапанами 44. Из узла 43 с помощью газоотводов 45 парогазовые продукты подают в любую смежную секцию реактора или в смежные системы регенерации тепла, а из последней секции парогазовую смесь (легкую широкую фракцию углеводородов, ЛШФУ) подают по магистрали 49 в отделение фракционирования парогазовых продуктов синтеза.

На фиг.2 и 3 показаны виды секций с продольным типом паяных панелей, их плоскость параллельна оси секции. Практически все те же решения можно применять и при использовании поперечных панелей, плоскость которых перпендикулярна продольной оси секции.

Предельные плоскостные размеры корзины К и Н, см. фиг.1, определяющие производительность секции, ограничиваются только рабочим объемом печей для высокотемпературной пайки панелей, которыми располагает производство, изготавливающее эти панели. Размер К можно увеличить, вводя стыковую сварку панелей через соединительные проставки.

При качественной высокотемпературной пайке, например серебряными припоями, оптимальном выборе сочетаний геометрических параметров панелей в пределах указанных выше диапазонов и с учетом характеристик используемых материалов паяные по гофрам или ребрам панели при рабочих температурах до 350°С сохраняют работоспособность при перепадах давления между полостями газа (катализатора) и теплоносителя в гофрированном варианте не менее ±8,0 МПа, а в оребренном варианте не менее ±20,0 МПа. Это позволяет проводить все известные синтезы по Фишер-Тропшу при давлениях до 5,0 МПа и температурах до 350°С (в зонах синтеза).

Организация рабочего процесса в собранном реакторе заявленной конструкции принципиально мало чем отличается от таковой в известных реакторах и включает ряд последовательных традиционных операций: загрузка пассивированного катализатора, прогрев конструкций и восстановление катализатора, постепенный выход на номинал и т.д.

Дополнительным достоинством заявленной конструкции реактора с автономными секциями является возможность совмещения двух и более синтезов в одном реакторном блоке, но в разных секциях.

Предложенное устройство относится к химической промышленности, в частности, к горизонтальным реакторам для синтеза углкводородов по методу Фишера-Тропша. Состоит из однотипных по конструкции соосных горизонтальных реакционных секций. Каждая секция установлена на колесной тележке с регулируемыми опорами и имеет в своем составе силовой корпус, закрепленную в нем через переходники катализаторную коробку со встроенным в нее теплообменником, через который принудительно прокачивается теплоноситель. Катализаторную коробку выполняют в виде сборки пакета однотипных катализаторных модулей, выполняемой разъемным образом с использованием крепежных стяжек и уплотнительных прокладок. Катализаторный модуль собирают с использованием сварки из продольных или поперечных по отношению к продольной оси секций, прямоугольных плоских паяных по гофрам или ребрам двухстеночных панелей с общей толщиной 5...15 мм при толщине стенок 1...2 мм, высоте гофров или ребер 3...9 мм при их толщине 0,3...2,0 мм, с приваренными к ним хвостовиками. Катализаторная зона формируется за счет выбора толщины хвостовиков большей, чем толщина панелей, благодаря чему при их сборке по хвостовикам с помощью сварки между панелями образуются вертикальные щели шириной 5...20 мм, где и размещают частицы-гранулы катализатора. Данное техническое решение обеспечивает условия, близкие к изотермическим условиям синтеза, по всему объему реакционной зоны, простоту монтажа и обслуживания реактора во всех климатических зонах, а также обеспечивает его надежность, транспортабельность и ремонтопригодность. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Горизонтальный реактор для синтеза углеводородов из синтез-газа по методу Фишер-Тропша, состоящий из однотипных по конструкции соосных горизонтальных реакционных секций, каждая из которых установлена на колесной тележке с регулируемыми опорами и имеет в своем составе силовой корпус, закрепленную в нем через переходники катализаторную коробку со встроенным в нее теплообменником, через который принудительно прокачивается теплоноситель, а также закрепленные на корпусе или катализаторной коробке устройства для загрузки-выгрузки насыпного катализатора в виде мелких частиц или гранул, контур теплоносителя, внешний теплообменник или паросборник, магистрали подвода-отвода конвертируемого газа и теплоносителя, средства контроля и управления режимными параметрами по трактам теплоносителя и газа, в котором катализаторную коробку выполняют в виде сборки пакета однотипных катализаторных модулей, выполняемой разъемным образом с использованием крепежных стяжек и уплотнительных прокладок, а катализаторный модуль собирают с использованием сварки из продольных или поперечных по отношению к продольной оси секций, прямоугольных плоских паяных по гофрам или ребрам двухстеночных панелей с общей толщиной 5...15 мм, при толщине стенок 1...2 мм, высоте гофров или ребер 3...9 мм при их толщине 0,3...2,0 мм, с приваренными к ним хвостовиками, замыкающими внутренние полости панелей и сообщающие их с коллекторами подвода-отвода теплоносителя, выводимые через силовой корпус секции или через проставки между секциями, при этом катализаторная зона формируется за счет выбора толщины хвостовиков большей, чем толщина панелей, благодаря чему при их сборке по хвостовикам с помощью сварки между панелями образуются вертикальные щели шириной 5...20 мм, где и размещают частицы-гранулы катализатора, при этом щели сверху открыты для прохода синтез-газа и для загрузки частиц-гранул, а снизу закрываются перфорированными поворотными заслонками с механическим приводом, открываемыми при обслуживании секции и выгрузке катализатора.2. Реактор по п.1, в котором в нижней части корпуса секции под катализаторной коробкой установлен приемный бункер с наклонными стенками, в который при выгрузке катализаторной корзины ссыпаются сухие или смоченные жидкофазными продуктами синтеза и/или промывочной жидкостью таблетки, гранулы или зерна катализатора, которые отводят через секционный люк выгрузки катализатора в кюбель, установленный под секцией, с помощью винтового шнека, расположенного в нижней части бункера по всей длине во внешнем цилиндрическом канале, закрепленном герметично с корпусом секции.3. Реактор по п.1 или 2, в котором газожидкостный поток продуктов синтеза и непрореагировавшего синтез-газа отводится через патрубок из нижней части бункера за пределы корпуса секции и подается в мелкоячеистый циклонный сепаратор жидкой фазы, входящий в состав секции, с выхода которого парогазовый поток подается по секционному трубопроводу к коммутационному узлу секции, а из него в любую другую секцию реактора или в систему разделения легких фракций, а жидкофазные продукты синтеза отводятся в общереакторную отводную магистраль и далее на фракционирование.