ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННЫЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 2009 года по МПК B01J19/02 

Настоящее изобретение относится к высокотемпературному реактору с теплоизоляцией.

Подобные высокотемпературные реакторы находят применение, например, в химической или нефтехимической промышленности для проведения между различными веществами реакций, цель которых состоит в получении определенного продукта или промежуточного продукта из сырья или исходных материалов. Такие реакторы часто используются для окисления углеводородов, при котором углеводородсодержащее топливо, например природный газ, подвергают при высоких температурах, составляющих, например, от 1000 до 1600°С, взаимодействию с кислородсодержащим газом. Для получения, например, синтез-газа используют реакторы со стальным цилиндрическим кожухом, оканчивающимся торосферическим или корзиночным днищем. Для тепловой защиты стального кожуха реакторы изнутри снабжают теплоизоляционной футеровкой из огнеупорных кирпичей и огнеупорного бетона. Внутри реактора происходит частичное окисление газообразных или жидких и твердых топлив при температурах, составляющих, например, от 1200 до 1500°С. Температура пламени может превышать 2000°С. Поскольку существующие футеровки рассчитаны лишь на работу при температурах ниже 1600°С, футеровку и реактор выполняют сравнительно "раздутыми" для того, чтобы обеспечить достаточно большое расстояние между футеровкой и пламенем. Теплоизоляцию реактора выполняют из огнеупорных кирпичей, которые при обкладке ими изнутри кожуха реактора обмуровывают огнеупорным раствором с получением статически самонесущей конструкции. Однако огнеупорный раствор из-за наличия в нем определенных компонентов, таких, например, как оксиды железа, способствует сажеобразованию.

В период пуска реактора его нагрев должен происходить медленно со скоростью порядка 30-50°С/ч во избежание растрескивания футеровки вследствие внутренних напряжений и образования выщерблин на ее поверхности из-за откалывания кусочков футеровки. При футеровке реакторов необходимо также согласовывать ширину температурных швов и разделительных швов с коэффициентом теплового расширения материалов. Реакторы подобного типа описаны, например, в "Hydrocarbon Technologie International", 1994, сс.125 и далее.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать аппарат указанного в начале описания типа, который позволял бы экономичным путем повысить производительность при проведении химических реакций, был бы недорогим в изготовлении и обеспечивал бы его быстрый пуск.

Указанная задача решается согласно изобретению благодаря тому, что теплоизоляция образована высокотемпературным теплоизоляционным материалом, свободно уложенным слоями. В предпочтительном варианте высокотемпературный реактор по меньшей мере в одной своей концевой части имеет зазор для компенсации линейного или продольного расширения теплоизоляции или гибкий изоляционный материал для компенсации продольного расширения изоляционного материала.

Теплоизоляция для уменьшения тепловых потерь должна при этом обладать минимально возможной теплопроводностью и обладать способностью выдерживать максимально высокие температуры в пределах, например, от 1500 до 2000°С. В качестве наиболее предпочтительных для изготовления теплоизоляции при этом зарекомендовали себя материалы с пористой пенистой и/или волокнистой структурой.

Изобретение основано на том факте, что расход кислорода и производительность реактора при проведении в нем химических реакций в существенной степени зависят от температуры реактора, температуры пламени и тепловых потерь в реакторе. Применение в качестве теплоизоляции свободно укладываемых слоями изоляционных жаропрочных, соответственно стойких к высоким температурам материалов, которые одновременно обладают лучшими изоляционными свойствами по сравнению с применявшимися до настоящего времени материалами, позволяет значительно уменьшить потери тепла из-за его рассеивания из реактора наружу и потери тепла в пламени.

Традиционные высокотемпературные реакторы обычной конструкции имеют ряд присущих им технических недостатков. Поступающие в реактор через сопло горелки среды создают в нем импульсный поток, приводящий к возникновению в реакторе циркуляционного потока. Среды, двигаясь таким циркуляционным потоком, быстро нагреваются до температуры их воспламенения, что приводит к возникновению пламени за соплом горелки. Однако температура циркуляционного потока гораздо ниже температуры пламени, которое в результате охлаждается примешивающимся к нему циркулирующим газом.

Эти недостатки можно устранить, уменьшив диаметр реактора и заставив среды двигаться в реакторе потоком, аналогичным течению в трубе. Однако при применении существующих футеровок в этом случае возникает опасность локального перегрева огнеупорного материала и последующего его повреждения. В связи с высокой теплопроводностью теплоизоляционного материала приходится увеличивать толщину его слоя, что неизбежно приводит к увеличению диаметра кожуха реактора и соответственно к его удорожанию.

Предлагаемую в изобретении теплоизоляцию, благодаря ее способности длительно выдерживать даже исключительно высокие температуры, превышающие 1600°С, предпочтительно использовать именно в подобных трубчатых реакторах, в которых среды движутся потоком, аналогичным течению в трубе.

Теплоизоляцию предпочтительно собирать из цилиндрических или пластинчатых фасонных элементов, которые могут быть разделены по их окружности или периметру на отдельные части.

В отличие от обычно применявшейся до настоящего времени изоляции для высокотемпературных реакторов, которой приходилось изнутри обкладывать реактор непосредственно по месту его установки, что помимо прочего связано с высокими затратами времени, предлагаемую в изобретении теплоизоляцию можно набирать и предварительно монтировать из фасонных элементов, свободно укладываемых слоями один поверх другого.

Традиционная изоляция требовала, кроме того, использования способствующего сажеобразованию огнеупорного раствора, необходимость в котором отпадает при выполнении предлагаемой в изобретении теплоизоляции из нового материала.

Выполнение теплоизоляции из свободно укладываемого слоями теплоизоляционного материала обеспечивает возможность свободного его теплового расширения, исключающего возможность возникновения в теплоизоляции дополнительных внутренних напряжений.

Согласно одному из наиболее предпочтительных вариантов осуществления изобретения в предлагаемом в нем высокотемпературном реакторе предусмотрены внутренняя теплоизоляция и внешняя теплоизоляция, при этом внутренняя теплоизоляция имеет более высокую плотность, твердость и теплоустойчивость, чем внешняя теплоизоляция, и набрана из свободно уложенных слоями фасонных элементов.

Внутреннюю теплоизоляцию для возможности ее свободного теплового расширения предпочтительно отделять от внешней теплоизоляции зазором, благодаря которому внутренняя теплоизоляция и внешняя теплоизоляция могут свободно перемещаться относительно друг друга. Внешнюю теплоизоляцию целесообразно при этом неподвижно закреплять по меньшей мере в одной концевой части высокотемпературного реактора.

Для обеспечения особо эффективной теплоизоляции теплоизоляционный слой предпочтительно с пористой пенистой и/или волокнистой структурой должен иметь низкую теплопроводность, которая должна составлять от 0,14 до 0,5 Вт/мК при температурах до 1600°С. Теплоизоляционный слой предпочтительно должен обладать выносливостью при температурах свыше 1600°С. Такой теплоизоляционный слой целесообразно выполнять из стойких к высоким температурам материалов, прежде всего из Al₂O₃ и/или SiO₂, и/или ZrO₂, и/или вольфрама. Помимо этого теплоизоляция с пористой пенистой и/или волокнистой структурой предпочтительно должна быть мягкой и гибкой, но формоустойчивой и иметь низкую плотность, составляющую от 0,1 до 1 кг/м³, предпочтительно от 0,15 до 0,7 кг/м³, наиболее предпочтительно от 0,19 до 0,5 кг/м³. Кроме того, поверхность теплоизоляционного слоя целесообразно подвергать соответствующей обработке.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения теплоизоляционный слой состоит из по меньшей мере двух компонентов, различающихся между собой своей плотностью и/или твердостью, и/или растяжимостью, и/или теплопроводностью.

Для формирования направленного потока газа и предотвращения образования циркуляционного потока в реакционном пространстве и прежде всего для формирования потока, аналогичного течению в трубе, в предпочтительном варианте выполнения высокотемпературного реактора его стенки во входной зоне реакционного пространства выполнены равномерно расширяющимися от диаметра входного отверстия до наибольшего диаметра реакционного пространства. Под расширением стенок высокотемпературного реактора при этом в предпочтительном варианте подразумевается расположение их поверхностей с наклоном под углом к направлению движения газовых потоков в реакционном пространстве, составляющим менее 90°, предпочтительно от 0 до 45°, наиболее предпочтительно от 30 до 45°. В принципе входная зона может и скачкообразно расширяться сразу до большего диаметра трубчатого реакционного пространства с образованием при этом на его входе лишь небольшой циркуляционной зоны. Однако в этом случае, как и в варианте с равномерным расширением стенок высокотемпературного реактора, также удается избежать формирования циркуляционного потока, захватывающего большой объем реакционного пространства. Помимо этого поток может входить в реакционную часть непосредственно на таком же диаметре, который имеет и сопло горелки. К входной зоне предпочтительно должна примыкать имеющая постоянный диаметр цилиндрическая зона реакционного пространства. Эта цилиндрическая зона переходит далее в выходную зону, в которой диаметр реакционного пространства предпочтительно уменьшается в направлении потока.

В одном из вариантов осуществления изобретения в цилиндрической и/или выходной зоне реакционного пространства находится катализатор. Наличие катализатора позволяет целенаправленно влиять на химические реакции, протекающие в газовых потоках. Помимо этого наличие катализатора позволяет дополнительно повысить производительность аппарата, т.е. предлагаемого в изобретении высокотемпературного реактора, при проведении в нем химических реакций.

В особо предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается целенаправленно выбирать геометрические параметры аппарата, при которых обеспечивается формирование направленного потока газа и исключается образование циркуляционного потока в реакционном пространстве. Для этого, в частности, отношение диаметра реакционного пространства к его длине должно составлять от 2/3 до 1/30, предпочтительно от 1/2 до 1/20, наиболее предпочтительно от 4/10 до 1/10. Помимо этого отношение площади поперечного сечения входного отверстия к площади поперечного сечения реакционного пространства в его наиболее широкой части предпочтительно должно составлять от 1/2 до 1/20, более предпочтительно от 1/4 до 1/10.

Предлагаемое в изобретении решение позволяет достичь целого ряда следующих преимуществ:

- упрощение и ускорение сборки и монтажа реактора;

- возможность предварительной сборки реактора и его теплоизоляции благодаря применению легких материалов;

- сокращение периода пуска реактора благодаря высокой теплоизолирующей способности теплоизоляции и свободной подвижности образующих ее фасонных элементов при их тепловом расширении;

- отсутствие в реакторе способствующих сажеобразованию материалов;

- уменьшение толщины теплоизолирующей стенки благодаря ее высокой теплоизолирующей способности;

- улучшение характеристик химического превращения благодаря более высокой теплоустойчивости теплоизоляции;

- снижение сажеобразования в пламени благодаря движению газовых потоков, аналогичному течению в трубе.

Предлагаемый в изобретении высокотемпературный реактор может применяться в различных целях.

Одной из областей применения предлагаемого в изобретении высокотемпературного реактора является автотермическое расщепление этана. При этом этан расщепляют при добавлении кислорода с получением этиленсодержащего газообразного продукта. Предлагаемый в изобретении аппарат для его применения в процессе автотермического расщепления этана должен быть рассчитан на работу в соответствующих условиях. Обеспечиваемое изобретением снижение тепловых потерь положительно сказывается при этом на экономической эффективности процесса автотермического расщепления этана.

Другой возможной областью применения предлагаемого в изобретении высокотемпературного реактора является частичное окисление углеводородов с получением синтез-газа. При этом в высокотемпературном реакторе переработке при температурах свыше 1000°С подвергают газообразные и/или жидкие, и/или твердые топлива. В этом случае предлагаемый в изобретении высокотемпературный реактор позволяет значительно повысить производительность при проведении химических реакций.

Еще одной представляющей особый интерес областью применения настоящего изобретения является его использование в работающих на водороде силовых установках транспортных средств. Так, например, предлагаемый в изобретении высокотемпературный реактор можно использовать в так называемых автомобильных реформерах, в которых бензин подвергают риформингу с получением водорода. Недостаток традиционных автомобильных реформеров состоит в образовании больших количеств сажи при риформинге бензина. Предлагаемый же в изобретении аппарат позволяет существенно снизить сажеобразование. Помимо этого предлагаемый в изобретении аппарат для его применения в автомобильных реформерах можно выполнить компактным и не занимающим много места.

Настоящее изобретение с достижением соответствующих преимуществ может использоваться и на водородных заправочных станциях. Для такого применения предлагаемый в изобретении аппарат конструктивно выполняют с учетом требований, предъявляемых на водородной заправочной станции к получению водорода в небольших реформерах. Содержание водорода в полученном первичном синтез-газе можно увеличить за счет добавления пара. Путем последующей реакции сдвига остаточный моноксид углерода можно превратить в диоксид углерода с увеличением содержания водорода в получаемом газообразном продукте. Особое преимущество и в этом случае состоит в минимизации тепловых потерь, сокращении периода пуска установки и компактности ее конструкции.

Предлагаемый в изобретении аппарат может использоваться и для превращения H₂S и SO₂ на установках Клауса. Уменьшение тепловых потерь позволяет и в этом случае ускорить протекание реакции и тем самым повысить производительность при проведении химической реакции.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - продольный и поперечный разрезы трубчатого реактора с теплоизоляцией и

на фиг.2 - продольный разрез реактора со встроенной в него трубчатой горелкой с отдельным, более детальным ее изображением.

Показанный на фиг.1 высокотемпературный реактор имеет кожух 1, внутри которого находится слой внешней теплоизоляции 2 и слой внутренней теплоизоляции 3. Внутренняя изоляция имеет более высокую плотность, твердость и теплоустойчивость, чем внешняя изоляция, и набрана из свободно уложенных слоями один поверх другого, т.е. не скрепленных между собой, фасонных элементов. Такие фасонные элементы могут быть, однако не обязательно должны быть, разделены по их окружности или периметру на отдельные части. Для компенсации линейного или продольного расширения фасонных элементов вверху предусмотрен зазор 5. Внутренняя изоляция 3 зазором 7 отделена от внешней изоляции 2 и тем самым может свободно перемещаться относительно нее. Внешняя изоляция в верхней части неподвижно соединена с фланцевой крышкой и цилиндрической частью фланца. Горелка 4 зазором 6 отделена от внутренней изоляции и может свободно перемещаться относительно нее. Внутренняя изоляция может быть выполнена из цилиндрических фасонных элементов или плоских плит.

Внешняя изоляция 3 имеет меньшую плотность и формоустойчивость, чем внутренняя изоляция, и может воспринимать ее радиальное расширение.

На фиг.2 показан вариант, в котором в существующий трубчатый реактор встроена трубчатая горелка. При этом образующая камеру сгорания труба с высокотемпературной теплоизоляцией 4 непосредственно примыкает к горелке 1. В этом случае изоляция может быть частично выполнена в виде трубчатого фасонного элемента 4. Однако и в данном случае должна быть обеспечена осевая подвижность, например, относительно диффузора 2, для чего предусмотрен зазор 3.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Высокотемпературный реактор имеет кожух 1, внутри которого находится слой внешней теплоизоляции 2 и внутренней теплоизоляции 3, образованной высокотемпературным теплоизоляционным материалом, свободно уложенным слоями. Внутренняя теплоизоляция 3 рассчитана на теплопроводность от 0,14 до 0,5 Вт/мК при температурах до 1600°С. Для компенсации теплового расширения предусмотрены зазор 5 вверху и зазор 7 между внутренним и внешним слоями теплоизоляции. 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Высокотемпературный реактор с теплоизоляцией, отличающийся тем, что теплоизоляция образована высокотемпературным теплоизоляционным материалом, свободно уложенным слоями, и рассчитана на теплопроводность от 0,14 до 0,5 Вт/мК при температурах до 1600°С.2. Высокотемпературный реактор по п.1, отличающийся тем, что теплоизоляция собрана из цилиндрических фасонных элементов.3. Высокотемпературный реактор по п.1, отличающийся тем, что теплоизоляция собрана из пластинчатых фасонных элементов.4. Высокотемпературный реактор по п.2 или 3, отличающийся тем, что фасонные элементы разделены по их окружности или периметру на отдельные части.5. Высокотемпературный реактор по п.1, отличающийся тем, что предусмотрены внутренняя теплоизоляция и внешняя теплоизоляция, при этом внутренняя теплоизоляция имеет более высокие плотность, твердость и теплоустойчивость, чем внешняя теплоизоляция, и набрана из свободно уложенных слоями фасонных элементов.6. Высокотемпературный реактор по п.5, отличающийся тем, что внутренняя и внешняя теплоизоляция отделены друг от друга зазором и имеют возможность свободного перемещения друг относительно друга.7. Высокотемпературный реактор по п.5 или 6, отличающийся тем, что внешняя теплоизоляция неподвижно закреплена по меньшей мере в одной концевой части высокотемпературного реактора.8. Высокотемпературный реактор по п.1, отличающийся тем, что теплоизоляционный материал имеет пористую пенистую и/или волокнистую структуру.9. Высокотемпературный реактор по п.1, отличающийся тем, что теплоизоляция обладает выносливостью при температурах свыше 1600°С.10. Высокотемпературный реактор по п.1, отличающийся тем, что теплоизоляция выполнена из стойких к высоким температурам материалов, прежде всего из Al₂О₃, и/или SiO₂, и/или ZrO₂, и/или вольфрама.11. Высокотемпературный реактор по п.10, отличающийся тем, что теплоизоляция имеет низкую плотность, составляющую от 0,1 до 1 кг/м³, предпочтительно от 0,15 до 0,7 кг/м³, наиболее предпочтительно от 0,19 до 0,5 кг/м³.12. Высокотемпературный реактор по п.11, отличающийся тем, что изоляционный материал является мягким и гибким, но формоустойчивым.13. Высокотемпературный реактор по п.1, отличающийся тем, что он по меньшей мере в одной своей концевой части имеет зазор для компенсации линейного или продольного расширения теплоизоляции или гибкий изоляционный материал для компенсации продольного расширения изоляционного материала.14. Высокотемпературный реактор по по п.1, отличающийся тем, что части изоляции соединены между собой фасонными элементами или связующим.15. Высокотемпературный реактор по по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде реактора для получения синтез-газа путем частичного окисления газообразных, и/или жидких, и/или твердых топлив при температурах свыше 1000°С.16. Высокотемпературный реактор по по п.1, отличающийся тем, что он имеет способствующую формированию в нем направленного потока газа и препятствующую возникновению обширных циркуляционных потоков геометрическую форму с продольной протяженностью от входного отверстия до выходного отверстия.17. Высокотемпературный реактор по п.16, отличающийся тем, что отношение его диаметра к длине составляет от 2/3 до 1/30, предпочтительно от 1/2 до 1/20, наиболее предпочтительно от 4/10 до 1/10.