РЕАКТОР И СПОСОБ ВТОРИЧНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА Российский патент 2010 года по МПК C01B3/36 C01B3/38 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу вторичного каталитического риформинга углеводородов и получения синтез-газа, при осуществлении которого в реактор подают первый поток содержащего углеводороды газа и второй поток кислородсодержащего газа, при этом по меньшей мере один из этих потоков подают в реактор в определенном направлении по существу параллельно продольной оси реактора, предпочтительно вдоль продольной оси реактора, и потоки газа смешивают в реакторе по существу с одновременным окислением углеводородов, содержащихся в первом потоке газа, кислородом, содержащимся во втором потоке газа.

Встречающийся в остальной части описания и в формуле изобретения термин "углеводороды" означает насыщенные и/или ненасыщенные легкие и/или тяжелые углеводороды (например, C₁-С₆) или их смеси, а выражение "поток содержащего углеводороды газа" означает поток газа, отбираемого из реактора для первичного риформинга определенных углеводородов (частично облагороженные риформинг-газы), в котором содержатся водород, моноксид углерода, диоксид углерода, водяной пар и не вступившие в реакцию углеводороды.

С другой стороны, выражение "поток кислородсодержащего газа" означает поток газа, в котором содержатся чистый кислород, воздух, обогащенный кислородом воздух или воздух, содержащий в определенных пропорциях кислород, азот и водяной пар.

Термин "синтез-газ" означает смесь газов, которую используют для получения метанола или аммиака, или в более общем случае означает газ, содержащий водород, моноксид углерода и, возможно, азот.

Уровень техники

Известно, что вторичный каталитический риформинг углеводородов, предназначенный для получения синтез-газа, в принципе протекает в соответствующем слое катализатора в две последовательные стадии, на первой из которых происходит частичное окисление определенных углеводородов, а на второй происходит окончательное окисление тех углеводородов, которые не вступили в реакцию на первой стадии.

Известно, что для достижения высокого выхода на второй стадии риформинга или, иными словами, для полного окисления углеводородов необходимо обеспечить максимально равномерное распределение температуры и состава газа на входе в слой катализатора с тем, чтобы в каждой точке слоя катализатора катализатор мог работать в условиях, максимально близких к расчетным.

Известно также, что на входе в слой катализатора, в котором на второй стадии риформинга происходит окончательное окисление углеводородов, распределение температуры носит существенно неравномерный характер с большим, достигающим даже в самых лучших реакторах 60/70°С, перепадом Т температур в различных участках поверхности слоя катализатора, при котором катализатор уже не работает в расчетном режиме, в результате чего выход реакции снижается, а производственные затраты увеличиваются.

Краткое изложение сущности изобретения

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ вторичного каталитического риформинга углеводородов указанного в начале описания типа по существу с равномерным распределением или очень узким диапазоном возможного изменения во времени температуры слоя катализатора с небольшими отклонениями от расчетной величины, при которой катализатор работает в оптимальных условиях.

Основная идея настоящего изобретения, позволяющая решить эту задачу, заключается в том, что непосредственно перед первой стадией окисления углеводородов в процессе вторичного каталитического риформинга путем оптимального перемешивания потоков газов, один из которых содержит углеводороды, а другой - кислород, непрерывно получают поток газа, степень перемешивания которого обеспечивает равномерное и однородное протекание реакции окисления во всей массе газа.

Иными словами, на первой стадии предлагаемого в изобретении способа вторичного каталитического риформинга углеводородов реакция окисления углеводородов протекает по существу с равномерной степенью конверсии, и полученные в результате реакции окисления газы имеют один и тот же состав и попадают в слой катализатора с одной и той же температурой.

На основе указанной выше идеи указанная выше задача решается с помощью предлагаемого в изобретении способа вторичного каталитического риформинга углеводородов указанного в начале описания типа, отличающегося тем, что потоки газа перемешивают, закручивая по меньшей мере один из потоков вокруг направления подачи потоков газа в реактор.

В предпочтительном варианте первый поток газа, содержащего углеводороды, и второй поток кислородсодержащего газа на определенном по длине участке на входе в реактор подают в реактор отдельно друг от друга (один поток внутри другого) в определенном направлении вдоль одной и той же оси и перемешивают их за этим участком реактора, закручивая перед этим по меньшей мере внутренний поток газа вокруг направления подачи.

Закручивать предпочтительно второй поток кислородсодержащего газа.

В настоящем изобретении предлагается также реактор для каталитического риформинга углеводородов упомянутым выше способом.

Другие отличительные особенности и преимущества изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере одного из вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа вторичного каталитического риформинга со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, которые лишь иллюстрируют, но не ограничивают объем изобретения.

Краткое описание чертежей

На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показано:

на фиг.1 - схематичный вид в продольном разрезе реактора для риформинга углеводородов предлагаемым в изобретении способом,

на фиг.2 - схематичный вид в разрезе верхней части реактора, показанного на фиг.1, и

на фиг.3 - разрез одной из показанных на фиг.2 деталей предлагаемого в изобретении реактора.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

На фиг.1 показан обозначенный позицией 1 реактор, предназначенный для вторичного каталитического риформинга углеводородов предлагаемым в изобретении способом.

Реактор имеет по существу цилиндрический корпус 2 с вертикальной осью А-А и покрытую выдерживающим высокие температуры жаропрочным материалом внутреннюю поверхность, обозначенную на фиг.1 позицией 15. Внутреннее пространство реактора условно разделено на две сообщающиеся и расположенные одна над другой первую и вторую зоны Z1 и Z2. Нижняя зона Z2 реактора заполнена лежащим на соответствующем основании слоем 3 катализатора, верхняя "свободная" поверхность которого в плоскости В разделяет внутреннее пространство реактора на две зоны.

Корпус 2 реактора сверху и снизу закрыт соответственно коническими крышкой и днищем, которые ограничивают размеры расположенной в первой зоне Z1 реакционной камеры 5, нижняя граница которой лежит в плоскости В (в плоскости верхней поверхности слоя 3 катализатора), и сборника 6 продуктов реакции, соединенного с отводящим трубопроводом 16.

При каталитическом риформинге углеводородов предлагаемым в изобретении способом первый поток содержащего углеводороды газа и второй поток кислородсодержащего газа непрерывно подают в реактор в направлении, по существу параллельном его центральной оси А-А. При этом поток кислородсодержащего газа подают в реактор 1 по существу вдоль его центральной оси А-А.

В соответствии, в частности, с предпочтительным вариантом осуществления изобретения подаваемые в реактор потоки газа на определенном по длине участке 19 внутри реактора не смешиваются друг с другом и проходят по разным каналам, образованным жесткими, предпочтительно прямыми трубами 7 и 8, расположенными внутри реактора на одной оси концентрично друг другу. Вторая труба 7 проходит внутри первой трубы 8 и образует внутреннюю стенку расположенного между трубами канала 9 кольцевой формы.

Трубы 7 и 8 имеют определенную длину и доходят до зоны Z1, которая через эти трубы соединена с (не показаны) расположенными снаружи источниками первого и второго потоков газа. В предпочтительном варианте вторая труба 7 оканчивается в зоне 5 реакции и проходит вдоль центральной оси реактора.

Первый поток газа подают в зону реакции по кольцевому каналу 9, а второй поток газа - по расположенной внутри кольцевого канала на одной с ним оси второй трубе 7.

Первый поток газа, в котором содержатся углеводороды и который подают в кольцевой канал 9 через отверстие 11, ось С-С которого расположена перпендикулярно центральной оси А-А реактора, проходит через распределительное устройство 10, предназначенное для равномерного распределения скорости газа по поперечному сечению кольцевого канала 9.

Предлагаемый в изобретении реактор отличается от известных реакторов, в частности, тем, что второй поток кислородсодержащего газа закручивают в трубе 7 вокруг направления подачи.

Для закручивания (или завихрения) второго потока газа используют так называемый завихритель 12, расположенный во второй трубе 7 с отступом от ее нижнего открытого конца, расположенного в зоне Z1.

В качестве завихрителя 12 можно использовать завихритель с обычными и поэтому не показанными на чертежах наклонными или винтовыми ребрами, закручивающими поток проходящего через завихритель газа.

Закрученный второй поток газа, выходящий из нижнего открытого конца 18 трубы 7, движется по существу в радиальном направлении к стенкам камеры 5.

На выходе из трубы поверхностный слой закрученного второго потока газа встречается с движущимся в осевом направлении вторым потоком газа, вытесняет его к стенкам реакционной камеры 5 и перемешивается с ним.

Встречающиеся на входе в реакционную камеру первый и второй потоки газа вступают в реакцию, в результате которой содержащиеся в первом потоке газа углеводороды частично окисляются, и образуется третий поток газа, в котором кроме небольшого количества не вступивших в реакцию окисления углеводородов содержатся кислород и моноксид углерода.

Благодаря такой конструкции реактора и такому способу подачи газов с закручиванием второго потока газа происходит более интенсивное, чем при простом взаимодействии двух параллельных потоков газа, перемешивание газов в реакционной камере 5 и, как следствие этого, более равномерное развитие реакции частичного окисления углеводородов и образование водорода и моноксида углерода.

Равномерное распределение температуры и состава газов на поверхности слоя катализатора обеспечивает возможность работы катализатора в оптимальном режиме при расчетной температуре и определенном составе газов и позволяет увеличить выход реакции и уменьшить производственные затраты.

Третий поток газа, образовавшийся в результате перемешивания первого и второго потоков газа, подают в слой 3 катализатора, в котором продолжается реакция частичного окисления углеводородов.

Выходящие из слоя 3 катализатора газы собираются в сборнике 6 продуктов реакции и отбираются из реактора по трубопроводу 16.

В варианте, показанном на фиг.1-3, выходящий из расширяющегося открытого конца 18 второй трубы 7 поток кислородсодержащего газа движется в направлении стенок реакционной камеры 5.

В предпочтительном варианте открытый конец 18 второй трубы 7 переходит в расположенный на оси второй трубы 7 и сужающийся к ее центру усеченный конус 13 с углом раскрытия, или конусностью, которая может составлять от 30° включительно до 180° включительно, предпочтительно от 120 до 150°.

В предпочтительном варианте расположенный на конце второй трубы 7 усеченный конус 13 соединен со второй трубой 7 вогнутым (с относительно большим радиусом кривизны) переходником 17, отношение радиуса изгиба которого к диаметру второй трубы 7 составляет от 0,1 до 5, предпочтительно от 0,1 до 0,2.

В другом (не показанном на чертежах) варианте открытый конец 18 второй трубы непосредственно заканчивается вогнутым участком 13 (с относительно большим радиусом кривизны), отношение радиуса изгиба которого к диаметру второй трубы 7 составляет от 0,1 до 5, предпочтительно от 0,1 до 0,2.

Вторая труба 7 с переходником и/или с вогнутым участком 13 имеет на конце определенный профиль в форме явно выраженного раструба.

При наличии на конце второй трубы усеченного конуса или вогнутого патрубка 13 вытекающий из кольцевого канала 9 первый поток газа, содержащего углеводороды, обтекает снаружи стенку имеющего форму раструба конца второй трубы и отклоняется в радиальном направлении от оси к конической стенке реактора.

В конически расширяющемся участке канала сопла предварительно закрученный завихрителем второй поток газа "сцепляется" с изогнутыми стенками переходника 17 и коническими стенками усеченного конуса или вогнутого патрубка 13. Наличие такого сопла позволяет работать с низкими скоростями газа, не превышающими половину скорости газа, вытекающего из прямого нерасширяющегося конца внутренней трубы 7, и снижает потери давления, возникающие при упомянутом выше закручивании второго потока газа. В предлагаемом в изобретении сопле второй поток газа легко меняет свое первоначальное направление и движется по стенкам раструба наружу в направлении стенок реакционной камеры 5 параллельно первому потоку содержащего углеводороды газа.

В рассмотренном выше предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа вторичного каталитического риформинга углеводородов поток кислородсодержащего газа подают в зону реакции по трубе, расположенной внутри кольцевого канала, по которому в зону реакции подают поток содержащего углеводороды газа.

В другом, не показанном на чертежах варианте используют завихрители 12, расположенные и во второй трубе 7, и в кольцевом канале 9 и закручивающие оба потока газа, подаваемого в зону реакции.

Используемые в этом варианте завихрители закручивают потоки газа в противоположных направлениях, т.е. в противотоке или навстречу друг другу. Такое закручивание обоих потоков газа способствует их более эффективному перемешиванию при попадании в реакционную камеру 5.

Рассмотренный выше предпочтительный вариант осуществления изобретения не исключает возможности различных, связанных с конкретными требованиями изменений и усовершенствований, которые не должны выходить за объем изобретения, определяемый его формулой.

Изобретение относится к способу вторичного каталитического риформинга углеводородов и получения синтез-газа и реактору для его осуществления. При осуществлении способа в реактор подают первый поток содержащего углеводороды газа и второй поток кислородсодержащего газа. Один из этих потоков подают в реактор вдоль его продольной оси. Потоки газа смешивают в реакторе с одновременным окислением углеводородов, закручивая один из потоков газа вокруг направления подачи потоков газа в реактор и обеспечивая направление этого потока к стенкам реакционной камеры. Либо первый и второй потоки газа перемешивают, одновременно закручивая их в противоположных направлениях вокруг направления подачи газов в реактор. Реактор содержит вертикальный цилиндрический корпус, первую зону и вторую зону, слой катализатора, расположенный во второй зоне, реакционную камеру, расположенную в первой зоне, первую и вторую цилиндрическую трубу, сообщающиеся с реакционной камерой. Внутри второй трубы и/или первой и второй трубы расположен завихритель. Технический результат: равномерное и однородное протекание реакции окисления во всей массе газа. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ вторичного каталитического риформинга углеводородов и получения синтез-газа, при осуществлении которого в реактор подают первый поток содержащего углеводороды газа и второй поток кислородсодержащего газа, при этом по меньшей мере один из этих потоков подают в реактор в определенном направлении, по существу, параллельно продольной оси реактора, предпочтительно вдоль продольной оси реактора, и потоки газа смешивают в реакторе, по существу, с одновременным окислением углеводородов, содержащихся в первом потоке газа, кислородом, содержащимся во втором потоке газа, отличающийся тем, что потоки газа перемешивают, закручивая, по меньшей мере, один из потоков газа вокруг направления подачи потоков газа в реакторе и обеспечивая направление этого потока к стенкам реакционной камеры, и (или) первый и второй потоки газа перемешивают, одновременно закручивая их в противоположных направлениях вокруг направления подачи газов в реактор.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый поток содержащего углеводороды газа и второй поток кислородсодержащего газа на определенном по длине участке на входе в реактор подают в реактор отдельно друг от друга, один поток внутри другого, в определенном направлении вдоль одной и той же оси и перемешивают их за этим участком реактора, закручивая перед этим, по меньшей мере, один из внутренних соосных потоков вокруг направления подачи газов в реактор.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что второй поток кислородсодержащего газа подают в реактор внутри первого содержащего углеводороды газа вдоль одной и той же оси.

4. Реактор для вторичного каталитического риформинга углеводородов способом по п.1, содержащий, по существу, цилиндрический корпус (2), по существу, с вертикальной осью (А-А), первую зону (Z1) и вторую зону (Z2), разделенные плоскостью (В), перпендикулярной вертикальной оси (А-А) корпуса реактора, и сообщающиеся друг с другом, слой (3) катализатора, расположенный во второй зоне, реакционную камеру (5), расположенную в первой зоне (Z1), первую трубу (8), сообщающуюся с реакционной камерой (5), и вторую, цилиндрическую, трубу (7), по существу, с вертикальной осью (А-А), сообщающуюся с реакционной камерой (5), отличающийся тем, что внутри второй трубы (7) расположен завихритель (12), закручивающий поток протекающего по трубе газа, и эта труба (7) имеет открытый конец (18), выполненный с обеспечением направления потока выходящего из нее газа к стенкам реакционной камеры (5), и (или) указанным завихрителем снабжена как первая, так и вторая трубы, обеспечивая закручивание первого и второго потоков в противоположных направлениях.

5. Реактор по п.4, отличающийся тем, что первая труба (8) имеет цилиндрическую форму, а вторая труба (7) расположена концентрично внутри первой трубы (8) на ее оси.

6. Реактор по п.4, отличающийся тем, что вторая цилиндрическая труба (7) входит в реакционную камеру (5).

7. Реактор по п.4, отличающийся тем, что на открытом конце (18) второй трубы (7) расположен сужающийся к центру трубы усеченный конус (13), ось которого совпадает с осью трубы (7), а конусность составляет от 30 до 180°.

8. Реактор по п.7, отличающийся тем, что расположенный на открытом конце (18) второй трубы (7) усеченный конус соединен с трубой вогнутым переходником (17), отношение радиуса изгиба которого к диаметру второй трубы (7) составляет от 0,1 до 5.

9. Реактор по п.4, отличающийся тем, что на открытом конце (18) второй трубы (7) расположен вогнутый патрубок (13), отношение радиуса изгиба которого к диаметру второй трубы (7) составляет от 0,1 до 5.