РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА Российский патент 2012 года по МПК C01B3/38 

В последние годы во всем мире интенсивно развиваются исследования и ведется проектирование и строительство ряда объектов, которые направлены на использование природного газа, преимущественно для производства моторного топлива, а также в энергоустановках на топливных элементах, водогрейных системах для генерации тепла. С экологической точки зрения природный газ имеет большие перспективы не только как энергоноситель, но и как сырье для химической и нефтехимической отраслей промышленности, в частности, получаемые из него моторные топлива удовлетворяют действующим и перспективным стандартам промышленно развитых стран мира по содержанию в них олефинов, бензола и других ароматических углеводородов, а также примесей серы. Первой стадией производства топлив из природного газа является получение синтез-газа (смеси водорода и оксида углерода). На его долю приходится около 2/3 капиталовложений в промышленную сферу. Именно поэтому разработка новых и совершенствование существующих процессов получения синтез-газа является весьма актуальной задачей. В современной промышленности синтез-газ получают различными методами окислительной конверсии природного газа (метана) - это паровая (парокислородная) конверсия, углекислотная конверсия и парциальное окисление кислородом.

Предлагаемое изобретение, как наименее энергозатратное, относится к реакторам для осуществления парциального окисления газовоздушных смесей с применением соответствующих катализаторов.

Из уровня техники известно широкое многообразие таких реакторов, например.

Известно устройство, которое может работать в режиме частичного окисления углеводородного газа. Устройство предполагает для обеспечения изотермического режима окисления углеводородного газа использование пакета, в котором имеются последовательно расположенные инертные «теплопроводные пластины» и каталитические пластины, при этом изотермичность процесса обеспечивается хорошей (радиальной) теплопроводностью только «теплопроводной пластины» (см. патент RU 2175799 от 25.03.1997 г.). Известно, что парциальное окисление протекает через стадию сжигания метана и последующие реакции риформинга, поэтому из-за высокой экзотермичности реакции сжигания в первой части неподвижного слоя катализатора возникают «горячие точки» и поэтому каталитическое парциальное окисление метана проводят в реакторах при малых временах контакта (доли секунд) и термической теплопроводности слоя не менее 0,15 Дж/(сек·м·К) [M.Fathi, R.H.Hofstad, T.Sperle, O.A.Rokstad, A.Holmen. Partial oxidation of methane to synthesis gas at very short contact times. // Catalysis Today 42, 1998, p.205-209]. Толщина каталитического слоя обеспечивает полную конверсию метана при времени контакта не выше 0,3 сек. Температура в каталитическом слое поднимается до 750-850°С. Наиболее подходящим материалом, пригодным работать в данных условиях длительное время, является сплав состава Fe-Ni-Cr-Al или Fe-Cr-Al. Передача тепла от поверхности каталитического слоя во внешний объем осуществляется в основном посредством конвекции и инфракрасного излучения, поэтому избежать возникновения локальных «горячих точек» на каталитической пластине возможно лишь значительным увеличением теплопроводности носителя катализатора, которая позволит перераспределить температуру по поперечному сечению каталитической пластины.

Недостатком данной конструкции является то, что изотермичность процесса обеспечивается установкой инертных «теплопроводных пластин». Эти пластины являются балластной массой в конструкции, и при теплопроводности материала этих пластин менее 16 Дж/(сек·м·К) пластины должны иметь толщину, в несколько раз большую, чем толщина каталитических пластин.

Известен также каталитический реактор для получения синтез-газа радиального типа, содержащий газораспределительную трубку со слоем катализатора, который выполнен в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с газораспределительной трубкой с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами. Реактор имеет устройство подогрева для запуска его в работу. Газораспределительная трубка имеет отверстия перфорации с диаметром, меньшим критического диаметра, для предотвращения проникновения пламени внутрь газораспределительной трубки. В качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий активные компоненты: родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смеси (см. патент RU 2208475 от 26.04.2001 г.).

Недостатком данной конструкции реактора является отсутствие освоенных промышленностью серийных технологий изготовления армированных пористых материалов, высокая трудоемкость и снижение общей каталитической активности в связи с использованием армирующих материалов.

Наиболее близким решением по решаемой технической задаче является устройство для получения синтез-газа радиального типа. Данное устройство содержит герметичный цилиндрический корпус с расположенными в нем: смесителем, запальной свечой или электрическим нагревательным элементом, газораспределительной перфорированной трубкой и катализатором. Катализатор выполнен в виде пакета чередующихся между собой кольцевых теплопроводных металлопористых каталитических пластин и теплопроводных сепараторов, установленных перпендикулярно оси газораспределительной перфорированной трубки. Материал сепаратора - сплав Fe-Cr-Ni-Al. Co стороны входа реформируемого потока пазы сепаратора выполнены меньшей ширины, с целью обеспечения равномерного распределения массового потока как по сечению, так и по длине каталитического блока. В качестве катализатора используют активные компоненты, содержащие родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смеси. Материал металлопористых теплопроводных пластин - сплавы Fe-Ni-Cr-Al или Fe-Cr-Al с добавками иттрия. Кольцевой зазор, образованный внутренней поверхностью корпуса и наружной цилиндрической поверхностью каталитического пакета, образует коллектор отвода синтез-газа. Равномерное распределение реформируемой смеси по длине каталитического пакета обеспечивается газораспределительной перфорированной трубой, при этом диаметр отверстий перфорации должен быть меньше критического. Внутри газораспределительной перфорированной трубки расположена система газового запуска, которая состоит из смесителя и запальной свечи (накаливания или искровой) или электрического нагревательного элемента (ТЭНа). Смеситель выполнен в виде центральной трубки с соплами-отверстиями, расположенными нормально наружной поверхности трубки для подачи углеводородного газа и кольцевой трубки, охватывающей центральную трубку для подачи воздуха, причем поток воздуха с помощью тангенциального ввода закручен относительно оси центральной трубки. Сопла подачи углеводородного газа расположены равномерно как по длине центральной трубки, так и по ее образующей, что обеспечивает гомогенность смеси углеводородный газ-воздух как на этапе парциального окисления, так и при пуске (разогреве) - в режиме полного окисления. При этом давление углеводородного газа должно быть несколько больше давления воздуха. Запуск реактора осуществляется прогревом каталитического пакета до температуры начала реакции парциального окисления. Прогрев каталитического пакета осуществляется прогревом продуктами окисления углеводородного газа, при этом воспламенение смеси углеводородный газ-воздух производится запальной свечой накаливания или искровой (патент РФ №2286308, С01В 3/38).

Недостатком известной конструкции каталитического реактора также является недостаточная эффективность каталитической конверсии метана в синтез-газ.

В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого реактора, конструкция которого позволяет повысить эффективность каталитической конверсии метана в синтез-газ, за счет улучшения смешения газа с воздухом посредством формирования встречных распределенных потоков обрабатываемого газа с потоком воздуха и объединения процесса переработки газовоздушной смеси с процессом ее охлаждения.

Поставленная задача достигается за счет того, что в реакторе для получения синтез-газа, содержащем герметичную камеру колонного типа, сформированную тремя технологическими зонами - зоной смешения и нагрева газовоздушной смеси, зоной ее обработки и зоной отвода обработанной смеси, с расположенными внутри нее: средством нагрева обрабатываемой газовоздушной смеси в зоне нагрева и смешения; газораспределительным средством; катализатором, состоящим из комплекта каталитически активных структурированных элементов, установленных и зафиксированных на основании; индивидуальные средства подвода обрабатываемого газа и воздуха газовоздушной смеси в зону их нагрева и смешения и средство отвода обработанной смеси из зоны ее отвода, согласно изобретению средство отвода обработанной смеси конструктивно организовано в виде системы дискретных охлаждаемых пространственно разнесенных трубчатых элементов, каждый из которых выполнен по типу змеевика с максимальной поверхностью теплоотдачи, с возможностью формирования в полостях трубчатых элементов распределенных потоков с последующей их интеграцией на выходе из данной системы, газораспределительное средство конструктивно сформировано в виде системы дискретных пространственно разнесенных трубчатых элементов, расположенных с возможностью охвата элементов катализатора, которые функционально являются средством позиционирования и фиксации этих элементов и формирования в зоне нагрева и смешения встречных распределенных потоков обрабатываемого газа потоку, подаваемого в упомянутую герметичную камеру воздуха, при этом средство отвода обработанной смеси размещено в дополнительной герметичной камере со средством подвода охлаждающего агента, оснащенной на входе распределительной камерой, сформированной профилированным днищем камеры колонного типа и верхней крышкой дополнительной камеры, а на выходе - средством интеграции распределенных потоков обработанной смеси в единый поток, функционально являющимся зоной отвода обработанной смеси.

Целесообразно в реакторе для получения синтез-газа основание катализатора выполнять в виде индивидуальной камеры, оснащенной дополнительным средством охлаждения обработанной смеси.

Оптимально в реакторе для получения синтез-газа катализатор оснащать сепараторами, и располагать их между каталитическими активными элементами, каждый из которых, т.е. сепаратор, выполнять в виде плоской профильно-перфорированной пластины, с возможностью дробления ниспадающего потока обрабатываемой газовоздушной смеси.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 изображена общая схема реактора для получения синтез-газа.

Реактор для получения синтез-газа содержит следующие средства и элементы. Герметичную камеру 1 колонного типа, с расположенными внутри нее: средством 2 нагрева для нагрева газовоздушной смеси в зоне 3 нагрева и смешения; газораспределительным средством 4, конструктивно сформированным в виде системы дискретных пространственно разнесенных трубчатых элементов 5; катализатором 6, состоящим из комплекта каталитически активных структурированных элементов 7, которые позиционированы и зафиксированы на основании 8, охватываемые элементами 5 газораспределительного средства 4.

Катализатор 6 может быть выполнен на базе металлического носителя из перфорированной фольги, изготовленной из высокотемпературного сплава с ориентированными параллельно оси каналами, и конструктивно объединен с индивидуальной камерой охлаждения. За счет этого обеспечиваются: необходимая для процесса получения синтез-газа геометрическая поверхность и оптимальный температурный режим, интенсивный теплоотвод избыточного тепла из зоны реакции, минимизация местных перегревов в зоне реакции, сохранение высокой дисперсности каталитических кластеров и их длительной работоспособности при минимальном газодинамическом сопротивлении.

Реактор также оснащен средством 9 подвода обрабатываемого газа, средством 10 подвода воздуха в зону 3 их нагрева и смешения и средством 11 отвода обработанной смеси из распределительной камеры 12, сформированной профилированным днищем камеры 1 и верхней крышкой 13. При этом средство 11 отвода обработанной смеси конструктивно организовано в виде системы дискретных охлаждаемых пространственно разнесенных трубчатых элементов 14, каждый из которых сформирован по типу змеевика с максимальной поверхностью теплоотдачи, и расположен с возможностью формирования в полостях трубчатых элементах 14 распределенных потоков, поступающих из распределительной камеры 12 с последующей их интеграцией на выходе из данной системы. Средство 11 отвода обработанной смеси размещено в герметичной камере 15 со средством 16 подвода охлаждающего агента. При этом на входе камеры 15 размещена распределительная камера 12, а на выходе - средство 17 интеграции распределенных потоков обработанной смеси в единый поток, функционально являющееся зоной отвода обработанной газовоздушной смеси.

Распределительная камера 12 может быть соединена со средством 18 охлаждения основания 8, которое может быть выполнено, например, в виде индивидуальной камеры.

Кроме того, основание 8 катализатора 6 может выполнено, например, в виде индивидуальной камеры с расположенным в ней указанным средством 18 охлаждения обработанной смеси. А катализатор 6 может быть оснащен сепараторами 19, расположенными между каталитическими активными элементами 7, каждый из которых, т.е. сепаратор, может быть выполнен в виде плоской профильно-перфорированной пластины, установленной с возможностью дробления ниспадающего потока обрабатываемой газовоздушной смеси.

Работа реактора для получения синтез-газа осуществляется следующим образом.

В начале технологического цикла осуществляется нагнетание под технологически заданным давлением в предварительно нагретую средством 2 нагрева зону 3 нагрева и смешения потоков исходных реагентов - углеводородного (природного) газа и воздуха. Подача исходных реагентов в зону 3 нагрева и смешения герметичной камеры 1 колонного типа обеспечивается средством 9 подвода обрабатываемого газа и средством 10 подвода воздуха, установленного в головной части камеры 1. В зоне 3 нагрева и смешения происходит преобразование потоков углеводородного газа и воздуха за счет их смешения в поток газовоздушной смеси. При этом смешение указанных потоков осуществляется значительно интенсивнее, чем в известном реакторе посредством перемешивания распределенных потоков, поступающих из газораспределительного средства 4 обрабатываемого газа, конструктивно сформированного в виде системы дискретных пространственно разнесенных трубчатых элементов 5, со встречным ниспадающим потоком воздуха. Помимо своей основной функции, а именно подачи природного газа, газораспределительное средство 4 решает и дополнительную техническую задачу за счет своего конструктивного исполнения и места его расположения. А именно своими трубчатыми элементами 5 охватывает катализатор 6, являясь тем самым ограничителем и фиксатором для каталитически активных структурированных элементов 7 и сепараторов 19, входящих в состав катализатора 6. Каждый из сепараторов 19 для увеличения время и площади контакта смеси может быть выполнен в виде плоской профильно-перфорированной пластины, установленной с возможностью дробления ниспадающего потока обрабатываемой газовоздушной смеси.

После перемешивания в зоне 3 нагрева и смешения газовоздушная смесь проходит через катализатор 6, подвергаясь при этом окислению с выходом предварительно обработанной смеси, содержащей до 33% водорода и до 16-17% оксида углерода и дальше поступает, проходя через распределительную камеру 12, в средство 11 отвода обработанной смеси. Газовоздушная смесь может поступать в распределительную камеру 12 предварительно охлажденной, проходя через средство 18 охлаждения обработанной смеси. В средстве 11 смесь, проходя распределенными потоками по охлаждаемым трубчатым элементам 14, в которых помимо охлаждения смеси происходит компенсации линейных тепловых удлинений, упомянутые потоки объединяются в зоне отвода обработанной смеси, т.е. в средстве 17 интеграции распределенных потоков. Затем обработанная смесь, т.е. полученный синтез-газ, например, через патрубок средства 11, подается для изготовления моторного топлива. В предложенной установке стадия подготовки метано-воздушной смеси решена более эффективно, чем в прототипе. Подготовка смеси - подогорев, смешивание, возможность регулировки параметров, как по расходу компонентов, их соотношению, температурам и давлению - все это возможно регулировать, в том числе и для исключения сажеобразования.

По результатам предварительных экспериментов и анализа существующих конструкций предлагаемый генератор наиболее интересен для получения синтез-газа на установках особо малой и малой производительности (до 1000-1500 м куб. в час по метану), в которых увеличение габаритов за счет теплообменника и зоны подготовки смеси не будет играть существенной роли, но при этом будет обеспечена высокая селективность и высокая скорость конверсии - до 45000 л/час. Кроме того, конструкция реактора будет иметь хорошую ремонтопригодность, что позволит произвести за короткое время ремонт активной зоны и замену катализаторов.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет значительно повысить эффективность каталитической конверсии метана в синтез-газ, за счет улучшения смешения газа с воздухом посредством формирования встречных распределенных потоков обрабатываемого газа с потоком воздуха и объединения процесса переработки газовоздушной смеси с процессом ее охлаждения.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Свойства регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для осуществления парциального окисления газовоздушных смесей с применением соответствующих катализаторов и может быть реализован в качестве реактора для получения синтез-газа;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Изобретение может быть использовано для производства моторного топлива, а также в энергоустановках на топливных элементах, водогрейных системах для генерации тепла. Предварительно нагретые средством 2 природный газ и воздух подают в зону 3 нагрева и смешения потоков исходных реагентов герметичной камеры 1. Смешение указанных потоков осуществляется посредством перемешивания распределенных потоков, поступающих из газораспределительного средства 4 обрабатываемого газа, со встречным ниспадающим потоком воздуха. Газораспределительное средство 4 обрабатываемого газа конструктивно сформировано в виде системы дискретных пространственно разнесенных трубчатых элементов 5. После перемешивания в зоне 3 газовоздушная смесь проходит через катализатор 6. Смесь, содержащая водород и оксид углерода, проходит через средство 18 охлаждения обработанной смеси, распределительную камеру 12 и далее поступает в герметичную камеру 15. Обработанные распределенные потоки смеси проходят по охлаждаемым трубчатым элементам 14 и объединяются в средстве 17 интеграции распределенных потоков. Полученный синтез-газ отводят через патрубок средства 11 отвода обработанной смеси. Изобретение позволяет улучшить смешение газа с воздухом посредством формирования встречных распределенных потоков обрабатываемого газа с потоком воздуха и объединения процесса переработки газовоздушной смеси с процессом ее охлаждения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Реактор для получения синтез-газа, содержащий герметичную камеру колонного типа, сформированную тремя технологическими зонами - зоной смешения и нагрева газовоздушной смеси, зоной ее обработки и зоной отвода обработанной смеси, с расположенными внутри нее средством нагрева обрабатываемой газовоздушной смеси в зоне нагрева и смешения; газораспределительным средством; катализатором, состоящим из комплекта каталитически активных структурированных элементов, установленных и зафиксированных на основании; индивидуальных средств подвода обрабатываемого газа и воздуха газовоздушной смеси в зону их нагрева и смешения и средство отвода обработанной смеси из зоны ее отвода, отличающийся тем, что средство отвода обработанной смеси конструктивно организовано в виде системы дискретных охлаждаемых пространственно разнесенных трубчатых элементов, каждый из которых выполнен по типу змеевика с максимальной поверхностью теплоотдачи, с возможностью формирования в полостях трубчатых элементов распределенных потоков с последующей их интеграцией на выходе из данной системы; газораспределительное средство конструктивно сформировано в виде системы дискретных пространственно разнесенных трубчатых элементов, расположенных с возможностью охвата элементов катализатора, которые функционально являются средством позиционирования и фиксации этих элементов и формирования в зоне нагрева и смешения встречных распределенных потоков обрабатываемого газа потоку, подаваемого в упомянутую герметичную камеру воздуха; при этом средство отвода обработанной смеси размещено в дополнительной герметичной камере со средством подвода охлаждающего агента, оснащенной на входе распределительной камерой, сформированной профилированным днищем камеры колонного типа и верхней крышкой дополнительной камеры, а на выходе - средством интеграции распределенных потоков обработанной смеси в единый поток, функционально являющимся зоной отвода обработанной смеси.

2. Реактор для получения синтез-газа по п.1, отличающийся тем, что основание катализатора выполнено в виде индивидуальной камеры, оснащенной дополнительным средством охлаждения обработанной смеси.

3. Реактор для получения синтез-газа по п.1, отличающийся тем, что катализатор оснащен сепараторами, расположенными между каталитическими активными элементами, каждый из которых, т.е. сепаратор, выполнен в виде плоской профильно-перфорированной пластины с возможностью дробления ниспадающего потока обрабатываемой газовоздушной смеси.