СПОСОБ И АППАРАТ ДЛЯ РИФОРМИНГА УГЛЕВОДОРОДОВ Российский патент 2015 года по МПК C01B3/38 B01J8/06 

Настоящее изобретение относится к способу и аппарату для производства газа с высоким содержанием водорода, в частности синтез-газа для производства аммиака, метанола, диметилового эфира (DME), водорода и углеводородов путем синтеза Фишера-Тропша. Более конкретно, изобретение относится к способу получения синтез-газа путем использования теплообменного риформинга, при котором добавляют охлаждающую среду, а также к аппарату, используемому для этих целей.

Применение потока продукта - подвергнутого риформингу газа - в качестве источника тепла при теплообменном риформинге известно в данной области техники. В ЕР-А-0033128 и ЕР-А-0334540 раскрыты параллельные системы, в которых углеводородный материал вводится параллельно в радиационную печь и устройство теплообменного риформинга. Частично газ, подвергнутый риформингу, из радиационной печи впоследствии используется в качестве источника тепла для реакций риформинга в устройстве теплообменного риформинга.

В европейской заявке ЕР-А-0440258 нами раскрыт способ, в котором углеводородный материал вначале пропускают через первое устройство теплообменного риформинга с получением подвергнутого частичному риформингу потока. Затем подвергнутый частичному риформингу поток вводят параллельно в радиационную печь и второе устройство теплообменного риформинга. Потоки продукта из обоих устройств риформинга объединяют и вводят в устройство автотермического риформинга. Полученный газ из устройства автотермического риформинга используют в качестве источника тепла во втором устройстве теплообменного риформинга, а полученный газ из указанного второго устройства теплообменного риформинга используют в качестве источника тепла в первом устройстве теплообменного риформинга.

В патенте US 4,376,717 и нашей заявке US 2009/0184293 раскрыт способ, в котором углеводородный материал вначале пропускают через радиационную печь (трубчатое устройство риформинга); а затем подвергнутый частичному риформингу газ подвергают теплообменному риформингу и, наконец, автотермическому риформингу. Получаемый из последнего устройства газ используют в качестве источника тепла для теплообменного риформинга. Как раскрыто в заявке US 2009/0184293, нами обнаружено, что способ, при котором весь углеводородный материал пропускают через радиационную печь, устройство теплообменного риформинга и автотермического риформинга в последовательной системе, обеспечивает значительное снижение риска образования металлической пыли. В известных установках, в которых устройства теплообменного риформинга расположены параллельно или последовательно с радиационной печью или устройством автотермического риформинга, металлические детали устройства теплообменного риформинга испытывают воздействие низких температур, поскольку отходящий из устройства автотермического риформинга газ охлаждается при прохождении через устройство теплообменного риформинга.

Соответственно, металлические детали устройства теплообменного риформинга оказываются в недопустимом диапазоне температур образования металлической пыли.

В японском патенте JP 59217605 раскрыто устройство, корпус которого содержит часть для реакции водяного газа с использованием СО и часть риформинга. Это устройство представляет собой компактный аппарат, способный производить водород из углеводородов. Другие аппараты для производства синтез-газа описаны в патенте US 3334971 и заявке US 2005287053.

Нами обнаружено, что способ и аппарат, в которых технологический газ, такой как углеводородный материал, пропускают через устройство теплообменного риформинга и добавляют охлаждающую среду в устройство теплообменного риформинга отдельно от реального технологического газа, подаваемого в это устройство риформинга, обеспечивают значительно более дешевое устройство теплообменного риформинга.

В самом широком аспекте данное изобретение, определенное в п.5 формулы изобретения, обеспечивает способ получения синтез-газа из углеводородного сырья, включающий пропускание углеводородного сырья через этап риформинга в устройстве теплообменного риформинга, содержащем множество катализаторных труб, содержащих катализатор риформинга в непрямой теплопроводной взаимосвязи с теплоносителем, и вывод из устройства теплообменного риформинга синтез-газа в виде потока подвергнутых риформингу углеводородов, отличающийся тем, что этот способ дополнительно включает добавление охлаждающей среды в устройство теплообменного риформинга.

Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения указаны в пунктах 6-12 формулы изобретения.

Термин “катализаторные трубы” означает трубы, заполненные катализатором, таким как частицы катализатора, образующие неподвижный слой, или трубы, в которых катализатор удерживается в виде покрытия или нанесен в качестве покрытия на фольгу, расположенную на внутреннем периметре трубы, либо трубы, на которые катализатор нанесен в виде покрытия или внутри которых расположены пропитанные катализатором структурные элементы, такие как монолиты.

Термин “в непрямой теплопроводной взаимосвязи” означает отсутствие прямого контакта между катализатором и теплоносителем и, таким образом, между потоком, проходящим через катализатор, и теплоносителем, поскольку они разделены металлической стенкой, т.е. стенкой трубы, содержащей катализатор.

Углеводородное сырье предпочтительно смешивают с паром перед подачей в устройство теплообменного риформинга.

Предпочтительно, в связи с вышеизложенным и одним или несколькими из приведенных ниже вариантов осуществления, способ дополнительно включает добавление охлаждающей среды непосредственно в несущую конструкцию труб устройства теплообменного риформинга.

Термин “несущая конструкция труб” означает конструкцию, непосредственно контактирующую с внешней поверхностью катализаторных труб и механически удерживающую эти трубы внутри устройства риформинга. Далее несущая конструкция труб может также называться трубной решеткой.

Соответственно, охлаждающую среду вводят в точке реактора, в которой она может вступить в прямой контакт с металлическими деталями трубной решетки и, одновременно, с внешними металлическими частями каталитических труб, пересекающими трубную решетку. Как правило, несущая конструкция труб (трубная решетка) расположена в верхней части устройства теплообменного риформинга. Охлаждающая среда заполняет верхнюю камеру устройства риформинга, расположенную над несущей конструкцией труб, и конструкция, таким образом, охлаждается.

В другом варианте осуществления, в связи с вышеизложенным и одним или несколькими из приведенных ниже вариантов осуществления, способ дополнительно включает смешивание охлаждающей среды, предпочтительно пара, в устройстве теплообменного риформинга с углеводородным сырьем, поступающим в устройство теплообменного риформинга. Предпочтительно, охлаждающую среду вводят в устройство теплообменного риформинга в точке по длине устройства теплообменного риформинга, соответствующей уровню, на котором расположена трубчатая конструкция.

Таким образом, трубчатая конструкция охлаждается за счет непосредственного контакта с охлаждающей средой. Пар может быть получен из пара, добавляемого к углеводородному сырью на предшествующей, первой стадии риформинга, такой как первичный риформинг в устройстве паро-метанового риформинга (SMR).

Несмотря на то, что теплообменный риформинг является эндотермическим процессом и поэтому требует подвода энергии, добавление охлаждающей среды, предпочтительно, охлаждающего газа, такого как пар, в устройство теплообменного риформинга создает холодный край металлических деталей устройства риформинга, что позволяет построить механически устойчивую опору для труб и использовать материалы, которые не предназначены специально для того, чтобы быть устойчивыми к образованию металлической пыли. При этом рабочие характеристики риформинга не ухудшаются.

Предпочтительно, охлаждающая среда контактирует с углеводородным сырьем за пределами катализаторных труб. Охлаждающая среда проникает через трубчатую структуру, например через одно или несколько отверстий в ней, и проходит через зону устройства теплообменного риформинга вне катализаторных труб, где охлаждающая среда может быть смешана с поступающим углеводородным сырьем (подаваемым газом), таким образом, образуя углеводородно-паровую смесь, которая впоследствии вступает в контакт с катализатором, расположенным в катализаторных трубах. См. также Фиг.2. Более предпочтительно, охлаждающая среда вступает в контакт с углеводородным сырьем внутри катализаторных труб, а наиболее предпочтительно - до контакта с катализатором в трубах. Охлаждающая среда проходит внутрь катализаторных труб через одно или несколько отверстий, выполненных в верхней части катализаторных труб на уровне, по сути соответствующем уровню расположения трубчатой структуры и который, как правило, выше уровня заполнения катализатором катализаторных труб. См. Фиг.1. В любом из указанных выше вариантов, т.е. вне катализаторных труб или внутри катализаторных труб, охлаждающая среда пребывает в теплопроводящем отношении с трубчатой структурой и в связи по текучей среде с катализатором в катализаторных трубах.

В еще одном варианте осуществления изобретения, в связи с одним или несколькими из указанных выше или ниже вариантов осуществления, способ дополнительно включает прохождение синтез-газа из устройства теплообменного риформинга через стадию автотермического риформинга (ATR) (или этап вторичного риформинга) с неподвижным слоем катализатора или стадию частичного окисления (РОх), необязательно с неподвижным слоем катализатора, вывод горячего отходящего потока синтез-газа, по меньшей мере часть которого используется в качестве теплоносителя в устройстве теплообменного риформинга, и вывод из устройства теплообменного риформинга конечного потока охлажденного синтез-газа. Таким образом, появляется возможность дополнительного риформинга синтез-газа из устройства теплообменного риформинга и использования газа, дополнительно подвергнутого риформингу, в качестве теплоносителя в устройстве теплообменного риформинга. Таким образом, охлажденный дополнительно подвергнутый риформингу газ впоследствии используют в качестве синтез-газа для производства аммиака, метанола, диметилового эфира (DME), углеводородов путем синтеза Фишера-Тропша или водорода, как определено в зависимом п.12.

Для специалиста в данной области техники будет очевидно, что при производстве аммиака стадия автотермического риформинга (ATR) по существу представляет собой этап вторичного риформинга.

В некоторых случаях этап частичного окисления (РОх) осуществляют без применения катализатора, однако, предпочтительно, частичное окисления (РОх) осуществляется с использованием неподвижного слоя катализатора.

Изобретение также включает используемое для осуществления данного способа устройство теплообменного риформинга. Таким образом, как указано в п.1, предложен аппарат (100) для производства синтез-газа из углеводородного сырья, включающий внешнюю оболочку (101); множество вертикально расположенных катализаторных труб (102), содержащих катализатор риформинга (103), заполняющий часть катализаторных труб (102); несущую конструкцию катализаторных труб (104), расположенную выше уровня заполнения катализатором (103) труб (102); средства (105) для непрямого нагрева катализаторных труб (102) теплообменной средой (10); входной канал (106) для подачи указанной теплообменной среды (10); выходной канал (107) для вывода указанной теплообменной среды после передачи средой тепла катализатору (103) внутри катализаторных труб (102); входной канал (108) для подачи углеводородного сырья (11), которое находится во взаимодействии в текучей форме с катализатором (103) внутри катализаторных труб (102); выходной канал (109) для вывода синтез-газа (12) после прохождения через катализаторные трубы (102); входной канал (110) для подачи охлаждающей среды (13), в котором эта охлаждающая среда (13) пребывает в теплопроводящей взаимосвязи, предпочтительно, прямой теплопроводящей взаимосвязи, со структурой катализаторных труб (104) и во взаимодействии в текучей форме с катализатором (103) внутри катализаторных труб (102).

Термин “во взаимодействии в текучей форме с катализатором” означает, что текучая среда, такая как углеводородное сырье, непосредственно контактирует с катализатором. Таким образом, следует понимать, что поскольку охлаждающая среда также находится во взаимодействии в текучей форме с катализатором, охлаждающая среда и углеводородное сырье находятся во взаимодействии в текучей форме друг с другом.

Термин “в теплопроводящей взаимосвязи” включает прямую и косвенную передачу тепла. Таким образом, термин "в прямой теплопроводящей взаимосвязи" включает теплопередачу, при которой охлаждающая среда находится в прямом контакте с трубчатой структурой, т.е. непосредственно контактирует с металлическими деталями трубчатой структуры, тем самым обеспечивая быстрое охлаждение и защиту этих металлических деталей. Как правило, устройства теплообменного риформинга, расположенные между устройством парового преобразования метана (SMR) и устройством автотермического риформинга ATR (или устройством вторичного риформинга), сильно нагреваются: углеводородное сырье, поступающее в устройства теплообменного риформинга, имеет температуру в диапазоне от 750 до 1030°С, т.е. температуру, при которой металлические детали испытывают негативное воздействие и начинают терять прочность. Возможно добавление охлаждающей среды, предпочтительно пара, имеющей значительно более низкую температуру, как правило, 380°С. Пар может поступать из устройства теплообменного риформинга, но, предпочтительно, его вводят в поток риформинга, проходящий через катализаторные трубы, что оказывает на них положительное влияние. Таким образом, несущая конструкция труб может быть изготовлена из недорогих материалов, например материалов, отличных от инконеля (Inconel), поскольку температура несущей конструкции труб может быть значительно снижена, например до 400-450°С. Когда охлаждающая среда передает свое тепло трубчатой структуре через поверхность между ними, теплопроводящая взаимосвязь называется косвенной.

В связи с одним или несколькими из указанных выше или ниже вариантов осуществления устройство теплообменного риформинга предпочтительно выбирают из байонетного трубчатого реактора, кожухотрубного теплообменника и реактора с двойными трубами, в котором катализатор расположен внутри двойных труб, снаружи двойных труб и как снаружи, так и внутри двойных труб.

В конкретном варианте осуществления с использованием байонетного трубчатого реактора по меньшей мере одна из катализаторных труб (трубка риформинга) в этом устройстве риформинга представлена в форме внешней и внутренней трубы, где внешняя труба имеет U-образную форму и содержит катализатор риформинга, а внутренняя труба расположена концентрически и служит для вывода отходящего потока частично подвергнутого риформингу углеводорода из внешней трубы, внешняя труба концентрически окружена гильзой, расположенной на расстоянии от внешней трубы и предназначенной для передачи горячего отходящего потока от устройства автотермического риформинга (или вторичного риформинга) в косвенной теплопроводящей взаимосвязи с реагирующим сырьем в наружной трубе путем пропускания горячего отходящего потока в пространстве между гильзой и наружной трубой.

В случае байонетного трубчатого реактора пар в камере смешивается за пределами катализаторных труб. Пар непосредственно контактирует с трубчатой структурой, охватывает часть всех катализаторных труб, проходящих через трубчатую структуру, проникает в трубчатую структуру, через, например, отверстие рядом с катализаторной трубой и смешивается с подаваемым газом. Комбинированный газ поступает в верхнюю часть катализаторных труб и продолжает перемещаться вниз, внутрь катализаторных труб. Под действием более высокого давления пара в камере пар поступает в катализаторные трубы и, таким образом, участвует в реакции риформинга.

В случае, если устройство теплообменного риформинга представляет собой кожухотрубный теплообменник, предпочтительно, чтобы подвергнутый частичному риформингу поток, выходящий из катализаторных труб в устройстве теплообменного риформинга, подавался в устройство автотермического риформинга (или вторичного риформинга), а горячий отходящий газ из устройства автотермического риформинга проходил через сторону кожуха устройства теплообменного риформинга для косвенного нагрева реакций риформинга, протекающих в катализаторных трубах.

В случае, если устройство теплообменного риформинга представляет собой реактор с двойными трубами, в котором катализатор расположен внутри двойных труб, катализатор расположен снаружи двойных труб, и катализатор расположен как снаружи, так и внутри двойных труб, отходящий газ стадии автотермического риформинга проходит через кольцевую область двойных труб, а газ, подлежащий дальнейшему риформингу, пропускается через катализатор, расположенный внутри двойных труб и, необязательно, также и снаружи двойных труб. Двойная труба по существу представляет собой структуру из двух расположенных по существу концентрически труб. Пространство между стенками труб определяет кольцевую область, через которую протекает теплообменная среда, в этом случае поступающая из зоны автотермического риформинга (или вторичного риформинга).

В частности, в случае, когда устройство теплообменного риформинга представляет собой реактор с двойными трубами с катализатором, расположенным внутри двойных труб, такие катализаторные трубы могут иметь форму одной катализаторной трубы, окруженной гильзой или металлическим кожухом, расположенным на расстоянии от катализаторной трубы и создающим кольцевую область, через которую может проходить теплоноситель. Такая гильза или металлический кожух не обязательно должны быть частью катализаторной трубы как таковой, а служат для создания кольцевой области. В устройстве риформинга такого типа пар, вместо того чтобы охватывать все трубы, как в байонетном трубчатом реакторе, просто поступает в каждую катализаторную трубу через отверстия в трубе, например прорези, расположенные по длине верхней части катализаторных труб. Пар смешивается с углеводородным сырьем, подаваемым в верхнюю часть труб внутри катализаторных труб, чтобы участвовать в реакции риформинга, протекающей ниже по потоку, где комбинированный газ контактирует с катализатором. В более конкретном варианте осуществления изобретение, как определено в зависимом п.11, также включает устройство, в котором устройство теплообменного риформинга является реактором с двойными трубами с катализатором, расположенным внутри двойных труб, отличающееся тем, что охлаждающая среда 13 поступает в каждую катализаторную трубу 102 через отверстия 102b в трубах, расположенные по длине верхней части 102а катализаторных труб 102, и смешивается с углеводородным сырьем 11, поступающим в верхнюю часть катализаторных труб 102, при этом средства 102 с, такие как металлический кожух или гильза, простираются вдоль указанной верхней части 102а катализаторных труб 102 и создают пространство 102d по длине катализаторных труб 102 для прохождения охлаждающей среды 13. Охлаждающая среда непосредственно контактирует с трубчатой структурой 104, тем самым дополнительно охлаждая трубчатую структуру. Верхняя часть 102а катализаторных труб 102 определяется как часть катализаторных труб, которая проходит через трубчатую структуру 104 (см., например, Фиг.1).

В конкретном варианте осуществления изобретения, при газификации биомассы, в газификаторе, производящем синтез-газ, содержащий СО, СO₂, Н₂, Н₂O, СН₄, высшие углеводороды, аммиак и смолы при температуре около 850°С, применяется обработка путем 1- или 2-этапного риформинга смолы. Разложение смолы может происходить при температуре около 750°С, при которой происходит распад тяжелых смол. Однако, если синтез-газ будет использоваться для производства жидкостей, таких как дизельное топливо FT, бензин TIGAS, DME, МеОН и т.д., очень важно уменьшить показатель остаточного метана, т.е. содержание метана в синтез-газе, чтобы ограничить очистку в контуре синтеза. Это можно осуществить в устройстве риформинга с подогревом. Однако стандартные реакторы риформинга не могут работать с температурами на входе около 750°С. Для этой цели было бы выгодным использовать охлаждаемое паром устройство теплообменного риформинга в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте осуществления реактор может нагреваться, например, топочным газом, получаемым в результате сжигания остаточных газов синтеза.

Признаки изобретения.

1. Способ получения синтез-газа из углеводородного сырья, включающий пропускание углеводородного сырья через этап риформинга в устройстве теплообменного риформинга, содержащем множество катализаторных труб, содержащих катализатор риформинга в непрямой теплопроводящей взаимосвязи с теплоносителем, и вывод из устройства теплообменного риформинга синтез-газа в виде потока подвергнутых риформингу углеводородов, отличающийся тем, что этот способ дополнительно включает добавление охлаждающей среды в устройство теплообменного риформинга.

2. Способ по п.1, включающий добавление охлаждающей среды непосредственно в несущую конструкцию труб устройства теплообменного риформинга.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что способ дополнительно включает смешивание охлаждающей среды в устройстве теплообменного риформинга с углеводородным сырьем, поступающим в устройство теплообменного риформинга.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что охлаждающей средой является пар.

5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что охлаждающая среда контактирует с углеводородным сырьем за пределами катализаторных труб.

6. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что охлаждающая среда контактирует с углеводородной смесью внутри катализаторных труб.

7. Способ по любому из пп.1-6, дополнительно включающий прохождение синтез-газа из устройства теплообменного риформинга через стадию автотермического риформинга (ATR) с неподвижным слоем катализатора или стадию частичного окисления (РОх), вывод горячего отходящего потока синтез-газа, по меньшей мере часть которого используется в качестве теплоносителя в устройстве теплообменного риформинга, и вывод из устройства теплообменного риформинга конечного потока охлажденного синтез-газа.

8. Способ по п.7, дополнительно включающий преобразование выходящего синтез-газа стадии (b) в синтез-газ для производства аммиака, синтез-газ для производства метанола, синтез-газ для производства DME, синтез-газ для производства углеводородов путем синтеза Фишера-Тропша или водород.

9. Аппарат (100) для осуществления способа по любому из пп.1-8, включающий внешнюю оболочку (101); множество вертикально расположенных катализаторных труб (102), содержащих катализатор риформинга (103), заполняющий часть катализаторных труб (102); несущую конструкцию катализаторных труб (104); средства (105) для непрямого нагрева катализаторных труб (102) теплообменной средой (10); входной канал (106) для подачи указанной теплообменной среды (10); выходной канал (107) для вывода указанной теплообменной среды после передачи средой тепла катализатору (103); входной канал (108) для подачи углеводородного сырья (11), которое находится во взаимодействии в текучей форме с катализатором (103) внутри катализаторных труб (102); выходной канал (109) для вывода синтез-газа (12) после прохождения через катализаторные трубы (102); входной канал (110) для подачи охлаждающей среды (13), в котором эта охлаждающая среда (13) пребывает в теплопроводящей взаимосвязи со структурой катализаторных труб (104) и во взаимодействии в текучей форме с катализатором (103) внутри катализаторных труб (102).

10. Аппарат по п.9 в виде устройства теплообменного риформинга, выбираемого из:

- байонетного трубчатого реактора;

- кожухотрубного теплообменника;

- реактора с двойными трубами с катализатором, расположенным внутри двойных труб;

- реактора с двойными трубами с катализатором, расположенным снаружи двойных труб;

- реактора с двойными трубами с катализатором, расположенным как внутри, так и снаружи двойных труб.

11. Аппарат (100) по п.9 или 10, в котором устройство теплообменного риформинга является реактором с двойными трубами с катализатором, расположенным внутри двойных труб, отличающийся тем, что охлаждающая среда (13) поступает в каждую катализаторную трубу (102) через отверстия (102b) в трубах, расположенные по длине верхней части (102а) катализаторных труб (102), и смешивается с углеводородным сырьем (11), поступающим в верхнюю часть катализаторных труб (102), и тем, что средства (102с) простираются вдоль указанной верхней части (102а) катализаторных труб (102) и создают пространство (102d) по длине катализаторных труб (102) для прохождения охлаждающей среды (13).

12. Аппарат (100) по п.9 или 10, в котором устройство теплообменного риформинга является кожухотрубным теплообменником с перегородками, с катализатором, расположенным внутри труб, отличающийся тем, что охлаждающая среда (13) поступает в каждую катализаторную трубу (102) через отверстия (102b) в трубах, расположенные по длине верхней части (102а) катализаторных труб (102), и смешивается с углеводородным сырьем (11), поступающим в верхнюю часть катализаторных труб (102), и тем, что средства (102 с) простираются вдоль указанной верхней части (102а) катализаторных труб (102) и создают пространство (102d) по длине катализаторных труб (102) для прохождения охлаждающей среды (13).

На прилагаемых чертежах изображены конкретные варианты реализации аппарата по настоящему изобретению в виде устройства теплообменного риформинга двухтрубного типа с катализатором внутри труб (Фиг.1) и устройства теплообменного риформинга байонетно-трубного типа (Фиг.2).

На фиг.1 устройство теплообменного риформинга 100 включает внешнюю оболочку 101; множество вертикально расположенных катализаторных труб 102, содержащих катализатор риформинга 103, который заполняет часть катализаторных труб 102, несущую конструкцию катализаторных труб 104, расположенную выше уровня заполнения катализатором 103 труб 102. Несущая конструкция труб 104 определяет верхнюю камеру 104а, через которую проходит верхняя часть 102а катализаторных труб 102. Устройство риформинга 100 содержит также средства 105 для непрямого нагрева катализаторных труб 102 теплообменной средой 10. Средства 105 могут иметь форму гильзы или металлического кожуха, простирающегося по длине катализаторных труб 102 примерно до уровня заполнения катализатором 103 труб 102, тем самым образуя кольцевую область для прохождения теплоносителя 10. Устройство риформинга 100 также содержит входной канал 106 для подачи указанной теплообменной среды 10, подаваемой, как правило, при 1030°С как отходящий газ из зоны автотермического риформинга (или вторичного риформинга); выходной канал 107 для вывода указанной теплообменной среды 10, как правило, при 825°С после передачи тепла катализатору 103, расположенному внутри катализаторных труб 102, и после прохождения через кольцевую область, образованную между средствами 105 и катализаторными трубами 102. Этот охлажденный синтез-газ 10 подается в расположенное ниже по потоку оборудование, например котлы-утилизаторы, и далее используется в последующих стадиях, таких как синтез метанола, синтез DME, синтез аммиака и синтез Фишера-Тропша. Устройство риформинга 100 также содержит входной канал 108 для подачи углеводородного сырья 11, поступающего, как правило, при температуре 750°С в случае вывода из расположенного впереди устройства парового преобразования метана (SMR) и находящегося во взаимодействии в текучей форме с катализатором 103, расположенным внутри катализаторных труб 102. Выходной канал 109 предназначен для вывода синтез-газа 12, как правило, при 810°С после прохождения через катализаторные трубы 102. Синтез-газ может подвергаться дальнейшему риформингу ниже по потоку в устройстве автотермического риформинга (или вторичного риформинга). Имеется входной канал 110 для подачи охлаждающей среды 13. Этой охлаждающей средой 13 обычно является охлаждающий газ, такой как пар при температуре около 380°С, находящийся в теплопроводящей взаимосвязи со структурой катализаторных труб 104 и во взаимодействии в текучей форме с катализатором 103, расположенным внутри катализаторных труб 102. Пар 13 проходит через отверстия 102b, выполненные по длине верхней части 102а катализаторных труб 102. Металлический кожух или гильза 102с проходит вдоль верхней части 102а катализаторных труб и, таким образом, вдоль участка, где расположены отверстия 102с. Наличие металлического кожуха или гильзы 102с создает пространство 102d по длине верхней части 102а катализаторной трубы 102 и, соответственно, по длине катализаторной трубы 102, непосредственно контактирующей с трубчатой структурой 104. Пространство 102d обеспечивает возможность прохождения охлаждающей среды - пара 13, тем самым дополнительно охлаждая трубчатую структуру 104.

На фиг.2 изображено устройство теплообменного риформинга 100 байонетно-трубчатого типа, включающее внешнюю оболочку 101; множество вертикально расположенных катализаторных труб 102, содержащих катализатор риформинга 103, который заполняет часть катализаторных труб 102. Катализаторные трубы 102 имеют форму двойных труб с внешней и внутренней трубами, где внешняя труба 102b является U-образной трубой и содержит катализатор 103, внутренняя труба 102 с расположена по центру, не содержит катализатора и предназначена для вывода отходящего потока частично подвергнутого риформингу углеводорода из внешней трубы 102b, как обозначено стрелками. Несущая конструкция катализаторных труб 104 расположена выше уровня заполнения катализатором 103 труб 102. Несущая конструкция труб 104 определяет верхнюю камеру 104а, через которую проходит верхняя часть катализаторных труб 102а. Устройство риформинга 100 содержит также средства 105 для непрямого нагрева катализаторных труб 102 теплообменной средой 10. Средства 105 имеют форму гильзы или металлического кожуха, концентрически окружающего внешнюю трубу 102b и простирающегося по длине катализаторных труб 102 примерно до уровня заполнения катализатором 103 труб 102. Гильза или металлический кожух 105, таким образом, образует кольцевую область для прохождения теплоносителя 10. Устройство риформинга 100 также содержит входной канал 106 для подачи указанной теплообменной среды 10, поступающей, как правило, при 1030°С как отходящий газ из зоны вторичного или автотермического риформинга (или автотермического риформинга), который проходит через указанную кольцевую область, определенную пространством между средствами 105 и внешней трубой 102b. Выходной канал 107 предназначен для вывода указанной теплообменной среды 10, как правило, при 825°С после передачи тепла катализатору 103, расположенному внутри катализаторных труб 102, и после прохождения через кольцевую область, образованную между средствами 105 и катализаторными трубами 102. Этот охлажденный синтез-газ 10 подается в расположенное ниже по потоку оборудование, например котлы-утилизаторы, и далее используется в последующих стадиях, таких как синтез метанола, синтез DME, синтез аммиака и синтез Фишера-Тропша. Устройство риформинга 100 также содержит входной канал 108 для подачи углеводородного сырья 11, поступающего, как правило, при температуре 750°С в случае вывода из расположенного впереди устройства парового преобразования метана (SMR) и находящегося во взаимодействии в текучей форме с катализатором 103, расположенным внутри катализаторных труб 102. Выходной канал 109, расположенный в верхней части устройства риформинга 100, предназначен для вывода синтез-газа 12, как правило, при 810°С после прохождения через катализаторные трубы 102. Синтез-газ 12 может подвергаться дальнейшему риформингу ниже по потоку в устройстве вторичного риформинга (или автотермического риформинга). Имеется входной канал 110 для подачи охлаждающей среды 13. Этой охлаждающей средой 13 обычно является пар при температуре около 380°С, находящийся в теплопроводящей взаимосвязи со структурой катализаторных труб 104 и во взаимодействии в текучей форме с катализатором 103, расположенным внутри катализаторных труб 102. В этом устройстве риформинга байонетно-трубчатого типа пар 13 смешивается вне катализаторных труб 102, как показано стрелками. Пар непосредственно контактирует с трубчатой структурой, охватывает часть 102а всех катализаторных труб, проходящих через трубчатую структуру, и проникает в трубчатую структуру перед смешиванием с поступающим газом 11. Комбинированный газ поступает в верхнюю часть катализаторных труб и продолжает перемещаться вниз, внутрь катализаторных труб. Под действием более высокого давления пара в камере пар поступает в катализаторные трубы и, таким образом, участвует в реакции риформинга.

На фиг.3 изображено устройство теплообменного риформинга 100 в варианте, в котором перегородки обеспечивают более эффективный теплообмен между теплообменной средой 10 и катализаторными трубами 102. Как видно на фиг.1, перегородки заставляют теплообменную среду 10 протекать зигзагообразно и проходить через катализаторные трубы 102, по существу, перпендикулярно продольной оси катализаторных труб 102. Конструкция перегородок обеспечивает эффективный теплообмен, и, неожиданно, расчеты показывают, что конфигурация с перегородками может обеспечить до 50% снижение стоимости реактора.

Изобретение относится к способу получения синтез-газа из углеводородного сырья в аппарате теплообменного риформинга. Аппарат включает внешнюю оболочку, множество вертикально расположенных катализаторных труб, содержащих катализатор, несущую конструкцию катализаторных труб, средства для косвенного нагрева катализаторных труб теплообменной средой, входной канал для подачи теплообменной среды, выходной канал для вывода теплообменной среды, входной канал для подачи углеводородного сырья, которое находится во взаимодействии с катализатором, выходной канал для вывода синтез-газа после прохождения через катализаторные трубы, входной канал для подачи охлаждающей среды, которая находится во взаимодействии с катализатором. Аппарат является реактором с двойными трубами с катализатором. При этом охлаждающая среда поступает в каждую катализаторную трубу через отверстия, расположенные по длине верхней части катализаторных труб, и смешивается с углеводородным сырьем, поступающим в верхнюю часть катализаторных труб, а средства нагрева простираются вдоль верхней части катализаторных труб и создают пространство по длине катализаторных труб для прохождения охлаждающей среды. Изобретение обеспечивает снижение затрат на осуществление теплообменного риформинга. 3 н. и 6 з.п. ф - лы, 3 ил.

1. Аппарат (100) для осуществления способа производства синтез-газа из углеводородного сырья, включающий внешнюю оболочку (101); множество вертикально расположенных катализаторных труб (102), содержащих катализатор риформинга (103), заполняющий часть катализаторных труб (102); несущую конструкцию катализаторных труб (104); средства (105) для косвенного нагрева катализаторных труб (102) теплообменной средой (10); входной канал (106) для подачи указанной теплообменной среды (10); выходной канал (107) для вывода указанной теплообменной среды после передачи средой тепла катализатору (103); входной канал (108) для подачи углеводородного сырья (11), которое находится во взаимодействии в текучей форме с катализатором (103) внутри катализаторных труб (102); выходной канал (109) для вывода синтез-газа (12) после прохождения через катализаторные трубы (102); входной канал (110) для подачи охлаждающей среды (13), в котором эта охлаждающая среда (13) пребывает в теплопроводящей взаимосвязи со структурой катализаторных труб (104) и во взаимодействии в текучей форме с катализатором (103) внутри катализаторных труб (102), причем устройство теплообменного риформинга является реактором с двойными трубами с катализатором, расположенным внутри двойных труб, где охлаждающая среда (13) поступает в каждую катализаторную трубу (102) через отверстия (102b) в трубах, расположенные по длине верхней части (102a) катализаторных труб (102), и смешивается с углеводородным сырьем (11), поступающим в верхнюю часть катализаторных труб (102), а средства (102c) простираются вдоль указанной верхней части (102a) катализаторных труб (102) и создают пространство (102d) по длине катализаторных труб (102) для прохождения охлаждающей среды (13).

2. Аппарат по п.1, представляющий собой устройство теплообменного риформинга, выбираемое из:
- байонетного трубчатого реактора;
- кожухотрубного теплообменника;
- реактора с двойными трубами с катализатором, расположенным внутри двойных труб;
- реактора с двойными трубами с катализатором, расположенным как внутри, так и снаружи двойных труб.

3. Аппарат (100) по п.1 или 2, в котором устройство теплообменного риформинга является кожухотрубным теплообменником с перегородками (105a), с катализатором, расположенным внутри труб (102), при этом охлаждающая среда (13) поступает в каждую катализаторную трубу (102) через отверстия (102b) в трубах, расположенные по длине верхней части (102a) катализаторных труб (102), и смешивается с углеводородным сырьем (11), поступающим в верхнюю часть катализаторных труб (102), а средства (102c) простираются вдоль указанной верхней части (102a) катализаторных труб (102) и создают пространство (102d) по длине катализаторных труб (102) для прохождения охлаждающей среды (13).

4. Способ получения синтез-газа из углеводородного сырья в аппарате по любому из пп.1-3, включающий пропускание углеводородного сырья через этап риформинга в устройстве теплообменного риформинга, содержащем множество катализаторных труб, содержащих катализатор риформинга в косвенной теплопроводящей взаимосвязи с теплоносителем, и вывод из устройства теплообменного риформинга синтез-газа в виде потока подвергнутых риформингу углеводородов, отличающийся тем, что он дополнительно включает введение охлаждающей среды в устройство теплообменного риформинга, и смешивание охлаждающей среды в устройстве теплообменного риформинга с углеводородным сырьем, поступающим в устройство теплообменного риформинга, а при этом охлаждающую среду приводят в контакт с углеводородной смесью внутри катализаторных труб.

5. Способ по п.4, включающий введение охлаждающей среды непосредственно в несущую конструкцию труб устройства теплообменного риформинга.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что охлаждающей средой является пар.

7. Способ по любому из пп.4-6, отличающийся тем, что он дополнительно включает пропускание синтез-газа из устройства теплообменного риформинга через стадию автотермического риформинга с неподвижным слоем катализатора или стадию частичного окисления, вывод горячего отходящего потока синтез-газа, по меньшей мере часть которого используют в качестве теплоносителя в устройстве теплообменного риформинга, и вывод из устройства теплообменного риформинга конечного потока охлажденного синтез-газа.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что охлажденный синтез-газ используют для производства аммиака, метанола, диметилового эфира, углеводородов путем синтеза Фишера-Тропша или водорода.

9. Применение аппарата по любому из пп.1-3 для производства синтез-газа из отфильтрованного газа из газификатора для преобразования смолы, аммиака и метана.