Область изобретения
Изобретение касается трубки для риформинга для превращения углеводородсодержащих исходных веществ, предпочтительно природного газа и легких жидких углеводородов, таких как бензино-лигроиновая фракция, в продукт - синтез-газ, содержащий оксид углерода и водород. Трубка для риформинга согласно изобретению делает возможным внутренний теплообмен между исходным газом и образующимся газом, частично превращенным в продукт - синтез-газ, благодаря чему получаются преимущества в отношении расходования энергии при получении синтез-газа и ценных продуктов - водорода и монооксида углерода. Кроме того, изобретение касается способа получения синтез-газа в результате парового риформинга углеводородсодержащих исходных веществ с применением трубки для риформинга согласно изобретению, а также печи риформинга, оснащенной этой трубкой для риформинга.
Уровень техники
Углеводороды, с помощью пара, могут каталитически превращаться в синтез-газ, следовательно, в смеси водорода (H2) и монооксида углерода (СО). Как приводится в издании Ullmann´s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Edition, 1998 Electronic Release, в рубрике «Gas Production)), этот так называемый паровой риформинг (англ. steam reforming) представляет собой наиболее применяемый метод для производства синтез-газа, который далее может подвергаться превращению с получением других важных базовых химических веществ, таких как метанол или аммиак. Хотя подвергаться превращению могут различные углеводороды, такие как, например, бензино-лигроиновая фракция, сжиженный газ или газы, полученные при переработке нефти, однако доминирующим является паровой риформинг природного газа, содержащего метан.
Паровой риформинг природного газа протекает с сильной эндотермией. Поэтому он проводится в печах риформинга, в которых параллельно располагаются содержащие катализатор многочисленные трубки для риформинга, в которых протекает реакция парового риформинга. При этом внешние стенки этой печи риформинга, а также ее крышка и ее дно облицованы или футерованы несколькими слоями из жаропрочного материала, который выдерживает температуры до 1200°C. Трубки для риформинга в большинстве случаев обогреваются с помощью горелок, которые помещаются на верхней стороне или нижней стороне, или на боковых стенках печи риформинга и обогревают непосредственно промежуточное пространство между трубками для риформинга. При этом передача тепла на трубки для риформинга осуществляется в результате теплового излучения и конвективного переноса тепла от горячих топочных газов.
После предварительного нагрева при помощи теплообменника или обогреваемого нагревателя примерно до 500°C смесь углеводорода с паром после окончательного нагревания примерно до температуры от 500 до 800°C поступает в трубку для риформинга и там на катализаторе риформинга взаимодействует с образованием монооксида углерода и водорода. Распространенными являются катализаторы риформинга на основе никеля. В то время как высшие углеводороды полностью превращаются в монооксид углерода и водород, в случае метана обычно осуществляется частичное превращение. При этом состав образующегося газа определяется равновесием в реакции, поэтому образующийся газ помимо монооксида углерода и водорода содержит также еще диоксид углерода, не вступивший в реакцию метан, а также водяной пар. Для энергетической оптимизации или в случае исходных веществ с содержанием высших углеводородов после предварительного нагревателя может использоваться так называемая установка предварительного риформинга для предварительного расщепления исходных веществ. Потом исходное вещество после предварительного расщепления нагревается до желаемой температуры на входе в трубку для риформинга в дополнительном нагревателе.
Горячий образующийся газообразный продукт - синтез-газ после выхода из печи риформинга частично охлаждается в одном или нескольких теплообменниках. Частично охлажденный образующийся газообразный продукт - синтез-газ после этого проходит еще через дополнительные стадии подготовки, которые зависят от типа желаемого продукта или проводящегося далее процесса.
Паровой риформинг природного газа отличается своим высоким потреблением энергии. Поэтому в уровне техники уже имеются предложения, в случае которых с помощью оптимизированного оформления технологического процесса, например с помощью регенерации энергии, следует попытаться минимизировать потребность в сторонней энергии. Так, Higman на конференции EUROGAS-90, Trondheim, Juni 1990, также опубликованной по следующей ссылке http://www.higman.de/gasification/papers/eurogas.pdf (информационный поиск 27.09.2011), представил так называемую НСТ-трубку для риформинга с внутренним теплообменом. Эта трубка включает в себя внешнюю, заполненную катализатором и обогреваемую снаружи трубку для риформинга, в которой исходный газ проходит сквозь слой катализатора сверху вниз. Внутри слоя катализатора находятся две спирально изогнутые, расположенные в виде двойной спирали теплообменные трубки из подходящего материала, через которые после выхода из слоя катализатора проходит частично подвергнутый риформингу газ, и при этом часть его теплосодержания передается процессу парового риформинга, протекающему на катализаторе. Расчеты и производственные эксперименты показали, что в случае типичной температуры на входе в слой катализатора 450°C и для типичной температуры на выходе из слоя катализатора 860°C вплоть до 20% энергии, необходимой для парового расщепления, может возвращаться обратно в процесс парового риформинга в результате внутреннего теплообмена. Кроме того, экономится до 15% капитальных затрат, поскольку конвекционные участки в печах риформинга могут выполняться меньшего размера и требуется меньше трубок для риформинга. Правда, при этом недостатком является более высокая потеря давления по причине более длинного участка прохождения газа через оформленные в форме спирали теплообменные трубки. Кроме того, сильнее дает о себе знать коррозия, обозначаемая как «металлическое запыливание», которая коротко поясняется далее, поскольку более длинные участки теплообменных трубок подвергаются действию существенного для коррозии «металлического запыливания» интервала температур.
Во многих установках для производства синтез-газа при более высоких температурах газа, в частности в области от 820°С и вплоть до 520°С, в самой установке для производства газа и в расположенных после этой установки теплообменниках, на используемых металлических конструкционных материалах встречаются проблемы с коррозией, когда достигается определенное соотношение СО2/СО/Н2О. Это справедливо как для ферритной, так и для аустенитной стали. Этот износ материала, известный под термином «металлическое запыливание», приводит к разъеданию или соответственно разрушению материала, и чтобы противостоять этой коррозии посредством состава материала, существуют только ограниченные возможности.
Описание изобретения
Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы представить трубку для риформинга, которая обладает благоприятными свойствами в отношении регенерации энергии посредством внутреннего теплообмена, в случае которой, однако, одновременно минимизируются потери давления и склонность к коррозии.
Указанная выше задача решается с помощью изобретения в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения при помощи трубки для риформинга для превращения углеводородсодержащих исходных веществ, предпочтительно природного газа, в продукт - синтез-газ, содержащий оксид углерода и водород, в условиях парового риформинга, включающей в себя:
(a) внешнюю трубку, открытую на одном конце трубки и закрытую на противоположном конце трубки, причем эта внешняя трубка содержит засыпанный слой твердого катализатора, активного при паровом риформинге, и обогревается снаружи,
(b) вход для поступающего газового потока, содержащего исходные вещества, причем этот вход поступающего газового потока расположен на открытом конце трубки и имеет жидкостную связь с засыпанным слоем катализатора,
(c) по меньшей мере одну изогнутую в форме спирали, расположенную внутри засыпанного слоя катализатора теплообменную трубку, входной конец которой имеет жидкостную связь с засыпанным слоем катализатора, а выходной конец которой имеет жидкостную связь с выходом для потока газообразных продуктов - синтез-газа, причем эта теплообменная трубка находится в связи посредством теплообмена с засыпанным слоем катализатора и протекающим через него поступающим газовым потоком,
(d) выход для потока газообразных продуктов - синтез-газа, причем этот выход расположен на открытом конце трубки и имеет жидкостную связь с выходным концом теплообменной трубки, но не имеет жидкостной связи со входом для поступающего газового потока,
причем поступающий газовый поток сначала проходит сквозь засыпанный слой катализатора, а затем в противотоке через теплообменную трубку, отличающейся тем, что эта теплообменная трубка на части ее протяженности, находящуюся внутри засыпанного слоя катализатора, является спирально изогнутой, а в остальном проходит прямо, и/или что угол наклона витка спирали внутри засыпанного слоя катализатора изменяется.
Под жидкостной связью между двумя областями трубки для риформинга при этом понимают любой тип соединения, который позволяет жидкостной среде, например поступающему газовому потоку или потоку газообразных продуктов - синтез-газу, протекать от одной до другой из этих обеих областей, без учета возможных расположенных между ними областей или конструктивных элементов. Под связью посредством теплообмена подразумевается возможность теплообмена или переноса тепла между двумя областями трубки для риформинга, причем могут осуществляться все механизмы теплообмена или переноса тепла, такие как теплопередача, тепловое излучение или конвективный перенос тепла.
Открытый конец внешней трубки отличается тем, что при эксплуатации трубки для риформинга все без исключения потоки веществ проводятся через этот конец, в то время как через закрытый конец трубки не вводятся или не выводятся никакие потоки веществ. Таким образом, подводящая линия для поступающего газового потока и отводящая линия для потока газообразных продуктов - синтез-газа находятся на открытом конце трубки. Разумеется, что открытый конец трубки в процессе эксплуатации трубки для риформинга закрывается с помощью запирающего устройства, например крышки с фланцевым соединением.
Другие предпочтительные варианты исполнения трубки для риформинга согласно изобретению представлены в зависимых пунктах формулы изобретения с 2 по 10.
Изобретение также касается печи риформинга, включающей в себя облицованные жаропрочным материалом или футерованные жаропрочным материалом стенки, крышку и дно, и образованное в результате этого внутреннее пространство, отличающейся тем, что в этом внутреннем пространстве или во вспомогательном пространстве, находящемся в жидкостной связи с этим внутренним пространством относительно топочных газов горелки, расположена по меньшей мере одна трубка для риформинга согласно изобретению в соответствии с пунктами с 1 по 10 формулы изобретения и по меньшей мере одна горелка для обогрева этой трубки для риформинга.
Кроме того, изобретение также касается способа получения синтез-газа с помощью каталитического парового риформинга углеводородсодержащих исходных веществ, предпочтительно природного газа, в условиях парового риформинга в присутствии активного при паровом риформинге твердого катализатора, включающего следующие стадии:
(a) подготовку поступающего газового потока, содержащего исходное вещество, и добавление пара для риформинга
(b) каталитическое превращение исходного вещества в условиях парового риформинга с образованием продукта - синтез-газа, содержащего оксид углерода и водород,
(c) отведение и при желании обработки продукта - синтез-газа,
отличающегося тем, что каталитическое превращение на стадии (b) осуществляется в трубке для риформинга согласно изобретению, соответствующей пунктам с 1 по 10 формулы изобретения.
В основе изобретения лежат известные данные о том, что как потери давления, так и восприимчивость по отношению к коррозии «металлического запыливания» находятся в зависимости от общей длины отрезка прохождения частично превращенного исходного газа, который уже содержит оксид углерода и водород, сквозь теплообменную трубку. При этом общая длина отрезка прохождения сквозь теплообменную трубку может уменьшаться при помощи следующих операций:
(1) расположенная внутри засыпанного слоя катализатора теплообменная трубка выполняется спирально изогнутой не на всем протяжении ее длины, а включает также выполненную прямой, не изогнутую спиралью часть,
(2) в случае теплообменной трубки, расположенной внутри засыпанного слоя катализатора, витки, следующие друг за другом на спирально изогнутом участке, имеют не постоянное расстояние между собой, а по меньшей мере в одном месте измененное расстояние. Возможным также является непрерывное изменение расстояния между каждыми двумя следующими друг за другом витками. Это сопровождается тем, что угол наклона витка спирали соответственно по меньшей мере в одном месте или также непрерывно изменяется, причем больший угол наклона витка спирали соответствует увеличенному расстоянию между витками.
Обе операции могут применяться соответственно по отдельности или также в комбинации друг с другом и решают задачу, лежащую в основе изобретения. Неожиданным образом оказалось, что хотя потери давления и восприимчивость по отношению к коррозии «металлического запыливания» уменьшаются значительно, но характеристики передачи тепла одновременно снижаются лишь умеренно, если в случае трубки для риформинга согласно изобретению теплообменная трубка только на части своей длины, расположенной внутри засыпанного слоя катализатора, является изогнутой спирально, а в остальном проходит прямо и/или, если угол наклона витка спирали внутри засыпанного слоя катализатора изменяется.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Предпочтительно в случае трубки для риформинга согласно изобретению спирально изогнутая часть теплообменной трубки и/или изменение угла наклона витка спирали внутри засыпанного слоя катализатора выбираются таким образом, что при установившихся поступающем газовом потоке и температуре поступающего газа на входе температура на выходе лежит выше области температуры, содействующей металлической коррозии в результате «металлического запыливания». Примерный диапазон, в котором может встречаться этот тип металлической коррозии, уже назывался в начале. Однако он также зависит от конкретного состава продукта - синтез-газа, а следовательно, от конкретных условий реакции при паровом риформинге. Специалист при помощи проведения стандартных экспериментов по коррозии «металлического запыливания» может определить верхний предел температуры, которую следует выбирать для рассматриваемого состава синтез-газа, и таким образом, так установить спирально изогнутую часть или соответственно угол наклона витка спирали теплообменной трубки, чтобы температура на выходе из трубки для риформинга потока продуктов - синтез-газа при определенных условиях на входе в эту трубку для риформинга наверняка лежала выше этого предела температуры.
Кроме того, предпочтительно, чтобы спирально изогнутая часть теплообменной трубки и/или изменение угла наклона витка спирали внутри засыпанного слоя катализатора выбирались таким образом, чтобы при установленных поступающем газовом потоке и температуре поступающего газа на входе потеря давления между входом и выходом лежала ниже установленной максимальной величины. В этом случае также специалист может выбрать подходящую предельную величину для допустимой потери давления. Она в основном зависит от граничных условий для рассматриваемой установки, например от требований к давлению для расположенных после печи риформинга стадий подготовки и переработки продукта - синтез-газа.
Особенно предпочтительно, когда спирально изогнутая часть теплообменной трубки располагается вблизи от выходного конца теплообменной трубки. В этой области трубки для риформинга происходит основная часть реакции парового риформинга, так что по причине эндотермического прохождения реакции необходимая там локально энергия является особенно высокой. Поэтому улучшенная передача тепла благодаря увеличенной поверхности теплообмена в этом месте приводит к особенно заметной возможности экономии для сторонней энергии. Этот эффект еще может усиливаться благодаря тому, что угол наклона витка спирали теплообменной трубки уменьшается в направлении выходного конца теплообменной трубки, поскольку тогда в области с более высокой потребностью в энергии находится больше витков, а следовательно, большая поверхность теплообмена, чем в области с более низкой потребностью в энергии. Когда это уменьшение угла наклона витка спирали в направлении выходного конца теплообменной трубки осуществляется непрерывно, особенно хорошо приводятся в соответствие различающиеся локально потребности в энергии для реакции парового риформинга.
Особенно благоприятным оказалось, чтобы теплообменная трубка спирально изгибалась на участке не более 90% от своей длины, находящейся внутри засыпанного слоя катализатора. Это далее поясняется в следующем ниже обсуждении примеров исполнения и количественных примеров.
Предпочтительный вариант осуществления трубки для риформинга согласно изобретению предусматривает расположение внутри внешней трубки у закрытого конца трубки свободного пространства, которое отделяется от засыпанного слоя катализатора при помощи разделительного устройства, например пористого стеклянного фильтра, решетки или перфорированного листа, причем в это свободное пространство вдается входной конец теплообменной трубки или соответственно трубок теплообменника, и причем это свободное пространство имеет жидкостную связь с засыпанным слоем катализатора и теплообменной трубкой. Оказалось, что такое свободное пространство эффективным образом защищает теплообменную трубку от загрязнения или закупорки, например, продуктами износа катализатора, поскольку здесь направление потока становится противоположным потоку газа, так что частицы истертого катализатора собираются в этом свободном пространстве и не допускаются к входному концу теплообменной трубки. Разделительное устройство также служит для центрирования и закрепления теплообменной трубки и повышает механическую устойчивость трубки для риформинга.
Особенно предпочтительным является, чтобы трубка для риформинга согласно изобретению оснащалась двумя теплообменными трубками, которые располагаются в засыпанном слое катализатора в форме двойной спирали. Это оформление трубки для риформинга представляет собой желательный компромисс между затратами на оборудование и благоприятными характеристиками теплопередачи.
В другом предпочтительном варианте осуществления выходной конец теплообменной трубки оканчивается в облицованном или имеющем покрытие участке трубки, причем облицовка или соответственно покрытие состоит из материала, особенно устойчивого к коррозии «металлического запыливания». Таким образом, коррозия «металлического запыливания» может дополнительно эффективно снижаться, поскольку особенно на выходе для потока продукта - синтез-газа осуществляется прохождение через относящееся к этому типу коррозии температурное окно. Если трубка для риформинга оснащена двумя или более теплообменными трубками, то желательно, если выходы обеих этих теплообменных трубок оканчивались в соответствующим образом облицованном или покрытым общем собирающем трубопроводе.
Как правило, трубка для риформинга согласно изобретению может работать с различными твердыми катализаторами для парового риформинга. Особенно предпочтительным оказалось применение катализаторов на основе никеля, которые являются коммерчески доступными.
Одно предпочтительное оформление трубки для риформинга согласно изобретению предусматривает, чтобы закрытый конец этой трубки для риформинга располагался во внутреннем пространстве печи свободно подвешенным. Это особенно благоприятно, поскольку таким образом предотвращаются термомеханические напряжения между входом для поступающего газового потока и выходом для потока продукта - синтез-газа, которые возникают по причине значительной разности температур в случае трубок для риформинга, известных из уровня техники. Поэтому у последних используются дорогостоящие мероприятия, такие как, например, применение компенсаторов напряжения (так называемых свиных хвостиков) или Боуденовских тросов, чтобы компенсировать возникающие напряжения и их отрицательные последствия, например деформацию трубки для риформинга. В случае подвесного расположения трубки для риформинга в этом больше нет необходимости.
В другом предпочтительном оформлении трубки для риформинга предусматривается, что во внутреннем пространстве печи располагается большое число трубок для риформинга и горелок, и что продольные оси создаваемых с помощью горелок факелов пламени ориентированы параллельно продольным осям трубок для риформинга. Таким образом может обеспечиваться, чтобы с помощью горелки расположенные вокруг нее трубки для риформинга обогревались равномерно. Кроме того, при помощи проходящих параллельно осей факелов пламени к трубкам для риформинга на более длинном участке подводится лучистое тепло и предотвращается локальный перегрев наружной стороны трубки для риформинга.
Примеры исполнения и количественные примеры
Усовершенствования, преимущества и возможности применения изобретения выявляются из следующего описания примеров исполнения и количественных примеров и чертежей. При этом все описанные и/или представленные в виде изображений отличительные признаки сами по себе или в любой комбинации образуют изобретение независимо от их обобщения в пунктах формулы изобретения или их взаимосвязей.
Показано следующее:
Фиг. 1 - трубка для риформинга, соответствующая первому предпочтительному варианту исполнения изобретения,
Фиг. 2 - такая же трубка для риформинга, как и на Фиг. 1, в более схематичном представлении,
Фиг. 3 - трубка для риформинга, соответствующая второму предпочтительному варианту исполнения изобретения,
Фиг. 4 - трубка для риформинга, соответствующая третьему предпочтительному варианту исполнения изобретения,
Фиг. 5 - печь риформинга с трубками для риформинга согласно изобретению.
В представленную схематично на Фиг. 1 трубку для риформинга 101 согласно первому предпочтительному варианту исполнения изобретения в открытый конец трубки 102 внешней трубки 103 через входной трубопровод 104 поступает обессеренный природный газ совместно с паром для проведения риформинга. Внешняя трубка состоит из никель-хромовой стали, например, типа G-X45NiCrNbTi3525. Температура на входе поступающего газа составляет 600°С, пересчитанная на объем катализатора объемная скорость составляет обычно от 4000 до 5000 mN3/(м3⋅ч). Трубка для риформинга расположена перпендикулярно открытому концу трубки в верхнем положении и снаружи обогревается с помощью горелок (не представленных на Фиг. 1). Потом природный газ и пар для проведения риформинга поступают в засыпанный слой катализатора 105, который образуется из частиц твердого катализатора для риформинга на основе никеля. Засыпанный слой катализатора представлен на Фиг. 1 схематично, при помощи точек, и удерживается во внешней трубке при помощи перфорированного металлического листа 106. На катализаторе для риформинга происходит эндотермическая реакция парового риформинга. Частично превращенный природный газ, который помимо оксида углерода и водорода также содержит еще не вступивший в реакцию метан, после выхода из засыпанного слоя катализатора поступает в свободное пространство 107, которое располагается у закрытого конца трубки 108 внешней трубки и отделяется от засыпанного слоя катализатора с помощью металлического перфорированного листа. Затем подвергнутый частичному превращению поступающий газовый поток поступает во входной конец расположенной внутри засыпанного слоя катализатора теплообменной трубки 109, которая состоит из идущей прямо части и следующей за ней спирально изогнутой части. Поток газа, проходящий через теплообменную трубку, в противотоке отдает часть своего теплосодержания засыпанному слою катализатора и протекающему сквозь него поступающему газовому потоку. При этом теплообмен в спирально изогнутой части теплообменной трубки является более интенсивным, поскольку здесь в расчете на один элемент объема имеется более значительная поверхность теплообмена. Теплообменная трубка состоит из материалов с хорошей устойчивостью к коррозии «металлического запыливания», таких как, например, сплавы 601, 602 СА, 617, 690, 692, 693, HR 160, HR 214, сплавы, содержащие медь, или так называемые многослойные материалы, у которых трубки покрыты оловянно-никелевыми или алюминий-никелевыми сплавами. После прохождения теплообменной трубки поток продукта - синтез-газ на открытом конце внешней трубки через выходной трубопровод 110 выходит из трубки для риформинга и подается на дальнейшую обработку. Эта обработка в зависимости от целей использования продукта - синтез-газа может включать в себя конверсию монооксида углерода, абсорбционную очистку газа для отделения диоксида углерода, адсорбцию с переменным давлением для отделения водорода, а также другие стадии обработки.
На Фиг. 2 была представлена та же самая трубка для риформинга, как и на Фиг. 1, хотя в более сильно схематичной манере, чтобы пояснить некоторые определения и геометрические обозначения. При этом условные обозначения на Фигурах 1 (10x, 1xx) и 2 (20x, 2xx) соответствуют друг другу в отношении обозначенных ими элементов. То же самое относится к следующим Фигурам с 3 по 5.
Отрезок длины а теплообменной трубки 209 обозначает ее прямую часть, отрезок длины b - спирально изогнутую часть соответственно внутри засыпанного слоя катализатора. Под углом наклона витка спирали α понимают угол, который заключен между линией, проходящей через середину рассматриваемого участка витков, и плоскостью, которая находится перпендикулярно продольной оси спирально изогнутой части теплообменной трубки.
На Фиг. 3 представлена трубка для риформинга, соответствующая второму предпочтительному варианту исполнения изобретения, в случае которого внутри засыпанного слоя катализатора располагаются две теплообменные трубки 309 в виде двойной спирали. Обе теплообменные трубки крепятся при помощи перфорированного металлического листа 306 и со стороны выхода заканчиваются в общем собирающем трубопроводе, который соединен с выходным трубопроводом 310, через который поток продукта - синтез-газа выходит из трубки для риформинга. Этот собирающий трубопровод на его внутренней стороне снабжен керамическим покрытием, которое обладает повышенной устойчивостью к коррозии «металлического запыливания».
Фиг. 4 представляет трубку для риформинга согласно третьему предпочтительному варианту исполнения изобретения, в случае которой спирально изогнутая часть теплообменной трубки разделяется на два отрезка с различным углом наклона витка спирали α1, α2. От точки Р угол наклона витка спирали скачкообразно снижается от большей величины α1 до меньшей величины α2. Хотя графически и не представлено, изобретение касается также соответствующего варианта исполнения с несколькими, предпочтительно двумя теплообменными трубками, которые в своей спирально изогнутой части имеют различный угол наклона витка спирали.
Также графически не представлен, но является предпочтительным и вариант исполнения изобретения, при котором угол наклона витка спирали изменяется постоянно, например уменьшается в направлении потока газа, протекающего через теплообменную трубку, до нижнего предельного значения. Таким образом, особенно хорошо проводится подбор специфических, различающихся в разных местах засыпанного слоя катализатора необходимых количеств тепла для реакции парового риформинга.
Фиг. 5 схематично показывает печь риформинга 511 с трубками для риформинга согласно изобретению 501. Эти трубки для риформинга расположены в печи риформинга свободно подвешенными, причем открытые концы трубок для риформинга механически соединены с помощью крышки 512 печи риформинга или одной или несколькими боковыми стенками 513 (не представлено на Фиг. 5). И напротив, между закрытыми концами трубок для риформинга и дном печи риформинга 514 не существует никакого механического соединения. Печь риформинга обогревается с помощью горелок 515, причем продольные оси факелов пламени, создаваемых горелками, ориентированы параллельно продольным осям трубок для риформинга. Топочные газы от горелок выходят из печи риформинга через выходное отверстие 516 и обрабатываются далее известным специалисту способом.
Количественные примеры
В следующей таблице два варианта исполнения А и В трубки для риформинга согласно изобретению сравниваются со сравнительным примером. Все рассматриваемые трубки для риформинга имеют внутренний диаметр внешней трубки 125 мм и содержат соответственно две расположенные внутри засыпанного слоя катализатора теплообменные трубки. Внешний диаметр спирально изогнутой части теплообменной трубки составляет 117 мм, из чего получается расстояние до внутренней стороны внешней трубки около 4 мм. Соотношение длины прямой части теплообменной трубки а и общей длины теплообменной трубки а+b (для определения см. Фиг. 2) в случае примера для сравнения составляет 7%, в случае вариантов исполнения А и В, напротив, 19% и 50%.
Как показывают представленные в таблице случаи, с помощью изменения прямой части теплообменной трубки относительно Примера для сравнения, для которого прямая часть теплообменной трубки составляет только лишь 7%, потери давления в трубке для риформинга и тепловой поток в направлении засыпанного слоя катализатора могут подбираться по необходимости. Например, потеря давления может снижаться на 11%, а тепловой поток в направлении засыпанного слоя катализатора на 5%, путем того, что прямая часть теплообменной трубки увеличивается с 7% до 19%. При дальнейшем увеличении прямой части теплообменной трубки с 7% до 50% потеря давления снижается даже на 30%, в то время как тепловой поток в направлении засыпанного слоя катализатора понижается на 19%. При этом удивительно то, что при данном уменьшении потери давления снижение теплового потока в направлении засыпанного слоя катализатора происходит менее, чем пропорциональным образом, так что для соответствующих граничных условий может предназначаться трубка для риформинга, которая при заметно пониженной потере давления все еще имеет хорошие теплообменные характеристики. С помощью изобретения это становится возможным в результате соответствующего выбора прямой части теплообменной трубки и/или в результате подходящего выбора угла наклона витка спирали.
Промышленная применимость
Изобретением предлагается трубка для риформинга, которая делает возможным внутренний теплообмен между поступающим газом и образующимся газом, частично превращенным в продукт - синтез-газ, благодаря чему при использовании этой трубки для риформинга получаются преимущества в отношении расходования энергии. Благодаря подбору согласно изобретению прямой части теплообменной трубки и/или благодаря подходящему выбору угла наклона витка спирали, который в пределах спирально изогнутой части может изменяться один раз или многократно, трубка для риформинга может в гибкой манере приспосабливаться к внешним условиям процесса. В частности, с помощью изобретения становится возможным эффективно противостоять коррозии «металлического запыливания».
Список условных обозначений:
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| УСТРОЙСТВА И СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ВОДОРОДА И МОНООКСИДА УГЛЕРОДА | 2009 |
|
RU2495914C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА ИЗ ГАЗА ГАЗОВЫХ И ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ | 2004 |
|
RU2254322C1 |
| Система и способ получения водорода | 2015 |
|
RU2629850C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА И МАЛОТОННАЖНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2016 |
|
RU2630472C1 |
| СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА И КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2014 |
|
RU2569296C1 |
| СПОСОБ РИФОРМИНГА УГЛЕВОДОРОДОВ | 2011 |
|
RU2560363C2 |
| УСТАНОВКА ДЛЯ КОНВЕРСИИ УГЛЕВОДОРОДОВ И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ | 2023 |
|
RU2823306C1 |
| РЕАКТОР С КОМПЛЕКТОМ КЕРАМИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ КИСЛОРОД МЕМБРАН И СПОСОБ РИФОРМИНГА | 2014 |
|
RU2680048C2 |
| СПОСОБ СОВМЕСТНОГО ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА И МЕТАНОЛА | 2016 |
|
RU2663167C2 |
| ТЕПЛООБМЕННЫЙ РЕАКТОР ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ЭНДОТЕРМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ | 2007 |
|
RU2424847C2 |
Изобретение относится к трубчатым установкам риформинга для превращения углеводородсодержащих исходных веществ, предпочтительно природного газа и легких жидких углеводородов, в продукт - синтез-газ. Трубчатая установка содержит внешнюю трубку, открытую на одном конце установки и закрытую на противоположном конце установки. Причем внешняя трубка содержит засыпанный слой твердого катализатора, активного при паровом риформинге, и выполнена с возможностью наружного обогрева. Вход для поступающего газового потока расположен на открытом конце трубки и имеет флюидную связь с засыпанным слоем катализатора. Внутри засыпанного слоя катализатора расположена по меньшей мере одна изогнутая в форме спирали теплообменная трубка. Входной конец трубки имеет флюидную связь с засыпанным слоем катализатора, а выходной конец - с выходом для потока продукта - синтез-газа. Теплообменная трубка посредством теплообмена находится в связи по теплообмену с засыпанным слоем катализатора и протекающим через него поступающим газовым потоком. Выход продукта расположен на открытом конце установки и имеет флюидную связь с выходным концом теплообменной трубки, но не имеет флюидной связи со входом для поступающего газового потока. Поступающий газовый поток сначала проходит сквозь засыпанный слой катализатора, а затем в противотоке через теплообменную трубку. Теплообменная трубка на участке не более 90% ее протяженности, находящейся внутри засыпанного слоя катализатора, является спирально изогнутой, а в остальном проходит прямо, и/или угол наклона витка спирали внутри засыпанного слоя катализатора изменяется. Технический результат: минимизация потерь давления и склонности к коррозии. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.
1. Трубчатая установка риформинга для превращения углеводородсодержащих исходных веществ в продукт - синтез-газ, содержащий оксиды углерода и водород, в условиях парового риформинга, содержащая
(a) внешнюю трубку, открытую на одном конце установки и закрытую на противоположном конце установки, причем внешняя трубка содержит засыпанный слой твердого катализатора, активного при паровом риформинге, и выполнена с возможностью наружного обогрева,
(b) вход для поступающего газового потока, содержащего исходное вещество, причем вход для поступающего газового потока расположен на открытом конце трубки и имеет флюидную связь с засыпанным слоем катализатора,
(c) по меньшей мере одну изогнутую в форме спирали, расположенную внутри засыпанного слоя катализатора теплообменную трубку, входной конец которой имеет флюидную связь с засыпанным слоем катализатора, а выходной конец которой имеет флюидную связь с выходом для потока продукта - синтез-газа, причем теплообменная трубка находится в теплообменной связи с засыпанным слоем катализатора и протекающим через него поступающим газовым потоком,
(d) выход для потока продукта - синтез-газа, причем указанный выход расположен на открытом конце установки и имеет флюидную связь с выходным концом теплообменной трубки, но не имеет флюидной связи со входом для поступающего газового потока, причем поступающий газовый поток сначала проходит сквозь засыпанный слой катализатора, а затем в противотоке через теплообменную трубку,
отличающаяся тем, что
теплообменная трубка на участке не более 90% ее протяженности, находящейся внутри засыпанного слоя катализатора, является спирально изогнутой, а в остальном проходит прямо, и/или угол наклона витка спирали внутри засыпанного слоя катализатора изменяется.
2. Трубчатая установка риформинга по п. 1,
отличающаяся тем, что
углеводородсодержащие исходные вещества представляют собой природный газ.
3. Трубчатая установка риформинга по п. 1,
отличающаяся тем, что
спирально изогнутая часть теплообменной трубки и/или изменение угла наклона витка спирали внутри засыпанного слоя катализатора выбраны так, что при установленных поступающем газовом потоке и температуре поступающего газа на входе, температура на выходе находится выше области температуры, содействующей коррозии металла в результате «металлического запыливания».
4. Трубчатая установка риформинга по п. 1,
отличающаяся тем, что
спирально изогнутая часть теплообменной трубки и/или изменение угла наклона витка спирали внутри засыпанного слоя катализатора выбраны так, что при установленных поступающем газовом потоке и температуре поступающего газа на входе, потеря давления между входом и выходом находится ниже установленной максимальной величины.
5. Трубчатая установка риформинга по п. 1,
отличающаяся тем, что спирально изогнутая часть теплообменной трубки расположена вблизи выходного конца теплообменной трубки.
6. Трубчатая установка риформинга по п. 5,
отличающаяся тем, что
угол наклона витка спирали теплообменной трубки уменьшается в направлении выходного конца теплообменной трубки.
7. Трубчатая установка риформинга по п. 1,
отличающаяся тем, что
внутри внешней трубки у закрытого конца установки расположено свободное пространство, отделенное от засыпанного слоя катализатора при помощи проницаемого для газа разделительного устройства, причем в указанное свободное пространство входит входной конец по меньшей мере одной теплообменной трубки, и причем указанное свободное пространство имеет флюидную связь с засыпанным слоем катализатора и теплообменной трубкой.
8. Трубчатая установка риформинга по п. 1,
отличающаяся тем, что
содержит две теплообменные трубки.
9. Трубчатая установка риформинга по п. 1,
отличающаяся тем, что
активный при паровом риформинге твердый катализатор содержит никель.
10. Трубчатая установка риформинга по одному из пп. 1-9,
отличающаяся тем, что
выходной конец теплообменной трубки входит в облицованный или имеющий покрытие участок трубки, причем облицовка или соответственно покрытие состоят из материала, особенно устойчивого к коррозии «металлического запыливания».
11. Печь риформинга, содержащая облицованные жаропрочным материалом или футерованные жаропрочным материалом стенки, крышку и дно и образованное между ними внутреннее пространство,
отличающаяся тем, что
в указанном внутреннем пространстве или в соседнем пространстве, имеющем с внутренним пространством флюидную связь относительно топочных газов от горелки, расположены по меньшей мере одна трубчатая установка риформинга согласно пп. 1-10 и по меньшей мере одна горелка для обогрева установки.
12. Печь риформинга по п. 11,
отличающаяся тем, что
закрытый конец установки расположен во внутреннем пространстве свободно подвешенным.
13. Печь риформинга по п. 11 или 12,
отличающаяся тем, что
во внутреннем пространстве расположено множество трубчатых установок риформинга и горелок, причем продольные оси создаваемых с помощью горелок факелов пламени ориентированы параллельно продольным осям трубчатых установок риформинга.
14. Способ получения синтез-газа с помощью каталитического парового риформинга углеводородсодержащих исходных веществ в условиях парового риформинга в присутствии активного при паровом риформинге твердого катализатора, включающий следующие стадии:
(a) обеспечение поступающего газового потока, содержащего исходное вещество, и добавление пара для риформинга,
(b) каталитическое взаимодействие исходного вещества в условиях парового риформинга с образованием продукта - синтез-газа, содержащего оксиды углерода и водород,
(c) вывод продукта - синтез-газа,
отличающийся тем, что
каталитическое взаимодействие на стадии (b) осуществляют в трубчатой установке риформинга по пп. 1-10.
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что в качестве углеводородсодержащих исходных веществ используют природный газ.
16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что стадия (с) дополнительно включает обработку продукта - синтез-газа.
| US 3442618 A, 06.05.1969 | |||
| EA 200801966 A1, 27.02.2009 | |||
| DE 3806536 A1, 15.09.1988 | |||
| Контактный элемент | 1980 |
|
SU923582A1 |
| US 3713784 A, 30.01.1973 | |||
| US 5575902 A, 19.11.1996. | |||
