МНОГОСЛОЙНЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР Российский патент 2022 года по МПК B01J8/04 

Область техники

Настоящее изобретение относится к многослойным каталитическим преобразователям (реакторам). В частности изобретение относится к многослойным реакторам с промежуточным охлаждением и к способу их модернизации.

Уровень техники

Многослойный каталитический реактор (англ. - catalytic converter) рассматриваемого здесь типа, включает: группу адиабатических каталитических слоев с радиальным или с аксиально-радиальным потоком, расположенных последовательно, так что поток, выходящий из одного слоя, участвует в реакции в следующем слое; теплообменники между слоями, расположенные между последовательными слоями для охлаждения потока, выходящего из слоя, перед его подачей в следующий слой; и опционально нижний теплообменник после последнего слоя в последовательности слоев.

Такие реакторы широко распространены, например, для синтеза аммиака из добавочного синтез-газа, содержащего водород и азот. Конверсия этого добавочного газа в аммиак имеет наиболее высокие характеристики при использовании катализаторов на основе железа (железные катализаторы). Альтернативные катализаторы могут быть выбраны из модифицированных железных катализаторов, железных катализаторов с промотирующими добавками, железных катализаторов, промотированных наночастицами, железо-кобальтовых катализаторов, катализаторов, усиленных кобальтом, катализаторов, промотированных рутением, и катализаторов, усиленных рутением.

Состав катализатора не единственный фактор, влияющий на характеристики процесса; также существенную роль играют размер и форма частиц катализатора.

Катализаторы с более мелкими частицами предпочтительны для осуществления процесса, поскольку для одного и того же объема, доступного для размещения слоя катализатора, ослабляется проблема, связанная с ограничениями диффузии, обеспечивается более однородный контакт с реагентами и повышается эффективность и выход продукта процесса конверсии. Однако в случае более мелких частиц катализатора наблюдается тенденция к повышению падений давлений в реакторе. Кроме того, проблемой является удерживание частиц катализатора малых размеров. Обычно катализатор удерживается газопроницаемым коллектором, имеющим подходящие отверстия. Для более мелких частиц катализатора необходимы отверстия малых размеров, которые более подвержены риску забивания, в результате чего дополнительно повышается падение давления и снижается эффективность процесса. Кроме того, для заданного поперечного сечения сквозного потока газа отверстия меньших размеров должны быть в большем количестве, и они должны быть расположены ближе друг к другу, что приводит к ослаблению самого коллектора.

В современных реакторах используются катализаторы с размерами частиц в диапазоне 1,5-3 мм, которые считаются наилучшим компромиссом между активностью катализатора и падениями давления в реакторе. Указанные размеры в настоящее время считаются предпочтительными для частиц катализатора в установках синтеза аммиака.

В документе WO 2005/047216 раскрывается реактор с аксиальным потоком для гидрогенизации олефинов, включающий несколько стадий, на которых используемый катализатор имеет разные размеры частиц и/или разную форму по меньшей мере на двух стадиях.

В документе ЕР 1661860 раскрывается трубчатый реактор с аксиальным потоком для синтеза аммиака и предлагается такой реактор устанавливать в качестве дополнительного устройства в существующие комплексы. Однако модернизация на основе дополнения, то есть, установки нового аппарата, обычно требует больших затрат.

В документе JP 2007277160 также раскрывается каталитический реактор.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является создание многослойного каталитического реактора, который способен улучшить эффективность работы и выход продукта процесса конверсии, минимизируя в то же время падения давления реактора. Другой целью настоящего изобретения является создание многослойного каталитического реактора, в котором легко реализовать механическое и конструктивное удерживание частиц катализатора без негативного влияния на функции и надежность коллекторов каталитических слоев.

Указанные цели достигаются с помощью многослойного каталитического реактора по п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные признаки реактора указаны в зависимых пунктах.

Предлагаемый многослойный каталитический реактор включает:

группу/ряд каталитических слоев, через которые последовательно проходит технологический газ, начиная с первого каталитического слоя и заканчивая последним каталитическим слоем указанной группы;

по меньшей мере один промежуточный теплообменник, расположенный между (по потоку) первым каталитическим слоем и вторым каталитическим слоем указанной группы и выполненный для отбора тепла от технологического газа, выходящего из первого слоя, перед его поступлением во второй слой;

отличающийся тем, что по меньшей мере последний каталитический слой указанной группы является адиабатическим и выполнен из катализатора с мелкими частицами, размер которых не превышает 2 мм.

Термин "адиабатический" означает, что каталитические слои не содержат никаких средств для непосредственного охлаждения катализатора (напр. теплообменника, погруженного в катализатор), то есть, тепло, выделяемое в результате реакции, полностью передается выходящему потоку.

Поток технологического газа проходит через все каталитические слои в радиальном или в аксиально-радиальном направлении. Каждый из каталитических слоев реактора содержит по меньшей мере один распределитель газа и по меньшей мере один коллектор газа, расположенные таким образом, чтобы поток технологического газа проходил через каталитический слой в радиальном или в аксиально-радиальном направлении. Распределитель газа и коллектор газа могут быть в форме газопроницаемых цилиндрических стенок.

В соответствии с разными вариантами упомянутые мелкие частицы катализатора имеют размер в диапазоне от 0,5 мм до 2 мм, от 1 мм до 2 мм, 0,5 мм до 1,5 мм, от 0,5 мм до 1,3 мм. В предпочтительном варианте размер частиц находится в диапазоне от 1,0 мм до 1,4 мм, более предпочтительно 1,3 мм или примерно 1,3 мм. Вышеуказанные диапазоны размеров частиц особенно, но не исключительно, предпочтительны для катализатора, используемого для синтеза аммиака.

Термин "размер частиц" относится к характеристическому размеру частиц катализатора. Для сферических или по существу сферических частиц этим размером является диаметр. Для частиц несферической или неправильной формы, размер частиц может быть представлен средним диаметром. Предпочтительно в качестве среднего диаметра используется средний диаметр по Саутеру, который, как указывается в литературе, представляет собой диаметр сферы, имеющей такое же отношение объем/площадь поверхности, что и рассматриваемая частица. Соответственно, средний диаметр по Саутеру может быть рассчитан как функция площади поверхности и объема частиц. Средняя величина может быть определена по результатам измерений нескольких частиц.

Указанный в настоящей заявке размер частиц катализатора, не превышающий 2 мм, относится к катализатору, размер по меньшей мере 90% частиц которого, по меньшей мере 95% и более предпочтительно по меньшей мере 99%, не превышает 2 мм. Катализатор, удовлетворяющий вышеуказанному условию, указывается как катализатор, состоящий из мелких частиц. Катализатор, соответствующий этому определению, может быть получен путем пропускания его частиц через одно или более соответствующих сит. Например, может быть установлено сито, которое пропускает частицы катализатора, размеры которых меньше заданной величины. В некоторых вариантах размер частиц катализатора может иметь статистическое распределение, например нормальное распределение (Гауссова кривая) относительно номинальной величины.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения только последний каталитический слой из указанной группы, выполнен из катализатора с мелкими частицами, а другие каталитические слои выполнены из катализатора с более крупными частицами. В некоторых вариантах этот второй катализатор содержит частицы, размер которых превышает 2 мм и предпочтительно не превышает 3 мм.

В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения указанная группа каталитических слоев содержит первый каталитический слой и второй каталитический слои, которые проходятся последовательно, причем первый каталитический слой является изотермическим или псевдоизотермическим слоем, а второй каталитический слой является адиабатическим слоем и выполнен из катализатора, состоящего из мелких частиц. В одном из вариантов первый каталитический слой также выполнен из катализатора, состоящего из мелких частиц.

Термин "изотермический или псевдоизотермический" относится к каталитическому слою, включающему теплообменник, погруженный в катализатор, для отбора тепла и регулирования температуры слоя в процессе работы, причем эта температура поддерживается по существу постоянной или в заданном интервале температур. Такой теплообменник содержит теплообменные средства в форме труб или предпочтительно в форме пластин, через которые проходит охлаждающая среда. В отличие от изотермического слоя адиабатический каталитический слой не содержит теплообменник, погруженный в катализатор.

В соответствии со вторым вариантом указанная группа каталитических слоев содержит только адиабатические каталитические слои. Предпочтительно указанная группа состоит из трех адиабатических каталитических слоев, которые проходятся последовательно от первого к третьему каталитическому слою.

В соответствии с изобретением третий каталитический слой вышеуказанной последовательности трех адиабатических слоев выполнен из катализатора, состоящего из мелких частиц. Второй каталитический слой может быть выполнен из катализатора, состоящего из мелких или из крупных частиц, то есть, из частиц, размер которых превышает 2 мм, например, до 3 мм. Первый каталитический слой этой последовательности выполнен предпочтительно из катализатора, состоящего из крупных частиц, для ограничения падения давления.

Заявитель обнаружил, что использование катализатора, состоящего из мелких частиц, в третьем слое и, возможно, во втором слое обеспечивает значительно более высокий суммарный выход продукта процесса конверсии за счет приемлемого падения давления. Было найдено, что использование катализатора, состоящего из мелких частиц, также и в первом слое приводит к существенному увеличению падения давления, с одной стороны, и к незначительному увеличению выхода продукта процесса конверсии, с другой стороны, как это будет более очевидно из приведенного ниже Примера 1.

В некоторых вариантах в качестве указанного по меньшей мере одного промежуточного теплообменника используется кожухотрубный аппарат. В других предпочтительных вариантах указанный по меньшей мере один промежуточный теплообменник содержит множество сложенных вместе пластин, формирующих зазоры между ними, через которые попеременно проходит поток, выходящий из слоя, и охлаждающая среда.

Каталитические слои указанной группы имеют круговую цилиндрическую форму, более предпочтительно кольцевую цилиндрическую форму с центральной аксиальной полостью, в которой установлен указанный по меньшей мере один промежуточный теплообменник. Соответственно, каталитические слои содержат внешний коллектор и внутренний коллектор, которые имеют цилиндрическую форму, проходят коаксиально и проницаемы для газа. В предпочтительном варианте коллекторы выполнены с перфорированными стенками.

Один из аспектов изобретения относится к удерживанию катализатора, состоящего из мелких частиц.

Предпочтительно каждый каталитический слой реактора по настоящему изобретению имеет кольцевую цилиндрическую форму и содержит внешний газопроницаемый коллектор и внутренний газопроницаемый коллектор, причем цилиндрические коллекторы расположены коаксиально друг относительно друга для формирования кольцевого цилиндрического каталитического слоя. Внешний коллектор и внутренний коллектор каждого каталитического слоя, содержащего катализатор, состоящий из мелких частиц, предпочтительно включает одно из: сплошной перфорированной стенки; стенки с прорезями; фильтра из спеченных металлических волокон; стенки, выполненной из мелкоячеистой сетки, в сочетании по меньшей мере с одной стенкой, выполненной из крупноячеистой сетки, и/или с пластиной с прорезями.

В одном из предпочтительных вариантов коллекторы, охватывающие каталитические слои, выполненные из катализатора, состоящего из мелких частиц, содержат стенку, изготовленную из сетки с мелкими ячейками, в сочетании по меньшей мере с одной стенкой, изготовленной из сетки с более крупными ячейками, или из пластины с прорезями. Предпочтительно коллекторы содержат три стенки, изготовленные из сетки, в частности внутренняя и внешняя стенки изготовлены из сетки с более крупными ячейками, а центральная стенка изготовлена из сетки с мелкими ячейками.

Ячейки мелкоячеистой сетки существенно меньше частиц катализатора, так что они непроницаемы для катализатора. Для катализатора с частицами, размер которых находится в диапазоне 1-2 мм, эти ячейки предпочтительно меньше 1 мм, а для катализатора с частицами, размер которых находится в диапазоне 0,5-1 мм, эти ячейки предпочтительно меньше 0,5 мм.

Такое сочетание стенок позволяет удерживать каталитические слои и в то же время обеспечивает коллекторам механическую прочность.

В другом варианте коллекторы, охватывающие каталитические слои, выполненные из катализатора, состоящего из мелких частиц, содержат только пластины с отверстиями, а именно, перфорированные металлические листы, размеры отверстий которых меньше размеров частиц катализатора. Для катализатора, размер частиц которого находится в диапазоне 1,5-2 мм, эти отверстия предпочтительно не больше 1,4 мм, более предпочтительно их размеры находятся в диапазоне от 0,55 мм до 0,7 мм, а для катализатора, размер частиц которого находится в диапазоне 0,5-1 мм, размеры этих отверстий предпочтительно находятся в диапазоне от 0,25 мм до 0,4 мм.

В предпочтительных вариантах многослойный реактор по настоящему изобретению представляет собой реактор для синтеза аммиака, или для синтеза метанола, или для осуществления реакции конверсии водяного газа или реактор для удаления оксидов азота.

Другим объектом настоящего изобретения является способ модернизации в соответствии с формулой изобретения. Для конвертера, содержащего по меньшей мере три адиабатических каталитических слоя, этот метод включает замену катализатора последнего каталитического слоя, размер частиц которого превышает 2 мм, новым катализатором с размером частиц, не превышающим 2 мм.

Способ предпочтительно осуществляют на реакторе, содержащем по меньшей мере три каталитических слоя. Схема трех слоев - это обычная конфигурация существующих старых реакторов, и поэтому существует потребность в способе модернизации, подходящем для этого типа реакторов. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения предлагаемый способ модернизации также включает стадию замены первого и второго адиабатических слоев одним изотермическим слоем, содержащим теплообменник, погруженный в катализатор. Предпочтительно этот способ модернизации включает стадию загрузки катализатора с размером частиц, не превышающим 2 мм, также внутрь изотермического каталитического слоя.

Другие предпочтительные признаки способа модернизации указаны в зависимых пунктах формулы.

В вариантах, включающих замену адиабатических слоев одним изотермическим каталитическим слоем, этот заново установленный изотермический слой больше заменяемых первого и второго адиабатических слоев. Достоинством предлагаемого способа является то, что объем, ранее используемый для прохождения технологического газа из первого слоя во второй слой, становится доступным для заполнения катализатором. Этот дополнительный объем компенсирует объем, занимаемый теплообменником, погруженным в катализатор. В результате объем, доступный для загрузки катализатора в новый изотермический слой, остается по существу неизменным по сравнению с объемом катализатора в двух заменяемых адиабатических слоях.

Следует отметить, что в изобретении предлагается способ модернизации существующего реактора и повышения его производительности без необходимости использования дорогого дополнительного оборудования.

Использование изотермического каталитического слоя вместо адиабатических слоев обеспечивает возможность регулирования температуры в узком диапазоне температур, идеально близкой температуре максимальной скорости реакции, что соответствует максимально возможной конверсии для заданного объема катализатора. Поэтому для заданного объема катализатора характеристики процесса в изотермическом слое гораздо выше по сравнению с адиабатическим слоем, и замена первого и второго адиабатических слоев одним изотермическим слоем обеспечивает оптимальную эксплуатацию первого слоя (наиболее критичная часть процесса), в который подается свежий и более реакционно-способный материал.

Достоинства изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 - упрощенная схема многослойного реактора для синтеза аммиака (предшествующий уровень);

на фиг. 2 - схема реактора, показанного на фиг. 1, после модернизации по одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг. 3 - схематический вид сечения каталитического слоя реактора, показанного на фиг. 2, по одному из вариантов осуществления изобретения.

Подробное описание осуществления изобретения

На фиг. 1 приведена схема многослойного реактора 1, например, реактора для синтеза аммиака, включающего: резервуар 2 и каталитический контейнер 3 с катализатором, содержащий три адиабатических каталитических слоя 4, 5, 6, расположенных последовательно, два теплообменника 7, 8 между слоями и опционально нижний теплообменник 9. В рассматриваемом варианте теплообменники 7, 8, 9 представляют собой пластинчатые теплообменники, а в альтернативном варианте это могут быть кожухотрубные теплообменники.

Через каждый слой 4, 5, 6 проходит внутрь радиальный или смешанный аксиально-радиальный поток, и эти слои имеют кольцевую цилиндрическую форму с центральной аксиальной полостью 10. Пластинчатые теплообменники 7, 8, 9 расположены в центральных полостях 10 для обеспечения охлаждения между слоями газообразных продуктов, поступающих из одного каталитического слоя в другой.

Эти каталитические слои 4, 5, 6 являются адиабатическими, поскольку они не содержат охлаждающих средств, и тепло реакции полностью передается газообразному потоку реагентов и продуктов.

Каталитические слои 4, 5, 6 содержат частицы катализатора, имеющие неправильную форму, и их размер превышает 2 мм. Частицы катализаторы могут быть, например, на основе железа.

Каждый каталитический слой 4, 5, 6 содержит две газопроницаемые коаксиальные стенки, которые формируют, соответственно, внутреннюю охватывающую стенку 11 и внешнюю охватывающую стенку 12. Внешняя стенка 12 служит в качестве распределителя газа, поступающего в каталитический слой. Внутренняя стенка 11 служит в качестве коллектора газообразных продуктов, выходящих из каталитического слоя. Стенки 11, 12 снабжены отверстиями или проходами подходящих размеров, так что они проницаемы для газа и в то же время способны механически и конструктивно удерживать катализатор. Эти две коаксиальные охватывающие стенки также указываются как внешний коллектор и внутренний коллектор.

Свежий добавочный газ (СДГ или MUG, от англ. Make-Up Gas) подается в реактор 1 через впускное отверстие 13 и поступает в первый слой 4 после прохождения через внешний коллектор 12, затем поток, выходящий из первого слоя 4, поступает в первый промежуточный теплообменник 7 после прохождения через внутренний коллектор 11 и охлаждается в результате прохождения через пластины теплообменника 7, после чего охлажденный поток поступает во второй слой 5 через соответствующий внешний коллектор 12. Аналогично, поток, выходящий из второго слоя 5, охлаждается во втором промежуточном теплообменнике 8 перед поступлением в третий слой 6, и поток, выходящий из третьего слоя 6 охлаждается в нижнем теплообменнике 9 перед выходом из реактора 1 через выпускное отверстие 14.

Реактор, схема которого показана на фиг. 1, хорошо известен в технике и потому нет необходимости в его подробном описании.

На фиг. 2 приведена схема реактора 100, модернизированного в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения. В частности, реактор 100 получают в результате модернизации реактора 1 с использованием следующих стадий:

замена первого и второго адиабатических слоев одним слоем 15 и установка пластинчатого теплообменника 16, содержащего множество теплообменных пластин 17 внутри нового одного слоя 15, так что он работает в изотермическом режиме;

замена двух промежуточных теплообменников одним теплообменником 18;

загрузка нового каталитического слоя 15 катализатором, размер частиц которого не превышает 2 мм, например, с гауссовым распределением размеров в диапазоне от 1 мм до 2 мм;

замена катализатора, содержащегося в третьем адиабатическом слое, таким же катализатором, но с размером частиц, не превышающим 2 мм.

Несмотря на то, что теплообменные пластины 17 "съедают" объем, который мог бы занимать катализатор, объем катализатора в новом изотермическом слое 15 не изменяется по сравнению с объемом катализатора в адиабатических слоях 4, 5, поскольку объем реактора, ранее используемый для прохождения потока из первого слоя 4 во второй слой 5, теперь будет занят катализатором.

Реактор 1 также изменен путем установки новых внутренних коллекторов 20 и внешних коллекторов 21, способных удерживать загруженные заново более мелкие частицы катализатора. Эти новые внутренние и внешние коллекторы 20, 21 показаны на фиг. 3 для адиабатического каталитического слоя 6. Новые коллекторы 20, 21 также установлены для удерживания катализатора, содержащегося в изотермическом слое 15.

Теплообменные пластины 17 расположены радиально в изотермическом слое 15. Через пластины 17 циркулирует охлаждающая среда, такая как вода. В результате первый каталитический слой 15 модернизированного реактора 100 работает в изотермическом режиме, и температурой первого слоя 15 можно управлять с дополнительной степенью свободы путем регулирования потока и/или температуры охлаждающей среды, проходящей через пластины 17.

На фиг. 3 приведен схематический вид сечения адиабатического каталитического слоя 6 модернизированного реактора 100, схема которого показан на фиг. 2, причем виден внешний коллектор 21 (распределитель) и внутренний коллектор 20. Распределитель 21 и коллектор 20 содержат коаксиальные цилиндрические стенки, проницаемые для газа через имеющиеся в них отверстия или проходы. Как показано на фиг. 3, распределитель 21 и коллектор 20 содержат три стенки, выполненные из сетки, в частности, сетки внутренней стенки 22 и внешней стенки 23 имеют более крупные ячейки, а сетка центральной стенки 24 имеет более мелкие ячейки; для этой цели могут использоваться сплошные стенки с выполненными в них отверстиями или прорезями, так что обеспечивается удерживание каталитического слоя.

Примеры

Пример 1

Нижеприведенная Таблица 1 относится к многослойному каталитическому реактору на заводе по производству аммиака с производительностью 1850 метр, тонн/сутки, причем содержание инертных примесей на входе реактора составляло 11%. Этот реактор содержит три адиабатических слоя с железным катализатором, которые работают последовательно. Объем первого слоя равен 5 м³, объем второго слоя - 8 м³ и объем третьего слоя - 31 м³.

Таблица 1 обеспечивает сравнение величин падений давления и выхода продукта процесса конверсии для нижеуказанных конфигураций реактора, и анализируется их эффект в контуре синтеза:

1.1. Реактор предшествующего уровня, в котором все слои содержат катализатор, состоящий из сравнительно крупных частиц. Каждый слой содержит катализатор с размером частиц от 1,5 мм до 3 мм.

1.2. Реактор по настоящему изобретению, в котором первый и второй слои содержат катализатор с размерами частиц от 1,5 мм до 3 мм, и третий слой содержит катализатор, состоящий из более мелких частиц с размерами от 1 мм до 2 мм, то есть, третий слой не содержит частицы, размеры которых превышают 2 мм.

1.3. Реактор по настоящему изобретению, в котором первый слой содержит катализатор, состоящий из крупных частиц с размерами от 1,5 мм до 3 мм, а второй и третий слои содержат катализатор, состоящий из мелких частиц с размерами от 1 мм до 2 мм.

1.4. Реактор, в котором все слои содержат катализатор, состоящий из мелких частиц с размерами от 1 мм до 2 мм.

Результаты, приведенные в Таблице 1, показывают, что конфигурация 1.2 реактора, в которой катализатор с мелкими частицами используется только в третьем слое, обеспечивает более высокий суммарный выход процесса конверсии и более низкие падения давления по сравнению с конфигурацией 1.1, в которой все слои содержат катализатор с крупными частицами. Более низкое падение давления имеет место благодаря пониженной циркуляции и, соответственно, более высокой эффективности синтеза аммиака.

Конфигурация 1.3 реактора, в которой катализатор с мелкими частицами используется во втором и третьем слоях, обеспечивает более высокий суммарный выход процесса конверсии по сравнению с конфигурацией 1.1 и конфигурацией 1.2. В этом случае падения давления повышаются лишь в небольшой степени, и такое повышение считается приемлемым ввиду существенного увеличения выхода продукта процесса конверсии.

Результаты для конфигурации 1.4 показывают, что использование катализатора с мелкими частицами во всех слоях приводит к более высокому выходу продукта процесса конверсии, однако также сопровождается существенным повышением падений давления, которое не компенсируется повышением конверсии.

Пример 2

Нижеприведенная Таблица 2 относится к многослойному каталитическому реактору завода по производству аммиака с производительностью 1935 метр, тонн/сутки, причем содержание инертных примесей на входе реактора составляло 15,5%, и давление на входе - 248,5 бар.

Таблица 2 позволяет сравнить величины падений давления и выхода продукта процесса конверсии для следующих конфигураций реактора:

2.1. Реактор предшествующего уровня, содержащий три адиабатических слоя с катализатором, состоящим из сравнительно крупных частиц, размеры которых находятся в диапазоне от 1,5 мм до 3 мм.

2.2. Реактор по настоящему изобретению, содержащий три адиабатических слоя, в котором первый и второй слои содержат катализатор с крупными частицами, а третий слой содержит катализатор с мелкими частицами, размеры которых находятся в диапазоне от 1 мм до 2 мм.

2.3. Реактор по настоящему изобретению, содержащий первый, изотермический слой и второй, адиабатический слой, причем первый, изотермический слой содержит по существу такой же объем катализатора, что и первые два адиабатических реактора в конфигурации 2.2, при этом первый, изотермический слой содержит катализатор с крупными частицами, размеры которых находятся в диапазоне от 1,5 мм до 3 мм, а второй, адиабатический слой содержит катализатор с мелкими частицами, размеры которых находятся в диапазоне от 1 мм до 2 мм.

2.4. Реактор по настоящему изобретению, содержащий первый, изотермический слой и второй, адиабатический слой, причем оба слоя содержат катализатор с мелкими частицами, размеры которых находятся в диапазоне от 1 мм до 2 мм, причем первый, изотермический слой содержит по существу такой же объем катализатора, что и первые два адиабатических слоя конфигурации 2.2.

Для конфигурации 2.2 реактора, в котором катализатор с мелкими частицами используется только в третьем слое последовательности трех адиабатических слоев, справедливы те же соображения, что и для конфигурации 1.2 Примера 1.

В конфигурации 2.3 использование катализатора с крупными частицами в первом, изотермическом слое и катализатора с мелкими частицами во втором, адиабатическом слое обеспечивает существенное увеличение выхода продукта процесса конверсии и снижение падений давления.

В конфигурации 2.4 использование катализатора с мелкими частицами в первом, изотермическом слое и во втором, адиабатическом слое обеспечивает дополнительное увеличение выхода продукта процесса конверсии и снижение падений давления.

Пример 3

Нижеприведенная Таблица 3 относится к многослойному каталитическому реактору завода по производству аммиака с производительностью 1935 метр, тонн/сутки, причем содержание инертных примесей на входе реактора составляло 15,5%, и давление на входе - 248,5 бар.

Этот реактор содержит три адиабатических слоя, работающих последовательно, и в Таблице 3 сравниваются величины падений давления и выхода продукта процесса конверсии для следующих конфигураций.

3.1. Реактор с кожухотрубными промежуточными теплообменниками.

3.2. Реактор с пластинчатыми промежуточными теплообменниками.

Результаты, приведенные в Таблице 3, показывают, что для конфигурации 3.2 с пластинчатыми промежуточными теплообменниками падения давления существенно ниже и выход продукта процесса конверсии существенно выше по сравнению с конфигурацией 3.1 с кожухотрубными промежуточными теплообменниками.

Изобретение относится к многослойным каталитическим преобразователям (реакторам). Многослойный каталитический реактор, содержащий: группу каталитических слоев (4, 5, 6), через которые обеспечивается последовательное прохождение технологического газа, от первого каталитического слоя (4) к последнему каталитическому слою (6) указанной группы; промежуточный теплообменник (7), расположенный между первым каталитическим слоем (4) и вторым каталитическим слоем (5) указанной группы и выполненный для отбора тепла от технологического газа, выходящего из первого слоя, перед его поступлением во второй слой; при этом последний каталитический слой (6) указанной группы является адиабатическим и выполнен из мелких частиц катализатора, размер которых не превышает 2 мм, и каждый из каталитических слоев (4, 5, 6) содержит один распределитель газа и по меньшей мере один коллектор газа, расположенные так, чтобы поток технологического газа проходил через каталитический слой в радиальном или в аксиально-радиальном направлении, причем только последний каталитический слой (6) из указанной группы выполнен из катализатора, состоящего из мелких частиц, а другой(-ие) каталитический(-ие) слой(-и) выполнен(-ы) из катализатора, состоящего из более крупных частиц. Технический результат – улучшение эффективности работы и выхода продукта процесса конверсии, минимизация в то же время падения давления реактора. 2 н. и 9. з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

1. Многослойный каталитический реактор, содержащий:

группу каталитических слоев (4, 5, 6), через которые обеспечивается последовательное прохождение технологического газа, от первого каталитического слоя (4) к последнему каталитическому слою (6) указанной группы;

по меньшей мере один промежуточный теплообменник (7), расположенный между первым каталитическим слоем (4) и вторым каталитическим слоем (5) указанной группы и выполненный для отбора тепла от технологического газа, выходящего из первого слоя, перед его поступлением во второй слой;

отличающийся тем, что по меньшей мере последний каталитический слой (6) указанной группы является адиабатическим и выполнен из мелких частиц катализатора, размер которых не превышает 2 мм, и

каждый из каталитических слоев (4, 5, 6) содержит по меньшей мере один распределитель газа и по меньшей мере один коллектор газа, расположенные так, чтобы поток технологического газа проходил через каталитический слой в радиальном или в аксиально-радиальном направлении,

причем только последний каталитический слой (6) из указанной группы выполнен из катализатора, состоящего из мелких частиц, а другой(-ие) каталитический(-ие) слой(-и) выполнен(-ы) из катализатора, состоящего из более крупных частиц.

2. Реактор по п. 1, в котором размер мелких частиц катализатора находится в диапазоне от 0,8 мм до 1,4 мм, предпочтительно от 1,0 мм до 1,4 мм.

3. Реактор по п. 1, в котором размер мелких частиц катализатора равен 1,3 мм или примерно 1,3 мм.

4. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором указанный по меньшей мере один промежуточный теплообменник (7) содержит множество пластин, сложенных в пакет, причем через зазоры между соседними пластинами попеременно проходит технологический газ и охлаждающая среда.

5. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором каталитические слои имеют кольцевую цилиндрическую форму и содержат внешний газопроницаемый коллектор (12) и внутренний газопроницаемый коллектор (11), причем коллекторы, имеющие цилиндрическую форму, коаксиальны, и внутренний коллектор (20) и внешний коллектор (21) каждого каталитического слоя, содержащего катализатор, состоящий из мелких частиц, включают любое из: сплошной перфорированной стенки; стенки с прорезями; фильтра из спеченных металлических волокон; стенки, выполненной из сетки с мелкими ячейками, в сочетании по меньшей мере с одной стенкой, выполненной из сетки с крупными ячейками, и/или с пластиной с прорезями.

6. Способ модернизации многослойного каталитического реактора (1), содержащего:

по меньшей мере три каталитических слоя (4, 5, 6), через которые последовательно проходит поток технологического газа, в радиальном или радиально-аксиальном направлении, от первого каталитического слоя (4) к последнему каталитическому слою (6) указанной группы;

по меньшей мере первый промежуточный теплообменник (7) или первый охладитель для охлаждения потока, выходящего из первого каталитического слоя (4), перед его поступлением во второй каталитический слой (5), когда между первым слоем и вторым слоем обеспечивается поток газа, и второй промежуточный теплообменник (8) или второй охладитель для охлаждения потока, выходящего из второго каталитического слоя (5), перед его поступлением в третий каталитический слой (6), когда между вторым слоем и третьим слоем обеспечивается поток газа,

причем каталитические слои выполнены из катализатора, размер частиц которого превышает 2 мм,

отличающийся тем, что

осуществляют замену катализатора последнего адиабатического каталитического слоя (6) катализатором, размер частиц которого не превышает 2 мм.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что осуществляют замену катализатора по меньшей мере последнего адиабатического каталитического слоя (6) катализатором с размером частиц в диапазоне от 0,8 мм до 1,4 мм, предпочтительно от 1,0 мм до 1,4 мм, более предпочтительно 1,3 мм или примерно 1,3 мм.

8. Способ по п. 6 или 7, отличающийся тем, что удаляют первый и второй адиабатические слои и первый и второй промежуточные теплообменники или охладители, и устанавливают единственный изотермический слой (15) для замены первого и второго адиабатических слоев, причем изотермический слой (15) содержит теплообменник (16), предпочтительно содержащий множество теплообменных пластин (17), погруженных в катализатор изотермического слоя (15).

9. Способ по п. 6 или 7, в котором первый адиабатический слой и второй адиабатический слой имеют кольцевую цилиндрическую форму и содержат первый промежуточный теплообменник и второй промежуточный теплообменник, расположенные коаксиально, отличающийся тем, что первый и второй адиабатические слои заменяют единственным изотермическим слоем (15), содержащим теплообменник (16), а первый и второй промежуточные теплообменники заменяют новым промежуточным теплообменником (18), расположенным коаксиально внутри изотермического слоя (15).

10. Способ по п. 8 или 9, в котором единственный изотермический каталитический слой (15) больше предшествующих первого адиабатического каталитического слоя и второго адиабатического каталитического слоя, так чтобы объем для размещения катализатора по существу не изменялся.

11. Способ по любому из пп. 8-10, включающий стадию загрузки катализатора с размером частиц, не превышающим 2 мм, внутрь единственного изотермического каталитического слоя (15).