КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР, ИМЕЮЩИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАЮЩИЕ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2024 года по МПК B01J19/24 B01J8/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления изобретения в общем относятся к каталитическому реактору с трубками каталитического реактора, а более конкретно к каталитическому реактору, включающему металлические излучающие поверхности, предусмотренные в камере сгорания указанного каталитического реактора, которые улучшают теплопередачу и/или выравнивают профиль теплопередачи от реакции горения к трубкам каталитического реактора и элементам катализатора во время работы каталитического реактора.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В каталитических реакторах химический процесс часто требует нагревания или охлаждения слоя катализатора для того, чтобы химический процесс проходил или по крайней мере проходил экономически целесообразно. Ограничивающим фактором является теплопередача между технологической текучей средой, протекающей через слой катализатора, и пламенем горелки (горелок), расположенной рядом с внешней стороной емкости, вмещающей слой катализатора, для обеспечения теплоты химическому процессу. Во многих случаях катализатор содержится в трубках каталитического реактора, а технологическая текучая среда течет внутри трубок каталитического реактора через слой катализатора. Тогда трубки каталитического реактора нагреваются снаружи, чтобы передавать тепло катализатору. Таким образом, увеличение теплопередачи от источника тепла, часто пламени горелки, к трубкам каталитического реактора будет увеличивать эффективность и выход в химическом процессе в каждой трубке каталитического реактора и в каталитическом реакторе в целом. Кроме того, эффективность будет увеличиваться, если локальное тепло от пламени горелки выравнивается, чтобы обеспечить хорошо распределенную передачу тепла к трубкам каталитического реактора. В большинстве случаев каталитический реактор включает множество трубок каталитического реактора. Поскольку каталитические реакторы имеют значительную стоимость, увеличение эффективности каждой трубки каталитического реактора в этом каталитическом реакторе имеет прямое влияние на снижение стоимости, расхода материалов и затрат энергии для производства заданного количества химических продуктов в каталитическом реакторе.

Известный уровень техники предлагает ограниченное решение данной проблемы, как можно увидеть из следующих ссылок, где:

Европейский патент ЕР 1604706 раскрывает пламегасящее изделие, включающее в себя корпус из растянутой сетки, образованной продольным растяжением прорезанных листов металлической фольги, причем указанная металлическая фольга имеет толщину в диапазоне от 0,020 до 0,1 мм и имеет прерывистые прорези (11), расположенные на параллельных линиях, которые отстоят друг от друга на расстояние от 2 до 5 мм. Указанная металлическая фольга представляет собой сплав магния и по меньшей мере одного металла, выбранного из группы, состоящей из алюминия, меди, циркония, цинка, стронция, Rn (электрона), кремния, титана, железа, марганца и хрома, причем с наличием по меньшей мере 0,05 процентов магния по массе. Изобретение также относится к соответствующему способу гашения пламени.

Патент США US 5408984 описывает газовую горелку, которая использует двухступенчатый стабилизатор пламени. При низких скоростях подачи полностью аэрированное пламя стабилизируется на поверхности пористого материала. При более высоких скоростях подачи пламя сдувается потоком и удерживается язычками для стабилизации пламени. Такие конструкции данного типа, как правило, работают в очень широком диапазоне скоростей подачи и используют пламя с высокой аэрацией, что снижает температуру пламени, замедляет образование NOx и увеличивает общую скорость реакции за счет сокращения пламени при снижении содержания монооксида углерода (СО), возникающего в результате наброса пламени.

Ни одна из вышеупомянутых известных ссылок не предлагает решения упомянутой проблемы, как описано далее.

В дальнейшем трубки должны рассматриваться как изолированные пространства с любой формой поперечного сечения, отличающиеся только тем, что они длиннее, чем протяженность поперечного сечения. Обычно трубки являются цилиндрическими, но они также могут иметь некруглые формы поперечного сечения и форму поперечного сечения, изменяющуюся по длине трубки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления изобретения в общем относятся к каталитическому реактору, включающему камеру реакции сгорания, которая включает множество трубок каталитического реактора. Трубки каталитического реактора по меньшей мере частично заполнены элементами катализатора, чтобы обеспечить протекание химической реакции в этих трубках каталитического реактора, когда через них протекает поток технологической текучей среды. Чтобы обеспечить необходимую теплоту для протекания химической реакции, каталитический реактор также включает по меньшей мере одну горелку, позволяющую производить реакцию горения, обеспечивающую теплоту для трубок каталитического реактора, чтобы протекала химическая реакция.

Внутри камеры реакции сгорания одна или несколько металлических излучающих поверхностей расположены между трубками каталитического реактора. Эти металлические излучающие поверхности имеют несколько преимуществ. Они поглощают тепловую энергию от реакции горения от горелки (горелок) и испускают эту энергию в виде излучения с более сильным эффектом, чем газообразные соединения (газовое излучение). Они могут действовать как контактирующие с пламенем поверхности, контролируя пламя горелки, тем самым помогая предотвращать контактирование пламени с трубками аппарата риформинга, которое может служить причиной горячих точек, которые повреждают трубки каталитического реактора. Кроме того, металлические излучающие поверхности будут проводить тепло от горелки (горелок), тем самым распределяя тепловое излучение на большую площадь, выравнивая температуру трубок аппарата риформинга. Это может привести к увеличению производства (более высокая пропускная способность на технологической стороне), поскольку излучение, поступающее к трубкам, может быть изменено с устранением наблюдаемых обычно областей высокой температуры, возникающих по причине излучения от пламени горелки. Металлические излучающие поверхности имеют длину, составляющую по меньшей мере половину от длины трубок каталитического реактора, чтобы обеспечить достаточную площадь для упомянутых преимуществ.

Металлические излучающие поверхности расположены так, что по меньшей мере часть их поверхности находится от горелки на расстоянии, достаточно малом, чтобы обеспечить упомянутое поглощение тепла от реакции горения. Это расстояние может варьироваться в зависимости от конкретной схемы применения, и оно подбирается к тепловой мощности от горелки (горелок), к расстоянию между горелкой (горелками) и трубками каталитического реактора, расстоянию между трубками реактора и, в случае множества горелок, к расстоянию между горелками. В одном варианте осуществления металлические излучающие поверхности расположены так близко к горелке (горелкам), что пламя горелки будет создавать контакт пламени с излучающими поверхностями, то есть направление и расположение пламени горелки (горелок) определяются данными, излучающими металлическими поверхностями. В конкретном варианте осуществления металлические излучающие поверхности фактически расположены внутри пламени по меньшей мере одной из горелок.

Как уже было описано, металлические излучающие поверхности улучшают теплопередачу от горелки (горелок) к трубкам каталитического реактора и выравнивают профиль теплопередачи от реакции горения к трубкам каталитического реактора (и тем самым к элементам катализатора внутри указанных трубок каталитического реактора) во время работы каталитического реактора.

В одном варианте осуществления изобретения металлические излучающие поверхности выполнены из переплетенного металла. В другом варианте осуществления они изготовлены из металлической сетки или металлических пластин. В конкретном варианте осуществления изобретения металлические излучающие поверхности изготовлены из металлической сетки Kanthal. Металлические нити переплетенного металла или металлической сетки могут иметь диаметр поперечного сечения от 50 мкм до 1 мм, предпочтительно между 50 мкм и 100 мкм.

В другом варианте осуществления изобретения металлические излучающие поверхности имеют длину, составляющую от 80% до 100% от длины трубок каталитического реактора, чтобы дополнительно улучшить теплопередачу и выровнять профиль теплопередачи как упомянуто.

В одном варианте осуществления изобретения металлические излучающие поверхности расположены в камере реакции сгорания в виде завес, прикрепленных в данной камере в их верхней и нижней части. Этот вариант осуществления особенно эффективен, когда горелка (горелки) в камере реакции сгорания установлены сверху или установлены снизу.

Чтобы дополнительно улучшить эффективность процесса и сделать процесс горения более экологически безопасным, металлические излучающие поверхности могут быть изготовлены из каталитически активного материала или покрыты им. Это может увеличить окисление несгоревшего топлива, в частности, монооксида углерода. Например, данный подход применим к печи риформинга технологии HiCOT, поскольку он позволит использовать горелки HiCOT на аппаратах риформинга коробчатого типа. Это позволит сделать печь риформинга с более низким образованием NOx, поскольку средняя температура горения в печи будет снижена.

В одном варианте осуществления изобретения одна или несколько металлических излучающих поверхностей расположены внутри одной, нескольких или всех трубок каталитического реактора. Металлические излучающие поверхности подобраны, чтобы подходить по форме и находиться в физическом контакте с внутренней поверхностью трубок каталитического реактора по меньшей мере на части внутренней окружности одной или нескольких трубок каталитического реактора. Таким образом, металлические излучающие поверхности расположены внутри трубок каталитического реактора, вокруг элементов катализатора, между указанными элементами катализатора и внутренней поверхностью трубок каталитического реактора. Масса и давление элементов катализатора способствуют физическому контакту между внутренней поверхностью трубок каталитического реактора и металлическими излучающими поверхностями. Технологическая текучая среда, протекающая внутри трубок каталитического реактора через слой катализатора, получает тепло от внутренней поверхности стенки трубки каталитического реактора посредством нагрева или охлаждения, прилагаемого к внешней поверхности стенки трубки каталитического реактора. Металлические излучающие поверхности разрушают граничную область потока технологической текучей среды вблизи внутренней поверхности трубок каталитического реактора и увеличивают площадь поверхности, что повышает внутреннюю теплопередачу от внутренней поверхности трубок каталитического реактора к технологической текучей среде, протекающей внутри этих трубок каталитического реактора.

Отличительные признаки

1. Каталитический реактор, включающий камеру реакции сгорания, которая включает множество трубок каталитического реактора и по меньшей мере одну горелку для проведения по меньшей мере одной реакции горения, указанные трубки каталитического реактора по меньшей мере частично заполнены элементами катализатора, отличающийся тем, что камера реакции сгорания дополнительно включает одну или несколько металлических излучающих поверхностей, причем указанные металлические излучающие поверхности

- расположены между трубками каталитического реактора,

- имеют длину, составляющую по меньшей мере половину от длины трубок каталитического реактора,

- расположены так, что по меньшей мере часть металлической излучающей поверхности находится от горелки на расстоянии, достаточно малом, чтобы обеспечить поглощение тепла от реакции горения металлической излучающей поверхностью,

в результате чего металлические излучающие поверхности улучшают теплопередачу и/или выравнивают профиль теплопередачи от реакции горения к трубкам каталитического реактора и элементам катализатора во время работы каталитического реактора.

2. Каталитический реактор по отличительному признаку 1, причем указанные металлические излучающие поверхности представляют собой излучающие поверхности из переплетенного металла.

3. Каталитический реактор по любому из предшествующих отличительных признаков, причем указанные металлические излучающие поверхности выполнены из металлической сетки.

4. Каталитический реактор по любому из предшествующих отличительных признаков, причем указанные металлические излучающие поверхности имеют длину, составляющую от 80% до 100% от длины трубок каталитического реактора.

5. Каталитический реактор по любому из предшествующих отличительных признаков, причем указанные металлические излучающие поверхности расположены настолько близко по меньшей мере к одной из указанных горелок, что пламя горелки будет создавать контакт пламени с указанными излучающими поверхностями.

6. Каталитический реактор по любому из предшествующих отличительных признаков, причем указанные металлические излучающие поверхности расположены внутри пламени по меньшей мере одной из указанных горелок.

7. Каталитический реактор по любому из предшествующих отличительных признаков, причем указанные металлические излучающие поверхности расположены в виде завес и прикреплены в их верхней и нижней части внутри указанной камеры реакции сгорания.

8. Каталитический реактор по любому из предшествующих отличительных признаков, причем металлические излучающие поверхности содержат каталитически активное покрытие.

9. Каталитический реактор по любому из предшествующих отличительных признаков, причем металлические излучающие поверхности покрыты каталитически активным материалом.

10. Каталитический реактор по любому из предшествующих отличительных признаков, причем указанный каталитический реактор представляет собой установку парового риформинга, реактор получения метанола, реактор получения формальдегида или установку этиленового крекинга.

Пример 1

Металлическая проволочная сетка (или металлические листы) помещают в камеру печи между рядами труб так, чтобы направление верхней или нижней горелок было направлено вдоль этой сетки (предпочтительно разделено сеткой на две стороны). Эта сетка сконструирована так, чтобы покрывать всю площадь или в ней будут сделаны отверстия, в зависимости от желаемого излучения для конкретного вертикального положения. Таким образом, излучение от твердой поверхности может быть изменено для получения желаемого профиля излучения для трубки установки риформинга, при этом значительная часть тепла, выделяемого в направлении сетки, передается другим частям. Сетка также прикрепляется к нижней части в печи, чтобы контролировать горизонтальное положение по отношению к центру между трубками установки риформинга. Сетка будет прикреплена с помощью тросов, соединенных с крепежными элементами, и те и другие изготовлены из жаропрочных материалов, размещенными в верхней части камеры печи либо в крышке, либо по бокам близко к верху.

Пример 2

При модернизации установки риформинга с верхним расположением горелок производительность повышают за счет получения более равномерного температурного профиля вдоль трубок установки риформинга, что существенно влияет на срок службы трубок установки риформинга. Пламя горения стабилизируется путем его контакта с внутренней поверхностью, предотвращая риск контакта пламени с трубками, сводя к минимуму риски при эксплуатации. Поскольку пиковая температура в пламени горения также снижается, также понижается образование NOx в печи. В целом достигается значительное увеличение количества полученного синтез-газа/водорода из установки риформинга.

Изобретение относится к каталитическому реактору. Каталитический реактор включает камеру реакции сгорания с множеством трубок каталитического реактора и по меньшей мере одной горелкой. Трубки по меньшей мере частично заполнены элементами катализатора. Камера реакции сгорания дополнительно включает одну или несколько металлических излучающих поверхностей, расположенных между трубками и имеющих длину, составляющую по меньшей мере половину от длины трубок. По меньшей мере часть металлической излучающей поверхности находится от горелки на расстоянии достаточно малом, чтобы обеспечить поглощение тепла от реакции горения металлической излучающей поверхностью для улучшения теплопередачи и/или выравнивания профиля теплопередачи от реакции горения к трубкам реактора и элементам катализатора во время работы каталитического реактора. Металлические излучающие поверхности представляют собой излучающие поверхности из переплетенного металла или выполнены из металлической сетки и расположены настолько близко к указанной по меньшей мере одной горелки, что пламя горелки будет создавать контакт пламени с излучающими поверхностями. Техническим результатом является получение равномерного температурного профиля вдоль трубок реактора. 6 з.п. ф-лы, 2 пр.

1. Каталитический реактор, включающий камеру реакции сгорания, которая включает множество трубок каталитического реактора и по меньшей мере одну горелку для проведения по меньшей мере одной реакции горения, указанные трубки каталитического реактора по меньшей мере частично заполнены элементами катализатора, отличающийся тем, что камера реакции сгорания дополнительно включает одну или несколько металлических излучающих поверхностей, причем указанные металлические излучающие поверхности

- расположены между трубками каталитического реактора,

- имеют длину, составляющую по меньшей мере половину от длины трубок каталитического реактора,

- расположены так, что по меньшей мере часть металлической излучающей поверхности находится от горелки на расстоянии, достаточно малом, чтобы обеспечить поглощение тепла от реакции горения металлической излучающей поверхностью для улучшения теплопередачи и/или выравнивания профиля теплопередачи от реакции горения к трубкам каталитического реактора и элементам катализатора во время работы каталитического реактора,

причем указанные металлические излучающие поверхности представляют собой излучающие поверхности из переплетенного металла или выполнены из металлической сетки, и причем указанные металлические излучающие поверхности расположены настолько близко к указанной по меньшей мере одной горелке, что пламя горелки будет создавать контакт пламени с излучающими поверхностями.

2. Каталитический реактор по п. 1, причем указанные металлические излучающие поверхности имеют длину, составляющую от 80 % до 100 % от длины трубок каталитического реактора.

3. Каталитический реактор по п. 1, причем указанные металлические излучающие поверхности расположены внутри пламени указанной по меньшей мере одной горелки.

4. Каталитический реактор по п. 1, причем указанные металлические излучающие поверхности расположены в виде завес и прикреплены в их верхней и нижней части внутри указанной камеры реакции сгорания.

5. Каталитический реактор по п. 1, причем металлические излучающие поверхности включают каталитически активное покрытие.

6. Каталитический реактор по п. 1, причем металлические излучающие поверхности покрыты каталитически активным материалом.

7. Каталитический реактор по одному из пп. 1-6, причем указанный каталитический реактор представляет собой установку парового риформинга, реактор получения метанола, реактор получения формальдегида или установку этиленового крекинга.