Аппарат для каталитической конверсии метана

 

Область использования: изобретение относится к промышленной теплоэнергетике и может быть применено в отраслях промышленности, использующих конвертированный газ. Аппарат для каталитической конверсии метана состоит из реакционных элементов. Реакционный элемент содержит наружную трубу, в которой коаксиально и с зазором относительно внутренней поверхности наружной трубы закреплен катализатор . Новым в аппарате является то, что каждый реакционный элемент снабжен перфорированной вставкой,коаксиально и с зазором установленной на катализаторе. Отверстия вставки выполнены так, что плсщадь ортогональной проекции отверстий на поверхность катализа тора равна нулю, Отношение степени черн оты наружной повер хности вставки к степени черноты ее внутренней поверхности больше единицы. Отношение внутреннего диаметра наружной трубы к диаметру вставки больше отношения диаметра вс т авки к й Зруж ном у диаметру катэлизато р аТ Наружная поверхность вставки снабжена каталитически актй внътм ПокрьТпТем, 1 з. п. ф-лы, 3 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ю ) В 01 Л 8/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО CCСP (ГОСПАТЕНТ СССР) 1 4, .

«s (у( Г

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4808278/26 (22) 30.03.90 (46) 15,12,92. Бюл. ¹ 46 (71) Научно-производственное объединение

"Техэнергохимп ром" (72) Е.E. Овчинников, В.А, Волков, А.В, Макунин, B,С, Румянцев и А.И. Тюрин (56) Авторское свидетельство СССР

N. 142669, кл. F 27 D 17/00, 1961.

Авторское свидетельство СССР № 1016660, кл. F 28 О 21/00, 1983, (54) АППАРАТ ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ

КОНВЕРСИИ МЕТАНА (57) Область использования: изобретение относится к промышленной теплоэнергетике и может быть применено в отраслях промышленности, использующих конвертированный газ, Аппарат для каталитической конверсии метана состоит из реакционных

Изобретение относится к области промышленной теплоэнергетики, в частности к конструкции в ысокотемпературного аппарата, предназначенного для каталитической конверсии метана в температурном диапазоне 500 — 1000 С, и может быть применено в отраслях промышленности, использующих конвертированный газ, в частности, s атомно-водородной энергетике в системе дальнего теп,юснабжения 1ромышленных производств.

Одной из основных технологических операций в атомно-водородной технологии дальнего теплоснабжения является термохимическое аккумулирование тепловой энергии, выделяемой в высокотемпературном ядерном реакторе, основанное на каталитической конверсии м пана в высокатемпературном

„, 5Ц„, 1780826 А1 элементов. Реакционный элемент содержит наружную трубу, в которой коаксиально и с зазором относительно внутренней поверхности наружной трубы закреплен катализатор. Новым в аппарате является то, что каждый реакционный элемент снабжен перфорированной вставкой, коаксиально и с зазором установленной на катализаторе, Отверстия вставки выполнены так, что площадь ортогональной проекции отверстий на поверхность катализатбра "фавйа йулю, Отношение степени черноты йаружной повер. хности вставки к степени черноты ее внутренней поверхности больше единицы.

Отношение внутреннего диаметра наружной трубы к диаметру вставки больше отношения диаметра вставки "к" н а р уйн ому диаметру катализатора", Наружная поверхность вставки снабжена каталитически актйв«ньяи" йокрьттйем, 1 3. и. ф-лы, 3 ил. аппарате, Эффективность термохимического аккумулирования тепловой энергии в таком аппарате в основном определяется совершенством конструкции его реакцио::ных элементов, в частности выполненных в виде труб с помещенным внутри труб катализатором, Известна конструкция высокотемпературного двухступенчатого аппарата рекуперативного типа, предназначенного дая каталитической конверсии метансодержащего природного газа, состоящего из обогреваемых снаружи реакционных элементов,, выполненных в виде труб с произво ьной засыпкой гранулированного катализагора.

Реакция конверсии природного газа проходит внутри труб на поверхности гранул катализатора и сопровождается

1780826

50

55 термохимическим аккумулированием части подводимой извне тепловой энергии, воспринятой потоком реагирующей смеси.

Недостатком известной конструкции является низкая термохимическая эффективность реакционных элементов, обусловленная произвольным расположением гранул катализатора внутри труб.

Термодинамическим условием достижения достаточно высокой степени конверсии является обеспечение интенсивного теплоподвода к потоку реагирующей смеси и необходимого уровня температуры потока реагирующей смеси в слое гранул катализатора по всему сечению реакционного элемента от внутренней поверхности трубы к оси. Но так как значительная часть внутренней поверхности трубы реакционного элемента контактирует .с гранулами катализатора, создавая в пристенной зоне локальные "застойные" участки, в сильной мере увеличивается сопротивление теплопереносу от стенки трубы в поток реагирующей смеси. Это приводит к падению теплосодержания и температуры потока реагирующей смеси в слое гранул катализатора от стенки к оси трубы и, в результате снижения реакционной способности реагирующей смеси, к снижению общей стенки конверсии.

Кроме того, низкая степень использования катализатора в условиях произвольной засыпки гранул обусловливает и большой

его перерасход. а соответственно, и неоправданное повышение стоимости реакционных элементов.

Наиболее близкой к предлагаемой конструкции является конструкция известного высокотемпературного аппарата рекуператорного типа для каталитической конверсии метансодержащего природного газа, выбранная в качестве прототипа, состоящего из обогреваемых снаружи реакционных элементов, каждый из которых содержит трубу, в которой коаксиально и с зазором относительно внутренней поверхности трубы за- креплен катализатор, Реакция конверсии природного газа проходит внутри труб на поверхности катализатора и сопровождается термохимическим аккумулированием части подводимой извне тепловой энергии, воспринятой потоком реагирующей смеси.

Недостатком известной конструкции является низкая термохимическая эффективность реакционных Элементов, обусловленная блокирующим влиянием лучистого теплообмена между трубой и катализатором нэ процесс конверсии, то есть ограничением глубины химического реагйровайия

35 уровнем температуры„превышающим термодинамически необходимый.

Термодинамически максимальная глубина химического реагирования, а следовательно и наибольшая степень конверсии, достигается при уровне тенлоподвода к потоку реагирующей смеси и уровне его температуры, отвечающих термодинамическому равновесию. Но термохимический процесс конверсии в реакционном элементе осложнен лучистым теплообменом, в связи с чем,интенсивно воспринимающая энергию излучения трубы поверхность катализатора подвергается сильному перегреву по всей длине реакционного элемента до температуры, намного превышающей термодинамически необходимый для достижения наибольшей степени конверсии уровень. В результате возникает эффект блокирования процесса конверсии, при котором подводимая в реакционный элемент и воспринимаемая потоком реагирующей смеси тепловая энергия расходуется в основном на физический нагрев реагирующей смеси и в меньшей мере на химическое реагирование, так как достигаемая глубина химического реагирования ограничена уровнем температуры реагирующей смеси, сопоставимым с уровнем температуры поверхности катализатора, который намного превышает термодинамически равновесный. Ограниченная глубина химического реагирования в таких условиях обусловливает низкую интенсивность термохимического аккумулирования подводимой тепловой энергии в процессе конверсии и, тем самым, низкую термохимическую эффективность аппарата в целом, что выражается в низкой удельной производительности реакционных элементов.

Цель изобретения — повышение термохимической эффективности аппарата за счет интенсификации процесса конверсии.

Указанная цель достигается тем, что аппарат состоит из реакционных элементов, каждый из которых содержит трубу, в которой коаксиально и с зазором относительно внутренней поверхности трубы закреплен катализатор, а также снабжен перфорированной вставкой, коаксиально и с зазором установленной на катализаторе, причем отверстия вставки выполнены так, что площадь ортогональной проекции отверстий вставки на поверхность катализатора равна нулю. Отношение степени черноты наружной поверхности вставки к степени черноты ее внутренней поверхности больше единицы, а отношение внутреннего диаметра трубы к диаметру вставки больше отношения диаметра вставки к наружному диаметру ка40 коаксиально внутри них опускные трубы 4. 45

На опускных трубах 4 коаксиально и с зазогэлизатора, кроме того, наружная поверхность вставки снабжена каталитически активным покрытием.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый аппарат для каталитической конверсии метана отличается тем, что реакционные элементы снабжены перфорированной вставкой, коаксиально и с зазором установленной на катализаторе, причем отверстия вставки выполнены так, что площадь ортогональной проекции отверстий вставки на поверхность катализатора равна нулю, отношение степени черноты наружной поверхности вставки к степени черноты ее внутренней поверхности больше единицы, а отношение внутреннего диаметра трубы к диаметру вставки больше отношения диаметра вставки к наружному диаметру катализатора, наружная поверхность вставки снабжена каталитически активным покрытием. Таким образом, заявленный аппарат для каталитической конверсии соответствует критерию

"новизна", Сравнение заявленного решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, совпадающие с признаками заявленного решения, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию изобретения "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где . на фиг. 1 показан аппарат в составе установки термохимического аккумулирования тепловой энергии, продольный разрез; на фиг. 2 — реакционный элемент, продольный разрез: на фиг. 3 — разрез А — А на фиг, 2, Аппарат 1 состоит из реакционных элементов 2, Реакционные элементы 2 содержат наружные трубы 3 и расположенные

35 ру d< катализатора 5 меньше отношения внутреннего диаметра dr трубы 3 к диаметру

d вставки 6.

Вставка 6 может быть изготовлена из тонкой пластины термостойкого металла (сталь Х12Н10Т толщиной 0,1 мм).

Каталитическое покрытие 8 при этом может быть выполнено путем плазменного напыления порошка металлического никеля на поверхность вставки 6.

При этих условиях степень черноты наружной поверхности вставки 6 в условиях эксплуатации должна быть равна 0,97. Степень черноты шлифованной внутренней поверхности вставки 6 должна быть равна

0,52 — 0,62.

Значения и соотношения диаметров наружной трубы 3, вставки 6 и катализатора 5 определяют тепловым расчетом; исходя из условия интенсификации теплообмена.

В составе установки термохимического аккумулирования тепловой энергии на базе высокотемпературного ядерного реактора (на рис. не показан) в системе дальнего теплоснабжения аппарат 1 по тракту горячего теплоносителя промежуточного контура соединен с высокотемпературным промежуточным теплообменни ком 9 и парогенератором 10. Циркуляция горячего теплоносителя промежуточного контура обеспечивается работой газодувки 11. По тракту технологического теплоносителя аппарат 1 соединен с источником исходной смеси через распределительный коллектор

12 и с потребителем через коллектор 13.

Аппарат для каталитической конверсии метана работает следующим образом.

Исходная парогазовая смесь из распределительного коллектора 12 по опускным трубам 4 поступает в зону конверсии, образованную кольцевым каналом между внутренней поверхностью наружных труб 3 и наружной поверхностью катализатора 5, в котором установлена перфорированная вставка 6.

55 ром относительно внутренней поверхности наружных труб 3 закреплен катализатор 5.

Ка катализаторе 5 коаксиально и с зазором установлена вставка 6 с перфорационными отверстиями 7 и каталитическим покрытием

8 на наружной поверхности. Отверстия 7 вставки 6 выполнены так, что площадь ортогональной проекции отверстий 7 вставки 6 на поверхность катэлизатора 5 равна О. Кроме того, вставка б выполнена так, что степень черноты наружной поверхности вставки б к степени черноты ее внутренней поверхности больше единицы, а отношение диаметоа с4 вставки 6 к наружному диаметВ кольцевом канале по мере перемещения реагирующей смеси происходит эндотермическая реакция каталитической конверсии метана на поверхности катализатора 5 и каталитически активном покрытии

8 вставки 6 за счет тепла горячего теплоносителя промежуточного контура, передаваемого через стенку наружной трубы 3 потоку реагирующей смеси, Процесс конверсии метана сопровождается интенсивным термохимическим аккумулированием тепловой энергии, воспринятой потоком реагирующей смеси, Образующийся конвертированный газ отводится в коллектор 13, откуда

1780826 поступает к потребителю пп тракту конвертированного газа.

Установка перфорированной вставки 6 коаксиально и с зазором на катализаторе 5 позволяет избежать перегрева его поверхности. Характер выполнения перфорационных отверстий 7 исключает прямой лучистый теплообмен между наружной трубой 3 и катализатором 5, Кроме того, степень перфорации такова, что обеспечивает свободный переток реагирующей смеси через вставку 6 в обоих направлениях, Превышение степени черноты наружной поверхности вставки 6 относительно степени черноты ее внутренней поверхности позволяет увеличить тепловосприимчивость самой вставки 6, причем поглощаемая вставкой 6 тепловая энергия излучения интенсивно передается омывающему ее потоку реагирующей смеси, повышая реакционную способность последней.

Выбранное соотношение диаметров наружной трубы 3, вставки 6 и катализатора 5 обеспечивает интенсификацию лучистого теплопереноса с наружной трубы 3 на вставку 6 и соответствующее снижение лучистого теплопереноса с вставки 6 на катализатор 5, причем лучистый теплоперенос с вставки 6 на катализатор 5 будет тем ниже. чем больше отношение степени черноты наружной поверхности вставки 6 к степени черноты ее внутренней поверхности, а так>ке чем больше отношение внутреннего диаметра наружной трубы 3 к диаметру вставки 6 отношения диаметра вставки 6 к диаметру катализатора 5.

Снабжение наружной поверхности вставки 6 каталитически активным покрытием 8 позволяет интенсифицировать суммарный теплоперенос от наружной трубы 3 на вставку 6 и к потоку реагирующей смеси и интенсифицировать процесс термохимического аккумулирования тепловой энергии за счет создания по сечению кольцевого канала от стенки наружной трубы 3 к оси оптимальных профилей температурного и концентрационного полей, а следовательно и необходимых уровней интенсивности тепломассообмена и химического реагирования, В результате внедрения предлагаемого изобретения повышается термохимическая эффективность аппарата для каталитической конверсии метана. чго выражается в повышении удель пй прои н:,ительности реакционных элементов за счет интенсификации процесса конверсии.

При неизменных габаритах и производительности аппарата может быть сущест5 венно снижена температура проведения процесса, что позволит увеличить срок службы труб и катализатора. снизить эксплуатационные расходы на катализатор и металл труб.

10 По сравнению с высокопроизводительным трубчатым агрегатом каталитической конверсии природного газа в производстве аммиака (1360 т ИНз/сут), содержащим реакционные элементы, выполненные в виде

15 труб с произвольной засыпкой гранулированного катализатора, и принятым в качестве базового объекта, предполагаемый экономический эффект только от снижения затрат на металл реакционных элементов и

20 катализатор составит 393 тыс. руб. в год на один агрегат;

Формула изобретения

1. Аппарат для каталитической конвер25 сии метана, состоящий из реакционных элементов, каждый из которых содержит трубу, в которой коаксиальна и с зазором относительно внутренней поверхности трубы закреплен катализатор, отличающийся

30 тем, что, с целью повышения термохимической эффективности аппарата за счет интенсификации процесса конверсии, каждый реакционный элемент снабжен перфорированной вставкой, коаксиально с зазором ус35 тановленной на катализаторе, при этом перфорация вставки выполнена в виде щелевых отверстий, ограниченных противоположно направленным отгибами кромок линейных прорезей, сориентированных в

40 плоскостях, поперечных продольной оси вставки.

2. Аппарат по п. 1, отл и ч а ю щи и с я тем, что наружная поверхность перфорированной вставки, обращенная в сторону внут45 ренней поверхности трубы, выполнена зачерненной, а внутренняя поверхность, обращенная в сторону наружной поверхности катализатора, — зеркальной, при этом диаметр вставки равен

Cln б,,, где do — диаметр вставки, dT — внутренний диаметр трубы;

55 dK — наружный диаметр катализатора.

178082С

1780826

Составитель Е. Овчинников

Техред M.MÎðãåíòàë Корректор Н. Тупица

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4232 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5