Способ экзотермического гетерогенного синтеза и реактор для его осуществления

 

В процессе для экзотермического гетерогенного синтеза, например, аммиака, в котором синтез-газ приводится в состояние вступления в реакцию в нескольких каталитических слоях при аксиально-радиальном или только радиальном потоке, вступавший в реакцию газ собирается на выходе из последнего каталитического слоя и передается на охлаждение, которое ведут путем косвенного теплообмена в парогенераторе с получением водяного пара. Усовершенствованный реактор содержит три каталитических слоя с, по меньшей мере, двумя вогнутыми нижними частями; первую систему резкого охлаждения, с ее распределительным устройством, расположенным внутри первого верхнего слоя, непосредственно под неперфорированной частью внутренней стенки упомянутого слоя; газообменное устройство, расположенное по центру, по меньшей мере, одного из двух верхних слоев; парогенератор (паровой котел), внутри верхней узкопроходной части оболочки, и внутреннюю центральную трубу, чтобы подавать к верхней части вступивший в реакцию газ, собранный в третьем слое. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу экзотермического гетерогенного синтеза, в котором синтез-газ протекает по последовательному ряду наложенных друг на друга, однако, отдельных один от другого каталитических слоев, заключенных внутри того же самого реакционного пространства, весь вступавший в реакцию газ собирается в центральной зоне последнего нижнего каталитического слоя и отсюда таковой течет в направлении вверх к верхней части упомянутого пространства, внутри которой осуществляется теплообмен и образуется водяной пар.

Изобретение также имеет отношение к реакторам, для осуществления этого процесса, состоящим из: выдерживающей высокое давление внешней оболочки; сетчатых корзин каталитических слоев, всех из них внутри одной и той же оболочки; гильзы и теплообменника. В производстве аммиака, удивительно большое количество тепла выделяется в реакции синтеза N₂ + 3H₂, которое, в основном, регенерируется для окончательной цели получения водяного пара, рециркулируемого, чтобы снижать потребление энергии.

Наиболее совершенная технология имеет тенденцию в направлении максимальной регенерации упомянутого синтез-тепла на самом высоком возможном температурном уровне; поэтому, для этой цели, разрабатываются установки для синтеза и их основной компонент реактор.

Реакторы, использовавшиеся в новых заводских установках, имеют несколько каталитических слоев с промежуточным резким охлаждением этого газа посредством косвенного обмена через теплообменники; более того, часть реакционного тепла удаляется с внешней охлаждающей жидкостью, такой как, например, вода, питающая паровой котел, или посредством генерации водяного пара перед последней стадией реакции, с целью, чтобы обеспечивать возможность работы при самой высокой возможной температуре (регенерации тепла при максимальном температурном уровне), без каких-либо ограничений наибольшей возможной получаемой эффективности.

Максимальная температура и максимальный выход являются, фактически, противополагающими требованиями, как достаточно полно показано относящимися к делу графиками, которые показывают, по оси абсцисс, концентрацию аммиака, а, по оси ординат, температуру газа.

Главные конструкторы синтез-реакторов, в основном, отдают предпочтение реакторам с несколькими каталитическими слоями в, по меньшей мере, двух определенных частях, расположенных последовательно, для того, чтобы удовлетворять упомянутое выше требование относительно оптимального обмена реакционного тепла (при самом высоком температурном уровне), без ограничения максимального получаемого выхода (Фертилайзер Фокус, октябрь 1987).

Где принимаются две определенные части оборудования, первое из двух реакционных устройств, в основном, заключает в себе два каталитических слоя с косвенным промежуточным резким охлаждением внутренним теплообменником, между тем как вторая часть, в основном заключает в себе одиночный каталитический слой.

Теплообмен между этими двумя частями данной установки осуществляется вводом парового котла, чтобы получать водяной пар. Так обстоит дело с реактором Топсои Серии 250 (Серии 200 + Серии 50) и с реактором Юди, оба с радиальным потоком газа в каталитических слоях (Фертилайзер Фокус, октябрь 1987, с. 36 и 39).

Имеются реакторы из трех отдельных частей, каждая часть заключает в себе каталитический слой с осевым газовым потоком, как в конструкции С.Ф. Брауна (конференция по азоту, Амстердам, 1986). В этом случае образующий водяной пар котел вставляется между второй и третьей частями установки (конференция по азоту, Амстердам 1986, г-н К.С. Уилсон, г-н Б.Дж. Гротц и г-н Дж. Ричез из "Цдф Чимие").

Согласно патенту С.Ф. Брауна (патент Великобритании N 2132501А), газообменное устройство между каталитическими слоями, обычно, удобно расположенными внутри реакторов при, по меньшей мере, двух слоях внутри одной установки, располагается за пределами реакционного аппарата, непосредственно соединенным с нижней частью оболочки, заключающей в себе одиночный каталитический слой.

Чтобы свести к минимуму проблемы труб при высокой температуре, труба, соединяющая упомянутый выше горизонтальный теплообменник с оболочкой, заключающей в себе каталитический слой, резко охлаждается свежим газом, поданным в реактор.

После предварительного нагрева газа свежей подачи, газ, оставляющий каталитический слой, оставляет теплообменник и питает устройства, заключающее в себе второй каталитический слой (реактор С.Ф. Брауна с несколькими реакционными устройствами, который показан на рис.5 доклада Уилсона, Гротца и Ричеза, конференция по азоту. Амстердам, 1986 и публикации на с.48 Фертилайзер Фокус, октябрь 1987).

Проблема, решенная в упомянутом патенте С.Ф.Брауна, то есть, избежание контакта между доведенным до высокой температуры газом и трубами, соединяющими оболочку и теплообменник, не затрагивает реакторы с несколькими каталитическими слоями внутри отдельно взятого элемента устройства, т.к. как описано выше, газообменное устройство вставляется непосредственно внутрь самого реактора.

Согласно С.Ф. Брауну, проблема оптимального теплообмена решается сложным путем, посредством ввода парового котла, соединенного, посредством сложной системы трубопроводов, с самим реактором (рис.5 выступления С.Ф. Брауна на конференции по азоту 1986 и Фертилайзер Фокус, октябрь 1987, с. 48).

Все упомянутые выше установки, несмотря на то, что они решают термодинамическую проблему, являются очень сложными и, следовательно, очень дорогостоящими.

Реакторы для синтеза аммиака фактически работают при высоком давлении, в основном, не ниже 80 бар, а более часто между 130 и 250 барами и при высокой температуре (400^oC500^oC). Соединительные трубы для различных узлов оборудования, необходимых согласно описанным выше чертежам (которые показаны схематически в упомянутых выше ссылочных материалах), работают в критических условиях (высокая температура газа между различными реакционными слоями) и, поэтому, обязательно должны делаться из специального материала и с длительными долговечностями, чтобы сводить к минимуму механическое напряжение, получающееся в результате теплового расширения. Ситуация является особенно сложной в реакторах, несмотря на меры, принятые согласно патентной заявке в Соединенном Королевстве N 2132501А.

В упомянутой выше последней патентной заявке, заявители предложен процесс и реактор с несколькими каталитическими слоями, который не обладает описанными выше недостатками, может производиться в виде одиночного узла и позволять легкое удаление реакционного тепла между каталитическими слоями, а более конкретно, перед последним каталитическим слоем с тем, чтобы достигать максимальной регенерации реакционного тепла на самом высоком температурном уровне, причем такое тепло подвергается теплообмену, например, с водой парового котла предварительного нагрева, или чтобы непосредственно образовывать водяной пар.

Горячий газ, вступавший в реакцию в предпоследнем каталитическом слое, передается, через трубопровод, в основном, расположенный вдоль оси вертикального реактора, непосредственно к системе теплообмена (подогреватель или паровой котел), возвращаясь затем непосредственно к реактору через трубопровод, либо внутренний, либо внешний относительно упомянутого выше передающего трубопровода, создавая воздушное пространство для прохождения через него газа, возвращающегося в реактор, упомянутый газ затем подается непосредственно в последний каталитический слой аксиально-радиальным, или радиальным потоком, либо центробежным, либо центростремительным. Упомянутый газ, после вступления в реакцию в последнем каталитическом слое, снова передается к центральной или внешней части реактора и затем оставляет таковой, выходя из нижней части реактора.

Эта система работает очень хорошо с реакторами, имеющими цилиндрическую оболочку с, по существу, постоянным диаметром, однако, может сталкиваться с некоторыми трудностями с реакторами, имеющими оболочку постепенно изменяемого диаметра.

Установлено что, особенно во время применения и модернизации реакторов узкопроходного типа (типа горлышка бутылки), является полезным вводить подогреватель или паровой котел внутри упомянутого узкого прохода, собирать вступавший в реакцию газ в центральной зоне последнего слоя, удалять его и посылать его в направлениях вверх и по центру к верхней части, или узкому проходу, где регенерируется его тепло.

Изобретение поясняется чертежом.2 Реактор, состоящий из оболочки 1 и гильзы 2, образующей каталитические слои (в этом случае три, а именно 6, 7 и 13), питается свежим (чистым) газом 3, входящим от нижней части реактора и текущим через него от нижней части к верхней части воздушного пространства 4 между внутренней стенкой оболочки 1 и наружной стенкой гильзы 2 для понижения до минимума температуры оболочки.

Синтез-газ, оставляющий верхнюю часть воздушного пространства 4, проходит потоком в осевом направлении через меньшую верхнюю часть первого слоя 6 (определенную высотой "h" неперфорированной части внутренней стенки PiI) и радиальным потоком через большую часть, определенную перфорированной высотой H.

Газ вступивший в реакцию на первом слое 6, собирается в кольцевой центральной зоне X1 и отсюда идет, чтобы проникать внутрь второго слоя 7, через который он протекает аксиально и радиально.

Газ, вступивший в реакцию на втором слое, собирается во внутренней кольцевой зоне Х2. Отсюда, после теплообмена со свежим газом Q2 в теплообменнике 5, он проходит на третий и последний слой, через который газ протекает, как аксиально, так и радиально, собираясь в зоне Х3.

Устройство содержит, кроме трех каталитических слоев 6, 7 и 13, систему резкого охлаждения 20, 22 и Q1, 21 в верхней части первого слоя, и теплообменник 5, который располагается по центру через первый и второй слои 6 и 7 и питается свежим газом Q2. Нижние части двух каталитических сетчатых корзин 6 и 7 имеют обратную кривизну, в сравнении с кривизной нижней части третьего слоя 13.

Согласно основному признаку изобретения, газ, вступивший в реакцию на третьем слое 13, собирается в центральном пространстве Х3 и оттуда направляется, через трубу Т, к верхнему концу COL оболочки 1, где располагается теплообменник RC для упомянутого вступившего в реакцию газа. RC может представлять подогреватель для воды (введенной, например, от позиции А), или котел, генерирующий водяной пар (на высоком уровне), оставляющий таковой в позиции V.

Верхний конец COL теплообменника RC представляет цельную часть с оболочкой 1, продолжение которой он представляет, между тем, как гильза 4 закрывается в позиции 4' на нижней части теплообменника RC.

Конструкция реактора с паровым котлом, включенным в верхнюю часть реактора, зарекомендовала себя не неожиданно идеальным решением для достижения максимальной регенерации тепла в новых высокопроизводительных реакторах.

Решение оказалось наилучшим для модернизации на месте эксплуатации более надежных и, в основном, старых реакторов, все еще находящихся в эксплуатации в настоящее время, то есть, реакторов Келлога узкопроходного типа. Было установлено, что, при некоторых имеющих важнейшее значение модификациях, старого типа реакторы с высоким потреблением энергии могут на месте эксплуатации трансформироваться в высокопроизводительные и с минимальным потреблением энергии реакторы с аксиально-радиальным потоком, патенты США N 4.372.920 и N 4.405.562, проводящим их модернизацию по месту эксплуатации, согласно системе, установленной в патенте США N 4.755.362.

В проведении трансформации, согласно изобретению, типовая схема узкопроходного реактора Келлога сохраняется; внутри реактора, три каталитических слоя 6,7 и 13 представляются с системой резкого охлаждения 21 и теплообменником 5 (альтернативно, двумя теплообменниками), паровой котел (например, штыкового или шпилечного типа) устанавливается в узкопроходной части (COL), размеры ширины старого и громоздкого реактора Келлога (например, вн.диам 2946 мм) сохраняются и перевернутые в обратную сторону нижние части придаются первому и второму слоям, чтобы достигать максимальные давление и эффективность катализатора при малой гранулометрии. Экспериментально было установлено, что у реактора согласно изобретению с производительностью 1000 МТД (метрических тонн в день), при абсолютном давлении 140 бар, исходном газе при 218^oС и объеме катализатора (при гранулометрии между 1,5 и 3 мм) 70 м³, регенерация тепла в подогревателе котловой воды и паровом котле RC может достигаться порядка 634'000 ккал (м·т аммиака) равная производству примерно 1170 кг/м·т водяного пара при 110 атм, начиная от котловой воды при 150^oC).

Вместе с преимуществами, получающимися от регенерации тепла, также имеет место дальнейшее преимущество, возникающее из возможности получения способности сохранения конфигурации и компоновки узкопроходных реакторов, хорошо известных за их простоту, надежность, эффективность и низкие затраты.

Формула изобретения

1. Способ экзотермического гетерогенного синтеза, включающий взаимодействие газообразных реагентов на нескольких каталитических слоях, наложенных друг на друга, отделенных один от другого и расположенных в реакционном пространстве, подачу газа, оставляющего один слой, через следующий слой, охлаждение вступивших в реакцию газов, оставляющих по крайней мере один из каталитических слоев, посредством газового теплообмена, сбор горячего вступившего в реакцию газа из наиболее низко расположенного каталитического слоя в нижнем конце реакционного пространства, подачу горячих вступивших в реакцию газов в верхний конец реакционного пространства, охлаждение газов в верхнем конце реакционного пространства путем косвенного теплообмена и отвод охлажденных вступивших в реакцию газов из верхней части реакционного пространства, отличающийся тем, что охлаждение газов ведут путем косвенного теплообмена с водой в парогенераторе с получением водяного пара.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток вступающих в реакцию газов направляют через каждый из каталитических слоев направленным внутрь их аксиально-радиальным потоком.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят резкое охлаждение газов в верхней части первого каталитического слоя.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что проводят резкое охлаждение газов между первым и вторым каталитическими слоями.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что прореагировавшие газы, оставляющие второй каталитический слой, охлаждают путем косвенного газового теплообмена со свежим газом.

6. Реактор для экзотермического гетерогенного синтеза, содержащий внешнюю оболочку, выполненную с противоположными верхним и нижним концами и имеющую входные отверстия для ввода свежего, не вступившего в реакцию газа, множество каталитических слоев, наложенных друг на друга и отделенных один от другого, газовый теплообменник для охлаждения вступающих в реакцию газов, оставляющих по крайней мере один из каталитических слоев, и по крайней мере одно средство для резкого охлаждения, трубку, расположенную по центру каталитических слоев, соединяющую нижний и верхний концы оболочки, и средство для охлаждения горячих газов, вступивших в реакцию, расположенное в верхней части оболочки, отличающийся тем, что средство для охлаждения горячих газов, вступивших в реакцию, выполнено в виде парогенератора.

7. Реактор по п.6, отличающийся тем, что два верхних каталитических слоя имеют вогнутые нижние части.

8. Реактор по п.6, отличающийся тем, что по меньшей мере одно средство для резкого охлаждения расположено в верхней части первого слоя.

9. Реактор по п.6, отличающийся тем, что второе средство для резкого охлаждения расположено между первым и вторым каталитическими слоями.

10. Реактор по п.6, отличающийся тем, что газовый теплообменник размещен внутри по меньшей мере одного из двух верхних каталитических слоев.

РИСУНКИ

Рисунок 1