Реактор для проведения неадиабатического процесса
Изобретение относится к химическому оборудованию и предназначено для проведения неадиабатического процесса. Реактор имеет, по меньшей мере, одну теплопередающую стенку в виде трубы. Согласно предложению труба выполнена с постоянным наружным диаметром стенки трубы и с внутренним диаметром стенки, большим в первой секции трубы, чем внутренний диаметр стенки трубы во второй секции, по направлению потока неадиабатической реакционной среды. В результате неадиабатической реакции может производиться или поглощаться тепло. Неадиабатическая реакция может являться реформингом с водяным паром. Теплопередающая стенка ограничивает слой катализатора. Слой катализатора может присутствовать в фиксированной форме. Технический результат - улучшение потока тепла и срока службы за счет различия в толщине стенки реактора вдоль осевого направления стенки. 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.
Настоящее изобретение относится к реактору для проведения процесса в неадиабатических условиях. Такие процессы обычно проводят в теплообменниках и реакторах, в которых протекают реакции с выделением или поглощением тепла.
В реакторах, работающих в неадиабатических условиях, скорость подачи или удаления тепла реакций обычно является лимитирующим фактором. Улучшение в скорости приведет к существенному улучшению работы реактора за счет повышения производительности при данном размере реактора или уменьшения размера реактора при данной производительности, увеличению срока службы реактора и/или повышению селективности относительно желаемого продукта.
Реформинг с водяным паром углеводородного сырья с образованием газа, содержащего водород и оксид углерода, указанными ниже реакциями (1) и (2) является важным примером неадиабатических процессов.
В целом реакции (1) и (2) эндотермические, то есть тепло должно подаваться для протекания реакции.
В настоящее время, в первую очередь, реакторы реформинга с водяным паром для проведения реформинга с водяным паром углеводородного сырья состоят из печи, в которую помещают несколько трубок реактора реформинга. Подаваемый газ, состоящий, преимущественно, из углеводорода(-ов) и водяного пара, возможно, с небольшими количествами водорода, оксида углерода, диоксида углерода и азота и/или различными примесями, вводят в трубки реактора реформинга. Печь реактора реформинга снабжена несколькими горелками, в которых топливо сжигают, чтобы получить необходимое тепло для вышеуказанных реакций реформинга.
Чтобы поддерживать реакции реформинга, тепло должно переноситься к газу внутри трубок реактора. Тепло переносится сначала к наружной стенке трубки излучением и конвекцией, затем через стенку трубки за счет теплопроводности и, наконец, от внутренней стенки трубки к газу и катализатору излучением и конвекцией.
Количество тепла, которое может быть проведено через стенку трубки на единицу времени и площади, то есть поток тепла, зависит от трех факторов. Это теплопроводность материала трубки, разница температур между наружной стенкой трубки и внутренней стенкой трубки и отношение диаметра наружной стенки трубки к диаметру внутренней стенки трубки. Последний фактор может быть выражен также как толщина стенки трубки при данном диаметре трубки.
Поток тепла изменяется вдоль осевого направления трубок. Профиль потока тепла зависит от конструкции реактора реформинга. Типичный профиль потока тепла для типов реактора реформинга с верхним огневым обогревом и боковым огневым обогревом показан на Фиг.5 в публикации I.Dybkjar и S.W.Madsen, Advanced reforming technologies for hydrogen production, Hydrocarbon Engineering, декабрь/январь 1997/98, страницы 56-65. В приложенных рисунках вышеуказанная фигура показана как Фиг.1.
Поток тепла через стенку трубки контролируется строением огневого обогревателя горелок.
Для конструкции трубки реактора реформинга существенны следующие параметры.
Стенка трубки должна быть достаточно толстой, чтобы обеспечить достаточную прочность на протяжении всего срока службы трубки, и разница температур поперек стенки трубки должна оставаться ниже критической величины, чтобы избежать избыточного термического напряжения, которое может, в противном случае, привести к разрушению трубки.
Вышеуказанные требования противостоят одно другому. Срок службы трубки требует более низкого предела толщины трубки, тогда как ограничения разницы температур требуют более высокого предела толщины трубки. Следовательно, при выборе толщины трубки должен быть найден компромисс.
Из уровня техники по пат. GB 472629, В 01 J 8/06, 24.09.1937 известен реактор для проведения неадиабатического процесса, имеющий теплопроводящую стенку в виде трубы с постоянным наружным и внутренним диаметром. Внутри трубы установлен катализатор в фиксированной форме (конусообразный носитель катализатора).
Известный реактор имеет, в отличие от предложенного, другие теплопередающие свойства.
Заявленное изобретение направлено на улучшение потока тепла и срока службы за счет того, что в реакторе для проведения неадиабатических реакций, имеющем, по меньшей мере, одну теплопередающую стенку в виде трубы, согласно предложению труба выполнена с постоянным наружным диаметром стенки трубы и с внутренним диаметром стенки трубы, большим в первой секции трубы, чем внутренний диаметр стенки трубы во второй секции, по направлению потока неадиабатической реакционной среды.
Неадиабатическая реакция может производить или поглощать тепло.
Неадиабатическая реакция является реформингом с водяным паром.
Теплопередающая стенка ограничивает слой катализатора.
Слой катализатора присутствует в фиксированной форме.
Фиг.1 показывает профиль температуры стенки трубы и профиль потока тепла.
Как видно из фиг.1, максимум температуры стенки трубы и максимум потока тепла не находятся в одной и той же позиции на оси трубы, особенно в типах реактора реформинга с огневым обогревом.
На основе вышеуказанного факта, что максимум температуры стенки трубы и потока тепла находятся на различных положениях на оси трубы, настоящее изобретение обеспечивает реактор с улучшенным потоком тепла и сроком службы за счет различия в толщине стенки реактора вдоль осевого направления стенки.
Таким образом, будет возможно использовать относительно тонкую стенку в положении, где поток тепла высокий, но температура стенки низкая. Толстая стенка тогда используется в областях, где поток тепла низкий, но температура стенки высокая.
Для данного срока службы реактора температура в самой горячей части стенки реактора предписывает минимальную толщину стенки. Максимальную толщину стенки предписывает разница температур поперек стенки реактора в области, где разница температур наибольшая.
При помощи настоящего изобретения работу реактора улучшают изменением толщины переносящей тепло стенки по направлению потока неадиабатической реакционной среды. Наибольшую толщину стенки используют в положении наивысшей температуры, а наиболее тонкую стенку трубки используют в положении наивысшего потока тепла. Кроме того, еще получают улучшение, варьируя диаметр трубки и/или материал трубки в осевом направлении.
Реактор, в соответствии с настоящим изобретением, может иметь любую форму, удобную для определенных применений. Реактор может быть трубчатой или плоской формы, включая многоугольные формы. Теплообменная и реакционная среды могут быть газообразными, жидкими и/или твердыми.
Пример 1
Испытывали две различных конструкции стенки. Трубки конструкции 1 имели одинаковую толщину стенки вдоль всей длины, соответствуя известной конструкции реактора. Трубки конструкции 2 имели более тонкие стенки у входной части реактора в соответствии с настоящим изобретением. Размеры трубок для двух конструкций приведены в таблице 2 ниже.
Условия подаваемого газа, вводимого в два различных трубчатых реактора, сведены в таблице 1 ниже.
Реакции, проводимые в конструкции 1 и конструкции 2, являются описанными выше реакциями эндотермического каталитического реформинга с водяным паром.
Таблица 3 объединяет состав получаемого газа на выходе вышеуказанных конструкций. Газ, получаемый в конструкции 1 и конструкции 2, идентичен. Давление на выходе в конструкции 2 выше, чем в конструкции 1, что является преимуществом.
Фиг.2 показывает температуру наружной стенки и поток тепла для двух конструкций. Температура наружной стенки ниже максимальной рабочей температуры во всех положениях.
Фиг.3 показывает разницу температур поперек стенки трубки для двух конструкций. Максимальная разница температур в конструкциях слегка выше в конструкции 1. Разница температур в обеих конструкциях ниже максимально допустимой разницы температур. Однако длина трубки и вследствие этого размер реактора на 14% короче в конструкции согласно изобретению. Таким образом, достигается существенное снижение размера реактора, когда используют переменный диаметр трубки.
| Таблица 1 | |||
| Условия подаваемого газа | |||
| Скорость подаваемого потока | м3 при н.у. в час | 105,700 | |
| Температура | °С | 635 | |
| Давление | бар | 27,5 | |
| Н2 | моль.% | 9,6 | |
| Н2O | моль.% | 59,6 | |
| СО | моль.% | 0,3 | |
| CO2 | моль.% | 8,6 | |
| СН4 | моль.% | 22,0 | |
| Таблица 2 | |||
| Размеры трубок для реформинга | |||
| Номер конструкции | 1 | 2 | |
| Длина первой секции | м | 10,9 | 3,0 |
| Наружный/внутренний диаметр первой секции | мм | 136/108 | 136/118 |
| Максимальная рабочая температура первой секции за 100000 ч службы | °С | 979 | 924 |
| Длина второй секции | м | нет | 6,6 |
| Наружный/внутренний диаметр второй секции | мм | - | 136/108 |
| Максимальная рабочая температура второй секции за 100000 ч службы | °С | - | 979 |
| Общая длина трубки | м | 10,96 | 9,44 |
| Число трубок | 200 | 200 |
| Таблица 3 | |||
| Получаемый газ | |||
| Номер конструкции | 1 | 2 | |
| Скорость потока | м3 при н.у. в час | 147300 | 147300 |
| Температура | °С | 930 | 930 |
| Давление | бар | 26,1 | 26,5 |
| Н2 | моль.% | 69,0 | 69,0 |
| Н2O | моль.% | 20,3 | 20,3 |
| CO | моль.% | 14,5 | 14,5 |
| CO2 | моль.% | 6,0 | 6,0 |
| СН4 | моль.% | 1,6 | 1,6 |
1. Реактор для проведения неадиабатических реакций, имеющий, по меньшей мере, одну теплопередающую стенку в виде трубы, отличающийся тем, что труба выполнена с постоянным наружным диаметром стенки трубы и с внутренним диаметром стенки трубы, большим в первой секции трубы, чем внутренний диаметр стенки трубы во второй секции, по направлению потока неадиабатической реакционной среды.
2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что неадиабатическая реакция производит или поглощает тепло.
3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что неадиабатическая реакция является реформингом с водяным паром.
4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что теплопередающая стенка ограничивает слой катализатора.
5. Реактор по п.4, отличающийся тем, что слой катализатора присутствует в фиксированной форме.
