Способ конверсии углеводородов и конвертор для его осуществления
Изобретения относятся к области переработки легкого углеводородного сырья и могут быть использованы на предприятиях химической и нефтехимической промышленности. Конвертор включает корпус, устройства ввода обогащенного кислородом воздуха, подвода пароуглеводородной смеси и отвода конвертированного газа. Корпус также снабжен внутренней насадкой, выполненной в виде двух размещенных один в другом цилиндрических стаканов, образующих с корпусом конвертора два кольцевых зазора, внешний - для входящей пароуглеводородной смеси и внутренний - для выходящего конвертированного газа. При этом внутренний стакан выполнен с насадкой из гофрированных пластин, образующих каналы квадратного сечения, верхняя 1/20-1/25 часть каналов выполнена с перфорацией, 1/5-1/6 часть высоты каналов ниже перфорации заполнена катализатором для проведения первичной и вторичной конверсии углеводородов и 1/6-1/8 нижней части высоты каналов заполнена катализатором для проведения предварительной конверсии углеводородов. При этом устройство для ввода обогащенного кислородом воздуха расположено в верхней части каналов. Способ осуществляют в конверторе. Для нагрева углеводородного сырья и охлаждения конвертированного газа их пропускают через теплообменник, смешивают нагретое углеводородное сырье с водяным паром, пароуглеводородную смесь подают нисходящим потоком через внешнее кольцевое пространство, далее ее подают вверх по каналам через катализатор для проведения предварительной и первичной конверсии, затем через перфорацию каналов ее подают вниз по каналам для окисления конвертированного газа и вторичной паровой конверсии с последующим отводом конвертированного газа восходящим потоком через внутреннее кольцевое пространство. Изобретения позволяют повысить степень использования тепла конвертированного газа, увеличить степень конверсии углеводородного сырья, уменьшить вероятность образования свободного углерода, снизить удельные размеры конвертора. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области переработки легкого углеводородного сырья под давлением методом паровой, паровоздушной или парокислородной конверсии и может быть использовано на предприятиях химической и нефтехимической промышленности, производящих аммиак, метанол и водород.
Известен способ переработки природного газа (Патент RU №2142325, МПК7 B01D 53/00, С01В 3/38, опубл. 10.12.99), включающий предварительную паровую каталитическую конверсию углеводородного сырья в адиабатическом конверторе, разложение полученной газовой смеси на стадии паровой конверсии в трубчатом конверторе и последующее доразложение на стадии кислородной конверсии в шахтном реакторе, причем газовую смесь, получаемую после кислородной конверсии, предварительно подают в межтрубное пространство трубчатого конвертора.
К недостаткам способа следует отнести наличие большого количества аппаратов и связующих их элементов, необходимость использования специальных передаточных коллекторов от аппарата первой ступени паровой конверсии к аппарату паровоздушной конверсии из-за высокой температуры сред, находящихся в этих аппаратах, обусловленной применением указанного способа.
Известен конвертор для каталитической конверсии углеводородов (Патент RU №2131765, МПК7 B01J 8/06, С01В 3/38, опубл. 20.06.99), состоящий из двух ступеней, размещенных в одном футерованном корпусе с реакционными трубами в нижней части, заполненными катализатором для первой ступени конверсии, которые выполнены в виде модулей, а катализаторный слой второй ступени конверсии размещен в верхней части корпуса.
Недостатками известного конвертора являются: сложность компоновки конструкции, наличие сложного комплекса деталей потокопроводящих устройств, неэффективное использование внутреннего свободного пространства аппарата, а также низкая эксплуатационная пригодность.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ и устройство, использующее пластинчатое оформление для нагрева реагента (Патент US №6180846, МПК7 С07С 1/02, С07С 5/367, С01В 1/00, F28D 7/00, B01J 8/02, от 30.06.2001).
Способ, включающий стадию первичной паровой конверсии углеводородов, стадию окисления горючих продуктов первичной паровой конверсии углеводородов, стадию вторичной паровой конверсии углеводородов, в конверторе, нагрев пароуглеводоводной смеси и охлаждение продуктов вторичной паровой конверсии углеводородов, в теплообменнике.
Конвертор, включающий корпус, устройства ввода обогащенного кислородом воздуха, подвода пароуглеводородной смеси и отвода конвертированного газа, насадку, выполненную с помощью гофрированных пластин, образующих прямые каналы квадратного сечения, частично заполненные катализатором для первичной и вторичной паровой конверсии углеводородов.
Недостатком известного способа является его сложность исполнения, нерациональное проведение нагрева пароуглеводородородной смеси и охлаждения конвертированного газа в теплообменнике, а также и в конверторе, недостаточное использование тепла конвертированного газа.
Недостатком известного устройства является низкое использование тепла конвертированного газа, осуществление горения конвертированного газа непосредственно в катализаторе для вторичной паровой конверсии углеводородов, что чрезвычайно повышает требования к термостойкости материала гофрированных пластин и самого катализатора, возможность образования свободного углерода в каналах, свободных от катализатора, до осуществления первичной паровой конверсии углеводородов, а также на самом катализаторе первичной паровой конверсии углеводородов.
Целью конвертора является высокая степень конверсии углеводородов и использования тепла конвертированного газа, достижение пониженных удельных размеров конвертора паровой каталитической конверсии углеводородов, уменьшение тепловых нагрузок на корпус конвертора.
Целью способа является обеспечение высокой эффективности технологического процесса паровой конверсии углеводородного сырья за счет большего использования тепла конвертированного газа, достижение высокой степени конверсии углеводородного сырья, избежание образования свободного углерода на поверхностях нагрева и катализаторе в конверторе.
Указанная цель достигается тем, что конвертор, включающий корпус, устройства ввода обогащенного кислородом воздуха, подвода пароуглеводородной смеси и отвода конвертированного газа, согласно изобретению снабжен внутренней насадкой, выполненной в виде двух размещенных один в другом цилиндрических стаканов, образующих с корпусом конвертора два кольцевых зазора, внешний для входящей пароуглеводородной смеси и внутренний для выходящего конвертированного газа, при этом внутренний стакан выполнен с насадкой из гофрированных пластин, образующих каналы квадратного сечения, верхняя 1/20-1/25 часть каналов выполнена с перфорацией, 1/5-1/6 часть высоты каналов ниже перфорации заполнена катализатором для проведения первичной и вторичной конверсии углеводородов и 1/6-1/8 нижней части высоты каналов заполнена катализатором для проведения предварительной конверсии углеводородов, при этом устройство для ввода обогащенного кислородом воздуха расположено в верхней части каналов.
Применение внутренней насадки, выполненной в виде двух размещенных один в другом цилиндрических стаканов, позволяет уменьшить тепловые нагрузки на стенки конвертора и уменьшить толщину футеровки конвертора, тем самым уменьшить удельные размеры конвертора.
Выполнение внутреннего стакана с насадкой из гофрированных пластин, образующих каналы квадратного сечения, верхней 1/20-1/25 части каналов с перфорацией, заполнение 1/5-1/6 части высоты каналов ниже перфорации катализатором для проведения первичной и вторичной конверсии углеводородов и заполнение 1/6-1/8 нижней части высоты каналов катализатором для проведения предварительной конверсии углеводородов позволяет достичь высокой степени конверсии углеводородного сырья и высокой степени использования тепла конвертированного газа, за пределами указанных значений интервалов расположения катализатора тепловой баланс будет нарушен и указанная цель изобретения достигнута не будет.
Расположение устройства для ввода обогащенного кислородом воздуха в верхней части каналов позволяет локализовать область окисления горючих газов после первичной паровой конверсии углеводородов внутри насадки из гофрированных пластин, что уменьшает тепловые нагрузки на верхнюю часть корпуса конвертора.
Способ согласно изобретению осуществляют в конверторе, для нагрева углеводородного сырья и охлаждения конвертированного газа их пропускают через теплообменник, смешивают нагретое углеводородное сырье с водяным паром, пароуглеводородную смесь подают нисходящим потоком через внешнее кольцевое пространство, далее ее подают вверх по каналам через катализатор для проведения предварительной и первичной конверсии, затем через перфорацию каналов ее подают вниз по каналам для окисления конвертированного газа и вторичной паровой конверсии с последующим отводом конвертированного газа восходящим потоком через внутреннее кольцевое пространство.
Выполнение способа конверсии углеводородов с пропусканием углеводородного сырья и охлаждения конвертированного газа через теплообменник позволяет повысить эффективность технологического процесса паровой конверсии углеводородного сырья за счет большего использования тепла конвертированного газа.
Выполнение способа последовательно через стадии смешивания нагретого углеводородного сырья с водяным паром, подачи пароуглеводородной смеси нисходящим потоком через внешнее кольцевое пространство, далее подачи ее вверх по каналам через катализатор для проведения предварительной и первичной конверсии, затем подачи ее через перфорацию каналов вниз по каналам для окисления конвертированного газа и вторичной паровой конверсии с последующим отводом конвертированного газа восходящим потоком через внутреннее кольцевое пространство позволяет достичь высокой степени конверсии углеводородного сырья за счет большего использования тепла конвертированного газа.
Применение стадии предварительной конверсии углеводородов позволяет избежать образования свободного углерода на поверхностях нагрева и катализаторе в конверторе и избежать перегрева и разрушения катализатора и металлических поверхностей нагрева.
На фиг.1 представлена схема конверсии углеводородного сырья.
На фиг.2 представлен общий вид конвертора углеводородного сырья.
На фиг.3 представлен фрагмент каналов гофрированных пластин внутренней насадки конвертора углеводородного сырья.
Сущность способа конверсии углеводородов заключается в следующем, каталитическую конверсию углеводородов ведут при давлении 2-5 МПа преимущественно на никелевом катализаторе при температурах 550-1750°С, при начальном соотношении потоков водяного пара к углеводородам от 2,5 до 4,0 к 1. Углеводородное сырье (1) с температурой от 0-170°С подают в теплообменник (2), где поток нагревается до температуры 400-420°С теплом конвертированного газа (3), который выходит из теплообменника и охлаждается до температуры 430-480°С, далее нагретое углеводородное сырье (4) смешивается с водяным паром (5), предпочтительно с близкой или более высокой температурой, чем поток углеводородов, 350-450°С, и подается в конвертор для паровой каталитической конверсии углеводородов (6). В конверторе смесь водяного пара и углеводородов (7) нисходяще проходит внешнее кольцевое пространство (8), затем поступает в насадку из гофрированных пластин (9), поток пароуглеводородной смеси проходит вверх в каналах гофрированных пластин (10) и нагревается до 490-530°С, далее поток пароуглеводородной смеси проходит катализатор для предварительной паровой конверсии углеводородов (11), где углеводороды конвертируются до содержания метана 13-17 об.%, далее поток, направляясь вверх по каналам (10), нагревается до не более 960°С, далее на катализаторе для первичной паровой конверсии углеводородов (12) углеводороды конвертируются до содержания метана 3-4,5 об.%, далее через перфорацию верхней части высоты каналов (13) поток газа перенаправляется вниз по каналам, затем происходит окисление части конвертированного газа, далее горячий поток проходит нисходяще катализатор для вторичной паровой конверсии углеводородов (14), где углеводороды конвертируются до содержания метана 0,15-0,24 об.%, затем конвертированный газ, проходя вниз по каналам, охлаждается до 500-530°С, и затем конвертированный газ отводится восходящим потоком через внутреннее кольцевое пространство (15) из конвертора (6) в теплообменник (2).
Для осуществления конверсии углеводородов необходимо ввести в конвертор (6) обогащенный кислородом воздух (16) с температурой не ниже 450°С, где концентрация кислорода должна быть не ниже 30,6 об.%, для соблюдения теплового режима процесса конверсии.
Конвертор является колонным футерованным аппаратом, работающим под давлением 2-5 МПа. Внутренняя насадка конвертора выполнена в виде двух размещенных один в другом цилиндрических стаканов (17) и (18) из жаропрочного металла, цилиндрические стаканы находятся в подвешенном состоянии для компенсации тепловых расширений, цилиндрические стаканы образуют с корпусом конвертора два кольцевых зазора, внешний (8) для входящего более холодного потока, а внутренний (15) для выходящего более горячего потока. Указанная конструкция изолирует двойным кольцевым пространством футерованный (19) корпус конвертора от чрезмерных тепловых воздействий и позволяет уменьшить толщину футеровки и размер конвертора. Насадка из гофрированных пластин располагается во внутреннем стакане (15). Каналы образованы насадкой из гофрированных пластин (9) и имеют квадратный профиль. Каналы в верхней 1/20-1/25 части высоты каналов перфорированы (13) для преимущественного прохода через них конвертированного газа после первичной паровой конверсии углеводородов для смены направления потока с идущего вверх на нисходящий. Каналы частично заполнены катализатором так, что имеются части каналов заполненные катализатором для предварительной (11), первичной (12) и вторичной (14) паровой конверсии углеводородов и части каналов без катализатора. Катализатор для предварительной паровой конверсии углеводородов (11) расположен в нижней 1/6-1/8 части каналов, в которых поток газа направлен вверх. Катализатор первичной паровой конверсии углеводородов (12) расположен в верхней 1/5-1/6 части каналов, в которых поток газа направлен вверх. Катализатор для вторичной паровой конверсии углеводородов (14) расположен в верхней 1/5-1/6 части каналов, в которых поток газа направлен нисходяще. Каналы, в которых поток газа направлен вверх (10), и каналы, в которых поток газа направлен нисходяще (20), расположены таким образом, что в поперечном сечении имеют шахматный порядок. В верхней части каналов, в которых поток газа направлен нисходяще, над катализатором для вторичной паровой конверсии углеводородов расположено устройство ввода обогащенного кислородом воздуха (21), представляющее собой совокупность перфорированных вставок квадратного профиля из жаропрочного металла, имеющих проход в виде отверстия в верхней части вставок для подвода обогащенного кислородом воздуха внутрь вставок, причем перфорация устройства предназначена для прохода внутрь вставок части конвертированного газа после первичной паровой конверсии углеводородов и его окисления кислородом воздуха.
Конвертор работает следующим образом, входящий поток смеси водяного пара и углеводородного сырья (7), с температурой не менее 390°С, нисходяще проходит внешнее кольцевое пространство (8). Затем пароуглеводородная смесь поступает в насадку из гофрированных пластин (9) внутреннего стакана и направляется по каналам (10) вверх, косвенно нагреваясь от более горячего потока, идущего по каналам вниз (20). Поток пароуглеводородной смеси, направляясь вверх по каналам (10), проходит катализатор для предварительной конверсии углеводородов (11), расположенный в нижней 1/6-1/8 части каналов, что позволяет провести конверсию углеводородов до содержания метана 13-17 об.%, при этом газовая смесь нагревается до температуры 510-540°С. Вверх по каналам (10) поток газа проходит катализатор для первичной паровой конверсии углеводородов (12), расположенный в верхней 1/5-1/6 части каналов, что позволяет провести конверсию углеводородов до содержания метана 3-4,5 об.%, и газовая смесь нагревается до температуры не менее 960°С. Далее конвертированный газ через перфорацию верхней части каналов (13) и перфорацию устройства ввода обогащенного кислородом воздуха проходит в каналы с нисходящим направлением движения газовой смеси (20). Внутри перфорированных вставок происходит окисление части конвертированного газа кислородом воздуха и газовая смесь нагревается до температуры 1500-1750°С. Горячий поток газовой смеси после окисления конвертированного газа кислородом воздуха проходит по каналам (20) вниз, проходя через катализатор для вторичной паровой конверсии углеводородов (14), расположенный в верхней 1/5-1/6 части каналов, что позволяет провести конверсию углеводородов до содержания метана 0,15-0,24 об.%, при этом газовая смесь охлаждается до температуры не менее 920°С. Далее конвертированный газ, проходя по каналам (20) вниз, охлаждается до температуры 500-530°С и выходит из насадки внутреннего стакана, отдавая тепло входящему потоку газовой смеси, направленному по каналам вверх. Далее конвертированный газ поднимается по внутреннему кольцевому пространству (15), не давая перегреться стенке внутреннего (18) и внешнего (17) стакана, а также конвертора, и далее поток выходит из конвертора.
Предлагаемый способ конверсии углеводородов обеспечивает высокую эффективность технологического процесса паровой конверсии углеводородного сырья за счет большего использования тепла конвертированного газа, а также достижение высокой степени конверсии углеводородного сырья, избежание образования свободного углерода на поверхностях нагрева и катализаторе в конверторе.
Предлагаемый конвертор обеспечивает высокую степень конверсии углеводородов, высокую степень использования тепла конвертированного газа, достижение пониженных удельных размеров конвертора паровой каталитической конверсии углеводородов, уменьшение тепловых нагрузок на корпус конвертора.
1. Конвертор, включающий корпус, устройства ввода обогащенного кислородом воздуха, подвода пароуглеводородной смеси и отвода конвертированного газа, отличающийся тем, что он снабжен внутренней насадкой, выполненной в виде двух размещенных один в другом цилиндрических стаканов, образующих с корпусом конвертора два кольцевых зазора: внешний для входящей пароуглеводородной смеси и внутренний для выходящего конвертированного газа, при этом внутренний стакан выполнен с насадкой из гофрированных пластин, образующих каналы квадратного сечения, верхняя 1/20-1/25 часть каналов выполнена с перфорацией, 1/5-1/6 часть высоты каналов ниже перфорации заполнена катализатором для проведения первичной и вторичной конверсии углеводородов, и 1/6-1/8 нижней части высоты каналов заполнена катализатором для проведения предварительной конверсии углеводородов, при этом устройство для ввода обогащенного кислородом воздуха расположено в верхней части каналов.
2. Способ конверсии углеводородов, отличающийся тем, что его осуществляют в конверторе по п.1, для нагрева углеводородного сырья и охлаждения конвертированного газа их пропускают через теплообменник, смешивают нагретое углеводородное сырье с водяным паром, пароуглеводородную смесь подают нисходящим потоком через внешнее кольцевое пространство, далее ее подают вверх по каналам через катализатор для проведения предварительной и первичной конверсии, затем через перфорацию каналов ее подают вниз по каналам для окисления конвертированного газа и вторичной паровой конверсии с последующим отводом конвертированного газа восходящим потоком через внутреннее кольцевое пространство.
