Реактор со слоем катализатора
Предложен слой катализатора для химического реактора, имеющий радиально-цилиндрическую геометрию и включающий по меньшей мере один коллектор, выполненный в виде газопроницаемой цилиндрической стенки, содержащий по меньшей мере первый катализатор и второй катализатор, причем размер частиц второго катализатора меньше, чем у первого катализатора, и из первого катализатора сформирован слой катализатора, прилегающий к коллектору и соприкасающийся с ним. Технический результат заключается в использовании катализатора с особенно малым размером частиц в каталитическом химическом реакторе без негативного влияния на функционирование и надежность коллекторов слоя катализатора. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники
Изобретение относится к области химических реакторов, включающих слой катализатора для конверсии газового потока, включающего один или более реагентов, в газовый поток, включающий один или более продуктов реакции.
Уровень техники
Слой катализатора известных химических реакторов ограничен днищем, двумя концентрическими цилиндрическими стенками и крышкой.
В каталитическом слое с радиальным или радиально-осевым потоком стенки, ограничивающие каталитический слой в радиальном направлении, называют коллекторами. Коллекторы, имеющие, в основном, цилиндрическую форму, должны быть проницаемы для газового потока и способны удерживать катализатор. Реакторы этого типа широко используются, например, при синтезе аммиака.
Коллекторы являются критическими элементами по ряду причин: они подвержены нагрузкам из-за давления газа, воздействия катализатора, воздействия сил, вызванных различием термического расширения, эрозии, вызванной возможным разжижением катализатора, деградации, вызванной металлургическими реакциями. Например, коллекторы аммиачных реакторов подвержены азотированию.
Повреждение коллекторов с потерей катализатора, даже незначительное, ведет к быстрой деградации реактора и требует, в результате, дорогостоящих мероприятий по ремонту или замене его внутренних частей. Можно утверждать, что правильная эксплуатация и надежность каталитического химического реактора зависит, в основном, от конструкции и целостности этих коллекторов.
Коллекторы обычно выполняются с перфорированными стенками. Например, стенки с соответствующими щелевыми отверстиями, описаны в ЕР 2014356.
Отверстия должны обладать достаточно большим поперечным сечением для прохода газа, но, в то же время, отверстия должны быть значительно меньше частиц катализатора для механического удерживания конструкции каталитического слоя.
Отмечалось, что для процесса более предпочтительны катализаторы с мелкими частицами. При заданном объеме каталитического слоя, мелкие частицы обеспечивают более тесный и более однородный контакт с реагентами и повышают выход конверсии.
Однако удерживание катализатора с мелкими частицами является сложным. Уменьшение перфорированных стенок известного типа, с пропорциональным уменьшением размера отверстий, трудновыполнимо по ряду причин.
Первой причиной является то, что отверстия меньшего размера более подвержены закупориванию порошком катализатора. Закупоривание усиливает потерю напора, влияет на рабочие характеристики, увеличивает давление на механические компоненты с риском их повреждения. Второй причиной является то, что для данного проходного сечения для газа, число отверстий малого размера должно быть больше, и они должны располагаться ближе друг к другу, что снижает механическую прочность перфорированной стенки и делает ее более уязвимой к металлургическим реакциям (например, азотированию), если они возможны. Поскольку стенки обычно бывают довольно тонкими, снижение их механической прочности повышает риск аварии из-за вертикальной неустойчивости.
В силу указанных причин, вопрос использования особенно мелкозернистого катализатора применительно к коллекторам с перфорированными стенками остается нерешенным.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на преодоление недостатков существующих технологий и обеспечение использования катализатора с особенно малым размером частиц в каталитическом химическом реакторе без негативного влияния на функционирование и надежность коллекторов слоя катализатора.
Эта задача решается использованием:
каталитического реактора со слоем катализатора, пригодным для химической реакции конверсии газового сырья в газовый продукт и имеющим цилиндрически-кольцевую геометрию, причем реактор содержит по меньшей мере один коллектор слоя катализатора, выполненный в виде газопроницаемой цилиндрической стенки, и отличается тем, что содержит по меньшей мере один кольцевой слой первого гранулированного материала, представляющего собой катализатор, приспособленный для катализа реакции конверсии, и по меньшей мере один кольцевой слой второго гранулированного материала, более грубого (крупного) по сравнению с первым гранулированным материалом и имеющего частицы большего размера, чем первый гранулированный материал, причем слой второго гранулированного материала прилегает к по меньшей мере одному коллектору и контактирует с ним так, что слой первого гранулированного материала отделен от коллектора слоем второго гранулированного материала.
По меньшей мере один коллектор может быть частью слоя катализатора. В некоторых вариантах выполнения по меньшей мере один коллектор является частью картриджа, содержащего слой катализатора.
Реактор, предпочтительно, имеет радиальный или радиально-осевой поток. Термин "радиально-осевой поток" означает, что часть слоя катализатора пересекается потоком с радиальным и осевым компонентами, в то время как другая часть пересекается потоком, имеющим преимущественно радиальный компонент.
Например, в варианте выполнения радиально-осевого реактора, первая часть входного потока попадает в слой катализатора вдоль оси и сверху слоя катализатора, а оставшаяся вторая часть входного потока входит в слой катализатора по радиусу, при этом выходной поток является радиальным. Соответственно, поток через слой катализатора является радиально-осевым в верхней части слоя катализатора и радиальным, или преимущественно радиальным, в средней и нижней частях.
Предпочтительно, по меньшей мере один коллектор включает внутренний коллектор. Более предпочтительно, по меньшей мере один коллектор включает внутренний коллектор в реакторе с направленным внутрь радиальным потоком. В варианте выполнения, этот реактор имеет направленный внутрь радиальный поток и содержит две коаксиальные стенки, формирующие внутренний коллектор и внешний коллектор, а слой второго гранулированного материала располагается по меньшей мере вокруг внутреннего коллектора, соприкасаясь с ним.
Предпочтительно, реактор содержит две коаксиальные газопроницаемые стенки. Эти стенки определяют, соответственно, внутреннюю ограждающую стенку и внешнюю ограждающую стенку. Одна из этих ограждающих стенок действует как распределитель газа, входящего в слой катализатора, а другая ограждающая стенка действует как коллектор газообразных продуктов, выходящих из слоя катализатора. Эти две коаксиальные ограждающие стенки также называют внешним коллектором и внутренним коллектором, соответственно.
В предпочтительном варианте выполнения, предложенный в изобретении реактор включает первый слой второго гранулированного материала, соприкасающегося с внутренним коллектором, и второй слой второго гранулированного материала, соприкасающегося с внешним коллектором. Первый гранулированный материал образует, предпочтительно, центральный слой катализатора.
Количество второго гранулированного материала обычно значительно меньше количества первого материала, и этот материал может быть инертным по отношению к реакции конверсии. Предпочтительно, однако, чтобы вторым гранулированным материалом также был катализатор, приспособленный для катализа реакции конверсии. Соответственно, одним или более слоями второго гранулированного материала являются слои катализатора, участвующие в конверсии.
Предпочтительно, первым гранулированным материалом и вторым гранулированным материалом является один и тот же катализатор, отличающийся только размером частиц.
В предпочтительном применении изобретения, первым гранулированным материалом является катализатор, пригодный для синтеза аммиака из подпиточного газа, содержащего азот и водород (катализатор аммиака). Также вторым гранулированным материалом может быть такой же катализатор.
Катализаторы для синтеза аммиака из подпиточного газа, содержащего азот и водород, известны специалистам. Доступны различные катализаторы для этой цели, включая, например, железные катализаторы и рутениевые катализаторы. Обзор катализаторов для синтеза аммиака можно найти в соответствующей литературе, например, в статье Max Appl, "Аммиак", Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry, 2006 г., Wiley-VCH Verlag.
В предпочтительных вариантах выполнения, размер частиц гранулированных материалов таков, что средний размер частиц первого материала составляет от 10% до 80% среднего размера частиц второго материала. Этим размером может быть, например, диаметр сферических или, в основном, сферических частиц.
Предпочтительно, размер частиц второго материала составляет от 1,5 мм до 3 мм, например, от 2 мм до 3 мм. Размер частиц первого материала составляет, предпочтительно, от 0,5 мм до 2 мм, более предпочтительно, от 0,5 мм до 1,5 мм, еще более предпочтительно, от 0,5 до 1 мм. Эти размеры являются, в частности, предпочтительными для катализатора реакции получения аммиака.
Термин "размер частицы" относится к среднему характеристическому размеру частиц гранулированного материала. Таким характеристическим размером является, например, диаметр сферических частиц и, обычно в случае несферических частиц, частиц с эквивалентными размерами, определенными, например, просеиванием через сито.
Размер частиц гранулированного материала обычно имеет определенное статистическое распределение, например нормальное распределение (кривая Гаусса). Например, термин "размер частиц от 2 до 3 мм" означает, что средний размер частиц находится в интервале от 2 до 3 мм.
В предпочтительном варианте выполнения, внешний коллектор и внутренний коллектор имеют в поверхности проходы для газа меньше среднего размера частиц второго гранулированного материала (крупнозернистого материала), но больше среднего размера частиц первого гранулированного материала (мелкозернистый катализатор).
В предпочтительном варианте выполнения, кольцевой слой или каждый кольцевой слой второго гранулированного материала имеет постоянную радиальную толщину.
Предпочтительно, масса второго гранулированного материала составляет не более 20%, даже более предпочтительно, не более 10% массы первого гранулированного материала.
В некоторых вариантах выполнения изобретения, реактор содержит по меньшей мере дополнительную газопроницаемую разделительную стенку, образующую разделяющую поверхность между слоем первого гранулированного материала и слоем второго гранулированного материала. Эта стенка расположена, предпочтительно, вблизи одного из коллекторов.
Более предпочтительно, реактор имеет две газопроницаемые разделительные стенки, расположенные вблизи внешнего коллектора и внутреннего коллектора, соответственно. Первая газопроницаемая стенка расположена вблизи внешнего коллектора и отделяет слой первого гранулированного материала от внешнего коаксиального слоя второго гранулированного материала. Вторая газопроницаемая разделительная стенка расположена вблизи внутреннего коллектора и отделяет слой первого гранулированного материала от внутреннего коаксиального слоя второго гранулированного материала.
По меньшей мере одна упомянутая дополнительная разделительная стенка может быть постоянным компонентом или временным (не постоянным) компонентом, в зависимости от различных вариантов выполнения изобретения.
Постоянная разделительная стенка предназначена для постоянной работы внутри слоя катализатора. Поэтому, постоянная стенка должна выдерживать воздействия (включая, например, температуру, давление, агрессивную химическую среду) внутри слоя катализатора. Например, в реакторе синтеза аммиака, постоянная стенка выполнена, предпочтительно, из легированной стали или хром-никелевого сплава.
Следует заметить, что постоянная разделительная стенка не обладает несущей функцией. Поскольку разделительная стенка погружена в гранулированный материал (например, массу катализатора) и фактически плавает в нем, радиальная сила и вертикальная сила, передаваемые крупнозернистым гранулированным материалом и мелкозернистым гранулированным материалом, уравновешивают друг друга. Разделительная стенка не должна выдерживать большие нагрузки и, поэтому, может представлять собой тонкую стенку или иметь вид подходящей мелкоячеистой сетки.
Временной разделительной сеткой является сетка, которая:
может быть демонтирована с соответствующего коллектора, или
выполнена из материала, разлагающегося или растворяющегося внутри слоя катализатора в процессе работы слоя катализатора.
Временная разделительная сетка, предназначенная для разложения или растворения во время работы слоя катализатора, может быть выполнена, например, из обычной углеродистой стали или, наоборот, из текстильного материала, стекловолокна или сетки. Временная разделительная стенка должна быть выполнена из материала, который при разложении или растворении, не выделяет веществ, отравляющих катализатор. В слоях катализатора для синтеза аммиака, предпочтительно, например, не использовать пластические материалы.
Упомянутая разделительная стенка или стенки способствуют выполнению операций по загрузке катализатора.
При работе катализатора, мелкозернистый катализатор удерживается и ограждается окружающим его более крупнозернистым гранулированным материалом и, поэтому, физическая разделительная стенка между крупнозернистым гранулированным материалом и мелкозернистым катализатором не требуется. Благодаря этому можно использовать временную разделительную стенку, выполненную из недорогого материала. Более того, сводится к минимуму объем, не занятый катализатором.
Постоянная разделительная стенка обычно дороже и занимает больше места, но благодаря ей дополнительно улучшается разделение между гранулированными материалами, имеющими разный размер частиц, и она может быть повторно использована при замене катализатора.
По меньшей мере одна разделительная стенка должна быть непроницаема по меньшей мере для второго (более крупнозернистого) гранулированного материала катализатора. С другой стороны, от этой по меньшей мере одной разделительной стенки не требуется непроницаемости для мелкозернистого катализатора. Например, в варианте выполнения изобретения, по меньшей мере одна разделительная стенка включает сетку, а размер сетки выбирается так, чтобы она была непроницаемой только для второго гранулированного материала, но не для мелкозернистого катализатора. Более мелкая сетка, непроницаемая для мелкозернистого катализатора, также может быть использована, но не является необходимой. Относительно крупная сетка (т.е., проницаемая для мелкозернистого катализатора) снижает стоимость разделительных стенок и сокращает потери давления, вызываемые самой разделительной стенкой.
Последовательность шагов загрузки катализатора, предпочтительно, включает: первый шаг загрузки крупнозернистого гранулированного материала вплотную к коллекторам, и, далее, второй шаг загрузки мелкозернистого катализатора. Количество крупнозернистого гранулированного материала, предпочтительно, значительно меньше количества мелкозернистого катализатора. Как было сказано выше, крупнозернистый гранулированный материал также может быть катализатором (крупнозернистый катализатор). При необходимости, могут быть предприняты специальные меры для загрузки крупнозернистого гранулированного материала в промежуток между коллектором и разделительной стенкой. Загрузка мелкозернистого катализатора может быть выполнена обычными способами (например, пульверизаторами).
Слой крупнозернистого гранулированного материала, прилегающий к газопроницаемой стенке или к каждой из газопроницаемых стенок, имеет радиальную толщину, предпочтительно, в интервале от 20 мм до 100 мм.
Другой особенностью изобретения является способ загрузки катализатора внутрь слоя катализатора, в соответствии с приложенной формулой.
В варианте выполнения, способ включает загрузку гранулированного материала, который может быть инертным материалом или катализатором, в первую область и во вторую область объема, имеющегося между двумя коаксиальными коллекторами. Первая область кольцевой формы прилегает к внешнему коллектору; вторая область имеет в основном кольцевую форму и находится вокруг внутреннего коллектора. Способ также включает загрузку мелкозернистого катализатора, более мелкого по сравнению с упомянутым гранулированным материалом, в оставшуюся область объема, между областями, занятыми этим гранулированным материалом. Предпочтительно, гранулированный материал загружается сначала, а затем загружается мелкозернистый катализатор.
Вариант выполнения изобретения включает способ загрузки катализатора в слой катализатора химического реактора, в котором объем, предназначенный для катализатора, огражден внешним коллектором и внутренним коллектором, причем внешним коллектором и внутренним коллектором являются коаксиальные и концентрические газопроницаемые цилиндрические стенки, а способ включает шаги:
формирования первого кольцевого слоя гранулированного материала, прилегающего к внешнему коллектору;
формирования второго кольцевого слоя этого гранулированного материала, расположенного вокруг внутреннего коллектора;
формирование кольцевого слоя катализатора между первым слоем и вторым слоем гранулированного материала,
причем размер частиц гранулированного материала больше, чем у катализатора.
Предпочтительным вариантом выполнения является способ, включающий шаги:
использования первой газопроницаемой разделительной стенки, расположенной так, чтобы установить границы кольцевого промежутка между разделительной стенкой и внешним коллектором или внутренним коллектором, и
формирования первого слоя или второго слоя гранулированного материала в этом промежутке.
Более предпочтительным вариантом выполнения является способ, включающий шаги:
использования первой газопроницаемой разделительной стенки, расположенной так, чтобы установить границы первого промежутка между внешним коллектором и этой первой стенкой,
использования второй газопроницаемой разделительной стенки, расположенной так, чтобы установить границы второго промежутка между внутренним коллектором и этой второй стенкой,
формирования первого слоя гранулированного материала в первом промежутке, и формирования второго слоя гранулированного материала во втором промежутке,
формирования слоя катализатора в промежутке, образованном между первой разделительной стенкой и второй разделительной стенкой.
В варианте выполнения, первый по меньшей мере один слой гранулированного материала сформирован загрузкой гранулированного материала посредством контейнеров, прикрепленных к внешнему коллектору или внутреннему коллектору, причем эти контейнеры выполнены из материала, способного растворяться в каталитическом слое в процессе работы.
Контейнеры должны растворяться в условиях физико-химических воздействий в слое катализатора в процессе работы в течение приемлемого промежутка времени, без выделения веществ, например, разрушающих сам катализатор.
В предпочтительном варианте выполнения, контейнеры выполнены из текстильного материала, предпочтительно в виде мешков или оболочек из текстильного материала.
В предпочтительном варианте выполнения, гранулированным материалом также является катализатор.
В изобретении используется мелкозернистый катализатор, при этом слой инертного материала или катализатора, соприкасающийся с коллекторами, состоит из частиц большего размера. Основным преимуществом является то, что большая часть слоя катализатора сформирована из мелкозернистого катализатора, что полезно для процесса, но коллекторы могут быть выполнены по известной технологии для удерживания материала с крупными гранулами. Другими словами, изобретение позволяет использовать значительные количества мелкозернистого катализатора без дорогостоящей доработки коллекторов.
Крупнозернистый материал действует как локализующий элемент для мелкозернистого катализатора. Следует иметь в виду, что проникновение мелкозернистого катализатора через промежутки между частицами крупнозернистого материала остается возможным, в зависимости от относительного размера частиц. Этому проникновению может способствовать различие в размерах частиц двух гранулированных материалов, то есть, чем больше это различие, тем сильнее проникновение. Миграции также может способствовать, до некоторой степени, поток, проходящий через слой. Например, в слое с входящим потоком более вероятна миграция мелкозернистого катализатора в направлении внутреннего коллектора.
В результате проникновения мелкозернистого катализатора сквозь крупнозернистый материал может формироваться переходной слой на границе раздела слоев катализатора; толщина этого переходного слоя может зависеть от таких параметров, как, например, различие в размерах частиц, физических характеристиках газа (например плотности) и параметров движения (направление, скорость и т.д.)
Радиальная толщина крупнозернистых слоев должна выбираться в соответствии с ожидаемой толщиной переходного слоя с тем, чтобы исключить или минимизировать возможность достижения мелкозернистым катализатором одного из коллекторов, где этот катализатор может покинуть слой. Выбор толщины крупнозернистого слоя также может обеспечивать равномерное распределение газа. Поэтому подходящая толщина крупнозернистого слоя будет выбираться с учетом таких параметров, как, например, различие в размерах частиц, скорости и плотности газового потока, при этом приемлемой считается любая степень миграции.
Для катализатора синтеза аммиака, учитывая размер частиц мелкозернистого катализатора, составляющий до 0,5 мм, и обычный размер частиц крупнозернистого катализатора, составляющий 1,5-3 мм, толщина слоев крупнозернистого катализатора от 20 мм до 100 мм обычно считается подходящей для эффективного удерживания мелкозернистого катализатора, практически исключая проникновение мелкозернистых частиц. При необходимости, может быть принята толщина более 100 мм, с учетом размеров реактора.
Преимущества изобретения будут более очевидны при рассмотрении приведенного далее подробного описания, относящегося к предпочтительным вариантам выполнения изобретения.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлен схематический вид поперечного сечения слоя катализатора химического реактора в соответствии с вариантом выполнения изобретения;
на фиг. 2 представлен схематический вид сечения слоя катализатора в другом варианте выполнения изобретения;
на фиг. 3 изображен вид поперечного сечения слоя катализатора, показанного на фиг. 2;
на фиг. 4 показан реактор в соответствии с вариантом выполнения изобретения.
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг. 1 схематически представлен вид поперечного сечения слоя 1 катализатора, включающего внешний коллектор (распределитель) 2 и внутренний коллектор 3. Слой 1 катализатора находится внутри химического реактора, как это показано на фиг. 4.
Слой 1 катализатора, в основном, обладает радиальной симметрией относительно оси А.
Распределитель 2 и коллектор 3 содержат коаксиальные цилиндрические стенки, или сформированы такими стенками, обладающими газопроницаемостью за счет наличия в них отверстий или щелей. Коллекторы 2 и 3 могут, в некоторых вариантах выполнения, иметь модульную конструкцию, использующую секции.
Слой 1 катализатора включает внешний слой 4 и внутренний слой 6 крупнозернистого катализатора, прилегающего к распределителю 2 и к коллектору 3, соответственно, а также включает слой 5 мелкозернистого катализатора.
Катализатором слоев 4, 6 и слоя 5 является катализатор одного типа, но с разными размерами частиц, причем слой 5 имеет более мелкие частицы. Например, катализатором слоев 4, 5 и 6 является катализатор для синтеза аммиака из газа, содержащего водород и азот в соотношении, равном 1:3 или близком к нему.
Слои катализатора 4, 5 и 6 коаксиальны и концентричны. Слой 5 мелкозернистого катализатора образует центральную часть слоя 1 катализатора; слои 4 и 5 крупнозернистого катализатора образуют две периферических области слоя 1 катализатора вокруг мелкозернистого слоя 5 и соприкасаются с коллекторами 2 и 3.
Мелкозернистый катализатор слоя 5, в результате, ограничен и удерживается двумя окружающими слоями 4, 6 крупнозернистого катализатора. Коллекторы 2 и 3 соприкасаются только с крупнозернистым катализатором слоев 4 и 6.
В процессе работы, смесь газообразных реагентов R проходит через слой 1 радиальным потоком или смешанным радиально-осевым потоком, входя в слой через внешний коллектор 2 и пересекая слой в направлении от периферии к центру (вовнутрь). Внешний коллектор 2, таким образом, также называют распределителем.
Продукты Р реакции проходят через внутренний коллектор 3 и собираются в центральной трубе 7, ограниченной этим внутренним коллектором 3.
Радиальная толщина слоев 4 и 6 катализатора может быть определена с учетом следующих соображений: выбор тонких слоев 4 и 6 увеличивает используемый объем слоя 5 мелкозернистого катализатора, что повышает эффективность процесса; выбор более толстых слоев 4 и 6, с другой стороны, обеспечивает лучшее разделение катализаторов двух типов и снижает риск переноса мелкозернистого катализатора через промежутки между частицами крупнозернистого катализатора. Более того, более толстые слои легче формировать при загрузке катализатора. Оптимальная толщина слоев 4 и 6 будет выбираться на основании компромисса между этими требованиями.
На фиг. 2 представлен вариант выполнения, содержащий газопроницаемые стенки, разделяющие слои крупнозернистого и мелкозернистого катализаторов. На фигуре, в частности, показаны: первая разделительная стенка 8, отделяющая слой 5 мелкозернистого катализатора от внешнего слоя 4 крупнозернистого катализатора; вторая разделительная стенка 9, отделяющая слой 5 мелкозернистого катализатора от внутреннего слоя 6 крупнозернистого катализатора.
Первая разделительная стенка 8 расположена вплотную к внешнему коллектору 2, а вторая разделительная стенка 9 расположена вплотную к внутреннему коллектору 3. Эти разделительные стенки 8 и 9 могут иметь неразъемное соединение, либо соединение с возможностью разборки, с соответствующим коллектором 2 и 3.
Эти разделительные стенки 8 и 9 могут быть постоянными или не постоянными (временными). Непостоянные стенки служат только для обеспечения загрузки катализатора и выполнены из материала, управляемо разлагающегося или растворяющегося при работе реактора. Постоянные стенки выполнены из материала, способного выдерживать эксплуатационные воздействия в каталитическом слое, например, воздействия температуры или давления.
Ниже иллюстрируются некоторые особенности построения первой разделительной стенки.
Следует заметить, что первая разделительная стенка 8 должна прилегать к вогнутой поверхности, т.е., внутренней поверхности коллектора 2. Более того, следует заметить, что крупнозернистый катализатор в процессе его загрузки, давит на центр слоя катализатора и стремится отдалить первую разделительную стенку 8 от коллектора 2.
По этим причинам, первая разделительная стенка 8 находится под значительным напряжением. Предпочтительный способ выполнения стенки 8 состоит в использовании перфорированного металлического листа с отверстиями или щелями или цельнорешетчатого металла.
Предпочтительная геометрия включает первую разделительную стенку 8, выполненную из тонких гофрированных металлических листов. Перфорированные гофрированные металлические листы прикрепляются болтами с надлежащими промежутками к металлическим листам, формирующим коллектор 2. В частном варианте, процедура сборки, например, включает: установку коллектора 2 внутри реактора, размещение и прикрепление болтами гофрированных металлических листов к коллектору 2. При этом образуются по существу трапецеидальные промежутки между гофрированными металлическими листами и коллектором 2. Основание этих промежутков прижимается, например, кольцом, на которое опираются гофрированные металлические листы. Катализатор засыпается в эти промежутки сверху, образуя слой 4.
Верхние концы гофрированных металлических листов могут иметь наклонные фланцы (похожие на воронку) для упрощения процедуры загрузки катализатора.
Далее будут описаны некоторые особенности построения второй разделительной стенки 9.
Создание второй разделительной стенки 9 обычно проще, чем первой разделительной стенки 8. Вторая разделительная стенка 9 проходит по выпуклой поверхности, а не по вогнутой, располагаясь снаружи коллектора 3, поэтому ее поверхность меньше, в распространенных случаях реакторов с направленным внутрь потоком, это поток стремится прижимать катализатор к стенке, а не уносить его прочь. В принципе, описанные выше решения для первой разделительной стенки 8, могут быть использованы также и для второй разделительной стенки 9.
Если ожидается миграция мелкозернистого катализатора к выходному коллектору 3, или в случае очень небольших размеров коллектора 3 невозможна такая же конструкция, что и у первой стенки 8, вторая разделительная стенка 9 может быть сформирована посредством мелкоячеистой сетки. Эта сетка удерживается на одинаковом расстоянии от коллектора 3 посредством рамы. После установки сетки на раму так, чтобы образовался трубчатый элемент, может быть загружен крупнозернистый катализатор.
Для предотвращения миграции мелкозернистого катализатора к коллектору 3, разделительная сетка должна быть выполнена из материала, устойчивого к эксплуатационным воздействиям (например, инконеля). При этом создается постоянное разделение, позволяющее свести к минимуму радиальную толщину слоя 6 катализатора. Если же, с другой стороны, использовать непостоянное разделение, потребуется более толстый слой катализатора, в зависимости от предполагаемой толщины переходного слоя. После загрузки мелкозернистого катализатора, сетка плавает в массе катализатора, причем радиальные и вертикальные напоры уравновешиваются двумя объемами окружающего их катализатора. Также, в этом случае слой крупнозернистого катализатора может быть создан засыпкой катализатора в мешки или оболочки, помещенные во внутренний коллектор 3.
На фиг. 3 показаны в поперечном сечении слои 4, 5, 6 катализатора, коллекторы 2, 3 и разделительные стенки 8, 9, в плоскости, перпендикулярной оси А.
На фиг. 4 представлен реактор 10, предложенный в настоящем изобретении. Реактор 10 имеет корпус 11 высокого давления, содержащий слой 1 катализатора. Реактор 10 имеет впускное отверстие 13 для реагентов R и выпускное отверстие 13 для продуктов Р реакции.
Стрелки на фиг. 4 показывают направление газового потока внутри реактора 10 и через слой 1 катализатора. Реагенты R направляются из верхней части реактора 10 в кольцевое пространство 14 вокруг слоя 1 катализатора и входят оттуда в слой 1 направленным внутрь осевым потоком. Продукты Р реакции, выходящие из слоя 1, собираются в трубе 7 и направляются оттуда в нижнюю часть реактора 10, откуда они выходят из реактора через выходное отверстие 13.
Изобретение решает поставленные задачи, обеспечивая использование мелкозернистого катализатора совместно с коллекторами 2 и 3, выполненными в соответствии с известной технологией, пригодной для удерживания крупнозернистого катализатора.
1. Каталитический реактор (10) со слоем (1) катализатора, пригодным для химической реакции конверсии газового сырья в газовый продукт и имеющим цилиндрически-кольцевую геометрию, содержащий по меньшей мере один коллектор (2, 3), выполненный в виде газопроницаемой цилиндрической стенки, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один кольцевой слой первого гранулированного материала, представляющего собой катализатор, приспособленный для катализа реакции конверсии, и по меньшей мере один кольцевой слой второго гранулированного материала, более крупного по сравнению с первым гранулированным материалом, имеющего частицы большего размера, чем первый гранулированный материал, причем указанный по меньшей мере один коллектор включает выходной коллектор, а слой второго гранулированного материала прилегает к выходному коллектору и контактирует с ним так, что слой первого гранулированного материала отделен от коллектора слоем второго гранулированного материала.
2. Реактор по п. 1, в котором выходной коллектор представляет собой внутренний коллектор.
3. Реактор по п. 1, включающий внешний коллектор (2) и внутренний коллектор (3), имеющие цилиндрическую форму, коаксиальные друг с другом и обладающие газопроницаемостью, содержащий два кольцевых слоя второго гранулированного материала, причем первый слой второго гранулированного материала контактирует с внешним коллектором, второй слой второго гранулированного материала контактирует с внутренним коллектором, а слоем первого гранулированного материала является центральный слой (5), расположенный между первым слоем и вторым слоем второго гранулированного материала.
4. Реактор по п. 3, в котором один (2) из внешнего коллектора и внутреннего коллектора действует в качестве распределителя газового потока реагентов, входящих в слой катализатора, а другой (3) из этих коллекторов собирает газовый поток продуктов реакции, выходящих из слоя катализатора.
5. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором вторым гранулированным материалом также является катализатор, пригодный для катализа реакции конверсии.
6. Реактор по п. 5, в котором первым гранулированным материалом и вторым гранулированным материалом являются катализаторы одинакового состава, отличающиеся только размером частиц.
7. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором средний размер частиц первого гранулированного материала составляет от 10 до 80% среднего размера частиц второго материала.
8. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором размер частиц второго гранулированного материала составляет от 1,5 до 3 мм, предпочтительно от 2 до 3 мм.
9. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором размер частиц первого гранулированного материала составляет от 0,5 до 2 мм, предпочтительно от 0,5 до 1,5 мм и еще более предпочтительно от 0,5 до 1 мм.
10. Реактор по любому из предыдущих пунктов, имеющий по меньшей мере одну дополнительную газопроницаемую стенку (8, 9), образующую разделительную поверхность между слоем первого гранулированного материала и слоем второго гранулированного материала.
11. Реактор по п. 10, в котором по меньшей мере одна дополнительная стенка (8, 9) непроницаема для второго гранулированного материала.
12. Реактор по п. 10 или 11, имеющий внешнюю газопроницаемую разделительную стенку (8) вблизи внешнего коллектора (2) и внутреннюю газопроницаемую разделительную стенку (9) вблизи внутреннего коллектора (3) и содержащий:
первый слой (4) второго гранулированного материала между внешней разделительной стенкой (8) и внешним коллектором (2);
второй слой (6) второго гранулированного материала между внутренней разделительной стенкой (9) и внутренним коллектором (3);
слой (5) первого гранулированного материала между внешней разделительной стенкой и внутренней разделительной стенкой.
13. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором внешний коллектор и внутренний коллектор имеют в поверхности проходы для газа, размер которых меньше среднего размера частиц второго гранулированного материала, но больше среднего размера частиц первого гранулированного материала.
14. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором кольцевой слой или каждый кольцевой слой второго гранулированного материала имеет постоянную радиальную толщину.
15. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором масса второго гранулированного материала не превышает 20% массы первого гранулированного материала.
16. Реактор по любому из предыдущих пунктов, в котором первым гранулированным материалом и вторым гранулированным материалом являются катализаторы, пригодные для синтеза аммиака из подпиточного газа, содержащего водород и азот.
17. Способ загрузки мелкозернистого катализатора внутрь слоя катализатора химического реактора, в котором объем, предназначенный для катализатора, ограничен внешним коллектором и внутренним коллектором, причем внешним коллектором и внутренним коллектором являются коаксиальные и концентричные газопроницаемые цилиндрические стенки, а при осуществлении способа:
формируют первый кольцевой слой гранулированного материала, прилегающий к внешнему коллектору;
формируют второй кольцевой слой этого гранулированного материала, расположенный вокруг внутреннего коллектора;
формируют кольцевой слой мелкозернистого катализатора между первым слоем и вторым слоем гранулированного материала,
причем размер частиц указанного гранулированного материала больше, чем у мелкозернистого катализатора.
18. Способ по п. 17, в котором:
используют первую газопроницаемую разделительную стенку для установления границ кольцевого промежутка между разделительной стенкой и одним из внешнего и внутреннего коллекторов и
формируют первый слой или второй слой гранулированного материала в этом промежутке.
19. Способ по п. 18, в котором:
используют первую газопроницаемую разделительную стенку для установления границ первого промежутка между внешним коллектором и первой стенкой,
используют вторую газопроницаемую разделительную стенку для установления границ второго промежутка между внутренним коллектором и второй стенкой,
формируют первый слой гранулированного материала в первом промежутке и формируют второй слой гранулированного материала во втором промежутке,
формируют слой катализатора в промежутке между первой разделительной стенкой и второй разделительной стенкой.
20. Способ по любому из пп. 17-19, в котором по меньшей мере один слой гранулированного материала сформирован загрузкой гранулированного материала посредством емкостей, прикрепленных к внешнему коллектору или внутреннему коллектору, причем эти емкости выполнены из материала, приспособленного для растворения в слое катализатора в рабочих условиях.
21. Способ по п. 20, в котором емкости выполнены из текстильного материала, предпочтительно в форме мешков или оболочек из текстильного материала.
22. Способ по любому из пп. 17-21, в котором гранулированным материалом также является катализатор.
