Реактор гетерогенного синтеза и способ модернизации такого реактора - RU2213614C2

Описание

Изобретение относится к реактору гетерогенного синтеза и способу модернизации in-situ такого реактора, в частности для экзотермического синтеза, например, синтеза аммиака или метанола и для конверсии моноксида углерода, в котором имеется по крайней мере один слой катализатора радиального или осерадиального типа с противоположными цилиндрическими перфорированными стенками для входа и выхода газов.

Подобные реактор и способ модернизации описаны в ЕР 0650760 А1, 03.05.95.

В приведенном ниже описании под "модернизацией in-situ" подразумевается осуществляемая на месте модернизация существующего реактора, целью которой является улучшение характеристик реактора, в частности повышение его производительности и/или конверсионного выхода до уровня вновь созданного реактора. В технике такого рода модернизацию иногда называют доработкой или реконструкцией.

Как известно, в настоящее время при проведении реакций гетерогенного синтеза все чаще и чаще возникает необходимость в реализации в существующих реакторах синтеза новых, связанных с процессом катализа идей, которые обычно направлены на повышение реакционной способности реактора, позволяют при снижении капиталовложений увеличить конверсионный выход реактора и снизить потребление энергии.

Фактически наличие новых катализаторов с высокой каталитической активностью позволяет при той же самой производительности реактора, загрузив в соответствующий каталитический слой такую массу нового катализатора, объем которой намного меньше объема катализатора, которым по проекту заполняется каталитический слой, снизить стоимость используемого в реакторе катализатора.

Использование в существующих реакторах с каталитическими слоями осевого типа новых обладающих высокой реакционной способностью катализаторов не вызывает особых проблем, поскольку загрузку в такие каталитические слои более или менее больших количеств катализатора можно выполнить без значительного изменения характера протекающих в нем процессов слоя, в частности без изменения его гидродинамических характеристик, за исключением изменения перепада давления, который можно тем или иным способом отрегулировать за счет соответствующего изменения условий работы реактора.

В отличие от этого загрузка другого катализатора в существующие реакторы с каталитическими слоями радиального или осерадиального типа вносит ряд нежелательных изменений в работу каталитического(их) слоя(ев).

В каталитическом слое радиального типа, который только частично заполнен катализатором, неизбежно имеются ряды выполненных в стенках отверстий для входа и выхода газа, которые оказываются расположенными выше слоя катализатора и через которые, минуя катализатор, могут проходить реакционные газы, что, как очевидно, заметно снижает конверсионный выход реактора.

Та же самая проблема существует и в реакторе с каталитическим слоем осерадиального типа, в котором при неполном заполнении каталитического слоя катализатором не все реакционные газы проходят через катализатор в осевом направлении, что, как очевидно, снижает конверсионный выход реактора, если его сравнивать с выходом реактора с оптимально заполненным катализатором каталитическим слоем.

Пониженное количество катализатора в осерадиальном каталитическом слое приводит, в частности, не только к наличию не покрытых слоем катализатора отверстий в перфорированных входной и выходной стенках, но и снижает эффективность неперфорированного участка верхней части выходной стенки, который формирует осевой поток газа на входе в каталитический слой.

Несмотря на постоянно возрастающий интерес к проблеме так называемой модернизации существующих реакторов, позволяющей избежать крупных затрат на замену их новыми реакторами и одновременно при том же самом реакционном объеме обеспечить максимально возможный конверсионный выход и минимальное потребление энергии, до сих пор все еще не существует надежных, позволяющих решить эти задачи способов модернизации реакторов с каталитическими слоями радиального или осерадиального типа.

В настоящее время из-за отсутствия надежных технических решений каталитические слои радиального или осерадиального типа существующих реакторов по-прежнему загружаются обычными катализаторами, использование которых не позволяет увеличить конверсионный выход реактора и снизить потребление энергии, что можно было бы достичь за счет использования в таких реакторах новых, обладающих высокой реакционной способностью катализаторов.

При использовании в существующих реакторах катализатора с высокой реакционной способностью для устранения указанных выше недостатков обязательно требуется полностью заполнять катализатором весь предназначенный для этого объем радиального или осерадиального каталитического слоя, при этом кроме увеличения конверсионного выхода происходит и повышение производительности реактора, которое однако не всегда может оказаться полезным из-за того, что необходимая при таком повышении производительности реактора замена различной аппаратуры, расположенной за реактором, требует больших капиталовложений и связана с большими технологическими расходами.

Кроме того, заполнение всего объема существующих каталитических слоев, которые спроектированы для работы с обычными, обладающими низкой активностью катализаторами, новым высокоактивным катализатором требует использования такого количества нового катализатора, стоимость которого сводит на нет всю экономическую целесообразность такой модернизации.

Именно из-за этих весьма и весьма серьезных препятствий несмотря на постоянно возрастающую потребность проблема использования обладающих высокой активностью катализаторов в существующих реакторах гетерогенного синтеза с каталитическими слоями радиального или осерадиального типа до сих пор все еще не нашла своего практического решения.

Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача разработать улучшенный реактор гетерогенного синтеза и способ модернизации реактора гетерогенного синтеза по крайней мере с одним радиальным или осерадиальным каталитическим слоем, позволяющий достаточно просто и надежно и при низких капиталовложениях и технологических затратах использовать в реакторе принципиально новые катализаторы с повышенной реакционной способностью, которые повышают конверсионный выход реактора и снижают затраты энергии.

Указанная задача решается с помощью предложенного способа модернизации реактора гетерогенного синтеза, содержащего наружный корпус, в котором расположен по крайней мере один каталитический слой радиального или осерадиального типа с противоположными перфорированными цилиндрическими стенками для входа и выхода газов. Согласно изобретению в реактор устанавливают неперфорированную цилиндрическую стенку, ось которой совпадает с осью выходной стенки каталитического слоя, которая охватывает имеющий определенную длину участок верхней части выходной стенки таким образом, что между этими стенками образуется свободное пространство для прохода части газа, выходящего из каталитического слоя через участок выходной стенки, охваченный стенкой, и внутри реактора у верхнего края (8а) выходной стенки выполняют заглушку, которая закрывает свободное пространство между неперфорированной стенкой и выходной стенкой и препятствует движению газов в обход катализатора или их циркуляции по замкнутому контуру внутри реактора.

В предпочтительном варианте способа согласно изобретению неперфорированная стенка охватывает участок выходной стенки, длина которого составляет от 5 до 50% от всей ее длины, причем радиальная протяженность свободного пространства составляет от 0,5 до 10 см.

Неперфорированная стенка может опираться на выходную стенку.

Кроме того, диаметр выходной стенки должен быть меньше диаметра входной стенки и меньше соответственно диаметра неперфорированной стенки, а неперфорированная стенка должна опираться на выходную стенку через газонепроницаемую горизонтальную заглушку, которая расположена над верхним концом выходной стенки и опирается на нее.

Поставленная задача решается также с помощью предложенного реактора гетерогенного синтеза, выполненного по типу реактора, содержащего внешний корпус и по крайней мере один каталитический слой радиального или осерадиального типа с противоположными перфорированными цилиндрическими стенками для входа и выхода газов, который расположен внутри корпуса. Согласно изобретению в его каталитическом слое имеются также неперфорированная цилиндрическая стенка, ось которой совпадает с осью выходной стенки каталитического слоя, которая охватывает имеющий определенную длину участок верхней части выходной стенки таким образом, что между этими стенками образуется свободное пространство для прохода части газа, выходящего из каталитического слоя через участок выходной стенки, охваченный стенкой, и расположенную у верхнего края выходной стенки заглушку, которая закрывает свободное пространство между неперфорированной стенкой и выходной стенкой и препятствует движению газов в обход катализатора или их циркуляции по замкнутому контуру внутри реактора.

В соответствии с изобретением неперфорированная стенка охватывает участок выходной стенки, длина которого составляет от 5 до 50% от всей ее длины, при этом радиальная протяженность свободного пространства составляет от 0,5 до 10 см.

При этом неперфорированная стенка может опираться на выходную стенку.

В соответствии с изобретением диаметр выходной стенки должен быть меньше диаметра входной стенки и меньше соответственно диаметра неперфорированной стенки, а неперфорированная стенка должна опираться на выходную стенку через газонепроницаемую горизонтальную заглушку, которая расположена над верхним концом выходной стенки и опирается на нее.

Преимущество предложенного в настоящем изобретении способа состоит в том, что он обеспечивает возможность частичного заполнения катализатором в существующих реакторах их радиальных или осерадиальных каталитических слоев и создает предпосылки для эффективного применения в существующих реакторах новых обладающих высокой активностью катализаторов, не ухудшая при этом работы каталитических слоев и сохраняя, в частности, на прежнем уровне их гидродинамические свойства и перепад давления.

Фактически наличие неперфорированной стенки определенной длины, расположенной в верхней части выходной стенки каталитического слоя, и одновременное образование между этими стенками свободного пространства позволяет успешно решить обе упомянутые выше задачи.

С одной стороны, неперфорированная стенка направляет в каталитическую массу весь поток поступающего в каталитические слои газа и исключает возможность нежелательного движения газа в обход катализатора, т.е. препятствует непосредственному попаданию газа, минуя катализатор, в отверстия в выходной стенке, которые в ее верхней части остаются открытыми из-за неполного заполнения каталитического слоя катализатором.

С другой стороны, при наличии свободного пространства весь поток прошедшего через катализатор газа проходит через все отверстия выходной стенки, что позволяет сохранить на прежнем уровне падение давления на каталитическом(их) слое(ях).

Наилучших результатов можно добиться, если неперфорированной стенкой перекрыть участок выходной стенки, длина которого составляет от 5 до 50% от всей ее длины, а протяженность свободного по существу кольцевого пространства в радиальном направлении выбрать в пределах от 0,5 до 10 см.

В этом случае в реактор можно загрузить относительно небольшое количество обладающего высокой активностью катализатора, не опасаясь возможного прохождения синтез-газа в обход каталитического слоя и сохраняя при этом на том же, что и до модернизации, уровне гидродинамические свойства каталитического слоя и перепад давления на нем.

Следует подчеркнуть, что основная концепция настоящего изобретения, связанная с возможностью частичного заполнения катализатором каталитического слоя радиального или осерадиального типа, принципиально отличается от общепринятой точки зрения по этому вопросу, согласно которой радиальные или осерадиальные каталитические слои во избежание нежелательного движения реакционных газов в обход катализатора обязательно должны быть полностью заполнены катализатором.

На практике из-за очень специфических свойств таких каталитических слоев при сегодняшнем уровне техники обеспечить их удовлетворительную работу при неполном заполнении катализатором практически невозможно. Только после проведения заявителем специальных исследований появилась возможность решить указанную выше техническую проблему и именно с этой целью в изобретении и предлагается определенный способ модернизации реакторов с радиальными или осерадиальными каталитическими слоями, который в отличие от общепринятой точки зрения позволяет обеспечить нормальную работу реактора при неполном заполнении каталитического слоя катализатором.

Отличительные особенности и преимущества изобретения более подробно рассмотрены ниже в описании не ограничивающего объема изобретения примера осуществления предложенного в изобретении способа модернизации со ссылкой на прилагаемый чертеж, где схематично показано продольное сечение существующего реактора, который предназначен для проведения реакций гетерогенного синтеза и который модернизирован по способу согласно изобретению.

На чертеже позицией 1 обозначен весь реактор гетерогенного синтеза. Реакторы такого типа наиболее пригодны для проведения реакций гетерогенного синтеза при высоком давлении и высокой температуре (20-300 бар, 180-550^oС) для получения, например, аммиака или метанола или для конверсии моноксида углерода в диоксид углерода.

Реактор 1 имеет трубчатую обечайку или корпус 2, в верхней части которого расположен патрубок 3 для подвода реакционных газов, а в нижней части предусмотрен патрубок 4 для выхода продуктов реакции. В верхней части корпуса 2 имеется также патрубок 5, через который внутрь реактора 1 для выполнения различных сборочных и ремонтных работ может попасть рабочий. Патрубки такого типа хорошо известны специалистам в данной области, и их обычно называют "люками" или "лазами".

В одном варианте выполнения реактора 1 внутри корпуса 2 находится каталитический слой 6 осерадиального типа, который по бокам ограничен соответственно перфорированными цилиндрическими стенками 7 и 8 для прохода газа внутрь слоя и выхода газа из слоя, а снизу ограничен днищем корпуса 2.

В другом варианте выполнения (не показан) реактора 1 каталитический слой 6 может быть радиального типа.

Сверху каталитический слой 6 ничем не закрыт и поэтому через него в осевом направлении проходит часть подаваемых в реактор реакционных газов. Во избежание нежелательного уноса катализатора внутри каталитического слоя 6 можно разместить удерживающие сетки, хорошо известные специалистам и поэтому на чертеже не показанные.

В показанном на чертеже реакторе входная стенка 7 каталитического слоя, через которую в него попадают реакционные газы, расположена рядом с корпусом 2, а выходная стенка 8 расположена в центральной части реактора 1. Между корпусом 2 и входной стенкой 7 имеется свободное пространство 9, через которое реакционные газы попадают в каталитический слой 6 и пересекают его в радиальном направлении. Выходная стенка 8, через которую из каталитического слоя выходят газообразные продукты реакции, сверху закрыта газонепроницаемой крышкой 10 известной конструкции.

На центральной оси каталитического слоя 6 имеется расположенная между выходной стенкой 8 и крышкой 10 камера 11, через которую попадающие в нее через стенку 8 газообразные продукты реакции проходят к патрубку 4, через который они выводятся из реактора.

Пунктирная линия 12, которая проходит рядом с верхним концом входной стенки 7, обозначает верхний уровень катализатора, которым можно заполнить каталитический слой 6, и определяет вместе с боковыми стенками 7 и 8 и днищем корпуса 2 максимально возможный реакционный объем реактора 1. Этот объем можно рассчитать, зная реакционную активность катализатора, использование которого было предусмотрено при проектировании реактора 1 с заданной производительностью. Поэтому можно предположить, что до модернизации предлагаемым в изобретении способом весь объем каталитического слоя 6 реактора 1 заполнен обычным катализатором.

В отличие от линии 12 пунктирная линия 13 изображает верхний уровень катализатора, содержащегося в реакторе 1 после его модернизации предлагаемым в изобретении способом.

Катализатор, которым заполняется каталитический слой 6 после модернизации реактора, обозначен на чертеже позицией 14, и его реакционная активность обеспечивает достижение такой же производительности, что и производительность реактора, заполненного обычным катализатором, хотя объем, занимаемый новым катализатором, существенно меньше объема всего каталитического слоя 6.

Иными словами, повышенная реакционная активность катализатора 14, загруженного в реактор в процессе его модернизации предлагаемым в изобретении способом, позволяет, сохранив на прежнем уровне производительность реактора, намного по сравнению с загруженным ранее катализатором уменьшить массу катализатора и снизить тем самым его стоимость.

Стрелками F на чертеже показаны различные направления потока газа, проходящего через каталитический слой 6.

На первом этапе модернизации реактора предлагаемым в изобретении способом внутри реактора размещается по существу цилиндрическая неперфорированная стенка 15, ось которой совпадает с осью выходной стенки 8 каталитического слоя 6. Неперфорированная стенка 15 начинается у верхнего края 8а выходной стенки 8 и проходит вдоль ее имеющего определенную длину участка, в результате чего между выходной стенкой 8 и неперфорированной стенкой 15 образуется свободное кольцевое пространство 16, через которое, как показано на чертеже стрелками F, проходит часть выходящего из каталитического слоя газа.

На следующем этапе модернизации реактора способом согласно изобретению свободное пространство 16 между неперфорированной стенкой 15 и выходной стенкой 8 вблизи ее верхнего края 8а закрывается соответствующей заглушкой, препятствующей движению газов в обход каталитического слоя 6. В случае модернизации реактора с каталитическим слоем радиального или осерадиального типа заглушка должна препятствовать циркуляции газа по замкнутому контуру внутри реактора.

В результате такой установки в реактор рядом с верхним концом выходной стенки каталитического слоя неперфорированной стенки и образования между этими стенками свободного пространства для прохода реакционных газов создается благоприятная возможность для загрузки в каталитический слой, не ухудшая заметно его работу и, в частности, не изменяя его гидродинамических характеристик и падения давления на нем, меньших, чем по проекту количеств катализатора.

Фактически даже несмотря на то, что при таком уменьшении количества катализатора верхний уровень катализатора 14 оказывается расположенным ниже верхнего края 8а выходной стенки 8 (пунктирная линия 13), не перекрывая нескольких ее отверстий, наличие неперфорированной стенки 15 исключает возможность прохождения газообразными реагентами через каталитический слой 6 в обход заполняющего его катализатора, а наличие свободного пространства 16 позволяет использовать все отверстия стенки 8 для выхода из каталитического слоя продуктов реакции.

При непосредственном прилегании неперфорированной стенки 15 к выходной стенке 8, т.е. в отсутствии свободного пространства 16, новый каталитический слой также будет иметь такие же гидродинамические характеристики, что и слой в немодернизированном реакторе, при этом, однако, из-за уменьшения количества отверстий для выхода из каталитического слоя продуктов реакции падение давления на каталитическом слое возрастет.

В реакторе, показанном на чертеже, неперфорированная стенка 15 преимущественно перекрывает определенный участок выходной стенки 8, длина которого составляет от 20 до 40% от всей ее длины. Реально стенка 15 должна иметь такую длину, чтобы в частично заполненном катализатором 14 каталитическом слое 6 сформировалась зона с преимущественно осевым направлением движения проходящих через катализатор реакционных газов.

В реакторе с каталитическим слоем 6 чисто радиального типа стенка 15 должна только слегка заходить за пунктирную линию 13, обозначающую верхнюю границу катализатора 14, с тем, чтобы по существу весь поток газов проходил через катализатор в радиальном направлении.

Кроме того, свободное пространство 16 должно быть предпочтительно выполнено таким образом, чтобы его протяженность в радиальном направлении составляла от 1 до 5 см. В любом случае радиальная протяженность свободного пространства 16 должна быть достаточно большой для того, чтобы прохождение через него газа не сопровождалось дополнительными потерями давления.

В предпочтительном варианте свободное пространство 16 должно быть закрыто заглушкой у верхнего края 8а выходной стенки каталитического слоя, что исключает возможность движения поступающих в реактор газообразных реагентов в обход каталитического слоя или возможность циркуляции через катализатор по замкнутому контуру образующихся в реакторе продуктов реакции.

С целью предельно упростить модернизацию реактора способом согласно изобретению в качестве опоры для неперфорированной стенки 15 предпочтительно использовать выходную стенку 8 каталитического слоя.

Для установки неперфорированной стенки 15 на выходной стенке 8 можно, в частности, использовать расположенное у верхнего края 8а выходной стенки установочное устройство, позволяющее легко демонтировать неперфорированную стенку.

В предпочтительном варианте изобретения, показанном на чертеже, для крепления неперфорированной стенки 15, диаметр которой больше диаметра выходной стенки 8, используется горизонтальная газонепроницаемая заглушка 17, которая расположена над верхним краем 8а выходной стенки 8 и опирается на нее.

Стенку 15 и заглушку 17 предпочтительно выполнить в виде одного газонепроницаемого стакана, изготовленного из неперфорированного листа и опирающегося на крышку 10 выходной стенки 8.

Модернизированный таким способом реактор 1, в котором можно проводить реакции гетерогенного синтеза с высоким конверсионным выходом при низком потреблении энергии, работает следующим образом.

Газообразные реагенты, поступающие в реактор 1 через патрубок 3, попадают в каталитический слой 6, заполненный обладающим высокой активностью катализатором 14.

Температура и давление поступающих в каталитический слой 6 газообразных реагентов поддерживается на соответствующем уровне в зависимости от типа реакции с помощью соответствующих устройств, расположенных за реактором 1.

Газообразные реагенты проходят через каталитический слой 6 в виде осерадиального центростремительного потока. Неперфорированная стенка 15 направляет поток газообразных реагентов в осевом направлении и препятствует их нежелательному течению в обход каталитического слоя 6.

Продукты реакции, образовавшиеся в каталитическом слое 6, проходят через выходную стенку 8, собираются в камере 11 и через патрубок 4 окончательно выводятся из реактора 1. Некоторое (небольшое) количество продуктов реакции попадает в свободное пространство 16 и выходит из него через отверстия верхнего находящегося внутри стенки 15 участка стенки 8.

В модернизированном предлагаемым в изобретении способом реакторе при той же, что и до модернизации производительности, каталитический слой 6 можно не полностью заполнять обладающим высокой реакционной способностью катализатором, снизив тем самым связанные с этим затраты и сохранив неизменными гидродинамические характеристики каталитического слоя и перепад давления на нем.

При необходимости за счет замены обычного катализатора катализатором, обладающим более высокой активностью, можно соответствующим образом повысить производительность существующего реактора, для чего необходимо только извлечь из реактора неперфорированную стенку 15 вместе с используемой для ее установки в реактор заглушкой 17 и полностью до прежнего уровня заполнить весь объем каталитического слоя 6 новым катализатором.

Изобретение целесообразно использовать в тех случаях, когда достигнутый в настоящее время уровень техники позволяет использовать для проведения реакций гетерогенного синтеза новые катализаторы с повышенной реакционной способностью.

Очень перспективной областью, в которой изобретение может найти широкое применение, несомненно, является синтез аммиака, для проведения которого предлагаемый в изобретении способ модернизации позволяет эффективно использовать в существующих реакторах новые обладающие высокой активностью катализаторы, в частности катализаторы на основе рутения на графитовом носителе.

Еще одной представляющей особый интерес областью, в которой может найти применение настоящее изобретение, является конверсия моноксида углерода, для проведения которой в существующих реакторах (например, реакторах, выполненных по типу показанного на чертеже реактора) можно использовать меньшие по объему количества обладающих высокой активностью катализаторов, таких как предназначенные для высокотемпературной конверсии катализаторы, содержащие медь.

Предлагаемый в настоящем изобретении способ модернизации не ограничен, однако, реакторами, выполненными по типу реактора, показанного на чертеже, и может найти применение в реакторах, содержащих несколько каталитических слоев радиального или осерадиального типа, размещенных, например, внутри соответствующего патрона.

Для осуществления предложенного в изобретении способа не имеет значения, каким - центростремительным или центробежным - является поток протекающих через каталитический слой реакционных газов. При центробежном течении газов выходная стенка 8 каталитического слоя должна быть расположена рядом с корпусом 2 реактора, а диаметр неперфорированной стенки 15 должен быть меньше диаметра стенки 8.

Настоящее изобретение может найти применение и в тех случаях, когда необходимо уменьшить производительность существующего реактора, уменьшив для этого массу находящегося в нем обычного (обладающего низкой активностью) катализатора.

Приведенное выше описание со всей очевидностью подтверждает все многочисленные преимущества настоящего изобретения, в частности возможность частичного заполнения катализатором каталитического слоя радиального или осерадиального типа и достигаемой за счет этого экономии на стоимости катализатора без заметного ухудшения качества работы реактора.

Реферат

Реактор предназначен для гетерогенного синтеза, в частности синтеза аммиака или метанола. Способ предназначен для модернизации реактора на месте. Реактор содержит внешний корпус и, по крайней мере, один каталитический слой радиального или осерадиального типа с противоположными перфорированными цилиндрическими стенками для входа и выхода газов. Способ заключается в установке в реакторе неперфорированной цилиндрической стенки, ось которой совпадает с осью выходной стенки каталитического слоя, которая охватывает участок верхней части выходной стенки таким образом, что между этими стенками образуется свободное пространство для прохода части газа, выходящего из каталитического слоя. Внутри реактора у верхнего края выходной стенки выполняют заглушку, закрывающую свободное пространство между неперфорированной и выходной стенками и препятствующую движению газов в обход катализатора или их циркуляции по замкнутому контуру внутри реактора. Данный способ модернизации отличается простотой и надежностью при низких капиталовложениях. Использование в реакторе катализаторов с повышенной реакционной способностью повышает конверсионный выход и снижает затраты энергии. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 1 ил.

Формула