способ модернизации реактора для гетерогенного экзотермического синтеза и способ повышения его эффективности

Формула изобретения

1. Способ модернизации реактора для гетерогенного экзотермического синтеза, содержащего внешний корпус (2), в котором расположен по крайней мере один каталитический слой (15,16,17) для обеспечения сообщения жидкости с соплом (4), расположенным под корпусом (2), причем сопло снабжено отверстием (7) для удаления реакционных продуктов, покидающих по крайней мере один каталитический слой (15,16,17), отличающийся тем, что включает следующие стадии: обеспечение бойлером (21) для генерации пара высокого давления снаружи корпуса (2), соединение бойлера (21) с корпусом (2) вблизи сопла (4), соединение по крайней мере одного каталитического слоя (15,16,17) с выходным коллектором (24) в бойлере (21) посредством трубопровода (29), расположенного в сопле (4), с образованием кольцевого воздушного зазора (30), при этом трубопровод (29) и воздушный зазор (30) определяют пути для потоков прореагировавших газов к бойлеру (21) и от бойлера (21) наружу из реактора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что бойлер (21) соединяют с корпусом (2) посредством соединения сопла для выхода газа (28) бойлера (21) с соплом (4).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трубопровод (29) располагают коаксиально в сопле (4).

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере один каталитический слой (15,16,17) соединяют с трубопроводом (29) посредством устройства для сбора и передачи газа, имеющегося в реакторе.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что бойлер (21) является бойлером трубнокорпусного типа.

6. Способ повышения эффективности гетерогенного экзотермического синтеза с регенерацией тепла при высоком термальном уровне, включающий стадии: подачу реагирующих газов в по крайней мере один каталитический слой (15,16,17), расположенный внутри реактора для синтеза, реакцию реагирующих газов в по крайней мере одном каталитическом слое (15,16,17), удаление из реактора реакционных продуктов, покидающих по крайней мере один каталитический слой (15,16,17) посредством сопла (4), расположенного под корпусом и снабженного соответствующим отверстием для выхода газа (7), отличающийся тем, что включает следующие стадии: подачу реакционных продуктов, покидающих по крайней мере, один каталитический слой (15,16,17), в бойлер (21) снаружи реактора посредством трубопровода (29), расположенного в сопле (4) с образованием кольцевого зазора (30), охлаждение реакционных продуктов в бойлере (21) с одновременной генерацией пара высокого давления, удаление охлажденных продуктов реакции, покидающих бойлер (21) посредством воздушного зазора (30) и отверстия для выхода газа.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что реакционные продукты, покидая самый нижний из множества каталитических слоев (15,16,17), расположенных в реакторе, подают в бойлер (21).

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что включает стадию охлаждения реакционных продуктов, покидающих бойлер (21), в теплообменнике (11), предусмотренном в реакторе для синтеза, перед выходным отверстием (7) для газа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу модернизации реакторов для повышения эффективности гетерогенного экзотермического синтеза.

Более подробно, изобретение относится к способу модернизации реактора для синтеза аммиака или метанола, который содержит наружный корпус, в котором расположен, по крайней мере, один каталитический слой, который находится в жидкостном сообщении, с соплом, расположенным под корпусом, причем сопло снабжено отверстием для удаления продуктов реакции, покидающих, по крайней мере, один слой катализатора.

В следующем описании и в формуле изобретения термин "модернизация" обозначает модифицирование ранее существующего реактора с целью усовершенствования его работы, например, для повышения производственной мощности и/или эффективности реакции, сравнимых с теми же параметрами вновь построенного реактора.

В терминологии, используемой в данной области в этом виде модернизации, также используются термины: повторный монтаж или частичное переоборудование.

При модернизации реакторов для гетерогенного синтеза, в частности, для экзотермического гетерогенного синтеза, необходимость в восстановлении более высокого термального уровня тепла, выделяемого во время реакции, оставляя, в то же время, неизменной внешнюю структуру реактора, в особенности, по отношению к корпусу, оболочке и выходному соплу для прореагировавших газов, все больше и больше возрастает.

Превалирующее значение признается за сохранением внешней структуры реактора, следовательно, любое модифицирование последнего может сделать желаемую модернизацию не только экономически неосуществимой, но также потенциально опасной по отношению к возможным структурным неустойчивостям реактора в модифицированных областях.

Способы повторного монтажа, согласно известному уровню техники, в основном, предлагают исключительно замену внутреннего содержимого корпуса, в частности, существующего ранее каталитического слоя или слоев новыми радиальными или аксиально-радиальными слоями, обеспечивающими высокий выход, как например, описано в EP 0386692.

Несмотря на то, что эти способы модернизации дают возможность получать, с одной стороны, увеличение производственной мощности и/или выхода преобразования реактора, оставляя при этом внешнюю структуру последнего неизменной, они не могут, с другой стороны, добиться восстановления повышенного термального уровня тепла, выделяемого во время реакции синтеза.

Почти во всех случаях, фактически, сопло для выхода газа из реактора но может выдержать температуру реакционных газов, покидающих самый нижний каталитический слой, в связи с чем они должны охлаждаться перед тем, как выпускаются наружу.

Необходимость сохранения внешней структуры реактора для синтеза неизменной, следовательно, дает возможность известным способам модернизации восстанавливать тепло, принадлежащее продуктам реакции только до определенного термального уровня, это восстановление не превышает предварительный нагрев подающейся бойлерной воды или получение пара с низким давлением (менее, чем 40 бар).

Задачей, которую должно решить данное изобретения, является, следовательно, создание способа модернизации реактора для гетерогенного экзотермического синтеза, который дает возможность восстанавливать более высокий термальный уровень реакционного тепла, выделяющегося в реакторе для синтеза, оставляя, в то же время, внешнюю структуру реактора практически неизмененной.

Указанная выше задача решается с помощью способа, который как указано выше, характеризуется содержащимися в нем стадиями:

- обеспечение бойлером для получения пара высокого давления вне корпуса;

- соединение бойлера с корпусом вблизи сопла;

- соединение, по крайней мере, одного каталитического слоя с входным коллектором в бойлере посредством трубопровода, проходящего через сопло, образуя кольцевой зазор для воздуха;

трубопровод и воздушный зазор определяют соответствующие пути протока прореагировавших газов к бойлеру и из бойлера наружу из реактора.

В качестве преимущества способ модернизации изобретения дает возможность восстановления реакционного тепла при высоком температурном уровне, делая возможным, таким образом, эксплуатацию горячих газов, имеющих температуру, гораздо более высокую, чем конструкционная температура сопла реактора для выхода газов. Такое восстановление может быть проведено исключительно эффективным способом, например, путем получения пара высокого давления (80-120 бар, 250-350^oC), в бойлере, установленным вне реактора.

Для этого способ изобретения предусматривает стадию соединения каталитического слоя или самого нижнего из каталитических слоев в реакторе, с рассмотренным выше бойлером посредством трубопровода, проходящего через выходное сопло для реакционных продуктов, которое образует вместе с ним кольцевой воздушный зазор.

Таким образом, реакционные продукты, которые покидают самый нижний слой катализатора при высокой температуре, вводятся непосредственно в бойлер без вхождения в непосредственный контакт с соплом, от которого они отделены благодаря воздушному зазору. Последний, когда по нему протекают газы, охлажденные в бойлере, где они генерируют пар высокого давления, обеспечивают то, что при работе температура сопла не превосходит конструкционных значений.

В конкретном и имеющем преимущества воплощении способе повторного монтажа, бойлер присоединяют к реактору для синтеза путем соединения друг с другом сопел корпуса и для выхода бойлерного газа.

Предпочтительно, трубопровод для подачи реакционных продуктов в бойлер расположен коаксиально в выходном сопле для газа, обеспечивая тем самым возможность равномерного охлаждения его стенок.

Способ данного изобретения, следовательно, дает возможность оптимального восстановления тепла, которым обладают реакционные продукты, исключая необходимость либо замены, либо модификации выходного сопла.

В качестве преимущества, каталитический слой или самый нижний из каталитических слоев в реакторе соединен с трубопроводом для подачи в бойлер через устройство для сбора и подачи газа, которые ужо существуют в реакторе, еще более ограничивая, таким образом, изменения, которые необходимо произвести в структуре реактора, и понижая тем самым стоимость модернизации.

Способ изобретения может быть преимущественно осуществлен в соединении с другими способами повторного монтажа, которые направлены на увеличение мощности реактора.

Согласно другому аспекту изобретения, предусматривается способ для повышения эффективности гетерогенного экзотермического синтеза с восстановлением тепла при высоком термальном уровне, типа включающего стадии:

- введение реагирующих газов, по крайней мере, в один каталитический слой, размещенный внутри реактора для синтеза;

- реакцию реагирующих газов в, по крайней мере, одном каталитическом слое;

- удаление из реактора реакционных продуктов, покидающих, по крайней мере, один каталитический слой посредством сопла, расположенного под реактором и снабженного соответствующим отверстием для выхода газа, отличающийся тем, что оно включает, далее стадии:

- введение реакционных продуктов, покидающих, по крайней мере, один каталитический слой в бойлер, расположенный снаружи реактора, посредством трубопровода, расположенного в сопле, формируя, тем самым, кольцевой воздушный зазор;

- охлаждение реакционных продуктов в бойлере с одновременной генерацией пара высокого давления;

- удаление охлажденных реакционных продуктов, покидающих бойлер, посредством воздушного зазора и отверстия для выхода газа.

Способ, полученный таким образом, дает возможность, в реакторе, модернизированном в соответствии со способом повторного монтажа, описанном выше, эксплуатировать тепло продуктов, покидающих один из множества каталитических слоев, для получения, преимущественно, пара высокого давления.

Предпочтительно, реакционные продукты вводят в бойлер после прохождения ими самого нижнего каталитического слоя перед тем, как они выводятся из реактора.

Характеристики и преимущества изобретения станут более очевидными из описания примера способа модернизации в соответствии с изобретением, приведенными ниже в качестве иллюстрации, но не ограничения, со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 представляет продольный боковой вид в разрезе реактора для гетерогенного экзотермического синтеза в соответствии с известным уровнем техники.

Фиг. 2 представляет продольный боковой вид в разрезе реактора, полученного путем модифицирования реактора, представленного на фиг. 1 с помощью способа модернизации данного изобретения.

Фиг. 3 представляет увеличенный продольный боковой вид в разрезе некоторых деталей реактора, представленного на фиг. 2.

Обращаясь к фиг. 1, ссылочный номер 1 обозначает известный реактор для гетерогенного экзотермического синтеза, т.е. для получения аммиака или метанола.

Реактор 1 содержит цилиндрическую оболочку или корпус 2, закрытую с верхнего конца газонепроницаемой крышкой 3 и снабженную на нижнем конце выходным соплом 4 для выхода реакционных продуктов.

Сопло 4, в свою очередь снабжено выходным отверстием 7 для реакционных продуктов и отверстием 8 для подачи внутрь реактора первой части реагирующих газов.

Первое отверстие 5 для подачи внутрь реактора второй части реагирующих газов и множество расположенных напротив отверстий 6 (только одно из которых представлено на фиг. 1), для подачи внутрь реактора третьей части реагирующих газов или "погашенных" газов, предусмотрены в корпусе 2 вблизи крышки 3.

Кассета 9 содержит в своей верхней части реакционную секцию 10 и в своей нижней части, теплообменник 11, обычно поддерживаемый корпусом 2. В данном случае, реакционная секция 10 состоит из двух слоев катализатора 12 и 13, где загружен катализатор в виде шариков, который позволяет сообщение жидкости с соплом 4 через коллектор трубопровода 14.

На фиг. 1 показаны пути газов, протекающих через слои катализатора 12 и 13 и теплообменник 11, предусмотренный для охлаждения реакционных продуктов перед тем, как последние покинут реактор через сопло 4.

Необходимо заметить в этой связи, что в отношении этого охлаждения, сопло 4 может выдержать максимальную температуру гораздо меньшую, чем температура продуктов, которые покидают реакционную секцию.

Фиг. 2 представляет реактор для экзотермического гетерогенного синтеза, полученный путем модифицирования реактора на фиг. 1, в соответствии со способом модернизации данного изобретения.

На этой фигуре детали реактора 1, которые являются структурно и функционально эквивалентными тем, которые иллюстрированы на фиг. 1, обозначаются теми же самыми порядковыми номерами и не будут в дальнейшем описываться.

На фиг. 2 стрелки обозначают различные пути протекания газов в реактор 1 и из него.

В соответствии с преимущественным воплощением данного изобретения, кассета 9 реактора, представленная на фиг. 1, сначала освобождается от своего содержимого и оборудуется каталитическими слоями 15, 16 и 17 с аксиально-радиальным типом потока и с непосредственным охлаждением типа гашения (путем смешивания с холодным газом синтеза), и с непрямым охлаждением (с помощью теплообменника), в соответствии со способами повторного монтажа, известными из уровня техники.

Для этого распределители гасящего газа 18a, 18b предусмотрены перед прохождением первого и второго каталитических слоев 15, 16 в то же время теплообменник 23 газ/газ расположен пород третьим каталитическим слоем 17.

Вход гасящего газа в распределитель 18a имеет место посредствам трубопровода 20, проходящего через крышку 3.

После модифицирования реактора 1 таким образом способ повторного монтажа данного изобретения включает на первой стадии, обеспечение снаружи реактора бойлера 21, в данном случае, типа, пригодного для получения пара высокого давления.

Бойлер 21, который в примере, иллюстрированном на фиг. 2, является бойлером трубно-корпусного типа, включает внешний корпус 22, который обычно поддерживает ряд труб 23, противоположные концы которых являются открытыми на входные и выходные коллекторы 24 и 25 со стороны трубы.

Бойлер 21 содержит также ряд входных сопел 26 и выходных сопел 27 для протекания со стороны корпуса соответствующей охлаждающей жидкости, например, воды.

Наконец, номером 28 обозначено сопло для удаления из бойлера 21 газа, натекающего со стороны трубы.

На второй стадии способа бойлер 21 присоединяют к реактору 1 путем соединения сопел 4 и 28 одно к другому способом, известным из литературы, например, с помощью ряда обычных болтов, которые не показаны.

Во время следующей стадии самый нижний слой катализатора 17 соединяют со стороны трубы с входным коллектором газа 24 бойлера 21 через трубопровод 29, расположенный в сопле 4, вместе с которым он образует кольцевой воздушный зазор 30.

Камера для сбора газа 31, объединенная с трубопроводом 28, изолирует газ от трубопровода 14, предотвращая возможную протечку жидкости из воздушного зазора 30 внутри реактора 1.

Следовательно, по окончании работ трубопровод 29 и воздушный зазор 30 задают соответствующие пути протекания газов, которые дают возможность горячим реакционным продуктом покидать самый нижний каталитический слой 17, чтобы попасть в бойлер 21, а затем быть выпущенным из реактора, будучи охлажденным в бойлере.

Посредством повторно смонтированного реактора 1, является, затем, возможным проведением гетерогенного экзотермического синтеза с регенерацией тепла с высоким температурным уровнем следующим путем.

Реагирующие газы, которые вводят в реактор 1 через отверстие 5, являются предварительно нагретыми в обменнике 19 и поступают в первый каталитический слой 15, через который проходят в аксиально- радиальном потоке центробежного типа, после того, как смешиваются с первой частью гасящего газа, поступающего из распределителя 18a.

Смесь реагирующие вещества/продукты реакции, покидая первый слой катализатора 15, поступает затем во второй слой катализатора 16, после того, как смешается со второй частью гасящего газа, который подается с помощью распределителя 18a.

Эта смесь, которая проходит через второй слой 16 с аксиально-радиальным центростремительным потоком, затем охлаждается с помощью обменника 19, перед тем, как вводится в третий и последний каталитический слой 17, все еще с аксиально-радиальным центростремительным потоком.

Посредством трубопровода 29 продукты реакции, покидают самый нижний слой катализатора 17, вводятся при температуре примерно 450^oC в бойлер 27, в котором они охлаждаются до температуры примерно 330-350^oC с одновременной генерацией пара высокого давления. Прореагировавший газ, покидая бойлер 21, удаляется затем из реактора 1 через воздушный зазор 30 и отверстие 7, предусмотренное в сопле 4.

Поскольку реакционные продукты, протекая в воздушном зазоре 30, уносят тепло из сопла 4, способ данного изобретения дает возможность поддерживать сопло при конструкционной температуре, давая экономические и рабочие преимущества из-за существенного сохранения внешней структуры реактора, подвергающегося повторному монтажу.

Разумеется тепло прореагировавших газов может быть в дальнейшем использовано для нагрева другой жидкости или для предварительного нагрева вновь поступающих газов для синтеза в других теплообменных устройствах, предусмотренных после бойлера 21. Для задачи, сопутствующих конкретных и временных требований применения, повторный монтаж реактора для синтеза, данного изобретения, может быть осуществлен в защищаемых рамках, определяемых последующей формулой изобретения.

Так, например, теплообменник 11 реактора 1 может быть с преимуществом установлен после реактора, так, чтобы предварительно нагревать вновь поступающие газы для синтеза остаточным теплом прореагировавшего газа, покидающего бойлер 21.

В качестве альтернативы, является также возможным избежать замены каталитических слоев 12 и 13 и теплообменника 11 реактора 1, если предусмотрены соответствующие средства, которые делают возможным сообщение жидкости между самым нижним слоем катализатора и трубопроводом 29, шунтирующим теплообменник 11.