Способ и установка для гетерогенного синтеза метанола или аммиака
Изобретение относится к способу гетерогенного синтеза химических соединений, таких как метанол или аммиак, и к установке для его осуществления. Способ включает каталитическую конверсию в псевдоизотермических условиях соответствующих газообразных реагентов, направляемых через две последовательно расположенные зоны реакции. При этом в первой зоне реакции газообразные реагенты пропускают через неподвижную массу соответствующего катализатора, в который погружены расположенные бок о бок по существу коробчатые, пластинчатые теплообменные элементы, через которые пропускают рабочий текучий теплоноситель, причем газообразные реагенты подают в первую зону реакции после косвенного теплообмена во второй зоне реакции с реакционной смесью, которую подают во вторую зону реакции из первой зоны реакции. Установка для гетерогенного синтеза метанола или аммиака путем каталитической конверсии газообразных реагентов, содержит соединенные последовательно первую и вторую зоны реакции, соответствующие теплообменники, установленные в первой и второй зонах реакции. При этом в первой зоне реакции теплообменник погружен в массу катализатора и содержит несколько расположенных бок о бок по существу коробчатых, пластинчатых теплообменных элементов, через которые проходит рабочий текучий теплоноситель, причем вход в первую зону реакции сообщается с выходом теплообменника во второй зоне реакции. Изобретение позволяет получить метанол или аммиак простым в осуществлении способом при высоком конверсионном выходе на химических установках большой производительности при низких капиталовложениях и низком расходе энергии. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу гетерогенного синтеза химических соединений, таких как метанол и аммиак. Изобретение относится, в частности, к способу гетерогенного синтеза химических соединений, в котором используют две последовательно соединенные зоны реакции, в которых в так называемых псевдоизотермических условиях в слое катализатора протекают химические реакции, температуру которых контролируют в узком диапазоне значений около предварительно заданного оптимального значения. Настоящее изобретение относится также к установке для гетерогенного синтеза химических соединений таким способом.
Уровень техники
Промышленное получение химических соединений, таких как метанол и аммиак, требует, как известно, разработки способов гетерогенного синтеза с высоким конверсионным выходом реагентов и создания установок большой производительности, не требующих больших капиталовложений и потребляющих сравнительно мало энергии. Для решения этой задачи был предложен способ синтеза метанола в двух последовательно соединенных зонах реакции, работающих в псевдоизотермических условиях, т.е. с отводом выделяющегося в процессе реакции тепла, при этом излишек тепла, выделяющегося во второй зоне реакции, отбирают из нее косвенным теплообменом с потоком свежих и возвращаемых в первую зону реакции газообразных реагентов.
Такой способ синтеза метанола описан в ЕР-А 0790226. Для более точного поддержания оптимального режима работы и получения дешевого метанола предложенным в этом публикации способом в первой зоне реакции необходимо установить трубчатый теплообменник с заполненными соответствующим катализатором трубками. Через заполненные катализатором трубки теплообменника пропускают газообразные реагенты (Н2 и СО), а снаружи трубки охлаждают потоком воды (получая при этом водяной пар), используемой в качестве рабочего текучего теплоносителя. Реактор с теплообменником подобного типа описан, например, в US 4559207.
Необходимость использования такого специфического реактора в первой зоне реакции при двухступенчатом синтезе метанола подтверждается также в GB-A 2203427.
При всех своих несомненных преимуществах описанный выше способ синтеза метанола обладает и одним существенным и технически значимым недостатком, который при промышленном получении метанола препятствует развитию или снижает полноту химической реакции (конверсионный выход) и ограничивает производительность соответствующей установки.
Действительно, упомянутые выше реакторы с пучком теплообменных труб имеют сравнительно сложную конструкцию и требуют тщательного обслуживания и поэтому не пригодны, как следует из ЕР-А 0790226, для создания установок с большим объемом зоны реакции, обладающих высоким конверсионным выходом и высокой производительностью.
Создание установок с большим объемом зоны реакции в реакторах с трубным пучком не просто связано с очень большими и реально неразрешимыми трудностями, но и требует настолько больших инвестиций, что весь процесс синтеза с двухступенчатой реакцией становится экономически неэффективным.
Для устранения этого недостатка в GB-A 2203427 было предложено использовать высокоэффективный катализатор, который, частично повышая конверсионный выход реакторов с трубным пучком и увеличивая их производительность, имеет очень высокую стоимость.
Таким образом, известные в настоящее время способы, обладающие теми или иными указанными выше недостатками, не позволяют найти сравнительно дешевый и технически простой и надежный путь создания установок, обладающих высоким конверсионным выходом и высокой производительностью.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать лишенный упомянутых выше недостатков способ гетерогенного синтеза химических соединений, таких как метанол и аммиак, который был бы простым в осуществлении при высоком конверсионном выходе на химических установках большой производительности при низких капиталовложениях и низком расходе энергии.
Указанная выше задача решается с помощью предлагаемого в изобретении способа гетерогенного синтеза химических соединений, таких как метанол и аммиак, путем каталитической конверсии соответствующих газообразных реагентов в псевдоизотермических условиях в двух последовательно расположенных зонах реакции, отличающегося тем, что в первой зоне реакции газообразные реагенты пропускают через неподвижную массу соответствующего катализатора, в который погружены расположенные рядом друг с другом по существу коробчатые, имеющие форму пластин теплообменники, через которые пропускают рабочий текучий теплоноситель.
В отличие от общепринятого мнения было установлено, что предложенные решения позволили достаточно простым, надежным и дешевым путем существенно увеличить конверсионный выход и производительность первой зоны реакции в описанном выше процессе.
Предлагаемые в настоящем изобретении решения позволяют получать упомянутые выше химические соединения в больших количествах и с высоким конверсионным выходом на крупных, имеющих высокую производительность химических установках, достаточно простых в изготовлении, потребляющих сравнительно небольшое количество энергии и дешевых в эксплуатации.
В настоящем изобретении предлагается также химическая установка, на которой благодаря ее соответствующим конструктивным и функциональным особенностям можно осуществить указанный выше способ.
Другие отличительные особенности и преимущества предлагаемого в изобретении способа более подробно рассмотрены ниже на примере иллюстрирующего, но не ограничивающего объем изобретения варианта его возможного осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
На прилагаемых к описанию чертежах показано:
на фиг.1 - общая принципиальная схема установки для осуществления одного из вариантов предлагаемого в изобретении способа и
на фиг.2 - схематичное изображение в продольном разрезе одного из реакторов установки, схема которой показана на фиг.1.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
На фиг.1 схематично показаны основные компоненты обозначенной на схеме позицией 1 установки для получения метанола или аммиака предлагаемым в настоящем изобретении способом.
Установка 1 содержит первую зону 2 реакции и соединенную с ней последовательно вторую зону 3 реакции.
В каждой из зон 2, 3 реакции имеется расположенное в корпусе хорошо известным способом реакционное пространство 4, в котором находится не показанная на схеме неподвижная масса соответствующего катализатора.
Реакция в зонах 2, 3 реакции протекает в псевдоизотермических условиях, которые поддерживаются с помощью теплообменников 5 и 6, погруженных в находящийся в реакционном пространстве 4 катализатор.
Температура реакции в реакционном пространстве 4 первой зоны 2 реакции контролируется косвенным теплообменом реагентов с рабочим текучим теплоносителем, протекающим через теплообменник 5 в направлении, обозначенном стрелками. При регулировании температуры экзотермических реакций, таких как реакции синтеза метанола или аммиака, в качестве рабочего текучего теплоносителя, прокачиваемого через теплообменник, используют обычно воду. Внутри теплообменника нагреваемая в нем вода превращается в водяной пар или предварительно нагревается до определенной температуры и затем используется для получения водяного пара в специально предназначенных для этой цели парогенераторах (котлах), расположенных вне зоны реакции и на чертеже не показанных.
Температура реакции в реакционном пространстве 4 второй зоны 3 реакции также контролируется за счет косвенного теплообмена с использованием в качестве рабочего текучего теплоносителя в теплообменнике 6 газообразных реагентов, подаваемых в первую зону 2 реакции. Для этого газообразные реагенты по трубе 7 сначала пропускают через расположенный во второй зоне 3 реакции теплообменник 6 и только затем подают в реакционное пространство 4 первой зоны 2 реакции.
По трубе 7 в теплообменник 6 подают не только свежие, но и возвращаемые в зону реакции газообразные реагенты, в частности Н2 и СО при синтезе метанола и H2 и N2 при синтезе аммиака.
Труба, которая обозначена на схеме позицией 8 и которая соединяет выход реакционного пространства 4 первой зоны 2 реакции со входом реакционного пространства 4 второй зоны реакции, предназначена для подачи в реакционное пространство второй зоны реакции полученной в первой зоне 2 реакции реакционной смеси, содержащей метанол или аммиак и не вступившие в реакцию газообразные реагенты.
Полученную в реакторе реакционную смесь, в которой помимо метанола или аммиака также содержится некоторое количество не вступивших в реакцию газообразных реагентов, выводят из реакционного пространства 4 второй зоны 3 реакции по трубе 9.
В обычной, не изображенной на чертеже части показанной на фиг.1 установки, соединенной со второй зоной 3 реакции трубой 9, из полученной реакционной смеси выделяют метанол или аммиак, а содержащиеся в ней не вступившие в реакции газообразные реагенты возвращают обратно в первую зону 2 реакции по трубе 7 вместе со свежими газообразными реагентами.
На фиг.2 показан используемый в предлагаемой в изобретении установке теплообменник 5, погруженный в находящийся в реакционном пространстве 4 катализатор и собранный из множества отдельных расположенных рядом друг с другом коробчатых, пластинчатых теплообменных элементов, через которые проходит рабочий текучий теплоноситель.
Показанная на фиг.2 первая зона 2 реакции представляет собой подробно описанный ниже псевдоизотермический реактор с цилиндрическим корпусом 10, закрытым с противоположных концов соответственно верхним 11 и нижним 12 днищами, внутри которого расположен собранный из отдельных пластинчатых теплообменных элементов теплообменник 5.
На верхнем днище 12 реактора 2 расположен патрубок 13, через который в реактор по показанной на фиг.1 трубе 7 подаются газообразные реагенты, и патрубки 14, 15 соответственно для подвода в теплообменник 5 и отвода из него рабочего текучего теплоносителя.
На нижнем днище 11 расположен соединенный с показанной на фиг.1 трубой 8 патрубок 16, через который из реактора 2 выходит образовавшаяся в нем реакционная смесь.
В реакционном пространстве 4 внутри корпуса 10 реактора 2 находится по существу известный открытый сверху кольцевой слой 17 катализатора с перфорированными боковыми стенками, через которые в радиальном и радиально-осевом направлении проходят газообразные реагенты.
Внутренняя боковая стенка слоя 17 катализатора образует отверстие 18, которое сверху закрыто крышкой 19 и соединено трубой 20 с патрубком 16, через который из реактора выходит образовавшаяся в нем реакционная смесь.
В реакционном пространстве 4 и, в частности в слое 17 катализатора, расположен закрепленный обычным образом теплообменник 5, погруженный в массу соответствующего, не показанного на чертеже катализатора.
В этом варианте теплообменник 5 имеет по существу цилиндрическую форму и состоит из множества расположенных рядом друг с другом на одной оси концентричных (по существу радиальных) плоских, коробчатых, пластинчатых теплообменных элементов 21, имеющих форму параллелепипеда.
Каждый такой отдельно не показанный на чертеже теплообменный элемент 21 предпочтительно состоит из двух прилегающих друг к другу и соединенных друг с другом по внешнему краю пайкой металлических пластин, образующих расположенную между ними внутреннюю полость 21а (изображенную пунктирными линиями), через которую проходит рабочий текучий теплоноситель.
Каждый теплообменный элемент 21 имеет расположенные вдоль его длинных сторон 22 распределительную трубу 23 и выполненный в виде трубы коллектор 24 для рабочего текучего теплоносителя. Трубы 23 и 24 соединены с одной стороны с внутренней полостью 21а теплообменного элемента по меньшей мере через одно, предпочтительно через несколько окон или отверстий (на чертежах не показаны), расположенных вдоль одной или нескольких образующих, а с другой стороны впускными и выпускными трубками 25 и 26 соответственно соединены с расположенным вне теплообменного элемента 21 контуром, по которому проходит рабочий текучий теплоноситель. Трубки 25 и 26 соединены с соответствующими патрубками 14 и 15.
Для формирования в теплообменнике 6 радиального или по существу радиального потока рабочего текучего теплоносителя полости 21 а теплообменных элементов предпочтительно разделены на множество более мелких полостей, не сообщающихся напрямую друг с другом и образованных, например, множеством сварных швов или разделительных перегородок (изображенных на чертеже пунктирными линиями), проходящих перпендикулярно распределительной трубе 23 и выполненному в виде трубы коллектору 24 теплообменного элемента 21.
Благодаря такому выполнению первой зоны 2 реакции создается возможность получать метанол или аммиак предлагаемым в изобретении способом, в котором газообразные реагенты пропускают через неподвижную массу расположенного в этой зоне реакции соответствующего катализатора, в который погружено множество расположенных рядом друг с другом по существу коробчатых, имеющих форму пластин теплообменников, через которые проходит рабочий текучий теплоноситель.
Предлагаемое в настоящем изобретении решение представляет собой достаточно простой, надежный, экономически выгодный и не связанный с большим расходом энергии путь для создания первой зоны 2 реакции с большим по размерам (объему) реакционным пространством.
Иными словами, пластинчатые теплообменники, погруженные в массу катализатора, не только являются эффективными средствами косвенного теплообмена, но и позволяют оптимальным образом выбирать размеры первой зоны 2 реакции и существенно повысить ее конверсионный выход и производительность, а также конверсионный выход и производительность всей установки.
Настоящее изобретение не исключает возможности внесения в рассмотренный выше вариант различных изменений и усовершенствований, не выходящих за объем изобретения, определяемый приведенной ниже формулой изобретения.
Так, например, в одном из предпочтительных вариантов реакционную смесь, которую из первой зоны 2 реакции по трубе 8 подают во вторую зону 3 реакции, охлаждают путем косвенного теплообмена в теплообменнике 27 обычного типа, изображенном на фиг.1 пунктирными линиями. Наличие такого теплообменника не только позволяет использовать тепло, содержащееся в отбираемой из первой зоны реакции реакционной смеси, например для получения водяного пара, который можно использовать в других местах (паросиловой) установки, но и регулировать температуру на входе во вторую зону 3 реакции для повышения ее конверсионного выхода.
Альтернативно рассмотренному выше варианту часть "свежих" газообразных реагентов и/или повторно синтезируемых реагентов можно подавать непосредственно в первую зону 2 реакции по трубе 28 в обход второй зоны 3 реакции.
В качестве теплообменника 6 можно использовать обычный теплообменник, например теплообменник с пучком труб или трубчатым змеевиком, однако более предпочтительно использовать теплообменник, собранный из множества пластинчатых теплообменных элементов описанного выше и показанного на фиг.2 типа. Использование такого теплообменника позволяет дополнительно увеличить конверсионный выход и производительность всей химической установки.
В другом не показанном на чертежах варианте первую и вторую зоны 2, 3 реакции предлагается выполнить не в виде двух показанных на фиг.1 отдельных реакторов, а в виде одного реактора синтеза.
Температурный режим в зонах реакции поддерживают на уровне, обычном для синтеза метанола или аммиака. Что касается рабочего давления, то наилучших результатов можно добиться по существу при равном в обеих зонах 2 и 3 реакции давлении, которое при синтезе метанола должно предпочтительно составлять от 50 до 100 бар, а при синтезе аммиака - от 50 до 300, предпочтительно от 80 до 150 бар.
1. Способ гетерогенного синтеза метанола или аммиака путем каталитической конверсии в псевдоизотермических условиях соответствующих газообразных реагентов, направляемых через две последовательно расположенные зоны реакции, отличающийся тем, что в первой зоне реакции газообразные реагенты пропускают через неподвижную массу соответствующего катализатора, в который погружены расположенные бок о бок по существу коробчатые, пластинчатые теплообменные элементы, через которые пропускают рабочий текучий теплоноситель, причем газообразные реагенты подают в первую зону реакции после косвенного теплообмена во второй зоне реакции с реакционной смесью, которую подают во вторую зону реакции из первой зоны реакции.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление в первой зоне реакции по существу равно давлению во второй зоне реакции.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что во вторую зону реакции подают реакционную смесь из первой зоны реакции после регулирования температуры на входе во вторую зону реакции в процессе косвенного теплообмена.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в первую зону реакции подают смесь газообразных реагентов, состоящую из "свежих" газообразных реагентов и газообразных реагентов, выделенных из реакционной смеси, полученной во второй зоне реакции.
5. Установка для гетерогенного синтеза метанола или аммиака путем каталитической конверсии газообразных реагентов, содержащая соединенные последовательно первую и вторую зоны реакции, соответствующие теплообменники, установленные в первой и второй зонах реакции, отличающаяся тем, что в первой зоне реакции теплообменник погружен в массу катализатора и содержит несколько расположенных бок о бок по существу коробчатых, пластинчатых теплообменных элементов, через которые проходит рабочий текучий теплоноситель, причем вход в первую зону реакции сообщается с выходом теплообменника во второй зоне реакции.
