Конвертерная система с максимальной скоростью реакции для экзотермических реакций
Способ конверсии для синтеза аммиака включает: введение газообразного, обогащенного реагентами потока, содержащего смесь водорода и азота, при температуре подачи в теплообменный канал теплообменной реакционной зоны для подогрева обогащенного реагентами потока до температуры на входе, где теплообменная реакционная зона содержит кожухотрубный теплообменник, теплообменный канал представляет собой межтрубный канал через теплообменник, и реакционный канал содержит множество трубок, содержащих в себе катализатор, введение предварительно подогретого обогащенного реагентами потока при температуре на входе в противоточный, содержащий катализатор реакционный канал для экзотермической конверсии газа-реагента в получаемый газ с образованием обогащенной продуктом смеси из газа-реагента и получаемых газов, где реакционный канал содержит множество последовательных чередующихся, содержащих катализатор зон и зон, ограничивающих реакцию, косвенную передачу тепла от реакционного канала к теплообменному каналу со скоростью, эффективной для поддержания температуры смеси газов ниже равновесной температуры, и отвод выходящего потока, обогащенного аммиаком, от выхода из реакционного канала при температуре выпуска. Предложен также конвертер для осуществления указанного способа. Способ и конвертер позволяют регулировать температуру экзотермических реакций по длине реактора, что приводит к использованию уменьшенных объемов катализатора, и увеличить конверсию. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 13 ил.
Известный уровень техники
Настоящее изобретение относится к конвертеру для экзотермических реакций и, в частности, к конвертеру и способу конверсии азота и водорода в аммиак, в результате которых достигается снижение расхода катализатора и/или более высокие выходы продукта.
Аммиак обычно получают посредством реакции между азотом и водородом в контуре синтеза, который может включать в себя компрессор, реактор синтеза аммиака и стадию конденсации и извлечения аммиака. Непрореагировавший синтез-газ из реакции синтеза обычно рециркулирует от сепаратора для отделения аммиака обратно к компрессору и реактору. Синтез-газ может содержать аргон, метан и другие инертные компоненты, которые обычно удаляют как продувочный поток, тем самым предотвращая накопление инертных газов в контуре синтеза. Продувочный газ затем может быть обработан в аппарате для извлечения водорода или, с другой стороны, непосредственно подан в топливную систему с дополнительной обработкой или извлечением водорода, либо без них.
Многие установки для производства аммиака работают с контуром синтеза, в котором в аммиачных конвертерах используют магнетитовый катализатор на основе железа. В число значительных достижений в производстве аммиака входит использование высокоактивных катализаторов синтеза, которые содержат металл платиновой группы, осажденный на графитосодержащем углероде, и которые используют в отдельности или в сочетании менее активными катализаторами на основе железа, как это описано в патентах США №№ 4568530, 4568531 и 4568532. Желательным металлом платиновой групп является рутений, как это более подробно описано в патентах США №№ 4122040 и 4250057. Высокоактивные катализаторы обычно позволяют увеличить производство аммиака и/или использовать катализатор в меньших объемах.
В общем, контакт реагентов с катализатором при подходящих условиях температуры и давления влияет на экзотермическую реакцию. Нагрев, связанный с экзотермическими реакциями, может иметь различные положительные и отрицательные влияния на реакцию. К числу отрицательных влияний могут относиться: плохая производительность, дезактивация катализатора, производство нежелательных побочных продуктов и повреждение реактора и трубопроводов. Чаще всего чрезмерное повышение температуры в зоне реакции либо ограничивает избирательность, либо снижает выход продукта.
Процессы с экзотермическими реакциями могут проводиться с большим числом исходных материалов и продуктов. Примерами умеренно экзотермических процессов могут быть синтез метанола, синтез аммиака и конверсия метанола в олефины. Примерами высокоэкзотермических реакций могут быть реакции окисления вообще, производство фталевого ангидрида посредством окисления нафталина или ортоксилола, производство акрилонитрила из пропана или пропилена, синтез акриловой кислоты из акролеина, конверсия н-бутана в малеиновый ангидрид, производство уксусной кислоты посредством карбонилирования метанола и конверсия метанола в формальдегид.
Эффективность обратимых экзотермических реакций часто зависит от способности отводить тепло, выделяющееся при процессе. Скорость реакции и равновесие обычно сдвигаются противоположно с повышением температуры. Так более высокие температуры реакции обычно приводят к более быстрым скоростям реакции и меньшей общей конверсии, в то время как более низкие температуры реакции обычно приводят к более медленным скоростям реакции и более высокой общей конверсии. Для увеличенной конверсии при стадийных обратимых экзотермических реакциях высокая температура применяется на ранних стадиях реакции в тех случаях, когда кинетика реакции является более благоприятной. По мере того как протекает реакция, температуру на более поздних стадиях снижают, чтобы воспользоваться более благоприятными равновесными условиями. Однако так как реакцию проводят стадиями с междустадийным охлаждением, то равновесие и кинетика редко или только очень кратко уравновешиваются для максимально возможной скорости реакции. В соответствии с настоящим изобретением применяются условия, приближающиеся к кривой оптимальной работы реактора (или прогрессии температуры), что максимально увеличивает скорость реакции на пути, соответствующем локусу максимальных скоростей на графике “температура-конверсия". Этот тип графика, в общем, следует профилю уменьшающейся температуры от входа реактора к его выходу.
Некоторые реакторы, известные из предшествующего уровня техники, основаны на том, что реакции проводятся в по существу адиабатических зонах реактора, что обеспечивает косвенный контакт с охлаждающей средой между стадиями. Конструкция реакторов с промежуточным охлаждением обуславливает необходимость в использовании больших реакторов и обширных поверхностей для достижения высоких коэффициентов теплопередачи. В патенте США № 4696799 на имя Noe описывается конвертер для синтеза аммиака, имеющий кожухотрубные теплообменники для охлаждения входящими газами-реагентами потоков газов-реагентов, покидающих слои катализатора. В патенте США № 5869011 на имя Lee описывается реактор с неподвижным слоем, в котором одноступенчатый слой катализатора разделен на многочисленные ступени с промежуточным теплообменом в одном корпусе.
В патенте США № 6171570 на имя Czuppon описывается поддержание кипящей водой по существу изотермического состояния в межтрубном пространстве кожухотрубного реактора с трубками, заполненными катализатором. В число описанных преимуществ входят меньшее энергопотребление, меньшие размеры продувки и более высокая производительность по аммиаку. Хотя общая эффективность катализатора и может быть лучше, чем та, которая обнаруживается в реакторах, работающих при адиабатических условиях, изотермическое состояние, конечно, означает, что по направлению к выходу реактора состав реакционной смеси, однако, может приближаться к равновесным концентрациям продукта, таким образом, ограничивая дальнейшую реакцию. При экзотермической реакции, как, например, при производстве аммиака из водорода и азота, концентрация получаемого аммиака на выходном конце изотермического реактора может быть выше, чем концентрация продукта на выходе адиабатического реактора при данном достаточном времени реакции. Это справедливо потому, что в адиабатическом реакторе, в котором проводится экзотермическая реакция, как, например, для производства аммиака из водорода и азота, температуры увеличиваются по длине реактора, а равновесная концентрация получаемого аммиака меньше при более высоких температурах.
Адиабатические реакторы с неподвижным слоем и промежуточным охлаждением, известные из уровня техники, используют для обеспечения последовательной конверсии при все более низких температурах с целью улучшения эффективности катализатора и улучшения выходов. На практике реакционные процессы, известные из уровня техники, ограничены двумя-четырьмя ступенями в одном общем корпусе реактора, при этом основным ограничением являются капитальные затраты, связанные с межступенчатым теплообменным оборудованием и многочисленными ступенями и/или корпусами реакторов. Кроме того, в каждом слое температура на входе непременно ниже, чем температура на выходе, которая ближе к равновесной температуре. Например, в патенте США № 6015537 на имя Gam описывается реактор для получения аммиака из синтез-газа, который отличается присутствием многочисленных слоев катализатора с промежуточным охлаждением частично конвертированного синтез-газа между отдельными слоями катализатора.
При одном промышленном способе получения аммиака, известном из уровня техники, используют четыре слоя катализатора с промежуточным охлаждением между слоями. Первый слой и иногда второй слой могут содержать магнетитовый катализатор на основе железа, а последующие два или три слоя - катализатор на основе рутения. Реактор имеет низкую температуру на входе каждого слоя катализатора вследствие увеличивающихся температурных профилей в зонах адиабатической экзотермической реакции синтеза аммиака. Экзотермический характер реакции наряду с компоновкой слоев в адиабатическом реакторе не позволяет температурному профилю максимально увеличивать конверсию аммиака за один проход, что, в свою очередь, приводит к неэффективному использованию катализатора. В такой системе для достижения большей конверсии аммиака за один проход требуются большие количества катализатора.
Подобным же образом изотермические реакторы имеют ограничения при производстве аммиака. Синтез аммиака с использованием изотермического реактора обычно требует отдельного внешнего подогрева подаваемого газа. Кроме того, как и многоступенчатые адиабатические реакторы, обычные изотермические реакторы имеют сравнительно высокие потребности в катализаторе для получения эквивалентных скоростей конверсии.
Таким образом, в технике существует потребность в конструкции реактора, в которой регулируют температуру экзотермических реакций по длине реактора, чтобы эффективно использовать рабочую кривую "температура:конверсия", которая следует равновесной кривой с отрицательным температурным сдвигом, и, таким образом, поддерживать высокую скорость реакции и эффективность катализатора по всему объему слоя катализатора.
Краткое изложение сущности изобретения
Настоящее изобретение относится к способу конверсии и устройству, например, для синтеза аммиака, в котором можно регулировать температуру по длине реактора, что приводит к уменьшенным объемам катализатора и увеличенной конверсии. Температуру реакции можно понижать по длине реактора, следуя кривой равновесия для желаемого продукта, так что концентрация продукта увеличивается по длине реактора, но никогда не достигает равновесной концентрации продукта при текущей температуре реакционной смеси.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения предлагается способ конверсии, применимый для синтеза аммиака и содержащий: (а) введение газообразного, обогащенного реагентами потока при температуре подачи в теплообменный канал теплообменной реакционной зоны для предварительного подогрева обогащенного реагентами потока до температуры на входе; (б) введение предварительного подогретого, обогащенного реагентами потока при температуре на входе в противоточный, содержащий катализатор реакционный канал для экзотермической конверсии газа-реагента в получаемый газ с образованием обогащенной продуктом смеси из газа-реагента и получаемого газа; (в) косвенную передачу тепла от реакционного канала к теплообменному каналу со скоростью, эффективной для поддержания температуры смеси газов ниже равновесной температуры; и (г) отвод выходящего потока, обогащенного получаемым газом, от выхода из реакционного канала при температуре выпуска.
Обогащенная продуктом смесь может иметь равновесную концентрацию продукта, которая увеличивается с уменьшением температуры, и коэффициент скорости реакции, который увеличивается с увеличением температуры. Скорость теплопередачи в части реакционного канала, имеющей уменьшающуюся температуру, может превысить скорость выделения теплоты реакции для снижения температуры газовой смеси до температуры выпуска. Газ-реагент может содержать смесь азота и водорода, а получаемый газ может содержать аммиак. Катализатор может содержать переходный металл, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать металл платиновой группы. Катализатор может содержать рутений на углеродном носителе, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать активированный рутений на термостабилизированном графитовом носителе. Теплообменная реакционная зона может содержать кожухотрубный теплообменник, теплообменный канал может представлять собой межтрубный канал через теплообменник, и реакционный канал может содержать множество трубок, содержащих в себе катализатор. Реакционный канал может содержать множество последовательных чередующихся, содержащих катализатор зон и зон, ограничивающих реакцию. В части реакционного канала можно поддерживать температуру в пределах 30°С от равновесной температуры газовой смеси. Реакционный канал может содержать адиабатическую первоначальную зону, которая примыкает к входу реакционного канала и в которой скорость выделения теплоты реакции превышает скорость теплопередачи, посредством чего повышается температура газовой смеси. Зоны, ограничивающие реакцию, могут быть нереакционными или могут быть свободны от катализатора.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предлагается способ конверсии для синтеза аммиака, содержащий: (а) введение обогащенного реагентами потока, содержащего водород и азот, при температуре подачи в межтрубный канал кожухотрубного реактора с теплообменником для предварительного подогрева обогащенного потока до температуры на входе; (б) введение предварительно подогретого, обогащенного реагентами потока из межтрубного канала при температуре на входе в реакционную зону, содержащую множество содержащих катализатор трубок, для конверсии водорода и азота в аммиак с образованием обогащенной аммиаком смеси водорода, азота и аммиака; (в) косвенную передачу тепла от трубок к обогащенному реагентами потоку со скоростью, эффективной для поддержания температуры смеси в трубках ниже равновесной температуры, при этом скорость теплопередачи в части реакционной зоны, имеющей уменьшающуюся температуру, превышает скорость выделения теплоты реакции для снижения температуры смеси до температуры выпуска; и (г) отвод выходящего потока, обогащенного аммиаком и обедненного азотом и водородом, из выходных концов трубок при температуре выпуска.
Катализатор может содержать переходный металл, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать металл платиновой группы. Катализатор может содержать рутений на углеродном носителе, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать активированный рутений на термостабилизированном графитовом носителе. Трубки могут содержать первоначальную зону с увеличивающейся температурой, которая примыкает к входу реакционного канала и в которой скорость выделения теплоты реакции превышает скорость теплопередачи и увеличивается температура газовой смеси. Трубки могут содержать ряд чередующихся, содержащих катализатор зон и зон с ограниченной реакцией. В части с уменьшающейся температурой можно поддерживать температуру смеси в пределах 30°С от равновесной температуры для реакции. Кроме того, этот способ может содержать подачу обогащенного реагентами потока через реактор, расположенный выше по потоку и содержащий магнетитовый катализатор, и последующую подачу потока, выходящего из реактора с магнетитовым катализатором, в качестве обогащенного реагентами потока, вводимого в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменивающего реактора. В одном варианте осуществления изобретения обогащенный реагентами поток, вводимый в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменивающего реактора, может быть потоком продувочного газа из контура синтеза аммиака. Катализаторные трубки могут быть вертикальными, а газовая смесь может течь вниз через трубки. Трубки могут содержать первоначальную зону с увеличивающейся температурой, которая примыкает к выходу реакционного канала и в которой скорость выделения теплоты реакции превышает скорость теплопередачи и увеличивается температура газовой смеси. Зоны с ограниченной реакцией могут быть нереакционными и могут быть свободными от катализатора. Часть с уменьшающейся температурой можно поддерживать в интервале температур, которые следуют равновесной кривой "концентрация аммиака:температура" для данного давления в реакторе, посредством чего поддерживаются высокая скорость реакции и высокая эффективность катализатора по всему реактору.
Согласно другому варианту осуществления изобретения предлагается конвертер для синтеза аммиака, содержащий: (а) средства для ввода газообразного, обогащенного реагентами потока при температуре подачи в теплообменный канал теплообменивающей реакционной зоны для предварительного подогрева обогащенного реагентами потока до температуры на входе; (б) средства для ввода предварительно подогретого, обогащенного реагентами потока при температуре на входе в содержащий катализатор реакционный канал для экзотермической конверсии газа-реагента в получаемый газ с образованием обогащенной продуктом смеси газа-реагента и поучаемого газа, имеющего равновесную концентрацию продукта, которая увеличивается с уменьшением температуры, и коэффициент скорости реакции, который увеличивается с увеличением температуры, (в) средства для косвенной передачи тепла от реакционного канала к теплообменному каналу со скоростью, эффективной для поддержания температуры смеси газов ниже равновесной температуры, при этом скорость теплопередачи в части реакционного канала, имеющей уменьшающуюся температуру, превышает скорость выделения теплоты реакции для снижения температуры смеси газов до температуры выпуска, и (г) выпускные средства для отвода выходящего потока, обогащенного полученным газом, из реакционного канала при температуре выпуска.
Конвертер может содержать средства для ограничения теплопередачи от реакционного канала к теплообменному каналу вблизи выходной части катализаторной трубки. Газ-реагент может содержать смесь азота и водорода, а получаемый газ может содержать аммиак. Катализатор может содержать переходный металл, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать металл платиновой группы. Катализатор может содержать рутений на углеродном носителе, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать активированный рутений на термостабилизированном графитовом носителе. Теплообменная реакционная зона может содержать кожухотрубный теплообменник. Теплообменный канал может быть межтрубным каналом через теплообменник, а содержащий катализатор канал может быть внутритрубным каналом через множество вертикальных параллельных трубок, содержащих катализатор. Реакционный канал может содержать по существу адиабатическую первоначальную зону, которая примыкает к входу реакционного канала и в которой скорость выделения теплоты реакции превышает скорость теплопередачи и повышается температура газовой смеси. Кроме того, реакционный канал может содержать множество чередующихся, содержащих катализатор зон и зон, ограничивающих реакцию. Зоны, ограничивающие реакцию, могут быть нереакционными и могут быть свободны от катализатора. Кроме того, конвертер может содержать средства для поддержания температуры газовой смеси в трубках в пределах 30°С от равновесной температуры для данной концентрации аммиака, когда газовая смесь проходит через трубки.
Согласно другому варианту осуществления изобретения предлагается конвертер для синтеза аммиака, содержащий: (а) реактор с кожухотрубным теплообменником, содержащий межтрубный теплообменный канал и реакционный канал, содержащий множество содержащих катализатор трубок; (б) впускное отверстие для ввода обогащенного реагентами потока, содержащего водород и азот, при температуре подачи в теплообменный канал для предварительного подогрева обогащенного реагентами потока; (в) впускное отверстие для ввода предварительно подогретого потока в реакционный канал; (г) ряд чередующихся, содержащих катализатор зон и зон, ограничивающих реакцию в трубках для конверсии водорода и азота в аммиак с образованием обогащенной аммиаком смеси водорода, азота и аммиака; и (д) выпускное отверстие из реактора для отвода выходящего потока, обогащенного аммиаком и обедненного азотом и водородом, из трубок при температуре выпуска.
Межтрубный канал может содержать множество перегородок для направления обогащенного реагентами потока через реакционные трубки. Расстояния между перегородками в межтрубном канале могут быть изменяющимися, например, с меньшим расстоянием между перегородками вблизи входного конца реакционных трубок и с увеличенным расстоянием между соседними перегородками вблизи выходного конца реакционных трубок. Реакционные трубки могут содержать ряд чередующихся, содержащих катализатор зон и зон с ограниченной реакцией. Катализатор может содержать переходный металл, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать металл платиновой группы. Катализатор может содержать рутений на углеродном носителе, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать активированный рутении на термостабилизированном гранитовом носителе. Закладные устройства могут быть выбраны из группы, состоящей из сеток и стержня; сеток и проволочной сетки, сеток и скрученной ленты; металлической или керамической структурированной насадки; металлических или керамических сетчатых набивок; металлического или керамического пористого материала и структурированной металлической насадки. Кроме того, конвертер может содержать реактор, расположенный выше по потоку и содержащий магнетитовый катализатор и выпускное отверстие, функционально соединенное с впускным отверстием конвертера. Кроме того, конвертер может содержать множество реакторов с кожухотрубным теплообменником, при этом впускные отверстия конвертера соединены с выпускным отверстием реактора с магнетитовым катализатором при параллельным потоке. Обогащенный реагентами поток может быть введен в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника, а в одном варианте осуществления изобретения обогащенный реагентами поток может быть потоком продувочного газа из контура синтеза аммиака. Конвертер может содержать трубчатые экраны для ограничения теплопередачи от реакционного канала к теплообменному каналу вблизи выходной части трубок. Трубки могут быть вертикальными, и газовая смесь может течь вниз через трубки. Трубки могут содержать адиабатическую часть, которая примыкает к входу реакционного канала и в которой скорость выделения теплоты реакции превышает скорость теплопередачи, посредством чего повышается температура газовой смеси.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематический вид сбоку в разрезе конвертера для синтеза аммиака согласно одному варианту осуществления изобретения,
Фиг.1А - увеличенный схематический вид сбоку в разрезе другого варианта выполнения нижней части конвертера для синтеза аммиака на фиг.1,
Фиг.2 - схематический вид сбоку в разрезе катализаторной трубки в конвертере на фиг.1,
Фиг.3 - схематический вид одного варианта выполнения закладного устройства, используемого в катализаторной трубке на Фиг.1,
Фиг.4 - схематический вид другого варианта выполнения закладного устройства, используемого в катализаторной трубке на фиг.2,
Фиг.5 - схематический вид другого варианта выполнения закладного устройства, используемого в катализаторной трубке на Фиг.2,
Фиг. 6 - схематический вид другого варианта выполнения закладного устройства, используемого в катализаторной трубке на фиг.2,
фиг.7 - схематический вид конструкции многослойного конвертера согласно другому варианту осуществления изобретения,
фиг.8 - технологическая схема контура синтеза аммиака с конвертером согласно другому варианту осуществления изобретения,
фиг.9 - графики, на которых сравниваются конверсия аммиака и температуры для многоступенчатых адиабатических (с промежуточным охлаждением) конвертеров для синтеза аммиака, изотермических конвертеров для синтеза аммиака согласно предшествующему уровню техники и конвертера согласно варианту осуществления настоящего изобретения,
Фиг.10 - нагрузочный лист для конвертера, иллюстрирующий тепловую нагрузку, температуры межтрубного пространства и внутритрубного пространства как пункции совокупного объема катализатора для варианта выполнения конвертера для синтеза аммиака согласно настоящему изобретению,
Фиг.11 показывает кривые охлаждения/нагревания, иллюстрирующие температуры межтрубного пространства и внутритрубного пространства как функции совокупного тепла, обмененного согласно варианту осуществления изобретения на фиг.10,
Фиг.12 - нагрузочный лист для конвертера, иллюстрирующий концентрацию аммиака как функцию температуры внутритрубного пространства относительно равновесной кривой согласно варианту осуществления изобретения на Фиг.10-11,
Фиг.13 - график общего коэффициента теплопередачи как функций совокупного объема катализатора согласно варианту осуществления изобретения на Фиг.10-12.
Описание изобретения
Изобретение будет описано посредством примеров со ссылкой на фиг.1-13, которые не следует истолковывать как ограничение, накладываемое на элементы устройства и стадии способа согласно изобретению. Настоящее изобретение направлено на реактор синтеза для экзотермических реакций, которые могут лучше приближаться к равновесной кривой температура/концентрация для конверсии реагирующих веществ в продукты. Использование катализатора и выходы реакции могут быть улучшены по сравнению с существующими способами с изотермическими и многоступенчатыми адиабатическими реакторами. Преимущества настоящего изобретения достигаются посредством отвода тепла от наполненных катализатором трубок конвертера для поддержания близкой к оптимальной температуры реакции на большей части длины наполненных катализатором трубок. В пределах этой заявки термины “реактор” и “конвертер” могут использоваться как взаимозаменяемые.
Примерами осуществляемых в промышленности экзотермических газофазных каталитических реакций, которые могут быть проведены в реакторе 100, изображенном на фиг.1, являются: реакции синтеза для производства аммиака, реакция синтеза для производства метанола, реакция конверсии для производства СО и H2, конверсия окиси углерода и двуокиси углерода водородом в метан, окисление углеводородов для синтеза малеинового ангидрида, другие вышеупомянутые экзотермические реакции и т.п. Реактор согласно настоящему изобретению особенно хорошо подходит для синтеза аммиака, который используется далее в качестве примера с целью иллюстраций. Использование катализатора, скорости реакции и общая конверсия аммиака могут быть улучшены по сравнению с существующей технологией, в которой применяются множественные адиабатические слои катализатора и теплообменники между слоями для охлаждения подаваемого газа.
Для поддержания равновесия, благоприятствующего синтезу продуктов при экзотермических реакциях, обычно отводят тепло по мере того, как развивается реакция. В общем, в начале реакции отводится больше тепла, чем в конце реакции. Можно поддерживать температурный профиль катализаторной трубки, посредством чего создаются наибольшие температуры на входе катализаторной трубки (т.е. вблизи верхнего конца трубки при нисходящем потоке газа), а температуры на выходе катализаторной трубки можно поддерживать при минимальной эффективной температуре катализатора, чтобы обеспечить высокие скорости конверсии. Скорость конверсии может быть больше вблизи входного конца катализаторной трубки, так как концентрация аммиака может быть низкой в этой точке реакции, и высокая температура обеспечивает благоприятную кинетику. Скорость конверсии может быть ниже вблизи выходного конца катализаторной трубки, и потребуется больший объем катализатора на единицу массы производимого продукта. Скорость выделения тепла может быть сравнительно низкой по сравнению с теплопередающим потенциалом вследствие большой площади поверхности, которая становится доступной с увеличенной загрузкой катализатора на нижнем конце катализаторной трубки. Для предотвращения переохлаждения газа-реагента часть площади теплообменной поверхности может быть блокированной так, чтобы препятствовать теплопередаче на блокированной площади.
Отсылаем к фиг.1 и 2, на которых представлен реактор 100, состоящий из корпуса 101, перегородок 106, внутренних катализаторных трубок 109 и защитных устройств 116 для трубок. Как показано на фиг.1А, по всему реактору может быть предусмотрен ряд защитных устройств (116) для преграждения потока. Высота защитного устройства 116 по вертикали может быть выбрана таким образом, чтобы температурный профиль катализатора был по возможности близко приближен к профилю максимальной скорости реакции посредством уменьшения площади поверхности катализаторной трубки, открытой для входящего подаваемого потока и охлаждаемого им. Защитное устройство может быть образовано посредством использования двух последовательных ограничителей или перегородок в межтрубном пространстве. Подаваемый поток входит в реактор 100 через впускное отверстие 102, расположенное вблизи дна корпуса реактора, и течет вверх к ряду горизонтальных перегородок 106. Подаваемый поток может быть подогрет посредством косвенного теплообмена с катализаторными трубками 109, вертикально расположенными внутри корпуса 101 реактора. По выбору подаваемый поток может быть подогрет до впускного отверстия 102 реактора. При желании к корпусу 101 реактора могут быть добавлены дополнительные впускные отверстия, показанные как 102А, 102B и 102C. Температуру исходного материала можно регулировать, установив байпас после подогревателя (не показан), посредством чего холодный газ может быть смешан с частью подогретого газа для получения оптимальной температуры на входе. При желании перегородки могут быть установлены с переменными расстояниями между соседними отдельными перегородками для способствования постепенному увеличению теплопередачи с приближением к входному концу 110 катализаторной трубки 109. Например, расстояние между соседними перегородками может быть меньше вблизи верха реактора, чем у днища реактора. Катализаторные трубки желательно поддерживать на трубной решетке 104 обычным образом, например, приваркой труб 109 к трубной решетке 104 или любым другим способом, известным из уровня техники. Трубная решетка 104 отделяет внутритрубное пространство (для продукта реакции) от межтрубного пространства (для подаваемого потока) реактора 100.
Для обеспечения надлежащего перемешивания подаваемых газов реактор 100 может содержать распределительную пластину (не показана), расположенную в верхней части реактора вблизи входа в катализаторные трубки. Наверху реактора 100 может быть расположено байпасное впускное отверстие 111, чтобы при желании можно было вводить подогретый подаваемый поток. Байпасное впускное отверстие 111 может быть использовано для регулирования температуры подаваемого газа на входе в катализаторные трубки 109. Распределительная пластина (не показана) может быть расположена вблизи байпасного впускного отверстия 111 для обеспечения надлежащего перемешивания подогретого подаваемого потока с потоком, подаваемым во впускное отверстие 102. Подаваемый поток входит в катализаторные трубки 109 через входные отверстия 110 этих трубок, расположенные в самой верхней части вертикальных катализаторных трубок 109. В общем, подаваемый поток течет противоположно направлению потока через катализаторные трубки 109, т.е. газ-реагент течет вверх в межтрубном пространстве реактора и вниз через катализаторные трубки. Конвертированный выходящий поток выходит из катализаторных трубок 109 через выходные отверстия 113 этих трубок, расположенные в самой нижней части катализаторных трубок 109 и в нижней части реактора 100. Сетка 114, расположенная под трубной решеткой 104, предотвращает потерю катализатора в выпускную зону реактора. Получаемый выходящий поток может выходить из реактора 100 через выпускное отверстие 112 реактора.
Отсылаем теперь к фиг.2, на которой показан подробный вид в разрезе катализаторной трубки 109, расположенной в реакторе. Катализаторная трубка желательно имеет диаметр от 25 до 75 мм, а более желательно - от 38 до 63 мм. Катализаторная трубка желательно имеет длину от 3 до 8 мм, а более желательно - от 4 до 6 мм. Трубка состоит из чередующихся реакционных зон 122 и зон с ограниченной реакцией 124. Реакционные зоны 122 могут содержать высокоактивный катализатор, а зоны с ограниченной реакцией 124 могут содержать нереакционные распорные закладные устройства, предназначенные для разделения катализаторных зон и передачи части теплоты реакции в межтрубное пространство реактора. Зоны с ограниченной реакцией могут быть нереакционными, а в одном варианте осуществления изобретения зоны с ограниченной реакцией могут быть свободны от катализатора. Перегородки 106 могут быть расположены внутри корпуса 101 реактора для направления потока текучей среды и способствования теплопередаче между подаваемым потоком и катализаторными трубками 109. Катализаторная трубка 109 в основании может поддерживаться трубной решеткой 104. Сетка 114, расположенная внизу катализаторной трубки, способствует удержанию катализатора в нижней части трубки 109. Кроме того, катализаторная трубка может содержать сетку или колпачок 110, установленный на самой верхней часта вертикальной трубки.
Размеры и конструкция конвертера обычно могут быть выбраны на основе условий работы катализатора, так как активность катализатора снижается. Для достижения хороших эксплуатационных качеств на всем периоде эксплуатации, включая запуск в эксплуатацию, когда активность катализатора является высокой, может быть сведено к минимуму или исключено охлаждение в нижней части конвертера. Для байпаса охлаждающей части в соответствующей нижней части катализаторных трубок 109 могут быть использованы одно или большее число байпасных впускных отверстий 102A, 102В и 102C (см. фиг.1). Байпас может быть использован в зависимости от условий работы и активности катализатора и может быть применен для предотвращения переохлаждения катализатора, когда условия работы отличаются от тех, которые учитывались при выборе размеров конвертера. Переохлаждение катализатора может вызвать то, что температура, при которой протекает реакция, будет слишком низкой для того, чтобы достигнуть оптимальной конверсии реагирующих веществ на выходном конце катализаторной трубки.
Так как катализаторные трубки могут быть установлены в вертикальном положении, то сетка 114, расположенная внизу, играет важную роль в удержании частиц катализатора в трубке 109. Сетки, как, например, сетки Johnson Vee-Wire, поставляемые UOP, могут вполне подходить для использования в конвертерной системе. Закладные устройства 24 могут быть разных видов, как это показано на фиг.3-6. С другой стороны, в качестве закладного устройства 124 для нереакционной зоны или зоны с пониженной активностью могут быть использованы скрученные ленточные вставки, как, например, турбулизаторы, изготавливаемые Brown Fintube, элементы HiTRAN® Matrix Element, изготавливаемые CalGavin Co., или статические смесители, доступные от различных изготовителей и привариваемые к сетке Johnson. Закладные устройства 124 могут быть изготовлены из различных материалов, выбираемых с учетом теплопередающих свойств выбранного материала. Закладные устройства 124 могут быть закреплены на месте внутри катализаторов трубки 109 или, по выбору, они могут быть помещены между слоями катализатора 122, посредством чего закладные устройства 124 могут двигаться совместно с катализатором 124, так как во время нормальной работы может происходить оседание катализатора. В зависимости от типа закладного устройства 124 может оказаться желательной приварка закладных устройств к стержню, чтобы поддерживать реакционные зоны с определенным объемом катализатора и в определенном месте, посредством чего предотвращается передвижение катализаторных зон 122 внутри трубки 109. Как полагают, с начала реакции и до ее конца объем катализатора в данной реакционной зоне может изменяться вплоть до 10%, так как во время работы реактора может происходить оседание катализатора.
Для реакционных зон или зон с пониженной активностью в катализаторной трубке 109 в качестве закладных устройств 124 могут быть использованы различные материалы, как, например, закладные элементы и сетки, включая сетки и стержень, сетки и проволочная сетка; сетки и скрученная лента; пористый металл, статические смесительные вставки и т.п. Сетка может быть закреплена по периферии закладного устройства 124 посредством уплотнения (уплотнения листового типа). Кроме того, могут быть предусмотрены средства для препятствования прохождению катализатора между сеткой и стенкой трубки или застревания в этом месте. Средства для препятствования прохождению катализатора через нереакционную зону или зону с пониженной активностью или вокруг нее могут компенсировать обычные изменения в диаметре трубок реактора и овальности поперечного сечения трубок. В идеальном случае закладные устройства 124 могут выполнять многочисленные функции, включая, но не ограничиваясь ими, создание нереакционных зон или зон с пониженной активностью в катализаторной трубке 109, усиление теплопередачи между межтрубным и внутритрубным пространствами реактора и усиление перемешивания текучих сред во внутритрубном пространстве реактора, вставки из скрученной ленты могут быть использованы в качестве закладного устройства 124, при этом желательно, чтобы их длина была одинаковой с желаемой длиной зоны с пониженной активностью или нереакционной зоны. Скрученная лента может иметь наружный диаметр, который приблизительно равен внутреннему диаметру трубки, так что отношение диаметра трубки к диаметру насадки составляет приблизительно 1. Кроме того, вставка может состоять из одной или нескольких уложенных одна на другую частей металлической структурированной насадки, как, например, лабораторной насадки Sulzer типа DX, типа EX или типа DXM/DUM, изготавливаемой Sulzer Chemtech и предназначенной для плотной посадки относительно внутреннего диаметра трубок реактора. Одна или несколько более коротких частей структурированной насадки могут быть уложены конец к концу в различных количествах и комбинациях, чтобы образовывать ряд различных по длине нереакционных зон или зон с пониженной активностью, чередующихся с разными по длине зонами с активным катализатором так, как это требуется для достижения желаемой компоновки. Аналогично этому нереакционной вставкой может быть один или большее число металлических сетчатых элементов, как, например, высокоэффективная колонная насадка Hyperfil® - насадка из плетеной сетки для дистилляционных колонн, изготавливаемая Enhanced Separatiоn Technologies, LLC. Металлические сетчатые насадочные элементы могут быть выполнены для плотной посадки относительно внутреннего диаметра трубок реактора и могут быть уложены конец к концу, когда используют многочисленные насадочные элементы для создания единственной прилегающей нереакционной зоны желаемой длины. Это может уменьшить сложность изготовления вставки.
В другом варианте осуществления изобретения нереакционная вставка может быть из пенокерамики. Пенокерамику можно изготовить, заполняя пустоты в органическом пористом веществе ожиженным керамическим исходным материалом и выжигая это вещество для образования пенокерамики. Пенокерамику можно с пользой разрезать на более короткие отрезки и укладывать эти отрезки конец к концу в каждой трубке для получения зоны с ограниченной реакцией или нереакционную зону желаемой длины.
При настоящем изобретении можно использовать различные катализаторы, включая традиционные катализаторы на магнетитовой основе для синтеза аммиака. Желательно, чтобы в катализаторных трубках реактора можно было использовать катализатор на основе рутения. Частицы катализатора на основе рутения могут иметь эффективный диаметр от 1,5 до 2,0 мм и могут быть образованы в различных нормах с расположением на материале носителя на основе углерода. Катализатором может быть активированный рутений на термостабилизированном углеродном носителе. Катализатор на основе рутения может проявлять активность вплоть до 20 раз больше, чем магнетитовый катализатор, и рабочие характеристики могут сохраняться при высоких концентрациях аммиака и в широком интервале отношений водорода к азоту. Кроме того, рутениевый катализатор может позволять проводить синтез аммиака при меньших давлениях, чем те, которые требуются при проведении синтеза с магнетитовым катализатором.
Замену катализатора можно выполнять различными способами. Как показано на фиг.1, реактор 100 может иметь фланец 115, позволяющий отделять и удалять верхнюю часть корпуса 101 для доступа к катализаторным трубкам 109. Трубная решетка 104 может быть закреплена на месте, и катализатор может быть удален из трубок вакуумными средствами. С другой стороны, реактор 100 может быть выполнен с каналом 113, расположенным наверху корпуса 100 реактора. При таком выполнении катализаторные трубки 109 и трубная решетка 104 тогда поддерживаются наверху корпуса 101 реактора, и весь пучок 104 и 109 может быть извлечен для замены катализатора.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг.7, можно использовать многочисленные параллельные реакторы. Сосуд 200 содержит два реактора 201а и 201b, каждый из которых имеет вертикальные катализаторные трубки 216а и 216b, расположенные параллельно. В параллельные реакторы 201а и 201b исходный газ 202 первого подаваемого потока вводят через впускные отверстия соответственно 204а и 204b, каждое из которых расположено наверху их соответствующих реакторов. При желании исходный газ 202 может быть подогретым. Впускные отверстия 204а и 204b могут быть расположены над верхними концами катализаторных трубок 216а и 216b, расположенных в реакторах соответственно 201а и 201b. Второй подаваемый поток 205 из контура синтеза, в котором используются катализаторы с меньшей активностью, например, магнетитовый катализатор, может быть введен в реакторы через впускные отверстия 206а и 206b, расположенные вблизи основания катализаторных труб 216а и 216b. Реакторы 201а и 201b могут содержать ряд перегородок 212а и 212b, по которым проходит второй поступающий поток 205, подвергаясь косвенному теплообмену с катализаторными трубками 216а и 216b. Пo выбору, перегородки 212а и 212b могут быть расположены ближе друг к другу в самой верхней части реактора, как это показано на фиг.7, и тем самым могут увеличивать теплообмен между вторым поступающим потоком 205 и верхней частью катализаторных трубок 216а и 216b. Первый нагретый исходный подаваемый поток и второй нагретый подаваемый поток 205 входят в катализаторные трубки 216а и 216b через впускные отверстия соответственно 214а и 214b. Как описывалось ранее и показано на фиг.2, катализаторные трубки 216а и 216b могут иметь чередующиеся реакционные и нереакционные зоны. Получаемый выходящий поток выходит из катализаторных трубок 216а и 216b, проходит через катализаторные сетки 210а и 210b и выходит из реактоpa через выпускные отверстия 220а и 220b. Получаемые потоки из реакторов 201a и 201b могут быть объединены для образования получаемого потока 222, который может быть введен в ряд теплообменников (не показаны) для охлаждения продукта и косвенного нагрева подаваемого газа или, по выбору, может быть использован для других процессов рекуперации тепла. Подобным же образом конвертер может быть использован в связи с реактором, который расположен впереди по направлению технологического потока и имеет неподвижный слой магнетитового катализатора (не показан). В общем, как показано на фиг.7, в сосуд 200 могут быть также помещены адиабатические теплообменники для магнетитового слоя (слоев) и сердцевины.
На фиг.8 показана технологическая схема примерного контура синтеза аммиака, имеющего конвертер согласно другому варианту осуществления изобретения. Подаваемый синтез-газ 302 поступает в компрессор 304, и в показанном примере выходящий газ имеет температуру 70°С (158°F) и давление 9,48 МПа. При желаний может быть использована стадия криогенной очистки для подачи высокоочищенного свежего газа в контур синтеза аммиака. На стадии очистки желательно удалять из подаваемого газа избыточный азот наряду с метаном и аргоном. Сжатый исходный газ в виде потока 306 проходит к первому теплообменнику с перекрестным током 308, где он нагревается до 234°С (453°F), и затем в виде потока 310 - ко второму теплообменнику с перекрестным током 312, где исходный газ дополнительно нагревается до 357°С (675°F). Нагретый исходный газ в виде потока 314 проходит к конвертеру 316 с радиальным потоком и магнетитовым катализатором, имеющему слой магнетитового катализатора, и входит в конвертер через впускное отверстие 318. Желательно, чтобы конвертер 316 с магнетитовым катализатором имел больше чем один слой катализатора. После охлаждения в теплообменнике 317 поток 317, выходящий из конвертера 316 с магнетитовым катализатором, выходит через выпускное отверстие 320, имея в этом примере температуру 392°С (737°F) и давление 9,18 МПа. Во втором теплообменнике с перекрестным током 312 выходящий поток охлаждается до температуры 266°С (511°F). В первом теплообменнике 322 выходящий поток дополнительно охлаждается до температуры 217°С (423°С) и давления 9,11 МПa.
Охлажденный поток 324 входит в конвертер 326 через впускное отверстие 328, проходит по ряду перегородок при косвенном теплообмене с катализаторными трубками 330, проходит к впускному концу 331 катализаторных трубок 330 и выходит из катализаторных трубок 330 и реактора 326 через выпускное отверстие 334. Как обсуждалось ранее и показано на фиг.2, катализаторные трубки 330 могут содержать чередующиеся слои катализатора и инертных распорок, посредством чего в каждой катализаторной трубке 330 создаются реакционные и нереакционные зоны. В качестве катализатора может быть использован катализатор на основе рутения, желательно активированный рутений на термостабилизированном гранитовом носителе, хотя могут быть использованы другие сходные высокоактивные катализаторы или несущие материалы. Поток аммиака, выходящий из конвертера 326, в этом примере имеет температуру 373°С (703°F) и давление 8,90 MПа. Желательно, чтобы общее падение давления в конвертере было меньше чем 0,2 МПа.
Горячий поток аммиака, выходящий из конвертера 326, годен для рекуперации тепла, и он по трубопроводу 338 проходит к теплообменнику 317 конвертора с магнетитовым катализатором, где нагревается до температуры 448°С (839°F). Поток аммиака по трубопроводу 343 выходит из конвертера с магнетитовым катализатором, пропускается через второй теплообменник 344 и по трубопроводу 345 выходит из второго теплообменника, где поток аммиака охлаждается до температуры 261°С (502°F). Для дальнейшего охлаждения поток 345 поступает в первый теплообменник с перекрестным током 308, затем проходит в трубопровод 348, где поток охлажденного аммиака имеет температуру 87°С (188°F) и давление 8,76 МПa и поступает в холодильник 350 с водяным охлаждением. Охлажденный аммиак по трубопроводу 352 поступает в обычную холодильную установку 354, где отведенный из реактора поток может быть разделен на три потока. Поток 356 представляет собой смесь аммиака и водорода, рециркулирующую по трубопроводу 362 к компрессору 304, где она объединяется с синтез-газом 302, или, с другой стороны, разделяемая на аммиак и водород в обычном аппарате для извлечения аммиака для получения потока водорода 364, например, для обессеривания. Продувочный газ может быть подвергнут дальнейшей обработке в мембранном аппарате для извлечения водорода, в котором можно извлекать вплоть до 90% водорода для рециркуляции. Отходящий газ из мембранного сепаратора может быть объединен с другими потоками продувочного газа, образующимися в технологическом процессе, и использован в качестве дополнительного топлива. Поток 358 представляет собой смесь, которая может либо рециркулировать к аппарату очистки (не показан) для извлечения водорода, либо отводиться в качестве топлива для реакторов (не показаны). Поток 360 представляет собой поток очищенного получаемого аммиака.
Конвертер может быть сконструирован для работы с учетом одной из двух целей: (а) сведения к минимуму использования катализатора или (б) максимального увеличения конверсии аммиака. В первом случае конвертер может работать с использованием меньшего объема катализатора, при этом все еще обеспечивая высокие выходы аммиака. Таким образом, конвертер может работать при меньших затратах на катализатор, чем сходные системы с катализатором, в которых применяются адиабатические реакторы со слоями катализатора. Вo втором случае реактор может работать с использованием большего объема катализатора, чем в первом случае, посредством чего достигается более высокая конверсия аммиака при уменьшенной эффективности катализатора.
Конвертер может быть вполне пригоден для устранения узких мест в существующих установках, тем самым увеличивая производство и/или производительность. Конвертер может быть установлен как аппарат, "добавленный" к существующей установке для извлечения и конверсии потоков продувочного газа. Так как конвертер может быть размещен при модернизации оборудования в качестве "добавленного" конвертера, чтобы дополнять производство аммиака на одной или нескольких существующих установках синтеза аммиака, то основное производство может быть не затронуто во время монтажа. Кроме того, имел бы место очень небольшой простой способ установки во время ее выключения в связи с модернизацией для выполнения необходимых подсоединений при завершении монтажа оборудования, устанавливаемого при модернизации.
Конвертер демонстрирует способность обеспечивать более высокую конверсию исходного сырья посредством близкого приближения к линии равновесия для реакции. На фиг.9 показано сравнение между теоретическими кривыми "температура:конверсия аммиака" для линии равновесия реакции 400, трехступенчатого адиабатического реактора 402 с промежуточным охлаждением, изотермического реактора 404 и реактора 406. Теоретическая линия равновесия реакции, показанная на фиг.9, наглядно показывает, что с неограниченным временем пребывания конверсия увеличивается с уменьшением температуры. В трехступенчатом адиабатическом реакторе 402 применяется группа из трех промежуточных холодильников для снижения температуры между ступенями в реакторе и увеличения конверсии аммиака. Циклы нагрева и охлаждения распознаваемы, так как не имеется никакой конверсии во время стадии охлаждения. При использовании изотермического реактора 404 конверсия и скорость реакции ограничиваются температурой, при которой протекает реакция. Как показано на фиг.9, реактор 406 обеспечивает высокую эффективность конверсии, так как реактор обеспечивает увеличенную конверсию с уменьшением температуры, следуя кривой расчетного равновесия реакции.
Потребности в катализаторе могут быть значительно снижены, а конверсия аммиака в этом реакторе может быть улучшена по сравнению с многоступенчатыми адиабатическими и изотермическими реакторами. Например, для достижения эквивалентных конверсий за один проход с использованием высокоактивного катализатора синтеза аммиака потребности в катализаторе для реактора согласно настоящему изобретению могут быть в некоторых вариантах осуществления изобретения приблизительно на 30% меньше того, что необходимо для многоступенчатого адиабатического реактора. В то время как при обычных процессах конверсии аммиака в многоступенчатых адиабатических реакторах за один проход достигаются конверсии, дающие концентрации аммиака в выходящем из реакторе потоке, равные приблизительно 20,6 мол.%, в реакторе согласно настоящему изобретению можно за один проход достигать конверсий, дающих концентрации аммиака в выходящем из реактора потоке больше, чем 22 мол.%, а в некоторых вариантах осуществления изобретения больше, чем 22,8 мол.%, когда используется избыточная загрузка из высокоактивного катализатора на основе рутения.
Реактор может иметь от 200 до 10000 катализаторных трубок, желательно от 1500 до 2500 катализаторных трубок. Каждый реактор может содержать приблизительно от 30 до 35 м3 катализатора на основе рутения, загруженного в катализаторные трубки с промежутками из нереакционных вставок, описанных ранее и показанных на фиг.2. На фиг.10 показаны изменение температуры как для внутритрубного, так и межтрубного пространств реактора на один кубический метр катализатора, а также общее количество тепла, выделившегося в определенном объеме катализатора в имитируемом примере, для одного варианта осуществления изобретения. Как показано, первые 1-6 м3 катализатора, как полагают, являются по существу адиабатической зоной, где реакция может протекать без передачи всего или части тепла, выделившегося при экзотермической реакции. В этом примере температура межтрубного пространства в по существу адиабатической зоне остается по существу постоянной, в то время как температура во внутритрубном пространстве увеличивается до максимума в 416-427°С (780-800°F). Теплопередача начинается после по существу адиабатической зоны и в целом составляет от 135 до 150 ГДж (от 130 до 140 ММ БТЕ).
На фиг.11 показана кривая нагрева и охлаждения для внутритрубного и межтрубного пространств имитируемого реактора на фиг.10, как функция совокупного обмененного тепла. После по существу адиабатической зоны по направлению технологического потока температура внутритрубного пространства уменьшается от приблизительно 416-427°С (780-800°F) до приблизительно 377°С (710°F). Линейная зависимость между температурами во внутритрубном пространстве и межтрубном пространстве наглядно показывает хороший теплообмен.
На фиг.12 показана концентрация аммиака как функция температуры внутритрубного пространства относительно равновесия для реакции в имитируемом реакторе на фиг.10-11. Температура во внутритрубном пространстве в по существу адиабатической зоне показывает устойчивое повышение до приблизительно 421°С (790°F), и в этой точке рабочая кривая начинает быть параллельной равновесной кривой для реакции, при этом при одинаковой концентрации аммиака температура реакции ниже равновесной температуры на 4-15°С (40-60°C), а при одинаковой температуре реакции содержание аммиака в газах-реагентах меньше равновесного содержания аммиака на 4-6 мол.%. Уменьшение температуры получается потому, что косвенный теплообмен между подаваемым потоком в межтрубном пространстве и катализаторной трубкой на контролируемую величину превышает скорость выведения теплоты реакции. В этом примере состав исходного газа, подаваемого в реактор, является приблизительно следующим: 55,9% Н2, 29,0% N2, 3,9% СH4, 1,9% Аr и 9,2% NH3. Исходная реакционная смесь, подаваемая в межтрубное пространство, имеет начальную температуру 217°C (423°F). Выходящий получаемый поток имеет приблизительно следующий состав: 46,1%, H2, 26,9% N2, 4,3% СН4, 2,1% Ar и 20,6 NH3. Как показано на фиг.12, общая конверсия превышает 20% при температуре на выходе между 371-377°С (700-710°F) и давлении приблизительно 8,85 МПа.
На фиг.13 показано произведение коэффициента теплопередачи на площадь поверхности (ПП), необходимую для поддержания работы реактора параллельно равновесной кривой на фиг.12. Необходимая ПП является наибольшей в начальной части реакции после по существу адиабатической зоны. ПП, необходимая на входе катализаторной зоны, приблизительно в 14 раз больше ПП, необходимой на выходе, и она может быть достигнута посредством использования обширных поверхностей, измененной площади поверхности, нереакционных распорных элементов, перегородок и т.п.
Регулируя температуру в катализаторной трубке, можно достигнуть увеличенных конверсии аммиака и эффективности катализатора в реакторе, увеличенной теплопередачи между катализаторной трубкой и выходящим потоком в межтрубном пространстве реактора можно достигнуть посредством использования нереакционных вставок, помещенных внутри катализаторных трубок, как это показано на фиг.2. Эти вставки могут увеличить площадь поверхности, располагаемую для теплопередачи при эквивалентном объеме катализатора. С другой стороны, части исходной реакционной смеси могут быть введены снизу реактора и подогреты перегородками. Одна или несколько дополнительных частей исходной реакционной смеси могут быть введены в одной точке или в различных точках под впускным отверстием катализаторной трубки, желательно в местах ниже по существу адиабатической зоны. Катализаторные трубки на своей верхней части могут иметь ребра для увеличения площади поверхности для теплопередачи. Это может быть желательно в тех случаях, когда преобладающее влияние имеет коэффициент теплоотдачи со стороны межтрубного пространства. С другой стороны, расстояние между соседними перегородками можно изменять таким образом, чтобы оно уменьшалось по направлению к верху катализаторной трубки, т.е. расстояние между перегородками больше внизу реактора, чем наверху реактора. Можно также изменять формы катализаторных трубок, чтобы увеличивать объем катализатора в разных частях трубки. Например, катализаторная трубка может иметь слегка коническую форму, а нецилиндрическую форму, обеспечивая больший объем катализатора на единицу площади трубки внизу катализаторной трубки, чем наверху катализаторной трубки.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения конвертер может быть использован для обработки продувочного газа с целью дополнительного увеличения производства аммиака. В контурах синтеза аммиака продувочный поток может применяться для удаления инертных газов, которые могут накапливаться в контуре. Продувочный поток обычно содержит аммиак, H2, N2 и инертные газы (СН4, Ar и Не). Продувочный поток может быть обработан для удаления аммиака и/или водорода и использован в качестве топливного газа. В случае данного конвертера расход продувочного потока может быть значительно увеличен для уменьшения количества инертных газов на главном входе в конвертер. В практике проведения процессов, известных из уровня техники, увеличение степени продувки может быть неэкономичным, так как это может привести к потере синтез-газа высокого давления и увеличению энергии на сжатие продукта. Конвертер может превращать в аммиак основную часть H2 и N2, в продувочном газе при этом может поддерживаться фактический расход потока продувочного газа. Конвертер можно использовать для устранения узких мест или обеспечения дополнительного производства на ряде установок по производству аммиака, расположенных в одном и том же месте, так как продувочный поток от каждой установки может быть подан в единственный конвертер и обработан в нем.
Изобретение описано выше со ссылкой на конкретные примеры и варианты осуществления изобретения. Пределы изобретения не ограничиваются вышеизложенным описанием, которое является лишь иллюстративным, а должны определяться в соответствии с пределами и сущностью прилагаемой формулы изобретения. Для специалистов в данной области техники будут очевидны различные модификации, принимая во внимание это описание и примеры. Как предполагается, все такие изменения охватываются прилагаемой формулой изобретения и соответствуют его сущности.
1. Способ конверсии для синтеза аммиака, включающий:
введение газообразного, обогащенного реагентами потока, содержащего смесь водорода и азота, при температуре подачи в теплообменный канал теплообменной реакционной зоны для подогрева обогащенного реагентами потока до температуры на входе, где теплообменная реакционная зона содержит кожухотрубный теплообменник, теплообменный канал представляет собой межтрубный канал через теплообменник, и реакционный канал содержит множество трубок, содержащих в себе катализатор,
введение предварительно подогретого обогащенного реагентами потока при температуре на входе в противоточный, содержащий катализатор реакционный канал для экзотермической конверсии газа-реагента в получаемый газ с образованием обогащенной продуктом смеси из газа-реагента и получаемых газов, где реакционный канал содержит множество последовательных чередующихся, содержащих катализатор зон и зон, ограничивающих реакцию,
косвенную передачу тепла от реакционного канала к теплообменному каналу со скоростью, эффективной для поддержания температуры смеси газов ниже равновесной температуры, и
отвод выходящего потока, обогащенного аммиаком, от выхода из реакционного канала при температуре выпуска.
2. Способ по п.1, при котором обогащенная аммиаком смесь имеет равновесную концентрацию аммиака, которая увеличивается с уменьшением температуры, и коэффициент скорости реакции, который увеличивается с увеличением температуры.
3. Способ по п.1, при котором скорость теплопередачи в части реакционного канала для снижения температуры превышает скорость выделения теплоты реакции для снижения температуры газовой смеси до температуры выпуска.
4. Способ по п.1, при котором катализатор содержит переходный металл.
5. Способ по п.1, при котором катализатор содержит рутений на углеродном носителе.
6. Способ по п.1, при котором в реакционном канале отклонение температуры от равновесной температуры газовой смеси составляет в пределах 30°С.
7. Способ конверсии для синтеза аммиака, включающий
введение обогащенного реагентами потока, содержащего водород и азот, при температуре подачи в межтрубный канал реактора с кожухотрубным теплообменником для предварительного подогрева обогащенного реагентами потока до температуры на входе,
введение предварительно подогретого обогащенного реагентами потока из межтрубного канала при температуре на входе в реакционную зону, содержащую множество содержащих катализатор трубок, для конверсии водорода и азота в аммиак с образованием обогащенной аммиаком смеси водорода, азота и аммиака,
косвенную передачу тепла от трубок к обогащенному реагентами потоку со скоростью, эффективной для поддержания температуры смеси в трубках ниже равновесной температуры, при этом скорость теплопередачи в части реакционной зоны, имеющей уменьшающуюся температуру, превышает скорость выделения теплоты реакции для снижения температуры смеси до температуры выпуска, и
отвод выходящего потока, обогащенного аммиаком и обедненного азотом и водородом, из выходных концов трубок при температуре выпуска.
8. Способ по п.7, при котором катализатор содержит металл платиновой группы.
9. Способ по п.7, при котором катализатор содержит рутений на углеродном носителе.
10. Способ по п.7, при котором трубки содержат первоначальную зону с увеличивающейся температурой, которая примыкает к входу реакционного канала и в которой скорость выделения теплоты реакции превышает скорость теплопередачи и увеличивается температура газовой смеси.
11. Способ по п.7, при котором трубки содержат ряд содержащих катализатор зон и зон с ограниченной реакцией.
12. Способ по п.7, при котором в части реакционной зоны, имеющей уменьшающуюся температуру, отклонение температуры смеси от равновесной температуры для реакции составляет в пределах 30°С.
13. Способ по п.7, дополнительно содержащий подачу обогащенного реагентами потока через реактор, расположенный выше по потоку и содержащий магнетитовый катализатор, и последующую подачу потока, выходящего из линейно подсоединенного реактора с магнетитовым катализатором, в качестве обогащенного реагентами потока, вводимого в межтрубное пространство кожухотрубного реактора с теплообменником.
14. Способ по п.7, при котором обогащенный реагентами поток, вводимый в межтрубное пространство реактора с кожухотрубным теплообменником, представляет собой поток продувочного газа из контура синтеза аммиака.
15. Конвертер для синтеза аммиака, содержащий:
реактор с кожухотрубным теплообменником, содержащий кожухотрубный теплообменный канал и реакционный канал, содержащий множество содержащих катализатор трубок,
впускное отверстие для ввода обогащенного реагентами потока, содержащего водород и азот, при температуре подачи в теплообменный канал для предварительного подогрева обогащенного реагентами потока,
впускное отверстие для ввода предварительно подогретого потока в реакционный канал,
ряд чередующихся, содержащих катализатор зон и зон, ограничивающих реакцию в трубках для конверсии водорода и азота в аммиак с образованием обогащенной аммиаком смеси водорода, азота и аммиака, и
выпускное отверстие из реактора для отвода выходящего потока, обогащенного аммиаком и обедненного азотом и водородом, из трубок при температуре выпуска.
16. Конвертер по п.15, в котором межтрубный канал содержит множество перегородок для направления обогащенного реагентами потока через реакционные трубки.
17. Конвертер по п.16, в котором расстояния между перегородками в межтрубном канале изменяются с уменьшением расстояния между перегородками вблизи входного конца реакционных трубок с увеличением расстояния между соседними перегородками вблизи выходного конца реакционных трубок.
18. Конвертер по п.15, в котором реакционные трубки содержат ряд чередующихся содержащих катализатор зон и зон, ограничивающих реакцию.
19. Конвертер по п.15, в котором содержащие катализатор трубки содержат рутений на углеродном носителе.
20. Конвертер по п.15, в котором зоны, ограничивающие реакцию в трубках, содержат закладные устройства, выбранные из группы, состоящей из сеток и стержня; сеток и проволочной сетки; сеток и скрученной ленты; металлической или керамической структурированной насадки; металлических или керамических сетчатых элементов; металлического или керамического пористого материала и структурированной металлической насадки.
21. Конвертер по п.15, дополнительно содержащий реактор, расположенный выше по потоку и содержащий магнетитовый катализатор и выпускное отверстие, функционально соединенное с впускным отверстием конвертера.
22. Конвертер по п.15, дополнительно содержащий множество реакторов с кожухотрубным теплообменником для приема выходящего потока из реактора с магнетитовым катализатором при параллельном потоке.
23. Конвертер по п.15, в котором обогащенный реагентами поток, вводимый в межтрубное пространство реактора с кожухотрубным теплообменником, представляет собой поток продувочного газа из контура синтеза аммиака.
