Реактор для парциального окисления углеводородных газов



Реактор для парциального окисления углеводородных газов
Реактор для парциального окисления углеводородных газов

 


Владельцы патента RU 2554008:

Общество с ограниченной ответственностью "Газохим Техно" (RU)

Изобретение относится к реактору для парциального окисления углеводородного сырья. Реактор включает внешний корпус со средством вывода продуктов реакции из реактора и с хотя бы одним средством ввода сырья или компонентов сырья в размещенную внутри реактора с зазором с внешним корпусом катализаторную гильзу, заполненную катализатором и включающую средства вывода продуктов из ее нижней части. При этом катализаторная гильза снабжена рубашкой, примыкающей хотя бы к части цилиндрической стенки катализаторной гильзы, которая в области примыкания рубашки выполнена со сквозными отверстиями, реактор снабжен средством ввода в рубашку хладоагента, охлаждающего катализаторную гильзу и через отверстия в ее цилиндрической стенке поступающего в катализаторную гильзу. Техническим результатом заявленного изобретения является снижение температуры стенки катализаторной гильзы до 1000°C и ниже, а также снижение коррозии материала катализаторной гильзы. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к контактным устройствам, используемым для окислительной конверсии углеводородных газов в процессах парокислородного реформинга с целью получения водорода или синтез-газа для химического производства.

Каталитическое парциальное окисление углеводородного сырья в присутствии кислорода и водяного пара (парокислородный реформинг) представляется перспективным процессом, поскольку позволяет получить синтез-газ при более низкой температуре, чем в процессе парциального окисления свободным кислородом, и при определенном составе сырья, в случае автотермического реформинга, не требует подвода тепла в зону реакции, как в случае парового реформинга.

Парокислородный реформинг углеводородного сырья осуществляют следующим образом. Нагретые компоненты сырья - углеводородное сырье, водяной пар и кислород или кислородсодержащий газ (обычно воздух или обогащенный кислородом воздух) смешивают и подают в реактор, в котором размещен катализатор. Зона контакта сырья с катализатором образует зону реакции. В верхней части зоны реакции происходят быстрые экзотермические реакции окисления метана и других углеводородов и эндотермические реакции парового реформинга углеводородов, причем доля последних в общей конверсии сырья возрастает по ходу движения сырья, снижая температуру к выходу из слоя катализатора. Температурный профиль по высоте слоя катализатора имеет ярко выраженный «горб» в лобовом (10-15% от общей высоты) слое катализатора. Теоретически температура разогрева газовой смеси в лобовом слое катализатора парциального окисления превышает 1200°C и ограничивается только началом реакции диссоциации молекул водяного пара, являющейся высокоэндотермичной. Продукты реакции - смесь водорода, оксидов углерода и водяного пара выводят из зоны реакции при температуре не выше 1000°C, охлаждают, выделяют воду и направляют на дальнейшую переработку, например, на синтез углеводородов в процессе Фишера-Тропша. В некоторых случаях охлаждение продуктов включает закалку при прямом теплообмене продуктов с водой либо в специальном аппарате, либо в зоне закалки, расположенной после зоны реакции в реакторе (US 5358696, US 6797022).

Катализатор, используемый для конверсии углеводородного сырья в синтез-газ, может быть приготовлен в виде сыпучего материала или в виде блоков (состоящих из пластин, лент, вспененных материалов) теплопроводящих элементов из керамики или металлических сплавов с развитой внешней поверхностью, на которую нанесен слой каталитически активного вещества. Повышение температуры в слое катализатора ускоряет его структурную деградацию и снижение каталитической активности.

Проблема перегрева лобового слоя катализатора более или менее успешно решается в изотермическом реакторе. Для создания близких к изотермическим условий в зоне реакции используют реакторы типа трубчатых теплообменников (например, трубчатый реактор для автотермического реформинга по патенту US 8216531), теплопроводящие элементы в слое катализатора (например, теплопроводящие пластины в реакторе по патенту RU 2175799), а также специально организованные условия массо- и теплообмена в зоне реакции (кипящий слой катализатора US 4888131, турбулентный режим потоков в реакторе по заявке WO 2013008020).

Если катализатор парокислородного реформинга достаточно термостоек и повышение температуры до 1200°C в лобовом слое катализатора не приводит к быстрой его деактивации, а усложнение конструкции реактора и систем, обеспечивающих его функционирование, нежелательно (например, для блочных установок производства синтез-газа, используемых в отдаленных промысловых регионах), применение теплопроводящего носителя катализатора и специальных теплопроводящих элементов в слое катализатора представляется достаточным для выравнивания температуры в зоне реакции. Катализатор, выполненный в виде газопроницаемых блоков, может быть размещен в металлической гильзе (стакане), внешний диаметр которой меньше внутреннего диаметра внешнего корпуса реактора, а зазор между внешним корпусом реактора и гильзой с катализатором заполнен теплоизоляцией. Реактор, включающий такие элементы, описан в заявке на изобретение RU 2012107731, принятой за прототип. Однако, металлический сплав, из которого изготовлена гильза, должен обладать достаточной жаростойкостью и коррозионной стойкостью в условиях рабочих температур в зоне реакции, то есть при температуре 1200°C и выше. Такие сплавы имеют высокую стоимость. Снижение температуры стенки катализаторной гильзы до 1000°C и ниже позволяет изготовить ее из относительно недорогого жаропрочного сплава, например, ХН45Ю, являющегося коррозионностойким до температуры 1200°C.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение - снижение температуры стенки катализаторной гильзы до 1000°C и ниже, а также снижение коррозии материала катализаторной гильзы. Техническое решение - охлаждение катализаторной гильзы хладоагентом - водяным паром и/или инертным в условиях реакции газом или смесью таких газов, например, азотом, синтез-газом. Подаваемый в рубашку хладоагент охлаждает стенку катализаторной гильзы и через сквозные отверстия в стенке катализаторной гильзы поступает внутрь катализаторной гильзы в слой катализатора.

Предлагаемый реактор для парциального окисления углеводородного сырья включает внешний корпус со средством вывода продуктов реакции из реактора и с хотя бы одним средством ввода сырья или компонентов сырья в размещенную внутри реактора с зазором с внешним корпусом катализаторную гильзу, заполненную катализатором и включающую средства вывода продуктов из ее нижней части, и отличается тем, что катализаторная гильза снабжена рубашкой, примыкающей хотя бы к части цилиндрической стенки катализаторной гильзы, которая в области примыкания рубашки выполнена со сквозными отверстиями, и реактор снабжен средством ввода в рубашку хладоагента, охлаждающего катализаторную гильзу и через отверстия в цилиндрической стенке поступающего в катализаторную гильзу.

Охлаждающая катализаторную гильзу рубашка располагается с внешней стороны ее цилиндрической стенки, примыкает хотя бы к части ее поверхности. Рубашка может охватывать всю цилидрическую стенку катализаторной гильзы или только верхнюю часть стенки, наиболее нагретую. Охлаждаемую при контакте с хладоагентом стенку катализаторной гильзы выполняют со сквозными отверстиями по всей высоте или только в верхней части, в зоне, где температура катализатора превышает 1000°C. Размеры отверстий, их количество, расстояние между отверстиями и количество подаваемого в рубашку катализаторной гильзы хладоагента выбирается из необходимости обеспечить температуру стенки катализаторной гильзы не выше требуемого предела. Например, при снижении температуры стенки катализаторной гильзы хотя бы до 1000°C ее можно было бы изготовить из стали ХН45Ю, коррозионностойкой до температуры 1200°C. Поступление хладоагента в слой катализатора через сквозные отверстия в стенке катализаторной гильзы может препятствовать контакту в этой зоне содержащегося в реакционной смеси кислорода со стенкой катализаторной гильзы, снижая скорость коррозии материала. Паровой слой, образующийся при истечении охлаждающего агента (пара) через эти отверстия в зоне примыкания катализатора к катализаторной гильзе, защищает материал катализаторной гильзы от контакта с кислородом, содержащимся в реакционной смеси, что снижает скорость коррозии материала катализаторной гильзы.

В качестве хладоагента может быть использован водяной пар и/или синтез-газ, полученный в реакторе и охлажденный на последующих стадиях обработки продукта реактора. Предпочтительно использовать водяной пар, который, поступая в катализаторную гильзу, контактирует с размещенным в ней катализатором и участвует в реакции парового реформинга углеводородного сырья. Рубашку оснащают хотя бы одним средством ввода в рубашку хладоагента.

Углеводородное сырье и необходимые для его парциального окисления компоненты - кислород или кислородсодержащий газ, воду и, возможно, углекислый газ подают в реактор в виде смеси единым потоком или используют распределенный ввод сырьевой смеси или ее компонентов. Способ подачи сырья не затрагивает сущности предлагаемого изобретения.

На фиг.1 представлена схема адиабатического реактора шахтного типа для парциального окисления углеводородных газов с охлаждающей рубашкой по всей высоте катализаторной гильзы. Катализаторная гильза 4, оснащенная рубашкой 5, размещена в корпусе реактора 1 с зазором, заполненным теплоизоляцией 7. В катализаторной гильзе 4 размещен катализатор 3 для парциального окисления углеводородного сырья. Стенка катализаторной гильзы выполнена со сквозными отверстиями 6, а ее дно оснащено средствами вывода продукта 9 из катализаторной гильзы. Реактор снабжен средством ввода сырья (сырьевой смеси) 2 в катализаторную гильзу 4 и средством вывода продукта 10 из реактора, а также средством ввода хладоагента 8 в рубашку катализаторной гильзы.

Реактор работает следующим образом. Нагретая сырьевая смесь через средство ввода сырья поступает в катализаторную гильзу, контактирует с размещенным в ней катализатором с образованием продуктов реакции. Хладоагент через средство ввода поступает в рубашку катализаторной гильзы, охлаждает ее и через отверстия в стенке катализаторной гильзы поступает внутрь ее и смешивается с реакционной средой. Продукт, содержащий хладоагент или продукты его превращения при контакте с катализатором, выводят из катализаторной гильзы через средства вывода продукта из катализаторной гильзы и через средство вывода продукта из реактора, продукт поступает на дальнейшую переработку, включающую охлаждение.

На фиг.2 представлена схема реактора шахтного типа для парциального окисления углеводородных газов с охлаждающей рубашкой в верхней зоне катализаторной гильзы и с камерой охлаждения продуктов реакции. Катализаторная гильза 4, оснащенная рубашкой 5, размещена в корпусе реактора 1 с зазором, заполненным теплоизоляцией 7. В катализаторной гильзе 4 размещен катализатор 3 для парциального окисления углеводородного сырья. Стенка катализаторной гильзы выполнена со сквозными отверстиями 6, а ее дно оснащено средствами вывода продукта 9 из катализаторной гильзы в размещенную за ней в корпусе реактора камеру охлаждения продуктов реакции 13. Рубашка катализаторной гильзы 5 снабжена средством ввода хладоагента 8. Реактор снабжен средством ввода сырья (сырьевой смеси) 2 в катализаторную гильзу 4, средством вывода продукта 10 из реактора, средством ввода хладоагента 8 в рубашку катализаторной гильзы, а также средствами ввода воды 11 и распыляющего газа 12 в камеру охлаждения продуктов реакции.

Реактор работает следующим образом. Нагретая сырьевая смесь через средство ввода сырья поступает в катализаторную гильзу, контактирует с размещенным в ней катализатором с образованием продуктов реакции. Хладоагент через средство ввода поступает в рубашку катализаторной гильзы, охлаждает ее и через отверстия в стенке катализаторной гильзы поступает внутрь ее и смешивается с реакционной средой. Продукт, содержащий хладоагент или продукты его превращения при контакте с катализатором, выводится из катализаторной гильзы через средства вывода и поступает в камеру охлаждения продукта, куда подается охлаждающая вода и распыляющий ее газ. Охлажденные продукты в смеси с парами воды и распыляющим газом через средство вывода продукта из реактора поступают на дальнейшую переработку.

Конструкция реактора и количество хладоагента, подаваемого для охлаждения стенки катализаторной гильзы, определяется исходя из требований к ее температуре, производительности реактора, площади охлаждаемой поверхности и характеристик хладоагента. В предпочтительном случае температура стенки катализаторной гильзы не должна превышать 1000°C, однако возможны и другие варианты, включающие использование охлаждающей рубашки для охлаждения наиболее теплонагруженной зоны катализаторной гильзы.

1. Реактор для парциального окисления углеводородного сырья, включающий внешний корпус со средством вывода продуктов реакции из реактора и с хотя бы одним средством ввода сырья или компонентов сырья в размещенную внутри реактора с зазором с внешним корпусом катализаторную гильзу, заполненную катализатором и включающую средства вывода продуктов из ее нижней части, отличающийся тем, что катализаторная гильза снабжена рубашкой, примыкающей хотя бы к части цилиндрической стенки катализаторной гильзы, которая в области примыкания рубашки выполнена со сквозными отверстиями, реактор снабжен средством ввода в рубашку хладоагента, охлаждающего катализаторную гильзу и через отверстия в ее цилиндрической стенке поступающего в катализаторную гильзу.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в качестве хладоагента используют водяной пар, синтез-газ или их смесь.

3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что рубашка катализаторной гильзы и внешний корпус реактора образуют зазор, заполненный теплоизоляционным материалом.

4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает камеру охлаждения продуктов водой, соединенную с катализаторной гильзой через средства вывода продуктов из катализаторной гильзы, причем воду в камеру охлаждения вводят через средство подачи воды, которым оснащен реактор.

5. Реактор по п.4, отличающийся тем, что реактор дополнительно оснащен средством подачи в камеру охлаждения продукта распыляющего воду газа.

6. Реактор по п.1, отличающийся тем, что средство ввода хладоагента в рубашку катализаторной гильзы выполнено с возможностью подачи хладоагента в количестве, достаточном для охлаждения катализаторной гильзы хотя бы до 1000°C.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к подаче тепловой энергии и может быть использовано в химической промышленности и газификации. Способ подачи тепловой энергии в систему термообработки (104) сырья включает: газификацию сухого сырья в первом реакторе (106) потоком газифицирующего газа (FGG) с получением первого газового потока (PFG); окисление во втором реакторе (108) с получением второго газового потока (DFG); активацию в третьем реакторе носителей кислорода с получением избытка тепловой энергии; подачу части тепловой энергии указанного второго газового потока (DFG) и/или избыточного тепла с активации носителей кислорода в систему (104) термообработки сырья; и повышение температуры потока газифицирующего газа (FGG) по меньшей мере одной частью избыточного тепла с активации носителей кислорода для повышения температуры указанного потока газифицирующего газа (FGG) до температуры газификации.

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может быть использовано для получения водорода как в стационарных установках, так и на транспорте. Генератор водорода содержит реакционный сосуд, магистраль подачи водного раствора едкого натра, магистраль выдачи водорода, а также контейнер с твердым реагентом - алюминием.

Изобретение относится к области химии и химической технологии, а именно, к процессам переработки газообразного углеводородного сырья и получения технического водорода для химической, металлургической, автомобильной, авиационной и прочих отраслей промышленности, научных исследований, точного машиностроения, приборостроения, синтеза материалов для микроэлектроники, исходного сырья для водородной энергетики и питания топливных элементов и т.д.

Изобретение может быть использовано для производства электроэнергии из сырьевого материала, содержащего углерод, более конкретно из угля и/или сухой биомассы. Способ получения электроэнергии из сырьевого материала, содержащего углерод, включает стадии газификации сухого сырьевого материала в газификационном реакторе газовым потоком, содержащим главным образом СО2, при высокой температуре с созданием первого газового потока, включающего главным образом молекулы монооксида углерода; окисления в окислительном реакторе носителями кислорода в окисленном состоянии (МеО) при высокой температуре с созданием второго газового потока, содержащего СО2, и носители кислорода в восстановленном состоянии (Ме); активации в активационном реакторе носителей кислорода в восстановленном состоянии газовым потоком активации, включающим элементы кислорода, с созданием обедненного кислородом газового потока активации; и преобразования части тепловой энергии потока активации в электроэнергию.

Изобретение относится к способу приготовления оксидно-полиметаллических катализаторов, содержащих металлы платиновой группы, для окислительно-паровой конверсии углеводородов с получением оксида углерода и водорода.

Изобретение относится к способу получения синтез-газа из углеводородного сырья в аппарате теплообменного риформинга. Аппарат включает внешнюю оболочку, множество вертикально расположенных катализаторных труб, содержащих катализатор, несущую конструкцию катализаторных труб, средства для косвенного нагрева катализаторных труб теплообменной средой, входной канал для подачи теплообменной среды, выходной канал для вывода теплообменной среды, входной канал для подачи углеводородного сырья, которое находится во взаимодействии с катализатором, выходной канал для вывода синтез-газа после прохождения через катализаторные трубы, входной канал для подачи охлаждающей среды, которая находится во взаимодействии с катализатором.

Изобретение относится к способу получения водорода низкого давления для последующего сжигания и получения водяного пара с помощью низковольтного электролиза щелочного электролита раствора солей галогенводородных кислот и их смесей постоянным током, с помощью алюминиевых электродов, с дальнейшим извлечением кислорода в отдельный накопитель из образовавшихся алюминиевых комплексов, с поддержанием состава электролита и контролем температуры и давления в электрохимической ячейке.

Изобретение относится к способу производства водородсодержащего продукта и одного или нескольких продуктов в виде жидкой воды с использованием каталитического парового реформинга углеводородов.

Изобретение относится к катализаторам для получения синтез-газа из газообразного углеводородного сырья, например метана, природного газа или попутных нефтяных газов.

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для производства водорода и кислорода из водяного пара методом термической диссоциации и может быть использовано в сельском хозяйстве, коммунально-бытовой отрасли для работы двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок.

Изобретение относится к области гетерогенного катализа, а именно каталитическому мультиканальному реактору для проведения гетерогенных реакций, сопровождающихся эндотермическим тепловым эффектом, например паровой конверсии углеводородов с целью получения водородсодержащего газа.

Изобретение представляет устройство распределения текучей среды для соединения с трубопроводом или газоходом для текучей среды с целью улучшения распределения текущей вниз полифазной смеси, включающей в себя одну газовую фазу и одну жидкую фазу выше одного слоя катализатора гранулированного твердого каталитического материала.

Изобретение относится к способу взаимодействия одной или нескольких текучих сред. Способ включает прохождение одной или нескольких текучих сред в камеру из расположенной выше тарелки, при этом камера имеет одну или несколько боковых стенок, содержащих отверстие, а расположенная выше тарелка имеет слив, и создание канала наружу из камеры, соединяющий соответствующий слив с соответствующим отверстием, для увеличения времени и площади контакта внутри канала и камеры.

Изобретение относится к реактору со стационарным слоем катализатора, состоящему из многосекционного корпуса, крышки и днища, штуцеров для подачи и вывода продуктов реакции, каждая секция которого состоит из реакционной зоны - цилиндрического корпуса с устройством для удержания мелкозернистого катализатора, и теплообменной зоны - кожухотрубного теплообменника, в трубки которого подается реакционная смесь, а в межтрубное пространство - теплоноситель.

Изобретение относится к устройству для синтеза текучих сред безводных галоидов водорода и диоксида углерода из текучих сред органических галоидов. Система для обработки и/или разложения текучих сред органических галоидов содержит блок двойного реактора, содержащий первый реактор внутри первого теплопоглощающего сосуда, второй реактор внутри второго теплопоглощающего сосуда и третий уравновешивающий теплопоглощающий сосуд, при этом первый реактор и второй реактор гидравлически соединены, так что продукт реакции, происходящей в одном реакторе, подается в другой реактор.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в нефтехимическом производстве при создании аппаратов для проведения процесса дегидрирования легких алканов.

Изобретение относится к устройствам для получения серы из сероводородсодержащих газов и для очистки газов от сероводорода с получением серы и может найти применение в нефтегазовой, нефтеперерабатывающей и химической отраслях промышленности.

Изобретение касается способа и устройства для синтеза аммиака из синтез-газа, содержащего азот и водород. Устройство, по меньшей мере, с одним реактором (1) включает первый неохлаждаемый блок слоев катализатора (2), по меньшей мере, одно теплообменное устройство (3), по меньшей мере, два охлаждаемых блока слоев катализатора (4, 41, 42), причем каждый из блоков (4, 41, 42) оснащен совокупностью труб охлаждения (5), и циркуляционную линию (6), по меньшей мере, с одним подающим устройством (61) и, по меньшей мере, одним выпускным устройством (62).

Изобретение относится к способу получения хлора каталитическим окислением хлористого водорода кислородом в газовой фазе, когда взаимодействие проводят на не менее чем двух слоях катализатора в адиабатических условиях, а также к системе реакторов для реализации способа.

Изобретение относится к системам и устройству для контакта и распределения многофазной текучей среды. Распределяющее текучую среду устройство для реактора включает сопловую тарелку, множество каналов, прикрепленных и проходящих вертикально от верхней поверхности сопловой тарелки, и сопло для распределения текучей среды, расположенное в каждом канале. Причем каждый канал имеет открытый ближний конец, открытый дальний конец и стенку, которая образует цилиндрическую полость, и имеет боковое отверстие. Сопло включает корпус, включающий ближнюю часть, промежуточную часть и дальнюю часть, при этом ближняя часть образует цилиндрическую ближнюю полость и содержит газовый впуск, выполненный с возможностью пропускания через него газа в ближнюю часть, промежуточная часть образует цилиндрическую промежуточную полость в сообщении по текучей среде с ближней полостью, дальняя часть содержит стенку корпуса и жидкостный впуск, выполненный с возможностью пропускания через него жидкости в дальнюю часть, и дальняя часть образует цилиндрическую дальнюю полость, причем жидкостный впуск расположен по касательной к внутренней поверхности дальней части. Изобретение обеспечивает улучшение перемешивания и распределения текучей среды к поверхности каждого нижележащего слоя катализатора, а также уменьшение высоты смесительной тарелки, упрощение обслуживания, монтажа и демонтажа, уменьшение количества конструкционного материала. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 36 ил.
Наверх