Реактор синтеза аммиака с разделенным потоком и трубчатой насадкой



Реактор синтеза аммиака с разделенным потоком и трубчатой насадкой
Реактор синтеза аммиака с разделенным потоком и трубчатой насадкой
Реактор синтеза аммиака с разделенным потоком и трубчатой насадкой

 

B01J19/00 - Химические, физические или физико-химические способы общего назначения (физическая обработка волокон, нитей, пряжи, тканей, пера или волокнистых изделий, изготовленных из этих материалов, отнесена к соответствующим рубрикам для такого вида обработки, например D06M 10/00); устройства для их проведения (насадки, прокладки или решетки, специально предназначенные для биологической обработки воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод C02F 3/10; разбрызгивающие планки или решетки, специально предназначенные для оросительных холодильников F28F 25/08)

Владельцы патента RU 2608092:

Блохин Дмитрий Александрович (RU)

Изобретение относится к получению синтетического аммиака каталитическим взаимодействием газообразного сырьевого потока, содержащего азот и водород. Реактор синтеза аммиака содержит вертикальный цилиндрический корпус, механически изолированные реакционные зоны с катализатором, расположенные друг над другом, газоходы для обхода реакционных зон газами, относящимися к другим реакционным зонам, и теплообменные трубки, находящиеся в слое катализатора для охлаждения реакционных зон. Изобретение обеспечивает повышение концентрации аммиака на выходе реакционной зоны, а также пониженное гидравлическое сопротивление слоев катализатора. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к получению синтетического аммиака каталитическим методом при взаимодействии газообразного сырьевого потока, содержащего азот и водород.

Уровень техники

Из уровня техники известно множество различных конструкций реакторов для синтеза аммиака из азота и водорода в газовой фазе в неподвижном слое катализатора.

Конструкция реактора осложняется тем, что реакция синтеза аммиака является экзотермической и протекает при высоких температурах и давлениях. Потому реактор имеет высокую стоимость.

Кроме того, равновесие в реакции синтеза аммиака из азота и водорода сильно смещено влево. Например, в крупнотоннажных производствах при давлении синтеза 323 атм и средней температуре контактирования 500°С концентрация аммиака на выходе реактора составляет около 18%. Это влечет большие энерго-механические затраты на компримирование свежего синтез-газа на его циркуляцию.

Наиболее важными параметрами для снижения стоимости реактора являются уменьшение его объема и диаметра (относительно производительности), а для снижения энергомеханических потерь - увеличение концентрации аммиака на выходе из реактора и снижение газодинамического сопротивления реактора.

В 70-х годах прошлого века на крупнотоннажных агрегатах производства аммиака широкое распространение получила конструкция аксиального типа, в которой реакционная смесь движется через слои катализатора вдоль оси реактора. Реакторы насчитывали 3-4 катализаторных слоя (полки) перед каждым из которых был устроен подвод газа через «холодный байпас» - для снижения температуры реакционной смеси.

Основной объем газа (65-80%) пропускался последовательно через все слои катализатора (Синтез аммиака, под редакцией КТН Кузнецова Л.Д., М. Химия 1982). Реакция протекала с ступенчатым снижением температуры реакционной смеси и резким снижением концентрации аммиака перед каждым слоем катализатора (см. фиг. 1).

Недостатком такой конструкции являлось высокое гидравлическое сопротивление слоев катализатора и снижение концентрации аммиака на выходе колонны из-за постоянного разбавления реакционной смеси газом с низким содержанием аммиака через «холодные байпасы».

В последнее время наиболее широкое распространение получила конструкция реактора радиально-аксиального типа (RU 2070827, 27.12.1996; US 4372920, 8.02.1983). Реакционный газ последовательно проходит две катализаторных зоны: радиальную (поперечно оси реактора) и аксиальную (вдоль оси реактора). Использование радиальной конструкции позволяет заметно снизить гидравлическое сопротивление.

Охлаждение реакционного газа между слоями катализатора осуществляется с помощью встроенного промежуточного теплообменника. Это позволяет избежать разбавления реакционного газа, снизить температуру в реакционной зоне и, как следствие, увеличить концентрацию аммиака на выходе реактора (фиг. 2).

Наиболее существенными недостатками конструкции радиального типа являются: неравномерное распределение газового потока по слою, влияние усадки катализатора, возможность псевдоразжижения катализатора в верхнем слое, сложность создания оптимального температурного режима (поля температур), усложнение загрузки и выгрузки катализатора.

Именно по этим причинам используется комбинированный тип реактора - радиально-аксиальный, частично снижающий влияние недостатков чисто аксиальной и чисто радиальной конструкции, но, в целом, сохраняющий перечисленные недостатки обеих конструкций.

Кроме того, из уровня технического развития известна конструкция реактора синтеза аммиака с трубчатой насадкой (использовалась в агрегатах производства аммиака мощностью 100-300 т/сут). В таких реакторах реакционный газ пропускался через слои катализатора аксиально, катализатор пронизывался теплообменными трубками холодного байпаса или основного потока газа, поступающего в реактор. Таким образом, в слое катализатора одновременно проходило выделение тепла реакции синтеза и его отведение через теплообменные трубки. Один из вариантов такой конструкции описан в RU 2241667, 10.12.2004.

Преимущество конструкции с трубчатой насадкой состоит в приближении температурного режима к оптимальному и высокой устойчивости процесса. Кроме того, такая конструкция была относительно проста и надежна.

Недостатком такой конструкции является высокое гидравлическое сопротивление, в связи с чем она не нашла применение на крупнотоннажных агрегатах производства аммиака.

Кроме того, известны способы, позволяющие снижать гидравлическое сопротивление контактных аппаратов с ограниченной площадью поперечного сечения (RU 2469765, 20.12.2012; US 7081230 В2, 25.07.2006). Аппарат устраивается таким образом, что реакционный поток разделяется на две (или более) части, каждая из которых направляется в свою, изолированную, часть аппарата, где и протекают реакции; причем эти реакционные зоны разделены по высоте аппарата. Затем потоки снова объединяются. Таким образом, искусственно удваивается (или утраивается и т.д. - по количеству потоков) поперечное сечение реакционной зоны, снижается скорость течения реакционной смеси и снижается гидравлическое сопротивление при исходном диаметре аппарата.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является конструкция, описанная в US 7081230. Синтез-газ перед первой полкой разделяется на два потока. Промежуточные катализаторные полки также разделены на две части, расположенные одна над другой и механически изолированные. Таким образом каждый поток пропускается через свои полки, гидравлическое сопротивление снижается. Охлаждение газа производится во встроенном теплообменнике после выхода реакционного газа из полки.

Протекание реакции в такой конструкции соответствует диаграмме фиг. 2.

Таким образом, прототип содержит уже известные ранее недостатки: неоптимальный температурный режим (теплообменник находится между слоями катализатора), усложнение загрузки и выгрузки катализатора.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является реактор синтеза аммиака, в котором реакция протекает при оптимальной температуре (чтобы концентрация аммиака на выходе аппарата была как можно выше), и, в тоже время, чтобы такой реактор обладал пониженным гидравлическим сопротивлением при аналогичном диаметре.

Этого достигают согласно изобретению благодаря тому, что:

a) реакционный газ в ходе реакции непрерывно охлаждается с помощью теплообменных трубок, находящихся в слое катализатора;

b) поток реакционного газа в реакторе разделяется на две или более части, и каждый поток протекает через свой индивидуальный слой (или слои) катализатора.

Структурная схема такого реактора показана на фиг. 4, где условно отображен реактор (101), слои катализатора (102), потоки реакционного газа (103) и охлаждающего вещества (104).

Техническим результатом, по сравнению с прототипом, является более высокая концентрация аммиака на выходе реакционной зоны, достигаемая благодаря непрерывному охлаждению реакционного газа в ходе реакции.

По сравнению со всеми другими известными конструкциями техническим результатом является снижение гидравлического сопротивления реактора.

Описание чертежей

Фиг. 1 - диаграмма протекания реакции в реакторе аксиального типа в координатах температура/концентрация аммиака.

Фиг. 2 - диаграмма протекания реакции в реакторе радиально-аксиального типа и реакторе-прототипе в координатах температура/концентрация аммиака.

Фиг. 3 - диаграмма протекания реакции в изобретенном реакторе в координатах температура/концентрация аммиака.

Фиг. 4 - структурная схема изобретенного реактора.

Фиг. 5 - вариант устройства реактора синтеза в продольном разрезе.

Осуществление изобретения

Рассмотрим пример реализации реактора (см. фиг. 5) на основе раскрытых в изобретении принципов.

Основной поток циркуляционного газа (около 40…50%) вводится в реактор снизу (201) и поднимается вверх по кольцевому зазору между корпусом и внутренней обкладкой (202).

Далее газ пропускают через межтрубное пространство встроенного в головку реактора теплообменника (203) и разделяют на два равных потока, каждый их которых направляется в свою часть аппарата - второй поток свободно проходит по газоходу (204) сквозь верхнюю половину аппарата в нижнюю.

Далее каждый из потоков смешивается с газами холодных байпасов (205), поступающими через теплообменные катализаторные трубки (206, 207), и с температурой начала реакции (390…420°С) подают на верхний слой катализатора (208, 209).

Реакционный газ начинает бурно реагировать с выделением тепла, разогревается до температуры максимальной скорости реакции (480…500°С) и, продвигаясь дальше через слой катализатора, непрерывно охлаждается до температур, близких к температуре начала реакции (410…430°С), при которых равновесная концентрация аммиака максимальна (37…33% об. для давления синтеза 24 МПа и содержания инертных газов 9%).

Замечу, что равновесная концентрация аммиака в реакторах с теплообменником между слоями, например, как в реакторе-прототипе, составляет 20% об. (для температуры газа на выходе из слоя катализатора 460°С), измеренная концентрация аммиака на выходе реактора составляет 18.5…19% об.

Учитывая, что снижение температуры газа на выходе из катализаторной зоны с 460°С до 420°С уменьшит скорость реакции всего на 3%, а время нахождения газа в зоне реакции увеличится практически вдвое, можно ожидать, что концентрация аммиака на выходе катализаторной зоны изобретенного реактора будет близка к равновесной и составит 34…31% об.

Далее прореагировавший поток из нижней части аппарата по центральному газоходу (210) поднимается вверх - по пути смешиваясь с прореагировавшим газом верхней половины аппарата. Общий поток из центрального газохода пропускают через трубное пространство встроенного в головку реактора теплообменника (203), охлаждают основной поток газа, поступающего в реактор, и выводят (214) из реактора.

Подача газа холодных байпасов (205) в теплообменные трубки (206, 207) осуществляется таким образом, чтобы создать возможность регулирования температурного поля при изменяющихся условиях реакции. Например, на фиг. 4 одна часть газа холодных байпасов охлаждает катализаторный слой по всей высоте, а вторая часть охлаждает верхний, наиболее нагруженный слой.

Для экономии сечения реактора в показанном примере в качестве теплообменных катализаторных трубок предложены трубки Пито. Кроме того, как показала практика использования трубчатых реакторов, такая конструкция (т.н. насадка с двойными прямоточными трубками) обеспечивает наиболее благоприятный температурный режим (Синтез аммиака, под редакцией КТН Кузнецова Л.Д., М.: Химия, 1982).

Выходя из охлаждающих трубок, газ «холодных байпасов» смешивают с газом основного потока и направляют на верхний слой катализатора. В дальнейшем смешение реакционного газа с газом «холодных байпасов» исключается и, таким образом, не происходит разбавление реакционного газа, что позволяет получить максимальную концентрацию аммиака на выходе из реактора.

Загрузка и выгрузка катализатора может осуществляться через верхние (211) и нижние люки (212) без необходимости снятия крышки реактора и демонтажа насадки. На фиг. 5 показан способ устройства загрузочных и выгрузочных труб, в которых разделение катализатора двух реакционных зон осуществляется с помощью продольной перегородки (213, 214), проходящей внутри трубы и доходящей до общего люка.

Для аварийной разгрузки катализатора предусматривается возможность демонтажа теплообменных труб через демонтированную крышку реактора.

Показанный в примере реактор можно получить в результате реконструкции действующих реакторов крупнотоннажных производств аммиака.

1. Реактор синтеза аммиака, содержащий, по крайней мере:

вертикальный цилиндрический корпус,

две или более расположенные друг над другом механически изолированные реакционные зоны с катализатором для работы с двумя или более нисходящими параллельными потоками,

газоходы для свободного обхода реакционных зон газами, относящимися к другим реакционным зонам,

теплообменные трубки, находящиеся в слое катализатора для охлаждения реакционных зон.

2. Реактор по п. 1, в котором в каждой реакционной зоне может присутствовать два или более слоя катализатора.

3. Реактор по п. 2, в котором по крайней мере один слой катализатора снабжен теплоотводящими трубками.

4. Реактор по п. 1, в котором катализатор располагается внутри трубок, а охлаждающее вещество подается в межтрубное пространство.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу селективного удаления газообразных продуктов реакции из газообразной системы, включающей реагенты и продукты, при проведении химических реакций, таких как синтез аммиака, метанола и т.д., и реакторам для проведения способа.

Изобретение относится к химической промышленности. Углеводородное сырье 107 смешивают с потоком 108 пара, подогревают в подогревателе 110 и направляют в установку 101 первичной конверсии с получением первого продуктового газа 113, окисляемого воздухом 114 в установке 102 вторичной конверсии.

Настоящее изобретение относится к способу получения аммиака-мочевины. Жидкий аммиак (20), содержащий незначительные количества водорода, азота, метана и необязательно других инертных в отношении мочевины газов, получают в процессе синтеза аммиака, который проводят при определенном давлении синтеза аммиака, и по крайней мере часть указанного жидкого аммиака используют для обеспечения входного потока аммиака (24) процесса синтеза мочевины 16.

Изобретение относится к области химической технологии и, более конкретно, к электролизу воды, и предлагает способ получения потока газа путем прохождения потока воздуха по ионной поверхности, применимый при производстве электроэнергии.

Изобретение относится к способу производства аммиака. Способ включает осуществление экзотермической реакции первой части потока углеводородного сырья с газообразным окислителем, содержащим молекулярный кислород, для образования синтез-газа, осуществление эндотермического реформинга второй части потока углеводородного сырья паром на катализаторе в реакторе-теплообменнике для образования синтез-газа, объединение образующихся продуктов с получением объединенного потока синтез-газа, охлаждение объединенного потока с получением пара в утилизационном паровом котле, осуществление каталитической реакции объединенного потока в реакторе каталитического сдвига монооксида углерода для производства потока, содержащего дополнительное количество Н2 и CO2, охлаждение полученного потока для получения пара, удаление CO2 из потока с получением потока, обедненного CO2, удаление потока, по существу, чистого Н2 высокого давления из потока, обедненного CO2, используя многослойные системы адсорбции со сдвигом давления, и объединение потока, по существу, чистого Н2 высокого давления с потоком, по существу, чистого N2 высокого давления для производства аммиака, при этом аммиак производят независимо от продувки контура.

Изобретение относится к способу модификации аммиачного реактора с горячей стенкой, имеющего корпус с отверстием, занимающим только часть его сечения. Способ модификации аммиачного реактора с горячей стенкой, имеющего корпус с отверстием, занимающим только часть его сечения, при осуществлении которого: собирают каталитический картридж (7) из модульных элементов непосредственно внутри корпуса (2), при этом размеры модульных элементов подходят для их введения в корпус через имеющееся в корпусе отверстие (6), занимающее только часть его сечения, и каждый элемент имеет по меньшей мере одну панель (11); формируют посредством панелей (11) модульных элементов цилиндрическую наружную стенку (7а) картриджа (7) и кольцевое проточное пространство (8) между наружной стенкой картриджа и внутренней стенкой корпуса, при этом в панели (11) заранее, до их установки в корпус (2), введен теплоизолирующий слой (13).

Изобретение может быть использовано для производства аммиака паровой конверсией углеводорода, такого как природный газ. Углеводородное сырьё (5) и воздух (14) подают в секцию конверсии (1), где получают кондиционный синтез-газ (6).

Изобретение относится к способу и соответствующему оборудованию для получения кондиционного синтез-газа для производства аммиака с криогенной очисткой. Способ включает конверсию углеводородного исходного сырья с последующими стадиями конверсии СО, удаления СО2 и метанирования с получением потока сырого кондиционного синтез-газа, содержащего водород и азот, обработку сырого синтез-газа в секции криогенной очистки с получением потока очищенного синтез-газа, подачу жидкого потока, обогащенного азотом, при криогенной температуре в секцию криогенной очистки, обеспечение косвенного теплообмена между синтез-газом и жидким потоком, обогащенным азотом, в криогенной секции, причем поток, обогащенный азотом, частично испаряют для обеспечения охлаждения криогенной секции, и обработку воздушного потока в устройстве разделения воздуха с получением жидкого потока, обогащенного азотом, и потока, обогащенного кислородом.

Изобретение относится к катализатору синтеза аммиака. Данный катализатор представляет собой нанесенный металлический катализатор, который нанесен на соединение майенитового типа, содержащее электроны проводимости в концентрации 1015 см-3 или более и служащее носителем для катализатора синтеза аммиака.

Изобретение относится к области нефтехимии, в частности к реакторам дегидрирования парафиновых углеводородов С3-С5 в соответствующие олефиновые углеводороды. Реактор с кипящим слоем мелкозернистого катализатора содержит вертикальный цилиндрический корпус, патрубок ввода паров сырья, соединенный с распределителем сырья в нижней части корпуса реактора, патрубки вывода контактного газа, ввода и вывода циркулирующего катализатора, секционирующие решетки с возрастающим по высоте реактора свободным сечением, разделяющие кипящий слой катализатора на секции, при этом между нижней секционирующей решеткой и распределителем сырья установлена успокоительная решетка, которая имеет свободное сечение больше, чем свободное сечение нижней секционирующей решетки, и составляющее более 25 и менее 90% от сечения корпуса, при этом расстояние от этой решетки до нижней секционирующей решетки составляет 0,5-2,0 высоты секции над нижней секционирующей решеткой.

Изобретение относится к способу селективного удаления газообразных продуктов реакции из газообразной системы, включающей реагенты и продукты, при проведении химических реакций, таких как синтез аммиака, метанола и т.д., и реакторам для проведения способа.

Изобретение относится к области химического машиностроения, а именно к каталитическому реактору для получения синтез-газа, который может быть использован в качестве инициирующих водородных добавок к основному топливу в двигатели внутреннего сгорания и в газотурбинных двигателях.

Изобретение относится к способу и устройству для окисления реагентов в водной реакционной среде с использованием газообразного молекулярного кислорода. Способ окисления материала в окислительном реакторе, включающем внешний циркуляционный контур, имеющий приспособление для увеличения давления во внешнем контуре, включает стадии: a) измерение концентрации кислорода в реакторе, b) выведение объема водной среды из реактора и измерение концентрации кислорода в этом объеме, c) введение кислорода в объем в растворенном виде и обеспечение достаточным временем пребывания для достижения желательного концентрации кислорода, где количество введенного кислорода определяют путем измерения растворенного кислорода в реакторе и его давления и измерения плотности объема и концентрации кислорода в незаполненном объеме, d) введение объема обратно в реактор при повышенном давлении и через устройство Вентури в жидкостный распределитель, e) образование циркуляционной схемы в реакторе, в результате чего повышенная концентрация кислорода поддерживается в водной среде в нижней части реактора, и где внешний циркуляционный контур поддерживают под давлением во время проведения стадий c), d) и е).

Изобретение относится к сернокислотному производству и может быть использовано для утилизации отходящих сернистых газов предприятий цветной металлургии. Исходный сернистый газ с содержанием SO2 0,5-1,2 об.% нагревают в теплообменнике до температуры 250-300°С.

Изобретение относится к способу синтеза метанола в изотермических реакторах. Способ включает получение питающего потока свежего газа при риформинге или газификации, подачу свежего газа в замкнутую систему синтеза, конверсию свежего газа в метанол в каталитической среде, при этом тепло напрямую отводят из каталитической среды, в результате среда является изотермической, конденсацию метанола, при этом получают жидкий метанол-сырец и рециркулирующий газ, который направляют в рециркуляционную систему в замкнутой системе синтеза, причем каталитическая среда включает множество изотермических каталитических слоев, часть питающего потока свежего газа смешивают с рециркулирующим газом, при этом получают газообразную смесь свежего газа и рециркулирующего газа и часть газообразной смеси направляют между первым и вторым каталитическим слоем среды, газообразную смесь свежего газа и рециркулирующего газа смешивают с потоком, выходящим из первого каталитического слоя, при этом получают питающий поток второго каталитического слоя.

Изобретение относится к каталитической системе, подходящей для проведения частичного каталитического окисления при малой продолжительности контакта, для получения синтез-газа и, возможно, водорода.

Системы и устройства для перемешивания, охлаждения и распределения многофазных текучих смесей в реакторе, при этом внутриреакторное устройство настоящего изобретения обеспечивает не только улучшенное перемешивание и распределение текучей среды по поверхности каждого лежащего ниже слоя катализатора, но также имеет другие преимущества, включающие: уменьшенную высоту смесительной тарелки; облегченное техническое обслуживание, сборку и разборку; сниженную материалоемкость при производстве.

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.

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.

Изобретение относится к способу синтеза мочевины из аммиака и двуокиси углерода с образованием карбамата аммония в качестве промежуточного химического соединения.
Наверх