Устройство для каталитической конверсии метана

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

«»944631 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву— (22) Заявлено 26. 11. 80 (21) 3235521/23-26 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 230782, Бюллетень № 27

Дата опубликования описания 23.07.82

151) М. Кл.

В 01 Т 8/04

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

153) УДК 66.023 (088 ° 8) (72) Авторы изобретения

И.Л.Мостинский, Я ° M.Âèçåëü, В.С.Игумно и С.И.Зырянов киеефм в плпмво Р Х ФФЧ ЭС в АЯ

1ю1зл11 л1, Институт высоких температур АН СССР ! (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ

МЕТАНА

Изобретение относится к химической технологии получения технологического газа (смесь Н и СО) для синтеза аммиака и метанола, а именно,к устройствам дпя к,талитической конверсии метана.

Известны трубчатые печи конвер"ии метана, где трубы полностью заполнены катализатором. Эти печи состоят из 1п трубы с внутренним диаметром 70-140 мм и длиной 12-14 м, причем внутри трубы полностью заполнены гранулами никелевого катализатора. Трубы обогреваются снаружи. В каждую трубу подается смесь водяного пара и природного газа (содержание метана до 96 об.Ъ) в объемном соотношении СН4 ..И О=1:4.На входе смесь имеет температуру 400ОС.

Объемный расход метана через одну трубу составляет до 150 нм /ч. Тем3 пература смеси газа по длине трубы меняется от 400 до 750 С 11) .

Однако эта конструкция может рабо-. тать только при повышенном избытке водяного пара, что меняет концентрацию метана в малом промежутке с 25 до 8 Ъ. Реакция проходит с большим поглощением тепла, а смесь входит в трубу при невысокой температуре слоя катализатора. Внутри слоя катализатора не достигается достаточно высокой температуры, что ограничивает скорость реакции, которая тем выше, чем выше температура. Пониженная скорость реакции не позволяет повысить производительность отдельной трубы и всей печи в целом. Большая часть метана реагирует в верхней части трубы при невысокой температуре и низкой скорости реакции, ограничивающей количество подаваемого тепла, поэтому не представляется возможным рационально использовать тепловой поток, а, следовательно, приходится сжигать повышенное количество топлива на обогрев, в качестве которого используют природный газ.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для каталитической конверсии метана, включающее корпус со средствами для подвода теплоносителя, реакционную трубу, заполненную инертной насадкой и катализатором gag, B таком устройстве труба имеет внутренний диаметр 0,200 м и длину

6,1 м, насадка из А020 имеет протяженность 2,44 м, а насадка иэ катализатора имеет протяженность

944631

3,66 м. Метан расходом 44 нмэ/ч в смеси с водяным паром объемным соот- ношением СН4 ..Н 0 =1:1,06 входит в слой АС О,.где, не реагируя, нагревается до 950 С. Далее нагретая смесь в слое катализатора реагирует с образованием технологического газа.

В известном устройстве процесс конверсии осуществляется при соотношении метана и водяного пара близкого к стехиометрическому (2).

Недостаток известного устройстisa заключается в низкой производительности. Это происходит из-за того, что в качестве инертной насадки используется А8 0>, в которой при предварительном подогреве происходит частичное разложение метана. Труба также имеет только один слой инертной и каталитической насадок, поэтому разогретая смесь, попадая в слой катализатора, поглощает много тепла, что снижает температуру газовой, смеси до 600-500 С.

Вследствие этого оставшийся метан реагирует с пониженной скоростью и это приводит к непроизводительным затратам топлива.

Целью изобретения является повышение производительности и уменьшение тепловых потерь.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для каталитической конверсии метана, включающем корпус со средствами для подвода теплоносителя, реакционную трубу, заполненную инертной насадкой и катализатором, З5 инертная насадка и катализатор расположены чередующимися слоями, высота каждого слоя насадки и катализатора составляет соответственно 1630 и 2-5 диаметра реакционной трубы 4О и в качестве инертной насадки используют двуокись циркония.

Отношение длин слоев к диаметру трубы является величиной оптимальной и выявлено н результате экспериментов.

Если отношение высоты слоя двуокиси циркония к диаметру трубы будет менее 16, то ре гирующая смесь не успеет нагреться до нужной температуры (900ОС), в результате чего снизится скорость реакции, и следовательно, эффективность процесса.

Кроме того, повысятся затраты тепла на обогрев трубы. Если это отношение будет более 30, то смесь, разогретая до 900 С, будет продолжать двигаться в слое инертной насадки не реагируя и не снимая большого количества тепла, что может привести к пережогу реакционной трубы и воэникно- бО вению аварийной ситуации.

Если отношение высоты слоя никелевого катализатора к диаметру трубы будет менее 2, то смесь газов не прореагирует достаточно полно и это б5 приведет к снижению эффективности процесса, а также повысит расход топлива на обогрев трубы. Если это отношение будет более 5, то реагирующая смесь газов, интенсивно поглощая тепло, снизит свою температуру до

700 С, раньше чем она войдет в слой двуокиси циркония, поэтому нозможно отложение углерода на катализаторе (в результате разложения метана) и как следствие этого разрушение катализатора.

На двуокиси циркония метан разлагается в меньшей степени, чем на А6 0> что установлено экспериментально, поэтому в качестве инертной насадки выбрана двуокись циркония. В устройстве образование технологического газа происходит в интервале достаточно высоких температур 900-700 С, где скорость реакции большая и это позволяет увеличить расход метана через одну трубу, не увеличивая ее размеры. Экспериментально доказано, что при высокой скорости реакций коэффициент теплоотдачи от стенки к реагирующему газу увеличивается, а, следовательно, увеличивается и коэффициент теплопередачи. Это позволяет увеличить количество тепла, идущего на реакцию, 7 ри одинаковой затрате топлина на обогрев труб, тогда как производительность одной трубы по метану повышается.

На фиг.1 изображено устройство, разрез; на фиг.2 — график распределения температур по длине реакционной трубы.

Устройство для каталитической конверсии метана включает корпус 1 со средствами для подвода теплоносителя, реакционную трубу 2, заполненную чередующимися слоями инертной насадкой 3 из двуокиси циркония и никелевого катализатора 4..

Пример. Диаметр трубы 0,1 м, толщина стенки 0,01 м, общая длина

8,65 м. При объемном расходе

Ч „ =175, объемном соотношении нм

Сн4 метана и нодяного пара СН4..Н 0 =

1:1,5 необходимо пять слоев двуокиси циркония и пять слоев никелевого катализатора. Слои имеют следующие размеры: ZrO - 2,5 м, катализатор—

0,16 м; ZrO< — 1,25 м, катализатор—

0,18 м; ZrO<-- 1,25 м, катализатор

0,22 м; Zr0 -1,25 м, катализатор

0,27 м; ZrO — 1,25, катализатор—

0,3.2 м.

Устройство работает следующим образом.

Реакционная смесь водяного пара и метана, поступающая в трубу при

400 С, нагревается до 900 С и на этом этапе слой двуокиси циркония

944631 кончается. Смесь попадает в слой катализатора, где бурно реагирует с поглощением тепла, а, следовательно, с понижением температуры. По достижении 700 С смесь опять поступает в слой двуокиси циркония, где нагревается до 900 С. Этот процесс повторяется 5-7 раэ по достижению остаточного содержания метана, близко к термодинамически равновесному.

Предлагаемая. конструкция устройст-10 ва позволяет повысить выход газа на 25 нм /ч и снизить тепловые потери на 12 Ъ.

Формула иэобретения

Устройство для каталитической конверсии метана, включающее корпус со средствами для подвода теплоносителя,2п реакционную трубу, заполненную инертной насадкой и катализатором,.о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности и снижения тепловых потерь, инертная насадка и катализатор расположены чередующимися слоями, высота каждого слоя насадки и катализатора составляет соответственно 16-30 и 2-5 диаметра реакционной трубы и в качестве инертной насадки используют двуокись циркония.

Источники информации, принятые во внимание при зкспертиэв

1. Лейбуш А.Г. Производство технологического газа для синтеза аммиака и метанола иэ углеводородных газов. М., Химия, 1974, с. 152.

2. Патент C3IA 9 3617277, кл. 23-288, 1971 (прототип) .

944631

Составитель Н.Агеенко

Редактор Л.Филиппова Техред К.Мыцьо Корректор В.Бутяга

Заказ 5192/б Тираж 583 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, %«35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. ужгород, ул. Проектная, 4