Устройство для получения синтез-газа

Настоящая полезная модель относится к химической промышленности и используется для производства синтез-газа, из которого получают аммиак, водород, метан и другие технические газы, а также к водородной энергетике для создания топливных процессоров электрохимических генераторов электропитания, работающих на основе топливных элементов, и представляет собой реактор каталитического риформинга углеводородов водяным паром при повышенном давлении.
Реакторы каталитического риформинга углеводородов водяным паром хорошо известны и существует большое количество конструктивных решений таких устройств. В случае больших промышленных установок, предназначенных для получения от 30000 до 120000 стандартных кубических метров водорода в час, наиболее удачной считается конструкция, в которой применяется отапливаемая горелками секционная печь с вертикально установленными в ней большим количеством длинных (десятки метров) газонепроницаемых реакционных труб, которые расположены рядами [1]. Реакционные трубы заполняют катализатором, через который сверху вниз пропускают технологический (загрузочный) газ, состоящий из нагретых до высокой температуры углеводородов (например, метан, пропан и др.) и водяного пара.
Синтез-газ, получаемый в результате реакции риформинга с участием катализатора и содержащий в большом количестве водород, отводят из реакционной камеры с помощью специальных устройств для его дальнейшего использования.
Сложность и большие габариты таких конструкций, высокая стоимость используемых материалов и недостаточная эффективность производства синтез-газа делают устройства такого типа мало пригодными для использования в малых и средних установках, предназначенных для получения от 3 до 180 стандартных кубических метров водорода в час.
В силу громоздкости и высокой стоимости конструкции, сложности эксплуатации и ремонта установок реакторов каталитического риформинга, при их проектировании и изготовлении важное значение придается обеспечению максимально возможного срока службы риформеров, поскольку ремонт таких систем, в частности замена катализатора, часто оказывается связанным с необходимостью остановки всего производственного комплекса получения синтез-газа.
Одним из элементов риформера, существенно влияющим на продолжительность безотказной работы риформера, является катализатор, теряющий в процессе работы свои каталитические свойства, в силу чего периодически возникает необходимость его замены.
Известно техническое решение, выбранное за прототип, предназначенное для получения синтез-газа [2], в котором риформер выполняют в виде полого цилиндра, образованного в пространстве между двумя концентрическими цилиндрическими трубами, создавая реакционную камеру, закрытую со стороны верхнего и нижнего торцов. Реакционную камеру риформера заполняют катализатором. Ввод парогазовой смеси производят через патрубок подачи, который устанавливают в верхнем торце устройства, а образованную в результате риформинга газовую смесь, содержащую водород, выводят через выпускной патрубок в нижнем торце устройства. Нагрев риформера осуществляют с помощью нагревателя (газового или электрического), устанавливаемого во внутреннюю полость устройства.
Несмотря на высокую степень конструкторской проработки известного технического устройства необходимо отметить существенный его недостаток, связанный с неоднородностью распределения потока парогазовой смеси, поступающего в риформер, как по поверхности, так и по объему катализатора. Это связано с «локальным» вводом парогазовой смеси в риформер через впускной патрубок, при котором основной поток парогазовой смеси попадает на ограниченный участок поверхности катализатора и, соответственно, вызывает усиленное взаимодействие парогазовой смеси с катализатором в этой области поверхности и объема. Это приводит к преждевременному выходу из строя катализатора на участке его интенсивного взаимодействия с парогазовой смесью и к недостаточному использованию всего объема катализатора, занимающего реакционный объем риформера. В результате уменьшается производительность риформера в целом и снижается срок службы катализатора.
Достигаемым техническим результатом предлагаемой полезной модели для получения синтез-газа является повышение производительности и срока службы устройства путем обеспечения равномерного распределения потока парогазовой смеси по всей поверхности и объему катализатора.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство для получения синтез-газа, выполненное в виде полого цилиндра, образованное в пространстве между двумя цилиндрическими концентрическими трубами, закрытыми со стороны их верхнего и нижнего торцов, при этом в верхнем торце установлен патрубок подачи парогазовой смеси углеводородов и водяного пара, за которым расположен входной объем реакционной камеры, реакционная камера, заполненная катализатором, в нижнем конце которой находится ее выходной объем и патрубок выпуска синтез-газа, и нагреватель, установленный внутри полого цилиндра, дополнительно введено между входным объемом реакционной камеры и реакционной камерой с катализатором газораспределительное кольцо с газораспределительными отверстиями, диаметр которых и их количество определяются соотношением:
,
где N - число газораспределительных отверстий,
D - диаметр выходного отверстия патрубка подачи парогазовой смеси во входной объем реакционной камеры,
d - диаметр газораспределительного отверстия.
Предлагается полезная модель установки для получения синтез-газа, сущность которой поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемой установки, где обозначено:
1 - верхний торец устройства для получения синтез-газа;
2 - впускной патрубок для подачи парогазовой смеси во входной объем реакционной камеры;
3 - входной объем реакционной камеры;
4 - газораспределительное кольцо;
5 - газораспределительное отверстие;
6 - реакционная камера, заполненная катализатором;
7 - выходной объем реакционной камеры;
8 - патрубок выпуска синтез-газа;
9 - нагреватель.
На фиг. 2 представлен пример реализации конструкции газораспределительного кольца с газораспределительными отверстиями, где количество N газораспределительных отверстий 5 соответствует отношению диаметра выходного отверстия патрубка подачи парогазовой смеси в реакционную камеру D в четвертой степени к диаметру газораспределительного отверстия 5 в четвертой степени d. В данной полезной модели D равно 8 мм, a d равно 4 мм. Следовательно, в данном случае количество N газораспределительных отверстий равно 16.
Достижение указанного технического результата заключается в следующем.
Потеря каталитических свойств катализатора происходит по следующим причинам. Обычно катализатор представляет собой гранулы, активная (в частности, никелевая) развитая поверхность которых активно способствует прохождению процесса риформинга углеводородов при избытке водяного пара и высокой температуре. Однако в процессе риформинга водяным паром на поверхности никелевых катализаторов могут возникнуть условия, в частности при недостаточно высоких температурах и недостатке водяного пара, при которых начнется образование твердой фазы углерода. Отложение на поверхности катализатора свободного углерода приводит к понижению активности катализатора, образованию мелкодисперсного рыхлого углерода, который проникает во внутренние поры катализатора и механически его разрушает. Кроме того, при этом происходит рост гидравлического сопротивления слоя катализатора прохождению парогазовой смеси, что «выключает» из процесса риформинга целые области катализатора.
Из вышесказанного следует необходимость обеспечения равномерного использования поверхности и объема катализатора, заполняющего реакционный объем, в процессе работы. В то же время в известном устройстве [2] имеет место неоднородность распределения парогазовой смеси, поступающей в риформер. Это связано с «локальным» вводом парогазовой смеси в риформер через впускной патрубок, при котором основной парогазовый поток попадает на ограниченный участок поверхности катализатора и, соответственно, вызывает усиленное взаимодействие парогазовой смеси с катализатором, приводящее к преждевременному выходу из строя катализатора на участке его интенсивного взаимодействия с парогазовой смесью.
Для устранения этого негативного эффекта в предлагаемом устройстве между входным объемом реакционной камеры и реакционной камерой с катализатором устанавливают газораспределительное кольцо, соединенное со стенками реакционной камеры и имеющее ряд газораспределительных отверстий. При этом поток газопаровой смеси, поступающий через впускной патрубок, через отверстия равномерно распределяется по всей поверхности катализатора, обеспечивая равномерное использование всего катализатора.
Количество отверстий и их диаметр, при которых будет обеспечено равномерное распределение входящего в реакционный объем потока парогазовой смеси по поверхности катализатора могут быть определены, исходя их следующих соображений:
- пропускная способность одного отверстия по парогазовой смеси должна быть значительно меньше пропускной способности впускного патрубка;
- пропускная способность всех отверстий должна обеспечить прохождение всего поступающего через впускной патрубок потока парогазовой смеси.
Для определения соотношения между диаметром газораспределительных отверстий и их количеством следует принять во внимание, что на участке (впускной патрубок) - (входной объем реакционной камеры) - (газораспределительное кольцо) сохраняется ламинарный характер режима течения парогазовой смеси. При этом пропускная способность отверстия (каналов малой длины), U, составляет величину [3]:
где В - постоянный коэффициент для данной парогазовой смеси, зависящий от ее вязкости, скорости, режима течения и других параметров, остающихся постоянными на рассматриваемом участке,
Т - температура парогазовой смеси,
0
М - молекулярный вес парогазовой смеси,
0
d - диаметр отверстия.
Согласно уравнению (1) пропускная способность выходного отверстия впускного патрубка, Lb равна:
где D - диаметр выходного отверстия патрубка подачи парогазовой смеси во входной объем реакционной камеры.
d
Пропускная способность газораспределительного отверстия, U, равна:
где d - диаметр газораспределительного отверстия.
Принимая во внимание сформулированные выше условия обеспечения равномерного распределения потока парогазовой смеси по поверхности катализатора, и уравнения (2) и (3) получаем соотношение потоков парогазовой смеси через выходное отверстие впускного патрубка и газораспределительного отверстия:
где N - число газораспределительных отверстий.
Окончательно:
При выполнении условия (5) парогазовая смесь будет равномерно распределяться по входной поверхности катализатора.
Устройство работает следующим образом.
Поток парогазовой смеси через впускной патрубок 2 поступает во входной объем реакционной камеры 3, отделенный газораспределительным кольцом 4 от самой реакционной камеры 6, и распределяется по всему входному объему. Далее, через газораспределительные отверстия 5 парогазовая смесь поступает в реакционную камеру 6, заполненную катализатором, равномерно по всей поверхности катализатора и также равномерно проходит сквозь всю его толщину. В реакционной камере в результате риформинга парогазовой смеси происходит образование синтез-газа, содержащего водород. Синтез-газ собирается в выходном объеме 7 реакционной камеры и далее через патрубок 8 выпуска синтез-газа поступает для дальнейшего использования. Нагрев всего устройства до необходимой для прохождения процесса парогазового каталитического риформинга температуры осуществляется с помощью нагревателя 9, размещенного во внутренней полости устройства.
Газораспределительное кольцо устанавливается в реакционную камеру после засыпки в нее катализатора.
Газораспределительное кольцо 4 изготавливают из то же материала, из которого изготовлены все конструктивные элементы риформера, например из жаропрочной нержавеющей стали типа 18Х25Н19СЛ.
Наружный диаметр газораспределительного кольца 4 (фиг. 1 и 2) соответствует наружному диаметру реакционной камеры 6, а его внутренний диаметр - ее внутреннему диаметру.
Таким образом, введение в прототип газораспределительного кольца позволило повысить производительность и срок службы предлагаемой полезной модели.
Источники информации
1. "Первичный риформер с ведущими к горелкам вторичными впускными каналами". Патент РФ на изобретение №№2457024, МПК B01J 8/06, С01В 3/38, опубл. 27.07.2012.
2. IEA/H2/TR-02/002, Joan М. Ogden. Review of small stationary reformers for hydrogen production. Обзор малогабаритных риформеров для получения водорода. Center for Energy and Environmental Studies, Princeton University, Princeton, NJ 08544, 2002.
3. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко E.A. "Конструирование и расчет вакуумных систем". - М.: Энергия, 1970, стр. 335-345.