РЕАКТОР СИНТЕЗА АММИАКА С РАЗДЕЛЕННЫМ ПОТОКОМ И ТРУБЧАТОЙ НАСАДКОЙ
AMMONIA SYNTHESIS REACTOR WITH SPLIT-FLOW AND TUBULAR NOZZLE

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.