УСТРОЙСТВО НАГРЕВА РЕАКЦИОННОЙ ЗОНЫ КАТАЛИТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
CATALYTIC REACTOR REACTION ZONE HEATING DEVICE

Изобретение относится к устройствам для осуществления эндотермических каталитических процессов, протекающих с получением водородсодержащего катализата таких как, например, риформинг, ароматизации легкого углеводородного сырья, паровая конверсия углеводородов и может найти применение в нефтегазовой промышленности.
Известна установка каталитической переработки легкого углеводородного сырья [RU 2565229, МПК C10G 35/04, опубл. 20.10.2015 г.], включающая нагреватель, реакторы, генератор теплоносителя, соединенный с реакторами, системы регенерации катализатора и утилизации газа регенерации.
Основным недостатком известной установки является низкая глубина превращения сырья из-за накопления в катализате продуктов реакции.
Известен способ комбинированного производства электроэнергии и получения обогащенного водородом газа паровым риформингом углеводородной фракции с подводом тепла посредством сжигания водорода по месту осуществления способа [RU 2425995, МПК F02C 6/04, опубл. 10.08.2011 г.], осуществляемый на установке, включающей реактор получения синтез-газа паровым риформингом, установленный на линии подачи водорода в качестве топлива в камеру сгорания газотурбинной установки, оснащенный устройством нагрева реакционной зоны, состоящим из внешней установки (устройства) для выделения водорода из синтез-газа (катализата), внутреннего устройства для сжигания водорода и системы подачи кислородсодержащего газа с линией ввода воздуха, включающей воздушный компрессор и устройство для циркуляции азота с рекуперационным теплообменником, холодильником, аппаратом воздушного охлаждения, сепаратором и газодувкой.
Недостатками данного устройства нагрева является сложность из-за большого количества оборудования, а также из-за необходимости использования высоких температур (1000-1200°С) в реакторе вследствие уменьшения глубины конверсии при снижении температуры.
Наиболее близким по технической сущности является система (устройство) нагрева материала для хранения водорода [US 2010/0061926 А1, МПК С01В 3/02, B01J 19/00 опубл. 11.03.2010 г.], которая включает устройство нагрева циркулирующего жидкого флюида-теплоносителя (каталитический нагреватель) за счет каталитического сжигания (окисления) кислородом воздуха части водорода, выделяемого из обратимо гидрируемого (насыщаемого водородом) материала (например, гидрида металла или адсорбента), расположенного внутри резервуара, при нагревании гидрируемого материала нагретым теплоносителем, который пропускают через каналы, расположенные в слое гидрируемого материала, отделенные от последнего теплопроводящей стенкой (перегородкой). Каталитический нагреватель заполнен катализатором окисления, соединен с резервуаром линией подачи части водорода, к которой примыкает линия подачи воздуха с газодувкой, линией подачи нагретого теплоносителя, на которой расположен циркуляционный насос, и линией подачи охлажденного теплоносителя, а также оснащен линией вывода влажного воздуха (отходящего газа), содержащего пары воды, образовавшиеся при окислении водорода.
Недостатками известного устройства являются: низкая температура нагрева гидрируемого материала, ограниченная термостабильностью теплоносителя, большой расход энергии на циркуляцию теплоносителя, взрывоопасность из-за соединения линии подачи воздуха с линией подачи водорода в каталитический нагреватель, что приводит к образованию взрывоопасной смеси водорода с воздухом. Известное устройство не применимо для нагрева реакционной зоны каталитического реактора эндотермических каталитических процессов, протекающих с образованием водорода в области температур 500°С и выше.
Задачами изобретения являются: повышение температуры нагрева, снижение расхода энергии и обеспечение взрывобезопасности устройства.
Техническим результатом является повышение температуры нагрева и снижение расхода энергии за счет исключения использования жидкого теплоносителя путем размещения в каталитическом реакторе каталитического нагревателя, отделенного от реакционной зоны водородселективной теплопроводящей перегородкой, а также обеспечение взрывобезопасности устройства за счет подачи кислородсодержащего газа непосредственно в слой катализатора окисления водорода. Дополнительных эффектом является повышение глубины превращения сырья в реакционной зоне каталитического реактора за счет удаления из зоны реакции одного из продуктов реакции - водорода.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве нагрева, включающем каталитический нагреватель с катализатором окисления, оснащенный линией вывода отходящего газа, а также линию подачи воздуха и газодувку, особенностью является то, что нагреватель размещен в реакционной зоне реактора, отделен от реакционной зоны водородселективной и теплопроводящей перегородкой, оснащен линией ввода кислородсодержащего газа, на которой расположен рекуперационный теплообменник, а на линии вывода отходящего газа размещены рекуперационный теплообменник, холодильник и газодувка, на входе в которую к линии вывода отходящего газа примыкает линия подачи воздуха, а на выходе - линия вывода балансового газа, образуя линию подачи кислородсодержащего газа.
Холодильник может быть оснащен системой сепарации и вывода водного конденсата. При недостатке тепла, выделяющегося при окисления водорода для поддержания температуры реакции, каталитический нагреватель может быть оснащен линией подачи топлива. На линии ввода кислородсодержащего газа может быть расположен пусковой нагреватель.
Каталитический нагреватель может быть выполнен, например, в виде трубчатых элементов с газопроницаемой стенкой, на которую нанесена водородселективная мембрана, например, палладийсодержащая, внутри которых размещен катализатор окисления. При этом реактор, теплообменники и газодувка могут быть изготовлены в любом исполнении, известном из уровня техники, работоспособном при термобарических условиях протекающих каталитических процессов.
Размещение в реакционной зоне реактора каталитического нагревателя, отделенного водородселективной и теплопроводящей перегородкой, позволяет, во-первых, передавать тепло в реакционную зону непосредственно через теплопроводящую перегородку, исключив использование жидкого теплоносителя и насоса для его циркуляции, за счет чего исключить расходование энергии на циркуляцию теплоносителя и повысить температуру нагрева реакционной зоны вследствие отсутствия ограничений по термостабильности теплоносителя, а, во-вторых, позволяет вывести из реакционной зоны через водородселективную перегородку по меньшей мере часть водорода, окислить его кислородсодержащим газом, а затем нагреть реакционную зону за счет тепла, выделяющегося при этом. Контакт водорода и кислорода в этом случае происходит в слое катализатора окисления, что исключает опасность взрыва и обеспечивает взрывобезопасность установки. Кроме того, из-за удаления водорода из зоны реакции, равновесие химического процесса смешается в сторону образования целевых продуктов, позволяя или повысить глубину протекания реакции или снизить температуру процесса, дополнительно уменьшая энергозатраты.
Предлагаемое устройство включает каталитический нагреватель, например, в виде трубчатого элемента, заполненного катализатором окисления 1, отделенного водородселективной теплопроводящей перегородкой 2 от реакционной зоны 3, газодувку 4, холодильник 5, рекуперационный теплообменник 6, и может быть оснащено пусковым нагревателем 7 (показан пунктиром).
При работе устройства нагретое сырье подают в реакционную зону 3 по линиям 8, а продукты превращения выводят по линиям 9. Часть водорода из реакционной зоны 3 через перегородку 2 поступает в слой катализатора окисления 1, где контактирует с кислородсодержащим газом, подаваемым по линии 10 с помощью газодувки 4 после нагрева в теплообменнике 6. Тепло, выделяющееся при окислении водорода, нагревает реакционную зону 3, а полученный отходящий газ выводят по линии 11, охлаждают в аппаратах 6 и 5, при необходимости сепарируя водный конденсат (не показано) и смешивают с воздухом, подаваемым по линии 12, для восполнения химического расхода кислорода. Балансовый газ выводят по линии 13. При недостатке тепла окисления водорода в каталитический нагреватель по линии 14 подают топливо (показано пунктиром).
Таким образом, предлагаемое устройство взрывобезопасно, позволяет повысить температуру нагрева, снизить расход энергии и может быть использовано в промышленности.