ПЛАСТИНЧАТЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР

Пластинчатый каталитический реактор относится к устройствам для проведения физических и химических процессов и, более конкретно, к каталитическим реакторам, используемым в процессах Клауса для переработки сероводородсодержащего газа в серу.
В химических технологических процессах известен целый ряд реакций, которые проводятся в присутствии катализатора. Такие реакции, главным образом, являются экзотермическими, часто с сильно выраженным экзотермическим эффектом. В промышленных условиях такие реакции преимущественно проводятся в реакторах, снабженных внутренним теплообменником, позволяющим поддерживать температуру реакции в интервале, соответствующем максимальной эффективности.
К таким реакторам относятся, например, трубчатые реакторы, содержащие трубы, заполненные катализатором, через которые проходит текучая среда. При этом вырабатываемое в ходе реакции тепло отводится при помощи теплоносителя, циркулирующего в межтрубном пространстве (А.с. СССР №1713640, МПК B01J 8/04). Однако эти типы реакторов имеют особенности, которые не способствуют работе. В первую очередь, геометрия теплообменников такова, что во избежание чрезмерной тепловой нагрузки на трубные пучки реакторы должны быть спроектированы с длинными теплообменными трубками малого диаметра, что приводит к высокому перепаду давления, высокой линейной скорости газа и механическим напряжениям на нижних гранулах катализатора.
Спиральные трубчатые реакторы в некоторой степени не имеют этих недостатков, но требуют многих технологических операций и точности при изготовлении. К тому же, они, как правило, дороже.
Оба типа этих реакторов не могут быть смонтированы по месту и неудобны для транспортировки.
Все эти особенности реакторов делают убыточным извлечение серы.
Все более популярными становятся пластинчатые реакторы благодаря многим своим преимуществам, например, эффективному теплоотводу, модульной конструкции, удобству обслуживания и т.д. Термин «пластинчатый реактор» в настоящем описании относится к реактору, оборудованному внутренним пластинчатым теплообменником, между пластинами которого засыпан катализатор. Известны теплообменные пластины различных конструкций, включая пластины, образованные двумя плоскими металлическими листами, соединенными по периметру и в других точках сваркой, которые раздувают воздействием высокого гидравлического давления для формирования внутренней камеры между двумя листами. Теплообменник оборудуется средствами для подвода и отвода теплоносителя (патент США №6460614, МПК F28D 9/00).
Концепция использования каталитических реакторов с внутренним охлаждением с целью достижения высокого извлечения серы на двухступенчатой установке Клауса была первоначально разработана компанией LINDE под именем ClinSulf. Специфические рабочие условия процесса требовали использования, как минимум, двух каталитических реакторов, работающих поочередно, чтобы получить и накопить серу во время реакционной фазы адсорбции, а затем высвободить серу во время фазы регенерации. Такая схема была описана в заявке на изобретение РФ №94036443, МПК В01J 8/04, С01В 17/04.
Для этих целей был разработан ряд пластинчатых реакторов с различными усовершенствованиями, среди которых реактора по Европейским патентам № ЕР 1002571, МПК B01J 8/02, № ЕР 1234612, МПК В01J 19/24, реактор для каталитической обработки газовых потоков по международной заявке WO 93/22544, МПК F01N 3/20, 3/28.
Как правило, каталитические реакторы, упомянутые выше, имеют либо радиальный, либо коаксиальный отвод технологического газа. И в том, и в другом случае при регенерации катализатора неизбежен вынос серы с технологическим газом.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является пластинчатый каталитический реактор, представленный на сайте компании DEG Engineering GmbH, Германия (http://www.deg-engineering.de/en/company.php#main_content). Пластинчатый реактор содержит корпус, встроенный в него, по меньшей мере, один пластинчатый теплообменник с загруженным между пластинами катализатором, опорную решетку, верхнее и нижнее днища, штуцер подвода и штуцер отвода технологического газа с радиальным выходом газа.
Процесс Клауса включает две стадии - термическую и каталитическую. Реакция Клауса, протекающая на катализаторе, нуждается в низкой температуре для достижения благоприятного химического равновесия и, следовательно, максимальных конверсии и извлечения серы, поэтому секция в каталитическом реакторе охлаждается за счет отвода тепла. После того, как поры катализатора насытятся серой, необходима регенерация катализатора.
Однако, во время фазы регенерации происходит выход жидкой серы из пор катализатора и унос ее с потоком технологического газа через штуцер отвода технологического газа.
Кроме того, проведенные исследования методом математического моделирования течения потоков газа внутри реактора с использованием с использованием средств вычислительной гидродинамики позволили выявить неравномерность распределения потока газа в слое катализатора.
Все это в целом снижает эффективность извлечения серы.
Технической задачей, которую решает заявленное устройство, является повышение эффективности извлечения серы за счет равномерности распределения технологического газа по слою катализатора и исключения уноса серы с потоком технологического газа.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в пластинчатом каталитическом реакторе, содержащем корпус, встроенный в него, по меньшей мере, один пластинчатый теплообменник с загруженным между пластинами катализатором, опорную решетку, верхнее и нижнее днища, штуцер вывода жидкой серы, штуцера подвода и штуцер отвода технологического газа, последний выполнен Г-образным и имеет радиально входящее в корпус колено, конец которого, размещенный внутри реактора, расположен по оси реактора и оснащен устройством для отбоя капель. При этом расстояние от нижнего края опорной решетки до нижнего края штуцера отвода технологического газа составляет от 0,3 до 0,45 от внутреннего диаметра реактора. Устройство отбоя капель представляет собой блок гофрированных просечных панелей из тонколистовой стали.
На фиг. 1 представлены поля скоростей технологического газа на выходе из реактора в соответствии с прототипом, где в слое катализатора между пластинами заметна достаточно большая область более темного цвета, в которой скорость потока газа выше. Известно, что наличие областей с существенно различающимися скоростями газовых потоков приводит к различной интенсивности процессов, протекающих в различных областях реактора. Возрастание объемной скорости газового потока в одной части реактора и снижение ее в другой приводит к изменению времени и соответствующему изменению конверсии в этих частях аппарата. При этом снижается потенциал катализатора и эффективность процесса. Возможными путями частичного устранения этого явления является установка специальных распределительных и выравнивающих устройств, в том числе на выходе газа из слоя катализатора. Для этих целей используют слои инертной насадки в верхней и нижней частях слоя катализатора, различные конструктивные приемы или их сочетание.
Проведенное исследование работы пластинчатого реактора с использованием средств вычислительной гидродинамики показало, что возможным решением для выравнивания полей скоростей является изменение конструкции штуцера отвода технологического газа. Наиболее удачным с точки зрения выравнивания полей скоростей является коаксиальный выход технологического газа. Однако, в силу конструктивных соображений, а также в связи с тем, что при этом увеличивается унос серы с технологическим газом, был рассмотрен вариант Г-образного штуцера с радиально входящим в реактор коленом, расположенным по оси реактора. Как видно из фиг. 2, на которой представлено распределение полей скоростей в слое катализатора в соответствии с заявляемым техническим решением, такой вариант расположения штуцера позволил существенно выровнять поля скоростей. Кроме того, такая конструкция штуцера заметно снижает количество унесенной с технологическим газом серы. Чтобы максимально исключить унос серы предложено оснастить штуцер устройством отбоя капель, которое может быть установлено как в его радиальной части, так и в его колене.
Устройство отбоя капель может иметь различную конструкцию, однако из опыта эксплуатации наиболее приемлемым для этих целей является устройство, выполненное в виде блока гофрированных просечных панелей из тонколистовой стали.
Расстояние от нижнего края опорной решетки до нижнего края штуцера выбирается из расчета от 0,3D до 0,45D, где D - внутренний диаметр реактора. Как показали исследования, 0,3D - минимальное расстояние, при котором распределение полей скоростей в катализаторе остается равномерным. Расстояние более 0,45D - опасно из-за возможного застывания жидкой серы на корпусе реактора и штуцере, что потребует дополнительного обогрева нижней части реактора.
Предлагаемое техническое решение будет лучше понятно при ознакомлении с нижеприведенным описанием устройства, схема которого показана на прилагаемой фиг. 3.
Пластинчатый реактор содержит корпус 1, встроенный в него, по меньшей мере, один пластинчатый теплообменник 2 с загруженным между пластинами катализатором 3, опорную решетку 4, верхнее 5 и нижнее 6 днища, штуцер входа технологического газа 7 и штуцер выхода технологического газа 8, штуцер отвода жидкой серы 9, штуцера подвода 10 и отвода 11 теплоносителя. Штуцер выхода технологического газа оснащен устройством отбоя капель жидкой серы 12.
2
2
2
2
Каталитический реактор работает следующим образом. Поток технологического газа с термической стадии, содержащий вредные соединения серы, среди которых HS, SO, COS, CS, через штуцер входа 7 поступает в реактор, заполненный катализатором 3, где происходит химическая реакция между компонентами, сопровождающаяся выделением (поглощением) тепла. Съем (подвод) тепла осуществляется за счет циркулирующего теплоносителя в пластинчатом теплообменнике 2. Для регенерации катализатора реактор переключают в режим нагрева, при этом технологический газ, в состав которого входят вредные соединения серы, в частности COS и CS, гидролиз которых происходит при высокой температуре, продолжает течь через слой катализатора и выходить через штуцер выхода технологического газа 8. Одновременно с этим сера, находящаяся в порах и на поверхности катализатора, начинает стекать в нижнюю часть реактора и выходить через штуцер 9. Часть капель жидкой серы, уносимая потоком технологического газа, оседает на устройстве отбоя капель 12 и сливается в нижнюю часть реактора.
Таким образом, предложенная конструкция пластинчатого каталитического реактора позволяет достичь более высокой эффективности извлечения серы путем исключения потерь, которые могут достигать 0,2-0,3% от общего извлечения серы.