СИСТЕМА СТЕНОК ДЛЯ СЛОЕВ КАТАЛИЗАТОРА В РЕАКТОРАХ СИНТЕЗА
SYSTEM OF WALLS FOR CATALYST LAYERS IN SYNTHESIS REACTORS

Область техники
В целом, изобретение относится к области гетерогенного каталитического синтеза химических соединений в реакторах, оборудованных неподвижными слоями катализатора, сквозь которые проходит газовый поток синтез-газа, в частности в радиальном, радиально-осевом и осевом направлениях.
В частности, настоящее изобретение относится к системе стенок (перегородок) для слоев катализатора упомянутых реакторов синтеза и реактору, содержащему такие системы стенок.
Уровень техники
Как известно, в реакторах с неподвижными слоями катализатора, используемыми для гетерогенного каталитического синтеза химических соединений, например аммиака и метанола, система стенок предназначена, в частности, для распределения синтез-газов внутри этих слоев катализатора. Подобные системы стенок спроектированы и изготовлены так, чтобы выполнялись определенные функциональные требования, необходимые для правильной работы реактора синтеза, к которым относятся:
- проницаемость для потока синтез-газов должна создавать определенные нагрузочные потери, обеспечивающие оптимальное распределение потока по всему слою катализатора;
- ограждение и механическое закрепление массы катализатора с тем, чтобы противодействовать давлению этой массы катализатора (под действием собственного веса и вследствие разницы в расширении катализатора и ограничивающих его стенок) и давлению газов, проходящих сквозь слой катализатора.
Известно, в частности, что для того чтобы выполнить указанные требования, используются системы стенок для слоев катализатора, состоящие из нескольких стенок, каждая из которых выполняет одну или более упомянутых функций.
Пример системы стенок для распределения синтез-газа в слоях катализатора описан в патентной заявке FR 2615407. В этом документе, в частности, раскрыта система распределения синтез-газа в слое катализатора реактора, состоящая из нескольких трубчатых модулей (называемых гребешками), имеющих дугообразный профиль и соединенных друг с другом с образованием газораспределительной стенки. Каждый трубчатый модуль закрыт с нижнего конца, открыт с противоположного конца для входа газов и имеет газонепроницаемую стенку, находящуюся вблизи оболочки реактора или в случае наличия картриджа для катализатора вблизи внутренней стенки картриджа, и решетку, проницаемую для газов. Решетка состоит из ряда параллельных продольных металлических стержней (например, параллельных оси реактора), разнесенных друг от друга и приваренных к рядам поперечных стержней, также разнесенных на подходящее расстояние. Продольные стержни также приварены своими соответствующими концами к кольцеообразным опорам. Решетка каждого трубчатого модуля непосредственно соприкасается с катализатором и, по существу, выполняет функции ограждения и крепления катализатора, обеспечивая при этом свободное прохождение газов в катализатор, но не позволяя катализатору выходить за ее пределы. Внутри каждого трубчатого модуля также предусмотрена перфорированная стенка, прикрепленная к продольным кромкам решетки для создания посредством ее разделяющего пространства, обеспечивающего нагрузочные потери входящих газов для их оптимального распределения внутри слоя катализатора.
Вышеупомянутая система стенок с трубчатыми модулями обладает, однако, рядом недостатков, включая сложность конструкции и сборки из-за необходимости выполнять последовательность сварных соединений для крепления стержней решетки.
Кроме того, известно, что если реактор предназначен для синтеза аммиака, внутренние компоненты реактора и особенно стенки системы распределения газа в слоях катализатора подвержены азотированию при нормальной работе реактора, в результате чего механическая прочность этих компонентов постепенно падает. Это обстоятельство в случае использования вышеупомянутых систем стенок с трубчатыми модулями вынуждает для обеспечения достаточной механической прочности в процессе работы реактора использовать материалы, обладающие стойкостью к азотированию, и значительно более дорогие, например, специальные стали Inconel (железоникелевые сплавы) для элементов малой толщины, таких как стержни решетки.
С другой стороны, следует заметить, что более толстые элементы можно изготовить из обычных, более дешевых материалов (например, нержавеющей стали), однако это влечет за собой необходимость сварки разнородных материалов. Такие сварные швы подвержены растрескиванию и разрушению из-за термических напряжений, связанных с различием коэффициентов теплового расширения использованных материалов.
В основе настоящего изобретения лежит задача создания системы стенок для слоев катализатора в реакторах синтеза, в частности для распределения синтез-газа в слоях катализатора, в которой отсутствуют указанные недостатки и, в частности, системы стенок для слоев катализатора, простой и дешевой в изготовлении и обладающей удовлетворительными характеристиками в отношении механической прочности и устойчивости к азотированию в нормальных условиях работы реактора синтеза, в котором она используется.
Краткое изложение сущности изобретения
Данная задача решена в системе стенок для слоев катализатора реакторов для гетерогенного синтеза химических соединений, отличающейся тем, что она содержит стенку заданной толщины, непосредственно соприкасающуюся со слоем катализатора, который она ограждает, причем эта стенка имеет ряд газопроницаемых участков и ряд газонепроницаемых участков (секций), при этом на каждом газопроницаемом участке имеется множество щелей, размер которых обеспечивает свободное прохождение сквозь них синтез-газов, но препятствует прохождению катализатора. В предпочтительном варианте толщина ограждающей стенки составляет в интервале от 1 до 10 мм, предпочтительно от 3 до 6 мм. В предпочтительном варианте в вышеупомянутой ограждающей стенке на газонепроницаемых участках также обеспечивается опорная конструкция для слоя катализатора. В предпочтительном варианте ограждающая стенка содержит ряд скрепленных модулей, причем каждый модуль имеет газопроницаемые участки и/или газонепроницаемые участки.
Щели могут быть любой формы, прямолинейной или криволинейной, и могут быть распределены в любом порядке, например они могут проходить продольно или поперечно оси реактора с любой комбинацией щелей - прямолинейных, криволинейных или и тех и других.
В соответствии с предпочтительным вариантом предложенная в изобретении система стенок дополнительно содержит распределительную стенку, имеющую газопроницаемые участки, отделенные от ограждающей стенки так, что между ними создается разделяющее их пространство.
В предпочтительном варианте газопроницаемые участки распределительной стенки содержат множество отверстий, выполненных в этой стенке. Предпочтительно чтобы газопроницаемые участки распределительной стенки располагались бок о бок с газонепроницаемыми участками ограждающей стенки так, чтобы избежать прямого попадания на катализатор синтез-газов, проходящих сквозь газопроницаемые участки. В случае описанной выше известной системы стенок невозможно защитить катализатор от прямого попадания синтез-газов, выходящих из распределительной стенки.
Описанная распределительная стенка сама по себе является обычной и может быть снабжена также обычными средствами создания разделительного промежутка для надежного поддержания нужного взаимного расположения ограждающей стенки катализатора и распределительной стенки также и в условиях воздействия сильных механических и термических напряжений, которым может подвергаться стенка внутри реактора в нормальных условиях его работы.
Главное преимущество системы стенок, предложенной в изобретении, состоит в простоте ее изготовления, поскольку газопроницаемые участки (т.е. описанные выше щели) выполняются непосредственно в теле модулей ограждающей стенки катализатора, поэтому нет необходимости делать сварные соединения для изготовления решеток, что требовалось в описанной выше известной системе стенок.
Кроме того, наличие газонепроницаемых участков обеспечивает достаточную механическую прочность ограждающей стенки, что дает ей возможность противостоять механическим и термическим напряжениям в нормальных условиях работы реактора. Преимуществом конструкции является и то, что механическая прочность стенки может быть согласована со специфическими требованиями реактора, для которого она предназначена, путем соответствующего выбора толщины ограждающей стенки катализатора.
Например, толщина ограждающей стенки может быть сделана такой, что газонепроницаемые участки этой стенки могут служить опорой для катализатора. В другом варианте функция опоры катализатора может частично или полностью выполняться распределительной стенкой при соответствующем выборе ее толщины для обеспечения нужной механической прочности.
Следует также отметить, что в системе стенок, предложенной в изобретении, нет нужды использовать дорогие материалы как для ограждающей стенки, так и для распределительной стенки, что позволяет существенно снизить расходы на изготовление.
Например, в случае использования предложенной в изобретении системы стенок в реакторе синтеза аммиака, для изготовления как ограждающей так и распределительной стенок можно применять относительно недорогие материалы, например нержавеющую сталь, которая обеспечивает надлежащую механическую прочность и устойчивость к азотированию. В частности, негативные воздействия на механическую прочность, обусловленные азотированием поверхности, могут быть компенсированы выбором подходящей толщины этих стенок или в случае ограждающей стенки катализатора выбором расположения и количества газопроницаемых участков и газонепроницаемых участков.
В случае известных систем стенок, напротив, необходимо использовать очень дорогие материалы, обладающие высокой устойчивостью к азотированию, например специальные стали Inconel (железоникелевые сплавы), для элементов малой толщины (например, соединенные сваркой стержни решетки), чтобы достичь требуемой механической прочности при работе реактора.
Также следует отметить в качестве преимущества, что щели газопроницаемых участков могут быть расположены в заданном порядке и количестве вдоль всей ограждающей стенки катализатора для выполнения возможных и специфических требований без заметного ухудшения, тем самым механической прочности стенки.
Настоящее изобретение также относится к реактору для гетерогенного синтеза химических соединений, имеющему оболочку, закрытую с противоположных концов соответствующими днищами, отверстие для впуска синтез-газов, отверстие для выпуска продуктов реакции, по меньшей мере один слой катализатора и по меньшей мере одну описанную выше систему стенок для этого по меньшей мере одного слоя катализатора.
Предложенный в изобретении реактор может представлять собой реактор с пересечением газами слоя катализатора или слоев катализатора при их движении в радиальном, радиально-осевом или осевом направлении.
В частности, в случае реакторов с пересечением по меньшей мере одного слоя катализатора газами, двигающимися в радиальном или радиально-осевом направлении, предложенная в изобретении система стенок может быть установлена со стороны впуска газа в по меньшей мере один слой катализатора и/или со стороны выпуска газа из по меньшей мере одного слоя катализатора, при этом соответствующие ограждающие стенки соприкасаются с катализатором.
Преимуществом предложенной в изобретении системы стенок является оптимальное распределение синтез-газов внутри соответствующего слоя катализатора со стороны впуска газа благодаря тому, что газы, проходящие в отверстия распределительной стенки, испытывают нагрузочные потери в пространстве между распределительной стенкой и ограждающей стенкой, в результате чего снижается скорость этих газов на входе в слой катализатора. Следует, однако, заметить, что также возможны и другие варианты выполнения реактора, в которых распределительная стенка предложенной в изобретении системы стенок отсутствует со стороны впуска газа в соответствующий слой катализатора или со стороны выпуска газа из соответствующего слоя катализатора.
В предложенном в изобретении реакторе системы стенок слоев катализатора закреплены внутри реактора обычным путем. В случае использования внутри реактора картриджа, в котором помещаются слои катализатора, проницаемого для газов, система стенок для впуска газа, предложенная в изобретении, располагается на внутренней стенке этого картриджа относительно ограждающих стенок в соприкосновении с катализатором соответствующих слоев катализатора.
В реакторах, где газы пересекают по меньшей мере один слой катализатора в осевом направлении, предложенная в изобретении система стенок может быть помещена на верхнем днище, где производится впуск газа, и/или на нижнем днище соответствующего слоя катализатора, откуда газ выпускается.
Преимуществом предложенной в изобретении системы стенок является то, что она может быть использована вместо обычных защитных решеток катализатора, при этом обеспечивая оптимальное распределение синтез-газов в слое катализатора.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из приведенного ниже описания некоторых предпочтительных вариантов его осуществления со ссылками на приложенные чертежи, которое предназначено для иллюстрации изобретения, не ограничивая его:
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен схематически вид продольного сечения реактора для гетерогенного синтеза химических соединений, включающий согласно изобретению систему стенок для впуска газа в слой катализатора и систему выпуска газа из слоя катализатора,
на фиг.2 представлен схематически вид поперечного сечения реактора, показанного на фиг.1,
на фиг.3 представлен схематически перспективный вид сечения системы стенок для впуска газа и системы стенок для выпуска газа реактора, показанного на фиг.1,
на фиг.4 представлен схематически перспективный вид сечения системы стенок только для выпуска газа реактора, показанного на фиг.1,
на фиг.5 представлен схематически перспективный вид сечения системы стенок для выпуска газа из слоя катализатора в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, и
на фиг.6 представлен схематически фрагмент системы стенок в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
На упомянутых чертежах реактор для гетерогенного синтеза химических соединений обозначен цифрой 1.
Реактор 1 содержит, по существу, цилиндрическую оболочку 2, закрытую с противоположных концов соответственно верхним днищем 4 и нижним днищем 3. В верхнем днище 4 имеется отверстие 5 для впуска газового потока реагентов, а в нижнем днище 3 имеется отверстие 6 выпуска газового потока, содержащего продукты реакции.
Внутри оболочки 2 сформирован кольцевой слой 7 катализатора, радиально-осевого типа пересечения, который по краям ограничен предложенными в изобретении системами 8 и 9 стенок соответственно для впуска газов в слой 7 катализатора и выпуска газов из него. Соответствующие характеристики систем 8 и 9 стенок, предложенных в изобретении, будут более ясны из приведенного далее описания.
Слой 7 катализатора открыт сверху для обеспечения осевого прохождения через него части потока газовых реагентов, а снизу ограничен нижним днищем реактора 1.
В реакторе 1, показанном на фиг.1 и 2, система 8 стенок для впуска газа расположена вблизи оболочки 2, в то время как система 9 стенок для выпуска газа расположена по центру реактора 1. Таким образом, между оболочкой 2 и системой 8 стенок образовано кольцевое разделяющее пространство 10, обеспечивающее радиальное пересечение слоя 7 катализатора частью потока газовых реагентов.
Система 9 стенок, напротив, закрыта сверху газонепроницаемой заглушкой 11 обычного типа. Также предусмотрена камера 12, проходящая по оси слоя 7 катализатора, ограниченная системой 9 стенок и заглушкой 11, по которой продукты реакции, выходящие из слоя катализатора, направляются в отверстие 6 для выпуска их из реактора 1.
Пунктирной линией на фиг.1 у верхнего конца системы 8 стенок для впуска газа обозначается максимальный уровень, который может быть достигнут катализатором в слое 7 катализатора и которым вместе с системами 8 и 9 стенок и нижним днищем 3 определяется достижимый для реактора 1 реакционный объем.
На фиг.1 и 2 стрелками показаны различные пути прохождения газов в реакторе и, в частности, сквозь слой 7 катализатора.
Согласно настоящему изобретению система 8 стенок для впуска газа, так же как и система 9 стенок для выпуска газа состоит из двух, по существу, цилиндрических стенок 14, 15, расположенных коаксиально и разнесенных друг от друга так, что между ними образовано кольцевое разделяющее пространство 16.
В частности, как показано на фиг.3 и 4, стенка 14 каждой из систем 8 и 9 стенок имеет непосредственный контакт с катализатором слоя 7 катализатора, ограждая его по бокам, и имеет ряд газопроницаемых областей или участков 17 в виде кольцевых поясов, имеющих множество осевых щелей 18 (то есть проходящих параллельно продольной оси оболочки 2), перемежающихся со "сплошными" областями или газонепроницаемыми участками 19, не содержащими щелей, также в виде кольцевых поясов. Форма щелей 18 должна обеспечивать свободное прохождение сквозь них газов, но не пропускать катализатор из слоя 7 катализатора. С учетом этого ширина щелей 18 должна составлять от 0,3 до 2 мм, предпочтительно от 0,5 до 0,8 мм.
Щели 18 могут представлять собой сквозные прорези в материале, из которого сделана ограждающая стенка 14 обычным способом выполнения прорезей в металлической пластине. В предпочтительном варианте процесс создания прорезей 18 включает процессы резания лазером или водой, преимуществом которых является возможность создания прорезей, по существу, в металлических материалах любого типа, используемых для изготовления ограждающих стенок 14, в отсутствие проблем износа инструмента, которые возникают в других случаях при создании подобных прорезей.
В предпочтительном варианте толщина и материал ограждающей стенки 14 выбирается так, чтобы обеспечивалась хорошая механическая прочность при работе реактора с учетом воздействия азотирования, либо иных видов коррозии. Например, в случае реактора для синтеза аммиака толщина ограждающей стенки 14 может быть от 1 до 10 мм, предпочтительно от 3 до 6 мм, а в качестве материала стенки может использоваться любой материал, обладающий обычной устойчивостью к азотированию, например нержавеющая сталь. Следует отметить, что изготовленная таким способом стенка хотя и подвергается поверхностному азотированию, обычной при синтезе аммиака, тем не менее сохраняет достаточную механическую прочность при нормальных условиях эксплуатации реактора 1. Также следует отметить, что ограждающая стенка 14 может быть сделана нужной толщины, чтобы выполнять не только функции ограждения, но и механической опоры для слоя 7 катализатора посредством соответствующих "сплошных" участков 19, то есть не имеющих щелей 18.
Распределительная стенка 15 каждой системы 8 и 9 стенок, напротив, содержит пластины подходящей толщины, имеющие множество отверстий 21, расположенных в приведенном примере, параллельными группами (газопроницаемыми участками) вдоль оси, с заданным интервалом между ними. В частности, в предпочтительном варианте отверстия 21 обращены к (расположены напротив) областям или газонепроницаемым участкам ограждающей стенки 14 с тем, чтобы не допустить прямого попадания газов на катализатор. В показанном на чертежах примере эти газонепроницаемые области или участки состоят из сплошных областей или участков 19, расположенных в стенке 14 между щелями 18.
Что касается системы 8 стенок для впуска газа, то назначением стенки 15 является, по существу, обеспечение равномерного распределения газов на входе в слой 7 катализатора, как более подробно будет описано далее. Стенка 15 выполнена из обычного материала, например нержавеющей стали, требуемой толщины, в рамках обычного технологического процесса. В предпочтительном варианте выполнения распределительная стенка 15 выполняется подходящей толщины для выполнения функции механической опоры для слоя 7 катализатора. Распределительная стенка 15 также может быть снабжена распорными элементами (не показаны) для надежного поддержания интервала с ограждающей стенкой 14 при воздействии механических или термических напряжений при работе реактора 1.
В предпочтительном варианте каждая из вышеописанных стенок 14 и 15 системы 8 или 9 стенок выполнена из продольных модулей (не показаны), размер которых позволяет ввести их сквозь люк (также не показан) реактора 1, причем эти модули затем скрепляются друг с другом (например, сваркой или болтами), образуя соответствующие стенки.
Как уже упоминалось выше, реактор 1 содержит систему 8 стенок для ввода газов в слой 7 катализатора и систему 9 стенок для вывода газов из слоя катализатора, причем конструкция стенок 14 и 15 этих систем была описана выше. Следует отметить, что в случае системы 8 стенок для впуска газа распределительная стенка 15 расположена снаружи (если считать от оси реактора с сторону оболочки) относительно ограждающей стенки 14 этой системы 8 стенок и образует с оболочкой 2 разделяющее пространство 10. Благодаря этому проходящие по кольцевому разделяющему пространству 10 газы проходят в отверстия 21 распределительной стенки 15 и расширяются в разделяющем пространстве 16 между стенками 14 и 15, что вызывает нагрузочные потери, которые способствуют равномерному распределению этих газов в слое 7 катализатора при контакте с катализатором после прохождения щелей 18 в стенке 14.
В системе 9 стенок для вывода газа стенка 15, наоборот, расположена внутри ограждающей стенки 14. Поэтому газы, которые пересекают слой 7 катализатора в радиальном направлении, выходят из него сквозь щели 18 стенки 14 системы 9 стенок и проходят сквозь разделяющее пространство 16 и отверстия 21 стенки 15. Далее газы собираются в камере 12 и отсюда передаются в выпускное отверстие 6 реактора 1.
На фиг.5 показана система стенок для слоев катализатора реакторов синтеза в соответствии с другим вариантом выполнения изобретения, где этой системе присвоено общее обозначение 50. Элементам системы стенок 50 по конструкции или функционально эквивалентным соответствующим элементам описанных ранее систем стенок 8 и 9 могут быть присвоены те же обозначения. Система стенок 50, показанная на фиг.5, содержит ограждающую стенку 14 и, по существу, цилиндрическую стенку 15, которые расположены коаксиально и с промежутком между ними, образуя кольцевое разделяющее пространство 16. В ограждающей стенке 14 можно видеть множество дугообразных щелей 52 малой длины, множество более длинных дугообразных щелей 53 и газонепроницаемые участки 54 и 55.
Система стенок 50 особенно хорошо подходит для использования с выпускной стороны слоя катализатора, пересекаемого газами в радиальном или радиально-осевом направлениях, поскольку стенка 15 размещена внутри ограждающей стенки 14. Конечно, при изменении порядка размещения стенок 14 и 15 на обратный описанная система стенок 50 также может быть использована со стороны впуска газа в слой катализатора.
На фиг.6 схематически показана форма и размещение щелей на ограждающих стенках 14 систем стенок, предложенных в изобретении. В частности, на фиг.6 показано множество щелей 60, проходящих вдоль оси и имеющих, по существу, змеевидную форму. Преимуществом такой змеевидной конфигурации щелей является большая поверхность для прохождения газов при той же механической прочности ограждающей стенки 14.
Конечно, специалист сможет предложить различные модификации и варианты описанной системы стенок и реактора, которые охватываются областью патентной защиты, определяемой следующей далее формулой изобретения.