СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГНЕТАНИЯ КИСЛОРОДА В РЕАКЦИОННЫЙ ГАЗ, ПРОТЕКАЮЩИЙ ЧЕРЕЗ РЕАКТОР СИНТЕЗА
METHOD AND DEVICE TO FORCE OXYGEN INTO REACTION GAS FLOWING THROUGH SYNTHESIS REACTOR

Изобретение относится к реактору синтеза, который содержит устройство для нагнетания кислородсодержащего газа в реакционный газ, протекающий через реактор синтеза, причем нагнетаемый кислородсодержащий газ и реакционный газ имеют разные температуры, причем в направлении течения реакционного газа перед устройством для размещения набивки катализатора предусмотрен элемент для распределения кислорода, состоящий из корпуса распределителя с двумя трубными решетками и множеством газопроводных труб для проведения реакционного газа, и кислород может подаваться в промежуток вокруг и между газопроводными трубами. При этом перпендикулярно газопроводным трубам установлена, по меньшей мере, одна направляющая перегородка, которая разделяет промежуточное пространство, по меньшей мере, на две распределительные камеры, причем распределительные камеры гидравлически соединены друг с другом через одно или несколько отверстий или переходят друг в друга. Кроме того, в первую распределительную камеру ведет линия газоснабжения, через которую можно подавать кислород, и нижняя в направлении течения трубная решетка снабжена множеством отверстий в форме сопел, высверленных отверстий или подобного, через которые кислород может поступать в промежуточное пространство и проводиться в предусмотренную под нижней трубной решеткой зону смешения газов, не содержащую твердых веществ. При этом подача кислородсодержащего газа и реакционного газа в зону смешения согласно изобретению происходит таким образом, чтобы смешение достигалось до того, как газовая смесь войдет в набивку катализатора, где затем протекают желаемые реакции. Для этого расстояние между концом сопла и поверхностью слоя катализатора в идеале выбирают так, чтобы смешение происходило, а реакции в области смешения еще не шли или шли в очень незначительной степени.
Газораспределительные системы для реакторов синтеза широко описаны в уровне техники. Документ US 6267912 B1 раскрывает реактор синтеза с распределительной системой, у которой каждый канал, через который идет реакционный газ, соединен с одним или несколькими каналами, в которых течет вводимый газ. Предлагаемая распределительная система конструктивно очень затратная, и существует проблема выбора сечения канала так, чтобы точно установить требуемые парциальные потоки реакционного газа и вводимого газа.
Далее, известны системы, у которых реакционный газ течет через множество газопроводных труб, а вводимый газ в распределительной камере омывает эти газопроводные трубы и через одно или несколько отверстий входит непосредственно в эти газопроводные трубы и там смешивается. Реакторы синтеза с подобным газораспределительным устройством описаны в документах US 5106590 A, DE 3875305 T2 или WO 02/078837 A1. В этих устройствах остается проблема, что уже при незначительно различающихся сечениях отверстий, при незначительных погрешностях изготовления или разностях давлений в газопроводных трубах они по-разному снабжаются вводимым газом. Так как перед слоем катализатора не происходит никакого радиального перемешивания, эта ветвь газа проходит через слой катализатора, так что конверсия снижается. В документе DE 10 2004024957 A1 показано похожее распределительное устройство, причем оно ставится на засыпку катализатора или прилегает к ней. Здесь существует проблема, что входящая в катализатор струя горячего газа при неоптимальном расположении будет выжигать дыры в засыпке.
В документах WO 03/004405 A1 и JP 2003-013072 A описаны способ и устройство для получения синтез-газа автотермическим риформингом (ATR). При этом кислородсодержащий газ смешивают с реакционным газом так, чтобы он частично окислялся прежде, чем газовая смесь дойдет до следующего слоя катализатора. Распределительное устройство при этом выполнено так, чтобы кислородсодержащий газ проходил через внутреннюю часть сопла, а реакционный газ подавался через наружный концентрический кольцевой зазор, причем конструктивное оформление осуществляется так, чтобы образовать как можно более стабильное диффузионное пламя. Кроме того, внутри распределителя предусмотрен перфорированный лист, с помощью которого создается искусственное падение давления, которое должно способствовать тому, чтобы реакционный газ в количественном отношении распределялся по концентрическому кольцевому зазору как можно равномернее. Таким образом, предложенное там устройство имеет целью не чистое смешение, максимально без реакции, а представляет собой устройство полного сжигания, в которое проводится парциальное окисление через большое число отдельных горелок в стабильном пламени.
В отличие от настоящего изобретения, которое в идеальном случае позволяет только смешение, но не реакцию или лишь малый выход реакции перед вводом газовой смеси в слой катализатора, в документах WO 03/004405 A1 и JP 2003-013072 A целенаправленное парциальное окисление реакционного газа проводится так, чтобы на выполненных коаксиальными соплах образовывалось как можно более стабильное пламя. Кроме того, в WO 03/004405 A1 и JP 2003-013072 A, в противоположность настоящему устройству, реакционный газ проводится к горелкам внутри распределительного устройства, а кислородсодержащий газ через аксиальные трубы. Отсюда получается большой, наполненный кислородом объем, находящийся в направлении течения перед распределительным устройством. В настоящем же изобретении кислородсодержащий газ находится только внутри ограниченного объема устройства распределения кислорода, что не в последнюю очередь следует предпочесть из соображений техники безопасности.
В публикации WO 2007/045457 представлено смесительное устройство, которое смешивает кислород и реакционный газ, причем кислород проводится через аксиальные трубы и через находящееся на конце аксиальных труб распределительное устройство распределяется в радиальном и аксиальном направлении в реакционный газ. При этом аксиальные трубы выступают через опорную плиту в зону смешения. Реакционный газ проводится снаружи аксиальных труб и подается в зону смешения через щели или отверстия.
Исследования показали, что трубы, выступающие из трубных решеток, образуют зоны с неблагоприятными гидравлическими условиями и рециркуляцией, в частности, между решеткой и концом труб. Это отрицательно влияет на смешение, а также настолько удлиняет время пребывания части газовой смеси или отдельных газов, так что локально реакции могут протекать в усиленной степени. По этой причине в настоящем изобретении аксиальные трубы изолируют заподлицо с нижней трубной решеткой и, как мера для нагнетания, сочетают определенные сопла с характеристиками геометрического расположения аксиальных труб и пространственным расположением слоя катализатора, так как только так смешение можно провести в желаемой форме.
Далее, в WO 2007/045457 в распределительном устройстве не предусматривается никакой отражательной или направляющей перегородки. Из-за этого в случае отличающихся температур обоих газов в распределительном устройстве также неизбежно будет устанавливаться распределение температур газа, прежде чем он достигнет области смешения. Это оказывает отрицательное влияние на равномерное распределение массового потока через предусмотренные выходные щели, а также смешение после выхода в область смешения из-за локально отличающихся температур, и тем самым из-за разных показателей качества, будут неравномерными по сечению реактора. В противоположность этому настоящее изобретение предусматривает проведение потока и увеличение времени пребывания в камере распределения кислорода благодаря направляющим перегородкам, вследствие чего достигается однородная температура кислорода до того, как он пройдет через сопла в область смешения. Однородность температуры внутри коробки перед выходом из сопла является предпосылкой, чтобы обеспечить равномерное протекание через сопла по всему сечению реактора и, тем самым, равномерную подачу в область смешения. Устройство позволяет установить однородную температуру кислорода также и при высокой разнице температур реакционного газа и кислорода и при больших сечениях реактора и, тем самым, больших размерах устройства распределения кислорода.
Таким образом, по-прежнему стоит задача разработать реактор синтеза, который конструктивно выполнен просто и который позволяет надежное проведение процесса.
Эта задача решена реактором синтеза согласно изобретению с устройством нагнетания кислорода, причем кислород может находиться в чистой форме, как воздух или смешанным с инертным газом или водяным паром. Этот кислородсодержащий газ можно вводить в реакционный газ, который протекает через реактор синтеза, применяющийся, например, в установке оксидегидрирования, причем кислородсодержащий газ и реакционный газ имеют разные температуры, причем в направлении течения реакционного газа перед устройством для размещения набивки катализатора предусмотрен элемент для распределения кислорода из двух трубных решеток и множества газопроводных труб для проведения реакционного газа, и кислород можно подавать в промежуточное пространство вокруг газопроводных труб и между ними, причем
i) перпендикулярно газопроводным трубам установлена, по меньшей мере, одна направляющая перегородка, которая делит промежуток, по меньшей мере, на две распределительные камеры, причем распределительные камеры гидродинамически соединены друг с другом через одно или несколько отверстий или переходят друг в друга, и
ii) по меньшей мере, одна линия газоснабжения ведет в первую в направлении течения распределительную камеру, через которую можно подавать кислород, и
iii) предусмотрена нижняя в направлении течения трубная решетка с множеством отверстий в форме сопел, высверленных отверстий или подобных элементов, через которые кислород может проникать в промежуточное пространство, причем
iv) под нижней трубной решеткой предусмотрена зона смешения газов, не содержащая твердых веществ.
При этом расстояние между соплами, высверленными отверстиями или подобными элементами и поверхностью набивки катализатора в соответствии с реальными потоками составляет лучше всего, по меньшей мере, 40 мм, самое большее 250 мм, но предпочтительно 120 мм.
При увеличении разности температур между кислородсодержащим газом и реакционным газом реактор синтеза можно улучшить в этом отношении тем, что используются несколько направляющих перегородок. При этом направляющие перегородки лучше всего наклонять так, чтобы выше высверленных отверстий или сопел в радиальном направлении проходило выравнивание давления.
В одном улучшенном варианте предусматривается, чтобы отверстия или сопла, которые расположены в нижней трубной решетке, проходили под углом к вертикали. Наклон в идеале осуществляется в тангенциальном направлении. Благодаря этому предотвращается прямое натекание на стенки реактора.
2
Следующее улучшение состоит в том, чтобы так ориентировать каждое отверстие или сопла установить так, чтобы они были ориентированы в направлении на ось отдельной газопроводной трубы ниже выпуска этой соответствующей газопроводной трубы, благодаря чему гарантируется, что каждой отдельной струе реакционного газа будет соответствовать, по меньшей мере, одна струя O как непосредственный компонент реакции. При работе согласно предписанию в зоне смешения под нижней трубной решеткой образуется множество мелких зон смешения. При этом можно также предусмотреть, чтобы несколько отверстий или сопел были направлены на ось одной газопроводной трубы ниже выпуска этой соответствующей газопроводной трубы.
В одной предпочтительной форме осуществления газопроводные трубы для проведения реакционного газа расположены по отношению друг к другу в форме концентрических колец внутри реактора. При этом эффективность процесса смешения в зоне смешения можно улучшить, если газопроводные трубы расположены под углом в 45°, 30° или 60° друг к другу.
Кроме того, изобретение относится к способу с применением реактора синтеза согласно одной из указанных выше форм осуществления, при котором кислород выходит из распылительного сопла со скоростью газа, по меньшей мере, 60 м/с, предпочтительно, по меньшей мере, 100 м/с и в идеале, по меньшей мере, 140 м/с.
2
В одном предпочтительном варианте способа кислород полностью или почти полностью смешивается с выходящим из газопроводных труб реакционным газом перед входом в набивку катализатора. Чтобы в засыпке катализатора желаемая реакция протекала наиболее оптимально, целью является получить как можно более однородное смешение кислородсодержащего газа и реакционного газа, пока смесь не дошла до засыпки катализатора. Если смешение не идеально, на поверхности засыпки катализатора возникают локальные струи, которые имеют более высокую или более низкую концентрацию кислорода, чем при идеальном перемешивании. Таким образом, добротность смешения можно выразить через локальные отклонения концентрации кислорода в газовой смеси от идеального среднего значения концентрации кислорода в смеси на поверхности слоя катализатора. Почти полное смешение достигается, когда локальная концентрация кислорода в смеси реакционного газа и подводимого кислорода на входе в слой катализатора не ниже минимальной концентрации кислорода в 60% от средней концентрации кислорода при идеальном смешении. Предпочтительно она должна быть выше 80% и еще более предпочтительно выше 90% от средней концентрации O.
В этом отношении способ можно улучшить тем, чтобы разница температур кислорода в элементе распределения кислорода, на выходе в зону смешения газов во всех соплах составляла менее 100°C. Предпочтительно, разность температур составляет менее 50°C, и в идеале она меньше 30°C. На протекание через сопла влияют рабочие условия, такие как давление и температура, и в свою очередь зависящие от них свойства веществ, такие как плотность и вязкость. При едином исходном давлении через все сопла будет течь тем более однородный поток, чем равномернее распределение температуры кислородсодержащего газа в элементе распределения кислорода.
Причиной неодинакового распределения температуры кислорода в элементе, распределяющем кислород, является то, что кислород, подаваемый в распределительный элемент, и реакционный газ, подаваемый через газопроводные трубы элемента, распределяющего кислород, по технологическим причинам имеют разные температуры. Поэтому между кислородом и реакционным газом происходит непрямой теплообмен через газопроводные трубы. Так как в реальных реакторах могут реализовываться диаметры до нескольких метров, из-за очень разных путей течения и связанных с этим очень разных времен пребывания кислорода, от места подачи в элемент, распределяющий кислород, до выходных сопел, возникают высокие разницы температур на отдельных соплах. Эти разницы температур на выходных соплах в свою очередь вызывают разное протекание через сопла, что со своей стороны ведет к неравномерному распределению кислорода по сечению реактора. С прежними конструкциями невозможно достичь такой сравнительно однородной температуры кислородсодержащего газа внутри элемента, распределяющего кислород.
Лучше всего осуществлять способ так, чтобы теплообмен с текущим кислородом проходил на газопроводных трубах и в объеме вокруг газопроводных труб, чтобы кислород при входе в зону смешения газов имел по существу такую же температуру, как реакционный газ в этом месте.
На фиг.1 показан в разрезе реактор синтеза согласно изобретению и содержащееся в нем распределительное устройство 1 в одной частной форме осуществления. Распределительное устройство 1 встроено в реактор синтеза, который показан только фрагментами. Можно видеть наружную стенку 2 реактора синтеза, которая в области основания распределительного устройства 1 имеет фланец 3, разделяющий реактор синтеза на верхний сегмент 4 реактора и нижний сегмент 5 реактора. На определенном расстоянии под распределительным устройством 1 и в области нижнего сегмента 5 реактора расположена засыпка 6 катализатора. Газовое пространство ниже распределительного устройства 1 представляет собой зону 7 смешения, в которой реакционный газ и кислород смешиваются и затем текут через засыпку 6 катализатора, причем там собственно и протекает реакция синтеза. После засыпки 6 катализатора газ внизу реактора синтеза поворачивает (не показано) в центральную трубу 8 и выходит из реактора синтеза через непоказанное выходное отверстие, причем направление силы тяжести обозначено позицией 9.
Основными элементами распределительного устройства 1, показанного на фиг.1, являются кольцевой корпус 10 распределителя, содержащий верхнюю трубную решетку 11 и нижнюю трубную решетку 12, а также несколько линий 13 газоснабжения, которые ведут в корпус 10 распределителя, причем на фиг.1 показана только одна линия 13 газоснабжения. В корпусе 10 распределителя установлено множество вертикальных газопроводных труб 14, которые делают возможным протекание через корпус 10 распределителя, соединяя внутреннее пространство верхнего сегмента 4 реактора с зоной 7 смешения. В нижней трубной решетке 12 расположено множество сопел 15, число которых идентично числу газопроводных труб 14. Кроме того, параллельно трубным решеткам 11 и 12 и перпендикулярно газопроводным трубам 14 в корпусе 10 распределителя установлена концентрическая направляющая перегородка 17, чтобы разделить внутреннее пространство корпуса 10 распределителя на верхнюю распределительную камеру 18 и нижнюю распределительную камеру 19. Оба объема в области стенки центральной трубы 20 гидравлически соединены друг с другом.
При работе согласно предписанию кислородсодержащий газ проводится в направлении стрелки 16 по линии 13 газоснабжения и входит во внутренний объем корпуса 10 распределителя. Направляющей перегородкой 17 кислородсодержащий газ направляется в верхнюю распределительную камеру 18 радиально в направлении центральной трубы 8, причем обтекаются газопроводные трубы 14, и происходит теплообмен. Затем кислородсодержащий газ входит у края направляющей перегородки 17 вблизи стенки 20 центральной трубы в нижнюю распределительную камеру 19 и выходит из нее через сопла 15, которые ведут в зону 7 смешения. Там кислородсодержащий газ встречается с реакционным газом, который течет в направлении стрелки 21 от верхнего сегмента 4 реактора и через газопроводные трубы 14 в зону 7 смешения. Смесь кислородсодержащего газа и реакционного газа течет в направлении стрелки 22 через засыпку 6 катализатора, где протекает собственно реакция синтеза.
Фиг.2 показывает вид снизу нижней трубной решетки 12, причем показан только один фрагмент. Видно, что газопроводные трубы 14 и сопла 15 расположены на концентрических круговых траекториях 23 и 24. При этом газопроводные трубы 14 и сопла 15 расположены вдоль круговой траектории поочередно.
На фиг.3 в виде в разрезе показана эта же нижняя трубная решетка 13, чтобы пояснить наклон сопел 15. Ось 25 вращения сопла 15 наклонена к вертикали под углом α и направлена на ось 26 вращения непосредственно соседней газопроводной трубы 14. Таким образом, сталкиваются одна обогащенная кислородом газовая струя, которая идет из нижней распределительной камеры 19 и через сопло 15 выходит с высоким импульсом в зону 7 смешения, и одна струя реакционного газа, входящая в зону 7 смешения перпендикулярно сверху через газопроводную трубу 14. Обе эти газовые струи сталкиваются друг с другом на определенном расстоянии под нижней трубной решеткой 12 и при этом смешиваются, до того как смесь войдет в засыпку 6 катализатора.
Список ссылочных позиций
1 - распределительное устройство
2 - наружная стенка
3 - фланец
4 - сегмент реактора (верхний)
5 - сегмент реактора (нижний)
6 - засыпка катализатора
7 - зона смешения
8 - центральная труба
9 - направление силы тяжести
10 - корпус распределителя
11 - верхняя трубная решетка
12 - нижняя трубная решетка
13 - линия газоснабжения
14 - газопроводная труба
15 - сопло
16 - стрелка, направление течения
17 - направляющая перегородка
18 - распределительная камера (верхняя)
19 - распределительная камера (нижняя)
20 - стенка центральной трубы
21 - стрелка, направление течения
22 - стрелка, направление течения
23 - круговая траектория
24 - круговая траектория
25 - ось вращения
26 - ось вращения