КАТАЛИЗАТОРНАЯ ТРУБКА ДЛЯ РИФОРМИНГА
CATALYST TUBE FOR REFORMING

Изобретение относится к катализаторной трубке, многотрубному реактору, в частности к паровому риформеру, содержащему по меньшей мере одну из указанных катализаторных трубок, и к способу проведения каталитического процесса, такого как паровой риформинг.
Как известно, каталитические процессы могут проводиться в многотрубных реакторах. Хорошо известным примером является каталитический процесс парового риформинга.
Паровой риформинг представляет собой каталитический процесс, в котором углеводородное сырье (исходный газ) превращается в смесь монооксида углерода и газообразного водорода (называемую технологическим газом) в присутствии катализатора на основе металла, как правило, никеля. Реакция конверсии является сильно эндотермической и должна проводиться при высоких температурах, как правило, по меньшей мере 700°С.
Каталитическая конверсия технологического газа может проводиться в многотрубном реакторе производственной печи или огневого нагревателя. Например, паровой риформинг осуществляют в паровом риформере. Огневой нагреватель или производственная печь (например, паровой риформер) имеет, по существу, две основные секции: печь (радиантную секцию) и систему рекуперации тепла (конвекционную секцию). Радиантная секция содержит камеру печи с горелками, которые могут быть размещены в верхней части (печь с верхним нагревом), в нижней части (печь с нижним нагревом) и/или на боковой поверхности (печь с боковым нагревом) камеры печи. Горелки вырабатывают необходимое тепло путем сжигания топлива. Радиантная секция также содержит множество катализаторных трубок, в которые загружен катализатор, чтобы обеспечить достаточный подвод тепла к катализатору для прохождения эндотермической каталитической реакции. Трубки радиантной секции, в которых происходит реакция конверсии, называются катализаторными трубками. Как правило, в радиантной секции расположено множество катализаторных трубок. Конвекционная секция содержит несколько теплообменников для рекуперации тепла. Горячий дымовой газ, выходящий из радиантной секции, проходит через указанные теплообменники, которые обычно используются для предварительного нагрева сырья, нагрева воды и производства водяного пара.
Вывод каждой из трубок, загруженных катализатором, является зоной, в которой достигается самая высокая температура технологического газа во всем процессе каталитической конверсии, составляющая, как правило, от 880°C до 950-980°C. Соответственно, технологический газ, выходящий из каталитической секции катализаторных трубок, может рассматриваться как ценный высокоэнергетический источник тепла.
В традиционных паровых риформерах технологический газ, выходящий из катализаторных трубок, направляется через коллекторы и трубопроводы в котел, в котором обеспечивается охлаждение технологического газа от температуры, превышающей 880°С (обычно 880-950°С), до температуры, составляющей ниже 350°С, с получением водяного пара высокого качества. Этот водяной пар затем может быть использован в качестве технологического потока для реакции парового риформинга, экспортного водяного пара для близлежащей производственной установки или даже для производства энергии. Однако недостаток получения водяного пара таким путем заключается в том, что оно не является самым энергоэффективным способом рекуперации тепла из высокотемпературного технологического газа.
Технологический газ, выходящий из катализаторных трубок, также может быть использован в качестве источника тепла для реакции риформинга. Указанный процесс носит название регенеративной каталитической конверсии, поскольку для обеспечения части теплоты реакции используется часть тепла технологического газа, выходящего из каталитической зоны. При регенеративной каталитической конверсии происходит теплообмен между горячим технологическим газом, выходящим из каталитической зоны катализаторных трубок, и технологическим газом, конвертируемым в расположенной выше по потоку части каталитической зоны. Этот принцип можно успешно использовать для уменьшения подвода внешнего тепла (путем сжигания топлива и отработанного газа в топочной камере), для повышения эффективности топочной камеры и снижения стоимости теплообменного оборудования, необходимого для рекуперации тепла на выходе риформера и в секции конвекции. Пример процесса регенеративной каталитической конверсии, проводимого в риформере, описывается, в частности, в документе WO 2011/088982. В этом случае процесс называется регенеративным риформингом.
Существует два основных типа паровых риформеров, которые отличаются друг от друга расположением ввода и вывода катализаторных трубок в камере печи.
В паровых риформерах первого типа (тип 1) предусмотрено расположение с одной и той же стороны печи как ввода для технологического газа, так и вывода для технологического газа катализаторных трубок. Каждая из катализаторных трубок вставлена в камеру печи так, что она проходит только через одну стенку печи. Таким образом, газ поступает в камеру печи через одну стенку печи, проходит через камеру печи, затем возвращается к той же стенке печи и выходит из камеры печи. Обычно катализаторные трубки выполнены так, что через камеру печи проходит технологический газ по U-образному каналу. Пример указанного типа парового риформера приведен, например, в документе ЕР 223 739 А1.
В паровых риформерах второго типа (тип 2) впуски катализаторных трубок расположены на одном конце камеры печи, а выпуски катализаторных трубок расположены на противоположном конце камеры печи. В риформерах второго типа (тип 2) катализаторные трубки вставлены в камеру печи так, что проходят через две противоположные стенки печи. Как правило, катализаторные трубки конструктивно выполнены в виде прямых продолговатых трубок, в связи с чем, газ проходит через камеру печи от одного конца к другому концу по относительно прямолинейной траектории. Пример парового риформера указанного типа приведен, в частности, в документе WO 2014/040815.
Разная конструкция описанных выше катализаторных трубок паровых риформеров объясняется конструктивным отличием двух типов паровых риформеров. Следовательно, невозможно провести реконструкцию парового риформера одного типа, чтобы установить катализаторные трубки, предназначенные для другого типа парового риформера. Аналогично, катализаторные трубки, предназначенные для паровых риформеров одного типа, нельзя использовать или реконструировать для использования в паровых риформерах другого типа.
Как известно, были предприняты попытки проведения регенеративного риформинга в паровых риформерах типа 1. Для этой цели была разработана специальная конструкция трубки на основе трубки Фильда (также называемой байонетной трубкой). Согласно указанной конструкции, катализаторная трубка состоит из наружной трубки и внутренней трубки (5, 15, 25), коаксиально установленной в наружной трубке, при этом один из концов наружной трубки закрыт, а оба конца внутренней трубки (5, 15, 25) открыты. Эта конструкция, например, описана в WO 95/11745 и US 2014/0196875. В основе конструкции трубки лежит идея трубки в трубке, состоящая в том, что кольцеобразная конфигурация реактора обеспечивает теплообмен между горячим технологическим газом, выходящим из каталитического слоя, и технологическим газом, конвертируемым в расположенной выше по потоку части каталитического слоя.
Были предприняты попытки проведения регенеративного риформинга в паровых риформеров типа 2 традиционной конструкции, однако указанная идея оказалась мало успешной и не нашла широкого применения. Кроме того, для реализации указанной технологии было невозможно реконструировать существующие паровые риформеры без полной реконструкции системы впуска/выпуска с целью расположения впусков и выпусков с одной и той же стороны, что является весьма кардинальной и сложной реконструкцией, состоящей, фактически, в преобразовании парового риформера типа 2 в паровой риформер типа 1.
Следовательно, задачей настоящего изобретения является применение концепции регенеративного риформинга в паровых риформерах типа 2. Точнее говоря, задачей изобретения является применение концепции регенеративного риформинга в уже существующих паровых риформерах типа 2.
Еще одной задачей изобретения является создание катализаторной трубки, в которой катализатор может быть легко изменен и/или заменен во время перерыва в работе парового риформера.
Следующей задачей изобретения является создание катализаторной трубки, обладающей хорошим сопротивлением относительному расширению.
Еще одной задачей изобретения является создание катализаторной трубки, в которой без нарушения гидродинамики в каталитической зоне можно легко измерить такие параметры, как температура и давление.
По меньшей мере, одна из указанных задач была решена путем создания катализаторной трубки, подходящей для использования в огневом нагревателе или производственной печи (например, для использования в риформере, предпочтительно, в паровом риформере), содержащей
- впуск катализаторной трубки для введения технологического газа в катализаторную трубку и выпуск катализаторной трубки для выведения технологического газа из катализаторной трубки, причем указанные впуск и выпуск расположены на противоположных концах катализаторной трубки;
- наружную реакторную трубку (1, 11, 21);
- внутреннюю трубку (5, 15, 25), коаксиально простирающуюся внутри наружной реакторной трубки (1, 11, 21);
- границу (3, 13, 23) раздела, расположенную между внутренней стенкой наружной реакторной трубки (1, 11, 21) и наружной стенкой внутренней трубки (5, 15, 25);
- первый кольцевой канал для каталитической конверсии технологического газа, ограниченный между внутренней стенкой наружной реакторной трубки (1, 11, 21) и наружной стенкой границы (3, 13, 23) раздела, причем указанный канал загружен каталитическим материалом;
- второй кольцевой канал для технологического газа, проходящего противоточно или прямоточно технологическому газу, проходящему по первому кольцевому каналу, ограниченный между внутренней стенкой границы (3, 13, 23) раздела и наружной стенкой внутренней трубки (5, 15, 25);
- впускной барьер (4, 14, 24) на впускном конце катализаторной трубки, предотвращающий выпуск технологического газа из наружной реакторной трубки (1, 11, 21) через второй кольцевой канал и внутреннюю трубку (5, 15, 25) на впускном конце катализаторной трубки;
- выпускной барьер (6, 16, 26) на выпускном конце катализаторной трубки, предотвращающий выпуск технологического газа из наружной реакторной трубки (1, 11, 21) через первый кольцевой канал и либо через второй кольцевой канал, при этом позволяя технологическому газу выходить из наружной реакторной трубки (1, 11) через внутреннюю трубку (5, 15); либо через внутреннюю трубку (25), при этом позволяя технологическому газу выходить из наружной реакторной трубки (21) через второй кольцевой канал;
причем каждый из внутренней трубки, первого кольцевого канала и второго кольцевого канала имеет отверстие на впускной стороне катализаторной трубки и отверстие на выпускной стороне катализаторной трубки;
при этом впуск катализаторной трубки сообщается по текучей среде с отверстием первого кольцевого канала на впускном конце катализаторной трубки; отверстие первого кольцевого канала на выпускном конце катализаторной трубки сообщается по текучей среде либо с отверстием второго кольцевого канала на выпускном конце катализаторной трубки, либо с отверстием внутренней трубки на выпускном конце катализаторной трубки; отверстие второго кольцевого канала на впускном конце катализаторной трубки сообщается по текучей среде с отверстием внутренней трубки (5, 15, 25) на впускном конце катализаторной трубки; и либо отверстие внутренней трубки (5, 15) на выпускном конце катализаторной трубки, либо отверстие второго кольцевого канала на выпускном конце катализаторной трубки сообщается по текучей среде с выпуском катализаторной трубки.
Авторы изобретения установили, что новая конструкция катализаторных трубок позволяет применить концепцию регенеративного риформинга в паровых риформерах типа 2 без какой-либо реконструкции других частей парового риформера. Кроме того, граница (3, 13, 23) раздела обеспечивает внутренние элементы катализаторной трубки с повышенным сопротивлением относительному расширению, поскольку этот элемент может свободно расширяться.
Важным аспектом новой конструкции катализаторной трубки является обеспечение надлежащего баланса между активностью катализатора в каталитической зоне (в первом кольцевом канале), перепадом давления в разных каналах (что отчасти определяет скорость потока технологического газа через каналы) и обеспечением надлежащего теплообмена между каналами. Авторы изобретения установили, что наличие посредством внутренней трубки (5, 15, 25) обеспечивает средство для регулирования условий потока во втором кольцевом канале, благодаря чему достигается эффективный теплообмен между первым и вторым кольцевыми каналами.
Еще одно преимущество проведения регенеративного риформинга с использованием двух кольцевых каналов для прохождения потоков технологического газа состоит в том, что при указанной конфигурации обеспечивается высокая скорость прохождения технологического газа. При высокой скорости газа увеличивается скорость теплопередачи, а, следовательно, повышается эффективность теплообмена между потоками газа первого и второго кольцевых каналов.
Авторы изобретения также установили, что благодаря открытым в последние годы улучшенным катализаторам необходимый объем катализатора в катализаторных трубках более не накладывает непреодолимого ограничения на конструкцию катализаторной трубки. Следовательно, первый кольцевой канал, как определено выше, может обеспечить достаточно большую каталитическую зону для проведения реакции риформинга.
На основании вышеизложенного было установлено, что предлагаемая в изобретении катализаторная трубка, содержащая одну внутреннюю трубку (5, 15, 25) (для технологического газа, выходящего из катализаторной трубки и для улучшения теплообмена) и два кольцевых канала (один для вмещения катализатора, другой для снабжения теплом каталитической зоны), отделенных друг от друга границей (3, 13, 23) раздела, может обеспечить хорошее сочетание каталитической активности и теплообмена при приемлемом перепаде давления. Было установлено, что это было справедливым даже при необходимости использования размеров вставок катализаторных трубок существующих паровых риформеров, таким образом, делая возможным реконструировать такие паровые риформеры.
Хотя изобретение проиллюстрировано и описывается здесь применительно к реакторам риформинга и процессу парового риформинга, реакционная трубка согласно изобретению также может использоваться в других типах многотрубных реакторов и для проведения других катализаторных процессов. Использование катализаторных трубок согласно изобретению для проведения каталитических процессов, отличных от риформинга, позволяет повысить их эффективность, поскольку специальная конфигурация указанных катализаторных трубок обеспечивает теплообмен между горячим технологическим газом, выходящим из каталитической зоны катализаторных трубок, и технологическим газом, который подвергается конверсии в расположенной выше по потоку части каталитической зоны. Таким образом, технологический газ, выходящий из каталитической зоны катализаторной трубки, может быть использован в качестве источника тепла для каталитической реакции. Указанный каталитический процесс называется регенеративной каталитической конверсией. Таким образом, указанная катализаторная трубка способна обеспечить положительный эффект при проведении любого каталитического процесса в огневом нагревателе или производственной печи. Такой каталитический процесс обычно проводят при высоких температурах, например, по меньшей мере 400°С или по меньшей мере 500°С. Предпочтительно, огневой нагреватель или производственная печь представляет собой риформер, еще предпочтительнее, паровой риформер.
На фиг. 1 показан вариант осуществления катализаторной трубки первой базовой конфигурации согласно изобретению. Направление прохождения технологического газа во время работы парового риформера указано стрелками.
На фиг. 2 катализаторная трубка согласно изобретению показана в поперечном сечении. Поперечное сечение перпендикулярно продольной оси катализаторной трубки.
На фиг. 3 показан вариант осуществления катализаторной трубки первой базовой конфигурации согласно изобретению, в котором внутренняя трубка простирается через выпускной барьер. Направление прохождения технологического газа во время работы парового риформера указано стрелками.
На фиг. 4 справа показан вариант осуществления катализаторной трубки второй базовой конфигурации согласно изобретению. Направление прохождения технологического газа во время работы парового риформера указано стрелками. На левой стороне фиг. 4 представлено одно из возможных поперечных сечений катализаторной трубки.
На фиг. 5 показаны поперечные сечения некоторых из возможных катализаторных трубок согласно изобретению. Поперечное сечение перпендикулярно продольной оси катализаторной трубки.
Используемый здесь термин «кольцевой канал» относится к наружному каналу, сформированному при соосном расположении первой трубки или трубкообразного тела внутри второй трубки или трубкообразного тела. Таким образом, форма канала определяется формой наружной стенки первой трубки или трубкообразного тела (которая представляет собой границу раздела в случае первого кольцевого канала; и внутреннюю трубку в случае второго кольцевого канала) и формой внутренней стенки второй трубки или трубкообразного тела (которая представляет собой катализаторную трубку в случае первого кольцевого канала и границу раздела в случае второго кольцевого канала). Если используются две круглые трубки, поперечное сечение кольцевого канала будет иметь вид круглого кольца. Однако, как описывается ниже, поперечное сечение внутренней трубки и границы раздела не обязательно должно быть круглым. Соответственно, кольцевой канал может иметь разную форму. Кроме того, форма кольцевого канала может варьировать по длине катализаторной трубки.
Следует отметить, что термин «технологический газ», используемый в данном документе, может относиться к газу в реакторе на любой стадии процесса, то есть как к газу, поступающему во впуск реакторной трубки, так и к газу, проходящему по первому и второму кольцевым каналам, газу, проходящему по внутренней трубке, и к газу, выходящему из реактора через выпуск трубки. Однако, если говорить точнее, что термин «подаваемый газ», используемый в данном документе, может относиться к газу, поступающему во впуск реакторной трубки до каталитической зоны, тогда как термин «технологический газ» используется для газа, который был (частично или полностью) конвертирован катализатором.
Катализаторная трубка, в общем, применима для проведения регенеративной каталитической конверсии. В частности, катализаторная трубка предназначена для проведения регенеративного парового риформинга. В случае проведения парового риформинга катализаторная трубка представляет собой трубку риформинга.
Катализаторная трубка описанной выше конфигурации, содержащая внутреннюю трубку (5, 15, 25), расположенную внутри наружной реакторной трубки (1, 11, 21), и границу (3, 13, 23) раздела между указанными трубками, представляет собой катализаторную трубку согласно изобретению, по существу, с тремя каналами (то есть с первым кольцевым каналом, вторым кольцевым каналом и внутренней трубкой (5, 15, 25)), причем каждый из каналов имеет два отверстия (одно на впускном конце катализаторной трубки и одно на выпускном конце катализаторной трубки).
Благодаря впускному и выпускному барьеру (6, 16, 26) в катализаторной трубке формируются три канала (то есть первый и второй кольцевые каналы и внутренняя трубка), которые связаны друг с другом описанным ниже образом.
По существу, катализаторная трубка может иметь одну из двух базовых конфигураций. В первой базовой конфигурации технологический газ проходит по первому кольцевому каналу противоточно технологическому газу, проходящему по второму кольцевому каналу, и прямоточно с технологическим газом, проходящим по внутренней трубке. Во второй базовой конфигурации технологический газ проходит по первому кольцевому каналу противоточно технологическому газу, проходящему по внутренней трубке, и прямоточно с технологическим газом, проходящим во втором кольцевом канале. Первая базовая конфигурация является предпочтительной, поскольку обеспечивается эффективный теплообмен между первым и вторым кольцевыми каналами и, соответственно, достигается наибольшая эффективность процесса. Кроме того, преимущество первой базовой конфигурации состоит в том, что механическая конструкция катализаторной трубки является менее сложной, чем во второй базовой конфигурации.
Чтобы обеспечивалось вышеупомянутое направление потока, катализаторная трубка в соответствии с первой базовой конфигурацией имеет выпускной барьер (6, 16) на выпускном конце катализаторной трубки, который предотвращает выпуск технологического газа из наружной реакторной трубки (1, 11) через первый кольцевой канал и через второй кольцевой канал, при этом позволяя технологическому газу выходить из наружной реакторной трубки (1, 11) по внутренней трубке (5, 15). В соответствии с указанной конфигурацией, отверстие первого кольцевого канала на выпускном конце катализаторной трубки сообщается по текучей среде с отверстием второго кольцевого канала на выпускном конце катализаторной трубки; а отверстие внутренней трубки (5, 15) на выпускном конце катализаторной трубки сообщается по текучей среде с выпуском катализаторной трубки.
Каждый канал имеет два отверстия, одно на впускном конце и одно на выпускном конце катализаторной трубки. В соответствии с первой базовой конфигурацией, впуск катализаторной трубки сообщается по текучей среде с отверстием первого кольцевого канала на впускном конце катализаторной трубки. Таким образом, технологический газ, поступающий в катализаторную трубку, сначала будет проходить по первому кольцевому каналу. Отверстие первого кольцевого канала на выпускном конце катализаторной трубки сообщается по текучей среде с отверстием второго кольцевого канала на выпускном конце катализаторной трубки. Таким образом, технологический газ, выходящий из первого кольцевого канала, будет затем поступать во второй кольцевой канал. Отверстие второго кольцевого канала на впускном конце катализаторной трубки сообщается по текучей среде с отверстием внутренней трубки (5, 15) на впускном конце катализаторной трубки. Таким образом, технологический газ, выходящий из второго кольцевого канала, будет затем поступать во внутреннюю трубку (5, 15). Отверстие внутренней трубки (5, 15) на выпускном конце катализаторной трубки сообщается по текучей среде с выпуском катализаторной трубки. Таким образом, технологический газ, выходящий из внутренней трубки (5, 15), будет затем способен покидать катализаторную трубку.
Следовательно, при использовании катализаторной трубки, имеющей первую базовую конфигурацию, технологический газ в процессе каталитической конверсии (например, парового риформинга) будет поступать в катализаторную трубку через ее впуск, затем будет проходить по первому кольцевому каналу в другой (выпускной) конец катализаторной трубки (при этом подвергаясь воздействию катализатора при высокой температуре), далее будет проходить по второму кольцевому каналу к впускному концу катализаторной трубки (при этом обеспечивается теплообмен с технологическим газом, проходящим по первому кольцевому каналу), и вслед за тем по внутренней трубке (5, 15) будет поступать к выпуску катализаторной трубки. Таким образом, направление технологического газа, проходящего по второму кольцевому каналу, будет противоположным направлению газа, проходящего по первому кольцевому каналу и внутренней трубке (5, 15). Соответственно, будет происходить прямоточный теплообмен между технологическим газом, проходящим по первому кольцевому каналу, и технологическим газом, проходящим по второму кольцевому каналу.
Чтобы обеспечивалось вышеупомянутое направление потока для второй базовой конфигурации, катализаторная трубка содержит выпускной барьер (26) на выпускном конце катализаторной трубки, который предотвращает выход технологического газа из наружной реакторной трубки (21) через первый кольцевой канал и через внутреннюю трубку (25), при этом позволяя технологическому газу выходить из наружной реакторной трубки по второму кольцевому каналу. В соответствии с указанной конфигурацией катализаторной трубки, отверстие первого кольцевого канала на выпускном конце катализаторной трубки сообщается по текучей среде с отверстием внутренней трубки (25) на выпускном конце катализаторной трубки; а отверстие второго кольцевого канала на выпускном конце катализаторной трубки сообщается по текучей среде с выпуском катализаторной трубки.
В соответствии со второй базовой конфигурацией, впуск катализаторной трубки сообщается по текучей среде с отверстием первого кольцевого канала на впускном конце катализаторной трубки. Таким образом, технологический газ, поступающий в катализаторную трубку, сначала будет проходить по первому кольцевому каналу. Отверстие первого кольцевого канала на выпускном конце катализаторной трубки сообщается по текучей среде с отверстием внутренней трубки на выпускном конце катализаторной трубки. Таким образом, технологический газ, выходящий из первого кольцевого канала, будет затем поступать во внутреннюю трубку. Отверстие второго кольцевого канала на впускном конце катализаторной трубки сообщается по текучей среде с отверстием внутренней трубки (25) на впускном конце катализаторной трубки. Таким образом, технологический газ, выходящий из внутренней трубки, будет затем поступать во второй кольцевой канал внутренней трубки. Отверстие второго кольцевого канала на выпускном конце катализаторной трубки сообщается по текучей среде с выпуском катализаторной трубки. Таким образом, технологический газ, выходящий из второго кольцевого канала, будет затем способен покидать катализаторную трубку.
Следовательно, при использовании катализаторной трубки, имеющей вторую базовую конфигурацию, технологический газ в процессе каталитической конверсии (например, парового риформинга) будет поступать в катализаторную трубку через ее впуск, затем будет проходить по первому кольцевому каналу в другой (выпускной) конец катализаторной трубки (при этом подвергаясь воздействию катализатора при высокой температуре), далее будет проходить по внутренней трубке к впускному концу катализаторной трубки, а затем по второму кольцевому каналу будет проходить к выпуску катализаторной трубки (при этом происходит теплообмен с технологическим газом, проходящим по первому кольцевому каналу). Таким образом, технологический газ во втором кольцевом канале проходит в том же направлении, что и в первом кольцевом канале и внутренней трубке (25). Соответственно, будет происходить теплообмен между технологическим газом, проходящим по первому кольцевому каналу, и технологическим газом, проходящим по второму кольцевому каналу. Дополнительно конструкция катализаторной трубки описывается ниже.
Катализаторная трубка представляет собой продолговатый реактор, в котором происходит каталитическая реакция (например, реакция риформинга). Катализаторная трубка имеет продольную ось, которая соответствует длине и продольному направлению катализаторной трубки, и поперечную ось, перпендикулярную продольной оси, и соответствующую ширине катализаторной трубки. Катализаторная трубка имеет два конца, по одному на каждой оконечности продольной оси. Катализаторная трубка, как правило, имеет продолговатый трубчатый корпус, который, по существу, может быть сформирован наружной реакторной трубкой (1, 11, 21). Продолговатый трубчатый корпус, как правило, составляет наибольшую часть длины катализаторной трубки.
Катализаторная трубка имеет впуск катализаторной трубки для поступления технологического газа в катализаторную трубку. Через указанный впуск технологический газ поступает в первый кольцевой канал. Катализаторная трубка также имеет выпуск катализаторной трубки для выведения технологического газа из катализаторной трубки. Впуск и выпуск расположены на противоположных концах катализаторной трубки. Точнее говоря, впуск расположен на одном конце катализаторной трубки (именуемом впускным концом), в то время как выпуск расположен на другом конце катализаторной трубки (именуемом выпускным концом). Соответственно, используемый в настоящем документе термин «впускной конец» относится к концу катализаторной трубки, на котором расположен впуск, в то время как используемый в настоящем документе термин «выпускной конец» относится к концу катализаторной трубки, на котором расположен выпуск. В случае риформера с верхним нагревом впуск, как правило, расположен на верхнем конце катализаторной трубки, а выпуск расположен на нижнем конце катализаторной трубки. В случае риформера с нижним нагревом впуск, как правило, расположен на нижнем конце катализаторной трубки, а выпуск расположен на верхнем конце катализаторной трубки. Используемый в настоящем документе термин «конец» или «конец катализаторной трубки» относится к участку катализаторной трубки на ее конце или вблизи конца. По существу, он также может упоминаться как «концевой участок» катализаторной трубки. Концевой участок катализаторной трубки может, составлять, например, 20% или менее, обычно 10% или менее, например, 5% или менее от общей длины катализаторной трубки. Таким образом, впуск и/или выпуск может быть расположен на боковой поверхности катализаторной трубки (в частности, на боковой поверхности концевого участка катализаторной трубки), либо на верхней или нижней поверхности катализаторной трубки.
Первый кольцевой канал (в котором происходит каталитическая реакция) ограничен наружной стенкой наружной реакторной трубки (1, 11, 21). В то же время наружная реакторная трубка (1, 11, 21) может также быть самой наружной стенкой катализаторной трубки. Наружная реакторная трубка (1, 11, 21), предпочтительно, изготовлена из материала с высокой теплопроводностью, такого как металл или металлический сплав, например, из нержавеющей стали. На выпускном конце катализаторной трубки наружная реакторная трубка (1, 11, 21) может иметь конический концевой участок. При указанной конфигурации обеспечивается опора для компонентов, присутствующих в катализаторной трубке, таких как выпускной барьер (6, 16, 26) или внутренняя трубка (5, 15, 25). В качестве альтернативы, для обеспечения опоры можно увеличить толщину стенки в нижней части трубки и/или выполнить дополнительную обработку указанной стенки, при сохранении постоянного наружного диаметра по всей длине трубки.
Внутренняя трубка (5, 15, 25) простирается коаксиально внутри наружной реакторной трубки (1, 11, 21) и формирует проход к выпуску катализаторной трубки. Внутренняя трубка (5, 15, 25) в продольном направлении может простираться от выпускного барьера (6, 16, 26) (расположенного на выпускном конце катализаторной трубки) к впускному концу катализаторной трубки. Поскольку выходящий из второго кольцевого канала технологический газ должен быть способен поступать во внутреннюю трубку (5, 15). По той же причине внутренняя трубка (5, 15, 25) предпочтительно не простирается в продольном направлении дальше границы (3, 13, 23) раздела на впускном конце риформера. По той же причине внутренняя трубка (5, 15, 25), предпочтительно, не простирается к впускному барьеру (4, 14, 24) или через него. В такой предпочтительной конфигурации катализаторной трубки не требуется специальный впуск или выпуск для технологического газа, поступающего во внутреннюю трубку (5, 15) из второго кольцевого канала. Внутренняя трубка (5, 15, 25) может быть отдалена на некоторое расстояние от границы (3, 13, 23) раздела при помощи, например, опорных элементов (8, 18, 9, 19) или устройств распределения потока или их сочетания.
Внутренняя трубка (5, 15, 25) может быть изготовлена из керамического материала или металла. Внутренняя трубка (5, 15, 25), предпочтительно, изготовлена из материала, имеющего низкую теплопроводность, такого как керамический, металлический или неметаллический материал. Материал, имеющий низкую теплопроводность, определяется в настоящем документе как материал, имеющий теплопроводность ниже 10 Вт/(м⋅K) при 800°С и, предпочтительнее, ниже 1 Вт/(м⋅K) при 800°С. С этой целью могут использоваться, например, микропористые материалы. Внутренняя трубка (5, 15, 25) также может представлять собой сборку, в которой каждая отдельная деталь может быть изготовлена из керамического, металлического или неметаллического материала. Предпочтительно материал также является стойким к коррозии за счет науглероживания и/или металлического напыления. Таким образом, можно ограничить теплообмен между внутренней трубкой (5, 15, 25) и технологическим газом, проходящим по второму кольцевому каналу. Указанный теплообмен является, как правило, нежелательным, поскольку уменьшается количество тепла, которое может передаваться от технологического газа, проходящего по второму кольцевому каналу, к газу, проходящему по первому кольцевому каналу. Соответственно, предпочтительным является материал, отличный от металла. Тем не менее, может использоваться металл, в особенности, металл с низкой теплопроводностью, который устойчив к коррозии, например, за счет обеспечения металла защитным покрытием (например, керамическим покрытием).
Внутренняя трубка представляет собой полое продолговатое тело для перемещения текучих сред. Внутреннюю трубку можно назвать внутренним трубопроводом. В предпочтительном варианте осуществления изобретения внутренняя трубка представляет собой круглую трубку, то есть, трубку, имеющую круглое поперечное сечение. Однако трубка может представлять собой трубку любой формы, например, прямоугольную трубку. Форму трубки определяет поперечное сечение трубки, перпендикулярное продольной оси трубки. Поперечное сечение внутренней трубки может иметь различную форму, например, квадратную, прямоугольную, овальную, яйцеобразную или ромбическую. Поперечное сечение границы раздела может иметь крестообразную, звездообразную или круглую форму с зигзагообразной кромкой. Такие формы могут быть относительно легко получены путем формования внутренней трубки экструзией керамического материала.
Форма внутренней трубки (5, 15, 25) не является особенно критичной. Внутренняя трубка (5, 15, 25) может быть, по существу, прямой трубкой. Альтернативно, внутренняя трубка (5, 15, 25) может иметь спиральную или витую форму. Согласно настоящему изобретению, может быть использована трубка спиральной формы, известная, например, из документа US 6620388. Внутренняя трубка (5, 15, 25) может обеспечивать опору для границы (3, 13, 23) раздела и при необходимости для катализаторной структуры (2, 12, 22), закрепленной на границе раздела. Таким образом, внутренняя трубка (5, 15, 25) может облегчить загрузку реактора, способствуя поддержанию стабильной работы реактора.
Для установки внутренней трубки (5, 15, 25) в катализаторной трубке, внутренняя трубка (5, 15, 25) может быть закреплена на выпускном барьере (6, 16, 26). Кроме того, или в качестве альтернативы, внутренняя трубка (5, 15, 16) может быть прикреплена к границе (3, 13, 23) раздела при помощи, например, опорных элементов (8, 18, 9, 19) и/или устройств распределения потока. Внутренняя трубка (5, 15, 25) может быть отдалена от границы (3, 13, 23) раздела при помощи опорных элементов (8, 18, 9, 19) и/или при помощи устройств распределения потока, предпочтительно так, чтобы обеспечить достаточную турбулентность для улучшения скорости теплообмена между газом, проходящим по первому кольцевому каналу, и технологическим газом, проходящим по второму кольцевому каналу.
Внутренняя трубка (5, 15, 25) может быть пустой. Как правило, использование насадки во внутренней трубке (5, 15, 25) является нежелательным.
Граница (3, 13, 23) раздела расположена между внутренней стенкой наружной реакторной трубки (1, 11, 21) и наружной стенкой внутренней трубки (5, 15, 25). Соответственно, граница (3, 13, 23) раздела простирается коаксиально внутри наружной реакторной трубки (1, 11, 21), а внутренняя трубка (5, 15, 25) простирается коаксиально с внутренней стороны границы (3, 13, 23) раздела. Граница (3, 13, 23) раздела может простираться в продольном направлении от впускного конца к выпускному концу катализаторной трубки. Поскольку технологический газ, выходящий из первого кольцевого канала, должен быть способен поступать во второй кольцевой канал, граница (3, 13, 23) раздела, предпочтительно, не простирается в продольном направлении на выпускном конце риформера дальше наружной реакторной трубки (1, 11, 21). По той же причине граница (3, 13, 23) раздела, предпочтительно, не простирается к выпускному барьеру (6, 16, 26) или через него. В такой предпочтительной конфигурации не требуется специальный впуск или выпуск для протекания технологического газа во второй кольцевой канал из первого кольцевого канала.
Граница (3, 13, 23) раздела формирует границу между первым кольцевым каналом и вторым кольцевым каналом. Технологический газ не может пройти или проникнуть через границу (3, 13, 23) раздела. Чтобы поступить во второй кольцевой канал, технологический газ должен сначала пройти через каталитическую зону первого кольцевого канала. Только после этого технологический газ может поступить во второй кольцевой канал. Граница (3, 13, 23) раздела имеет два конца (или отверстия), а именно, один открытый конец на выпускном конце катализаторной трубки и один закрытый конец на впускном конце катализаторной трубки. Закрытый конец перекрыт впускным барьером (4, 14, 24).
Граница раздела в своей самой простой конструкции представляет собой полое продолговатое тело. Граница раздела выполнена так, что в катализаторной трубке формируются первый и второй кольцевые каналы. Граница раздела, например, может быть трубчатой границей раздела. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, граница раздела сформирована в виде круглой трубки, то есть представляет собой трубку, имеющую круглое поперечное сечение. Однако поперечное сечение границы раздела может иметь иную форму, например, квадратную, прямоугольную или ромбическую. Поперечное сечение границы раздела также может иметь крестообразную, звездообразную или круглую форму с зигзагообразной кромкой. Например, применима граница раздела, имеющая форму квадратной трубки. Рассматриваемое в настоящем документе поперечное сечение границы раздела относится к поперечному сечению, перпендикулярному продольной оси границы раздела. Граница раздела может быть выполнена в виде рукава вокруг внутренней трубки.
Критерием выбора надлежащей формы для внутренней трубки и границы раздела может быть отношение между поверхностью внутренней трубки и поверхностью границы раздела. Чем меньше указанное отношение, тем большая доля тепла передается в каталитическую зону. При этом следует принимать во внимание теплообмен с газом, проходящим по внутренней трубке.
Граница (3, 13, 23) раздела может быть образована единым продолговатым полым телом, таким как полый цилиндр или трубка. Однако граница (3, 13, 23) раздела также может быть сформирована из нескольких полых тел, например, из нескольких трубчатых элементов, уложенных друг на друга в стопку в продольном направлении катализаторной трубки. Например, граница (3, 13, 23) раздела может представлять собой непрерывную сборку из нескольких полых тел или трубчатых элементов, уложенных друг на друга в стопку, причем трубчатые элементы могут иметь, например, коническую, цилиндрическую форму или форму усеченного конуса.
Граница (3, 13, 23) раздела, предпочтительно, выполнена из материала, обладающего высокой теплопроводностью. Это желательно, поскольку граница (3, 13, 23) раздела обеспечивает поверхность, через которую происходит теплообмен между технологическим газом, проходящим по первому кольцевому каналу, и технологическим газом, проходящим по второму кольцевому каналу. Материал может быть металлическим или керамическим.
Если в первом кольцевом канале размещена каталитическая структура (2, 12, 22), материал границы раздела может быть тем же материалом, который использовался для изготовления каталитической структуры (2, 12, 22). Граница (3, 13, 23) раздела может быть отдалена на некоторое расстояние от внутренней стенки наружной реакторной трубки (1, 11, 21), например, при помощи опорных элементов (8, 18, 9, 19) или, предпочтительнее, при помощи катализатора или каталитической структуры (2, 12, 22), размещенной в первом кольцевом канале.
Первый кольцевой канал определяется внутренней стенкой наружной реакторной трубки (1, 11, 21) и наружной стенкой границы (3, 13, 23) раздела. Технологический газ по первому кольцевому каналу может проходить от впускного конца катализаторной трубки к выпускному концу катализаторной трубки. С обеих сторон первого кольцевого канала имеются отверстия. Первое отверстие предназначено для подачи технологического газа в первый кольцевой канал и расположено на впускном конце катализаторной трубки. Второе отверстие предназначено для выпуска технологического газа из первого кольцевого канала и расположено на выпускном конце катализаторной трубки. Технологический газ, проходящий по первому кольцевому каналу, подвергается действию размещенного в нем катализатора. Следовательно, участок первого кольцевого канала, в котором размещен катализатор, может также упоминаться в данном документе как каталитическая зона.
В первом кольцевом канале размещен катализатор для проведения каталитической реакции. Катализатор может находиться в первом кольцевом канале в любом подходящем виде. Например, катализатор может находиться в первом кольцевом канале в виде каталитических гранул или как часть каталитической структуры (2, 12, 22) (также известной как структурированный катализатор). Катализатор способствует каталитической реакции (например, эндотермической реакции парового риформинга), при которой происходит поглощение значительной части тепла, исходящего от печи. Если катализатор является катализатором парового риформинга, он обычно представляет собой катализатор на основе никеля и может быть нанесен на высокопрочную керамическую подложку.
Предпочтительно, катализатор представляет собой катализатор, обладающий высокой активностью. Поскольку объем первого кольцевого канала может быть относительно небольшим, а ожидаемая объемная скорость технологического газа является относительно высокой по сравнению с обычными каталитическими зонами катализаторных трубок, высокая активность катализатора может компенсировать относительно короткое время пребывания технологического газа в каталитической зоне. Кроме того, подходящий катализатор, предпочтительно, способен выдерживать процедуру загрузки в катализаторную трубку, а также напряжения, создаваемые технологическими условиями и термическими циклами, имеющими место при функционировании. Катализаторы парового риформинга и каталитические структуры (2, 12), как правило, имеют большую геометрическую площадь поверхности и небольшой перепад давления, поскольку допустимый перепад давления в паровом риформере ограничен.
Примерами подходящих катализаторов являются катализаторы, нанесенные на металлическую или керамическую структуру или подложку. Форма структуры или подложки катализатора конкретно не ограничивается, однако предпочтительной является структура или подложка, которая способна обеспечить повышенную турбулентность и перемешивание газа в канале. Например, подходящей структурой может быть гранула. Подходящие гранулы известны в данной области техники и обычно имеют цилиндрическую форму. Гранулы являются, как правило, пористыми. Предпочтительными являются гранулы с высокой пористостью. Подходящие структуры также известны в данной области техники, в частности, перекрестно-поточные структуры. Примером подходящей структуры является сотовый монолит, вязаная проволока или пена. Существуют разные способы нанесения катализатора на структуру, включая технологии нанесения покрытия, химическое осаждение из паровой фазы, прямое осаждение и т.д. Чем больше поверхность, контактирующая с газовой фазой, тем выше кажущаяся активность катализатора.
Каталитическая композиция содержит материалы, выбранные из числа известных материалов, являющихся активными в отношении каталитической реакции, включая, но не ограничиваясь катализаторами на основе металлов, входящих в группу, содержащую никель, рутений, палладий, иридий, платину, родий, бор, осмий, золото и их сочетания. Специалист в данной области техники сможет выбрать конкретный химический состав и массовую долю элементов в катализаторе для обеспечения достаточной активности для каталитической реакции.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения первый кольцевой канал содержит каталитическую структуру (2, 12, 22), которая по меньшей мере частично выполнена из гофрированных пластин, ребристых элементов, пеноструктуры и их сочетаний. Предусмотрено такое расположение каталитической структуры (2, 12, 22) в реакторной трубке, чтобы в газовой фазе обеспечивалась достаточная турбулентность, приводящая к уменьшению количества технологического газа, проходящего через каталитический слой без конверсии. Такая структура может усилить интенсивность перемешивания технологического газа в каталитической зоне первого кольцевого канала. Таким образом, можно достичь достаточной полноты конверсии технологического газа при низком перепаде давления. Катализатор может быть обеспечен на структуре любым подходящим способом. Например, катализатор может быть обеспечен на структуре путем закрепления его на поверхности структуры (например, путем нанесения покрытия) или распределен по всей структуре в виде частиц или гранул. Последнее, например, может быть достигнуто путем засыпки частиц или гранул в первый кольцевой канал во время перерыва в работе огневого нагревателя.
Преимущество использования вышеописанной каталитической структуры (2, 12, 22) состоит в повышении активности катализатора. Указанный эффект является желательным, поскольку технологический газ, проходящий через каталитическую зону первого кольцевого канала, обычно имеет относительно высокую скорость. Это в особенности касается катализаторных трубок, которые будут использоваться для реконструкции существующих паровых риформеров. Поскольку катализаторная трубка согласно настоящему изобретению имеет три канала, при этом только один из трех каналов содержит катализатор, объем каталитической зоны в катализаторной трубке согласно изобретению является относительно небольшим. Таким образом, при использовании обычной производительности (расхода), технологический газ, проходящий по первому кольцевому каналу, будет иметь высокую скорость, следовательно, у катализатора будет только ограниченный промежуток времени для конверсии технологического газа. Однако наличие каталитической структуры (2, 12, 22) в первом кольцевом канале может компенсировать высокую скорость газа и краткое время контакта. В особенности, комбинация из высокоактивного катализатора и каталитической структуры (2, 12, 22) способна нивелировать недостаток, вызванный высокой скоростью технологического газа. Однако имеется преимущество, связанное с относительно высокой скоростью технологического газа и хорошим перемешиванием в кольцевых каналах, которое заключается в том, что повышается внутренний коэффициент теплопередачи и, соответственно, усиливается интенсивность каталитической реакции сравнительно с интенсивностью каталитической реакции в обычных катализаторных трубках с уплотненным слоем гранул.
Еще одним преимуществом использования вышеописанной каталитической структуры (2, 12, 22) является упрощение загрузки и извлечения катализатора во время перерыва в работе. Каталитическая структура может быть выполнена и установлена так, что она может быть извлечена из катализаторной трубки. В этом случае граница (3, 13, 23) раздела может быть закреплена на каталитической структуре (2, 12, 22) так, что они могут быть извлечены как единое целое. Для облегчения извлечения каталитической структуры (2, 12, 22) внутренняя трубка (5, 15, 25), предпочтительно, снабжена опорными элементами (8, 18, 9, 19) и/или устройствами распределения потока, которые поддерживают каталитическую структуру (2, 12, 22). В такой конфигурации можно легко извлечь каталитическую структуру (2, 12, 22) вместе с границей (3, 13, 23) раздела, например, смещая границу раздела (3, 13, 23) относительно опорных элементов (8, 18, 9, 19) внутренней трубки (5, 15, 25).
Катализаторная трубка может дополнительно содержать держатель катализатора, предназначенный для удержания катализатора в первом кольцевом канале. В частности, держатель катализатора расположен таким образом, чтобы предотвратить перемещение катализатора к выпускному концу катализаторной трубки. Держатель катализатора может быть, например, закреплен на наружной реакторной трубке. Держатель катализатора может быть расположен около отверстия первого кольцевого канала на выпускном конце катализаторной трубки. Держатель катализатора может быть расположен непосредственно под катализатором или подложкой катализатора. Примером подходящего держателя катализатора является сетчатая структура. Держатель катализатора может быть изготовлен из любого подходящего материала, например, металла или керамики. В предпочтительном варианте осуществления изобретения держатель катализатора может также служить опорой для внутренней трубки, для границы раздела или той и другой. Соответственно, внутренняя трубка, граница раздела или та и другая могут быть закреплены на держателе катализатора. Поскольку держатель катализатора обычно предусмотрен в катализаторных трубках существующих риформеров и паровых риформеров (и часто огневого нагревателя), внутреннюю трубку и границу раздела можно легко выполнить в существующих риформерах. Внутренняя трубка или граница раздела также могут удерживаться одним или более отдельными удерживающими устройствами, например, в случае отсутствия держателя катализатора.
На конце первого кольцевого канала может быть предусмотрен проход, позволяющий технологическому газу, выходящему из первого кольцевого канала, поступать во второй кольцевой канал. Разумеется, указанный проход присутствует в описанной выше конструкции.
Дополнительное преимущество катализаторной трубки согласно настоящему изобретению состоит в том, что она обеспечивает возможность введения измерительного оборудования для измерения параметров (в частности, температуры и давления) внутри реактора без нарушения гидродинамики в каталитическом слое. Это позволяет улучшить регулирование характеристик реактора в течение всего периода эксплуатации. Например, перепад давления между впуском реактора, то есть выше по ходу потока от катализатора, и вторым кольцевым каналом может быть измерен и использован для регулирования условий подачи технологического газа на катализатор, включая, например, соотношение водяного пара и углерода для поддержания наибольшей производительности, минимизации образования углерода и исключения риска выхода процесса из-под контроля. Кроме того, можно регулировать работу печи на основе показаний температуры газовой фазы во втором кольцевом канале, например, непосредственно под слоем катализатора и непосредственно в конце упомянутого второго кольцевого канала, то есть в местоположении поступления газа во внутреннюю трубку. Таким образом, можно постоянно проводить мониторинг характеристик катализатора и может быть известно количество энергии, передаваемой от технологического газа в реакционную зону (от второго кольцевого зазора к каталитическому слою в первом кольцевом пространстве). К тому же, зная температуру перевала печи (температуру в месте отвода дымовых газов), можно постоянно регулировать скорость горения, чтобы максимизировать энергетические характеристики рабочего процесса. Комбинируя указанные методы измерения и регулирования, можно в реальном времени обеспечить оптимизацию характеристик печи.
Второй кольцевой канал определяется внутренней стенкой границы (3, 13, 23) раздела и наружной стенкой внутренней трубки (5, 15, 25). Второй кольцевой канал обеспечивает теплообмен между газом, проходящим по нему, и технологическим газом, проходящим по первому кольцевому каналу. Во втором кольцевом канале технологический газ проходит либо прямоточно, либо противоточно технологическому газу, проходящему по первому кольцевому каналу, то есть либо от выпускного конца катализаторной трубки к впускному концу катализаторной трубки, либо в противоположном направлении. С обеих сторон второго кольцевого канала имеется по отверстию. Первое отверстие предназначено для впуска технологического газа во второй кольцевой канал, причем в первой базовой конфигурации указанное отверстие расположено на выпускном конце катализаторной трубки. Второе отверстие предназначено для выпуска технологического газа из второго кольцевого канала, причем в первой базовой конфигурации указанное отверстие расположено на впускном конце катализаторной трубки.
Как уже описывалось выше, второй кольцевой канал может содержать опорные элементы (8, 18, 9, 19) или устройства распределения потока, либо те и другие. Опорные элементы (8, 18, 9, 19) отдаляют границу (3, 13, 23) раздела на некоторое расстояние от внутренней трубки (5, 15, 25), в то время как устройства для распределения потока способны обеспечить требуемый поток или турбулентность потока в канале.
Впускной барьер (4, 14, 24) расположен на впускном конце катализаторной трубки. Впускной барьер (4, 14, 24) предназначен предотвращать выпуск технологического газа из наружной реакторной трубки (1, 11, 21) через второй кольцевой канал и через внутреннюю трубку (5, 15, 25) на впускном конце катализаторной трубки. Следовательно, впускной барьер (4, 14, 24) будет в то же время предотвращать поступление технологического газа во второй кольцевой канал и внутреннюю трубку (5, 15, 25) без его прохождения сначала по первому кольцевому каналу. В частности, впускной барьер (4, 14, 24) предотвращает выход технологического газа из внутренней части границ (3, 13, 23) раздела или вход технологического газа во внутреннюю часть границы (3, 13, 23) раздела на впускном конце катализаторной трубки. Это может быть достигнуто закрытием отверстия границы (3, 13, 23) раздела, расположенного наиболее близко к впускному концу катализаторной трубки, барьером. Таким образом, впускной барьер (4, 14, 24) может быть обеспечен границей (3, 13, 23) раздела, имеющей закрытый конец на впускном конце катализаторной трубки. Закрытый конец предпочтительно обеспечен путем прикрепления впускного барьера (4, 14, 24) к границе (3, 13, 23) раздела, например, к внутренним стенкам или к верху стенки границы (3, 13, 23) раздела. Крепление может быть выполнено любыми средствами, например, сваркой. Впускной барьер может представлять собой пластину, изготовленную, например, из металла или керамики. Впускной барьер (4, 14, 24) может иметь любую подходящую форму, такую как круглый диск. Впускной барьер (4, 14, 24), к тому же, предотвращает выход технологического газа из второго кольцевого канала в направлении впуска катализаторной трубки. Впускной барьер (4, 14, 24) может быть изготовлен из металла или керамики. Впускной барьер может формировать единое целое со структурированным катализатором. Впускной барьер (4, 14, 24) может быть изготовлен из того же материала, что и внутренняя трубка, или из другого материала, например из керамики или металла, покрытого керамикой, или из сплава, обладающего коррозионной стойкостью в результате науглероживания.
Впускной барьер (4, 14, 24) обычно удерживается в катализаторной трубке в результате прикрепления к границе (3, 13, 23) раздела. Если имеется коллектор (см. ниже), впускной барьер (4, 14, 24) также может быть прикреплен к коллектору.
Выпускной барьер (6, 16, 26) расположен на выпускном конце катализаторной трубки. В первой базовой конфигурации выпускной барьер (6, 16) предназначен предотвращать выпуск технологического газа из наружной реакторной трубки через первый кольцевой канал и через второй кольцевой канал, при этом позволяя технологическому газу выходить из наружной реакторной трубки (1, 11) по внутренней трубке (5, 15). При отсутствии указанного выпускного барьера (6, 16) технологический газ, выходящий из первого кольцевого канала, покидал бы наружную реакторную трубку (1, 11). Благодаря выпускному барьеру (6, 16) технологический газ, напротив, гарантированно поступает во второй кольцевой канал, так что технологический газ сначала проходит по второму кольцевому каналу и по внутренней трубке (5, 15) прежде чем выйти из наружной реакторной трубки (1, 11). Выпускной барьер (6, 16) обычно содержит зазор, позволяющий технологическому газу выходить из внутренней трубки (5, 15). Во второй базовой конфигурации выпускной барьер предназначен предотвращать выход технологического газа из наружной реакторной трубки через первый кольцевой канал и через внутреннюю трубку, при этом позволяя технологическому газу выходить из наружной реакторной трубки (21) через второй кольцевой канал.
Выпускной барьер (6, 16, 26) может быть соединен или закреплен на наружной реакторной трубке (1, 11) или внутренней трубке (5, 15, 25), либо на обеих трубках. Например, выпускной барьер (6, 16, 26) может быть закреплен любыми средствами на внутренней стенке наружной реакторной трубки (1, 11, 21) или на наружной стенке внутренней трубки (5, 15, 25), в частности, посредством сварки. Если наружная трубка имеет конусообразный конец (7, 17), выпускной барьер (6, 16, 26) также может поддерживаться на переходе на конус наружной реакторной трубки (1, 11, 21).
Выпускной барьер (6, 16, 26) также может обеспечивать опору для внутренней трубки (5, 15, 25). Например, внутренняя трубка (5, 15) может быть смонтирована на поверхности выпускного барьера (6, 16) (т.е. на поверхности, обращенной к впускному концу катализаторной трубки). Внутренняя трубка (5, 15) также может простираться в барьер или даже простираться через него. Внутренняя трубка (15) также может продолжаться в выпускной патрубок (17) катализаторной трубки или в выпускной узел, либо в выпускной хвостовик, который может находиться под катализаторной трубкой.
В первой базовой конфигурации выпускной барьер (6, 16) может иметь круглую поверхность с зазором в центре. Зазор обеспечивает отверстие для выпуска технологического газа из внутренней трубки (5, 15). Поверхность круглой формы подходит для закрытия первого и второго кольцевого каналов. Круглая поверхность может быть соединена по кромке с внутренней стенкой наружной реакторной трубки (1, 11). Круглая поверхность может быть частью поверхности конусообразного тела, цилиндрического тела или тела в виде усеченного конуса. Тела указанной формы являются подходящими для формирования выпускного барьера (6, 16). Например, выпускной барьер (6, 16) может представлять собой круглый диск с отверстием в середине.
Катализаторная трубка может дополнительно содержать коллектор, через который технологический газ может транспортироваться от впуска к первому кольцевому каналу. Коллектор также может служить заглушкой или крышкой для наружной реакторной трубки (1, 11, 21) на впускном конце катализаторной трубки. Коллектор может быть закреплен на выпускном конце наружной реакторной трубки (1, 11, 21), например, с помощью механических средств, таких как винты или болты. Коллектор может также обеспечивать дополнительную опору для различных элементов катализаторной трубки, таких как граница (3, 13, 23) раздела и впускной барьер (4, 14, 24).
Предлагаемая в изобретении катализаторная трубка может быть смонтирована в радиантной секции производственной печи или огневого нагревателя, например, парового риформера. Катализаторная трубка согласно изобретению, предпочтительно, приспособлена для введения в печную камеру производственной печи или огневого нагревателя (например, парового риформера). После введения катализаторной трубки в камеру печи один конец трубки закрепляют на одной стенке камеры печи, а другой ее конец закрепляют на противоположной стенке камеры печи. Предпочтительно катализаторную трубку съемно устанавливают в производственной печи или огневом нагревателе. Таким образом катализаторная трубка может быть легко извлечена из камеры печи во время перерыва в работе. Таким образом, облегчается загрузка свежего каталитического материала в катализаторную трубку, когда в этом есть необходимость.
Принцип выбора подходящих размеров для внутренней трубки (5, 15, 25), границы (3, 13, 23) раздела и наружной реакторной трубки (1, 11, 21) будет описываться ниже.
Если не указано иначе, термин «диаметр», используемый в данном документе, относится к внутреннему диаметру трубки, патрубка или границы раздела. Это означает, что толщина стенки трубки, патрубка или границы раздела не включена в диаметр.
Диаметр наружной реакторной трубки (1, 11, 21) не является особенно критичным. Тем не менее, в случае использования катализаторной трубки в существующем паровом риформере (то есть в реконструируемом риформере), диаметр наружной реакторной трубки (1, 11, 21) может быть задан и является, как правило, относительно небольшим. Обычно, диаметр наружной реакторной трубки находится в диапазоне от 5 до 25 см. Касательно диаметра наружной реакторной трубки, следует уточнить, что толщина стенки наружной реакторной трубки не включена в диаметр.
Величина диаметра границы (3, 13, 23) раздела главным образом определяется требуемым минимальным объемом первого кольцевого канала, требуемой объемной скоростью и перепадом давления, обусловленным катализатором.
Касательно объема первого кольцевого канала следует отметить, что каталитическая зона должна иметь достаточно большой объем, чтобы обеспечить достаточно полную конверсию технологического газа. Соответственно, если используемый катализатор не обладает исключительно высокой активностью, диаметр границы (3, 13, 23) раздела не должен быть слишком большим относительно диаметра наружной реакторной трубки. Максимальный размер границы раздела в значительной степени зависит от таких параметров, как диаметр наружной реакторной трубки и заданный расход. Диаметр границы (3, 13, 23) раздела, как правило, может составлять менее 90% диаметра наружной реакторной трубки, например, в случае стандартной наружной трубки, имеющей диаметр 10 см и работающей при умеренном расходе газа. Тем не менее, при высокой производительности установки и/или при использовании наружных реакторных трубок большого диаметра указанный процент может быть выше.
Объем каталитической зоны в первом кольцевом канале не должен быть слишком большим, поскольку это приведет к значительному уменьшению площади теплопередачи и чрезмерному падению давления во втором кольцевом зазоре и внутренней трубке. Таким образом, диаметр границы (3, 13, 23) раздела обычно может составлять по меньшей мере 50% размера диаметра наружной реакторной трубки (исключая толщину стенки наружной реакторной трубки).
Диаметр границы (3, 13, 23) раздела, как правило, составляет от 50 до 95%, например от 58 до 90% размера диаметра наружной реакторной трубки (исключая толщину стенки наружной реакторной трубки).
Диаметр внутренней трубки может быть подобран так, чтобы обеспечить высокую скорость технологического газа во втором кольцевом зазоре. Высокая скорость технологического газа может способствовать теплопередаче от горячего технологического газа, проходящего по второму кольцевому каналу, к технологическому газу в каталитической зоне первого кольцевого канала. Соответственно, диаметр внутренней трубки выбран так, что разница между диаметром границы раздела и диаметром внутренней трубки должна составлять от 10 до 50%, предпочтительно, от 15 до 40% размера диаметра наружной реакторной трубки (исключая толщину стенки наружной реакторной трубки).
Диаметр внутренней трубки (5, 15, 25) может находиться в диапазоне от 1,0 до 4,0 см, предпочтительно, от 2,0 до 3,0 см. Предпочтительно, заданная величина диаметра внутренней трубки должна быть равна или меньше диаметра выпускного патрубка (17) катализаторной трубки, которая обычно составляет около 2,5 см. Такие диаметры имеют достаточно большую величину, чтобы ограничивался перепад давления во внутренней трубке.
Согласно второму аспекту, изобретение относится к многотрубному реактору, содержащему камеру печи и по меньшей мере одну катализаторную трубку согласно изобретению. Многотрубный реактор может содержать множество катализаторных трубок, которые параллельны друг другу. Камера печи может содержать, например, один или несколько рядов катализаторных трубок. К примеру, в типичном многотрубном реакторе с верхним нагревом технологический газ проходит вниз через множество рядов трубок, установленных внутри камеры печи. Горелки, расположенные в верхней части печи, образуют ряды между каждым рядом трубок, при этом дымовые газы выпускаются в нижней части печи. Горелки многотрубного парового реактора с нижним нагревом расположены аналогичным образом, однако внизу печи, при этом технологический газ проходит вверх.
Многотрубный реактор может содержать камеру печи, в которой горелки непосредственно нагревают катализаторные трубки. Например, многотрубный реактор может быть реактором с верхним, нижним или боковым огневым нагревом. Впуски и выпуски по меньшей мере одной катализаторной трубки расположены на противоположных сторонах камеры печи.
Альтернативно, катализаторные трубки могут косвенно нагреваться горелками, например, посредством теплоносителя, такого как нагретый водяной пар. Многотрубный реактор с косвенным нагревом содержит наружную камеру сгорания. В этом случае камера печи может иметь секцию, содержащую горелки (так называемую наружную камеру сгорания), и отдельную секцию, содержащую катализаторные трубки.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения многотрубный реактор представляет собой паровой риформер. Однако, в принципе, реактор согласно изобретению подходит для проведения любой каталитической конверсии, в которой теплопередача играет важную роль для получения продукта конверсии, например, каталитической конверсии аммиака, каталитической конверсии метанола, конверсии водяного газа, каталитической конверсии в процессе Фишера-Тропша и т.д.
Третий аспект изобретения относится к способу проведения каталитической реакции в катализаторной трубке согласно изобретению. Выше уже описывалось прохождение технологического газа при осуществлении указанного способа. Способ включает теплообмен между газом, проходящим по первому кольцевому каналу, и газом, проходящим по второму кольцевому каналу.
Каталитическая реакция представляет собой, в частности, реакцию каталитической конверсии. В принципе, любая каталитическая конверсия, в которой теплопередача играет важную роль для получения продукта конверсии, может быть проведена в катализаторной трубке согласно изобретению. В качестве примера указанных реакций можно назвать паровой риформинг и каталитическую конверсию аммиака. Способ согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения представляет собой способ проведения регенеративного парового риформинга.
Четвертый аспект изобретения относится к применению катализаторной трубки согласно изобретению для реконструкции существующего парового риформера типа 2, то есть парового риформера, в котором впуски и выпуски катализаторной трубки расположены на противоположных сторонах камеры печи. В указанном паровом риформере катализаторная трубка согласно изобретению, может заменить существующие катализаторные трубки, что позволяет проводить регенеративный риформинг в указанном паровом риформере.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, при реконструкции парового риформера используется существующий в реакционных трубках указанного парового риформера держатель катализатора. Преимуществом этого является отсутствие необходимости в замене существующего держателя катализатора, что потребовало бы существенных сварочных работ на месте. В традиционных реакционных трубках существующих риформеров держатель катализатора предназначен удерживать катализатор на своем месте. Соответственно, внутренняя трубка и/или граница раздела позиционируются в существующих трубках риформера с использованием существующего держателя катализатора в качестве опоры.
Согласно указанному аспекту изобретения, катализаторную трубку согласно изобретению также можно применять для реконструкции существующей производственной печи или огневого нагревателя, например, заменяя существующую катализаторную трубку на катализаторную трубку согласно изобретению и/или используя существующий держатель катализатора, если это возможно.