НОВЫЙ РЕАКТОР, ПОЗВОЛЯЮЩИЙ ОСУЩЕСТВЛЯТЬ РЕАКЦИИ ПРИ СВЕРХВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ И ВЫСОКОМ ДАВЛЕНИИ
NEW REACTOR FOR SUPER HIGH-TEMPERATURE AND PRESSURE REACTIONS

Область техники
Настоящее изобретение относится к области реакторов, позволяющих осуществлять реакции при сверхвысокой температуре и высоком давлении.
5
Реакциями этого типа часто являются реакции горения или частичного окисления углеводородных соединений или взрывоопасные реакции, такие как хлорирование или азотирование различных углеводородных соединений. В целом, областью применения настоящего изобретения является область высокоэкзотермических реакций, температура которых может достигать 1600°С и которые требуют уровней давления до 100 бар (1 бар = 10 паскаль).
Именно эти значения следует иметь в виду в дальнейшем тексте описания при упоминании выражения «высокое давление и сверхвысокая температура».
Уровень техники
Перечень известных технических решений в области реакторов, которые могут работать при сверхвысокой температуре и высоком давлении, является очень ограниченным.
Документ US 4670404 раскрывает устройство, позволяющее испытывать материалы, подвергающиеся действию высокого давления и высокой температуры. Устройство содержит зону испытания материала, окруженную зоной изоляции. В устройстве соблюден весовой критерий между весом самого устройства и весом подвергаемой испытанию пробы материала. В этом документе отсутствует какая-либо точная информация о соответствующих значениях толщины зон испытания и изоляции и об уровнях давления и температуры, допустимых в зоне испытания.
Документ ЕР 0689868, который можно рассматривать в качестве ближайшего аналога, описывает реактор для осуществления реакций при высокой температуре и высоком давлении (200 бар/400°С), использующий зону реакции, заключенную в герметичную изоляционную камеру.
В этом документе не указаны размеры реактора, который, кроме того, не позволяет достигать температур реакции сверх 500°С.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является реализация реакционной камеры, которая может работать при сверхвысокой температуре, то есть до 1600°С, и при высоком давлении до 100 бар с учетом двух дополнительных требований:
- гидродинамику реакционной зоны необходимо контролировать в том смысле, что она должна приближаться либо к потоку типа идеально перемешиваемого, либо типа поршневого, то есть без перемешивания смежных реакционных слоев,
- реакционная зона должна максимально приближаться к адиабатическому режиму, чтобы температура внутри упомянутой зоны была максимально однородной. Иначе говоря, необходимо получить реакционную зону без температурного градиента.
Следовательно, материал, ограничивающий реакционную камеру, должен выдерживать температуры, намного превышающие 1000°С.
Однако, как правило, материалы, совместимые с температурами, превышающими 1000°С, являются огнеупорными материалами, такими как керамика или бетон. Эти материалы имеют два недостатка, ограничивающие возможности их использования:
а) с одной стороны, они не являются герметичными и поэтому не позволяют изолировать реакцию внутри строго определенного пространства. Действительно, обычно их теплоизоляционное свойство обеспечивается за счет пористости, которая не позволяет им быть герметичными. Это подтверждается тем, что реакционный объем является небольшим и приближается к объему пор. Таким образом, в случае реакционной зоны в виде небольших каналов, выполненных в массе огнеупорного материала, реактивы могут в большом количестве распространяться в порах так же, как и реакционные эффлюенты.
Кроме того, при воздействии высоких температур или цикличного нагрева или повторяющихся охлаждений огнеупорный материал может растрескиваться, и эти трещины еще больше увеличивают проницаемость материала и способствуют развитию побочных реакций. В случае реакционной зоны в виде небольших каналов эти трещины могут стать еще большими по объему, чем сами каналы, и существенно нарушить гидродинамику потока (каналы обычно используют для получения поршневого потока).
5
b) С другой стороны, огнеупорные материалы характеризуются низкой механической прочностью, что ограничивает рабочее давление при их использовании до значений порядка десятка бар (1 бар = 10 паскаль). Однако требуемая реакционная камера должна выдерживать давления порядка 100 бар. Следовательно, оболочка, которая может выдерживать механически такое давление, может быть только металлической оболочкой. Но такая оболочка не может выдерживать температуры свыше 1000°С даже для так называемых «жаропрочных» сталей, предельная температура использования которых составляет примерно 1100°С при атмосферном давлении и резко снижается при повышении давления внутри камеры.
Известные решения, применяемые для проведения реакций при высоком давлении и сверхвысоких температурах, составляющих, например, 900°С и 50 бар, состоят в использовании огнеупорного материала более или менее большой толщины, которая может доходить примерно до 1 или 2 метров, чтобы защитить металлическую оболочку, которая при этом работает при достаточно низкой температуре (от 150°С до 300°С), чтобы выдерживать рабочее давление (50 бар).
Эта большая толщина огнеупора, кроме соответствующего веса, который в некоторых случаях может оказаться неприемлемым, создает также упомянутую выше проблему опасности диффузии реактивов и реакционных эффлюентов внутри самого огнеупорного материала и соответствующего развития побочных реакций, к которой добавляется более или менее значительное нарушение гидродинамики реакционного потока.
Таким образом, реактор в соответствии с настоящим изобретением должен решить задачу проведения высокоэкзотермических химических реакций, которые могут проходить при температурах 1000°С и при давлении 100 бар в соответствующем оборудовании, которое изолирует реакционную зону в строго определенном пространстве и обеспечивает выход реакционных эффлюентов с соблюдением температурных норм, касающихся камер под давлением.
Краткое описание фигур
Фиг.1 - схематичный вид реактора в соответствии с настоящим изобретением, на котором показаны изнутри наружу: реакционная зона (Z), первая внутренняя камера, обозначенная (I), вторая наружная камера, обозначенная (II), встроенный теплообменник (Е) потока эффлюента, выполненный во второй камере (II). В дальнейшем тексте описания речь пойдет о внутренней камере (I) и наружной камере (II).
Фиг.2 - вариант выполнения реактора в соответствии с настоящим изобретением, в котором использованы цифровые позиции фиг.1, к которым добавлены дополнительные цифровые позиции, соответствующие некоторым элементам, необходимым для реализации упомянутого варианта.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение предлагает решение вышеупомянутой проблемы, основанное на применении двух вставленных друг в друга камер, позволяющих разделить проблему температуры и давления:
- первая внутренняя камера (обозначенная (I) на фиг.1 и 2), прилегающая к реакционной зоне (Z), выполнена из огнеупорного материала (3) и позволяет понизить температуру реакционной зоны примерно до значения 1000°С;
- вторая наружная камера (обозначенная (II) на фиг.1 и 2), содержащая первую камеру (I) и заключенная в металлическую оболочку (1), входящую в контакт с наружным пространством, выполнена из изолирующего материала (13), который позволяет достигать на упомянутой металлической оболочке (1) максимальной температуры примерно 350°С.
С учетом приемлемой толщины упомянутая металлическая оболочка (1) может выдерживать рабочее давление порядка 100 бар.
Внутренняя камера (I) имеет относительно небольшую толщину, достаточную для понижения температуры реакционной зоны (Z) до значения, совместимого с металлическими материалами, выдерживающими высокую температуру, например, 1000°С. Как правило, температура внутренней металлической поверхности (2), ограничивающей внутреннюю камеру (I), имеет значение, меньшее 1000°С.
Внутренняя металлическая поверхность (2) обеспечивает изолирование реакционной зоны даже с учетом возможной диффузии реактивов через поры огнеупорного материала (3) внутренней камеры (I). Как правило, металлическим материалом внутренней металлической поверхности (2) является жаропрочная сталь.
При температуре около 1000°С механическая прочность жаропрочных сталей остается низкой и недостаточной, чтобы выдерживать давление порядка 100 бар.
Наружную камеру (II) рассчитывают таким образом, чтобы она могла выдерживать давление, близкое к рабочему давлению реакционной зоны (Z), чтобы разность давления между внутренней камерой (I) и наружной камерой (II) не превышала определенное значение, как правило, находящееся в пределах от 0,1 до 3 бар и предпочтительно от 0,3 бар до 2 бар.
Для поддержания необходимого давления внутри наружной камеры (II), в том числе в переходных фазах, используют средство контроля разности давления между внутренней камерой (I) и наружной камерой (II), при этом регулирующим агентом может быть, например, инертный газ, подаваемый в наружную камеру (II).
Наружная камера (II) в основном содержит изолирующий материал (13), имеющий более низкую плотность, чем огнеупорный материал (3), используемый для внутренней камеры (I).
Наружная камера (II) может иметь достаточно большую толщину, поскольку возможность диффузии реактивов устранена за счет наличия внутренней металлической поверхности (2), охватывающей реакционную зону (Z) и выполняющей функцию герметизации.
Толщину наружной камеры (II) рассчитывают таким образом, чтобы достигать температуры наружной металлической оболочки (1), совместимой с нормами окружающей среды, то есть от 150°С до 350°С.
Поэтому, как правило, наружную металлическую оболочку (1) выполняют из нержавеющей стали.
Другим важным аспектом реактора в соответствии с настоящим изобретением является то, что, благодаря теплообменнику (Е) потока эффлюента, встроенного в упомянутый реактор, он позволяет снижать температуру реакционных эффлюентов до значения, совместимого с металлическим материалом наружной металлической оболочки (1), используемой для закрывания наружной камеры (II).
Этот теплообменник (Е) потока эффлюента расположен внутри наружной камеры (II). Без этого теплообменника было бы невозможно иметь безопасный доступ через наружную металлическую оболочку (1), сообщающуюся с наружным пространством, так как патрубок (12) выхода эффлюентов (S) нагревался бы до слишком высокой температуры по сравнению с температурой упомянутой наружной металлической оболочки (1).
В случае необходимости можно дополнить охлаждение эффлюентов (S) при помощи вспомогательной системы охлаждения, располагаемой на входе или на выходе внутреннего теплообменника (Е) (на фиг.1 не показана).
Подробное описание изобретения
Объектом настоящего изобретения является реактор для осуществления реакций при высокой температуре (до 1600°С) и высоком давлении (до 100 бар), содержащий, изнутри наружу реактора, следующие элементы:
- реакционную зону (Z), ограниченную внутренней стенкой (4) и окруженную внутренней камерой (I),
- внутреннюю камеру (I), ограниченную внутренней металлической поверхностью (2) и внутренней стенкой (4), при этом упомянутая внутренняя камера (I) выполнена из огнеупорного материала (3), содержит вход (11) для части реактивов, вход (7) для другой части реактивов и патрубок (5) для выхода эффлюентов, по существу выполненный в продолжении центрального патрубка (10) встроенного теплообменника (Е),
- наружную камеру (II), заключенную между наружной металлической оболочкой (1) и внутренней металлической поверхностью (2) внутренней камеры (I), при этом упомянутая наружная камера (II) заполнена изолирующим материалом (13) и содержит теплообменник (Е), обеспечивающий охлаждение реакционных эффлюентов и предварительный нагрев реактивов,
- наружную металлическую оболочку (1), закрывающую все составные элементы и содержащую, по меньшей мере, два патрубка входа реактивов, то есть патрубок (8), сообщающийся с встроенным теплообменником (Е), и патрубок (9), по существу находящийся в продолжении входа (11) и сообщающийся с реакционной зоной (Z), и, по меньшей мере, один патрубок (12) выхода эффлюентов,
- теплообменник (Е) потока эффлюента, выполненный внутри наружной камеры (II), соединенный с патрубком (8) входа, по меньшей мере, части реактивов и с патрубком (12) выхода эффлюентов и сообщающийся через внутренний патрубок (7) с реакционной зоной (Z),
- устройство регулирования разности давления между внутренней камерой (I) и наружной камерой (II).
Наружная камера (II), заполненная изолирующим материалом (13), выполняет роль зоны изоляции, позволяющей достигать на уровне наружной металлической оболочки (1) температуры от 150°С до 350°С.
Внутренняя камера (I), окружающая реакционную зону (Z), позволяет в основном понижать температуру упомянутой реакционной зоны до значения примерно 1000°С, измеренную на уровне внутренней металлической поверхности (2).
Реактор в соответствии с настоящим изобретением для осуществления реакций при сверхвысокой температуре и высоком давлении содержит реакционную зону (Z), объем которой, называемый реакционным объемом, по отношению к общему объему реактора составляет от 0,005 до 0,2.
Значение соотношения между реакционным объемом и общим объемом реактора может меняться в зависимости от мощности реактора:
а) если реакционный объем меньше 100 литров, отношение реакционного объема к объему реактора предпочтительно находится в пределах от 0,005 до 0,01,
b) если реакционный объем составляет от 100 до 1000 литров, отношение реакционного объема к общему объему реактора предпочтительно находится в пределах от 0,01 до 0,05,
c) если реакционный объем больше 1000 литров, отношение реакционного объема к общему объему реактора предпочтительно находится в пределах от 0,05 до 0,2.
Толщина внутренней камеры (I), содержащей огнеупорный материал (3), по отношению к диаметру реакционной зоны (Z) обычно находится в пределах от 0,05 до 0,5 и предпочтительно от 0,1 до 0,3.
Реактор в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержит систему регулирования давления наружной камеры (II) при помощи инертного газа, подаваемого в наружную камеру (II) таким образом, чтобы ограничить разность давления между упомянутой наружной камерой (II) и внутренней камерой (I) до значения, обычно составляющего от 0,1 до 3 бар и предпочтительно от 0,3 до 2 бар.
Теплообменник (Е) можно определить как теплообменник потока эффлюента, поскольку текучая среда-теплоноситель содержит реакционные эффлюенты, выходящие из реакционной зоны (Z), и проходит через упомянутый теплообменник (Е) по центральному патрубку (10). Центральный патрубок (10) сообщается с выходным патрубком (5) реакционной зоны (Z). Предпочтительно ось симметрии теплообменника (Е) практически совпадает с осью симметрии реакционной зоны (Z).
Центральный патрубок (10) теплообменника (Е) сообщается с наружным пространством реактора, проходя через наружную металлическую оболочку (1). За счет теплообмена реакционные эффлюенты, циркулирующие внутри патрубка (10), охлаждаются до температуры от 150°С до 350°С и находятся, таким образом, при температуре, совместимой с температурой наружной металлической оболочки (1).
Часть реактивов, как правило, окислитель в случае реакции горения, подают через входной патрубок (8), который проходит через наружную металлическую оболочку (1) и сообщается с зоной (6) теплообмена теплообменника (Е). Упомянутая зона (6) теплообмена продолжена патрубком (7) соответствующей формы, который предпочтительно соединяется с патрубком (9) входа другой части реактивов. Предпочтительно патрубок (7) полностью расположен в наружной камере (II). В некоторых случаях, которые идеально вписываются в рамки настоящего изобретения, патрубок (7) может соединяться с реакционной зоной (Z) через вход, отличный от входов (9) или (11).
Как правило, теплообменник (Е) охватывает патрубок (10) выхода реакционных эффлюентов на части длины, заключенной между выходом (5) реакционной зоны (Z) и выходом (12) самого реактора.
Вместе с тем, в рамках настоящего изобретения возможны и другие геометрические формы теплообменника (Е), главное, чтобы упомянутый теплообменник (Е) оставался внутри наружной камеры (II).
3
Огнеупорный материал (3) внутренней камеры (I) может быть огнеупорным бетоном или предпочтительно керамикой, выдерживающей сверхвысокие температуры, то есть, по меньшей мере, температуры до 1600°С. Огнеупорный бетон или керамика имеет пористость, меньшую 50% по объему, и плотность, превышающую 1000 кг/м.
Керамика может быть выполнена на основе следующих материалов: глинозема, муллита, диоксида циркония, нитрида или карбида кремния. Выбор материала или комбинации материалов преследует цель достижения компромисса между низкой теплопроводностью, которая позволяет понижать температуру до необходимого значения на уровне внутренней металлической поверхности (2), и ограниченной пористостью для снижения риска диффузии реактивов внутрь материала (3).
Изолирующим материалом (13), используемым для заполнения наружной камеры (II), является огнеупорный материал, выдерживающий температуры порядка 1000°С и обладающий низкой теплопроводностью, позволяющей достигать на уровне наружной металлической оболочки (1) температур от 150°С до 350°С.
Предпочтительно теплопроводность материала (13), используемого в наружной камере (II), меньше 0,5 Вт/(м·К) (ватт на метр и на Кельвин) и предпочтительно меньше 0,1 Вт/(м·К).
Такая низкая теплопроводность позволяет осуществлять требуемое понижение температуры при значениях толщины наружной камеры (II), остающихся относительно малыми, порядка нескольких сантиметров, что является важным моментом при изготовлении, поскольку упомянутая наружная камера (II) имеет толщину, рассчитанную, чтобы выдерживать давление, которое может составлять около 100 бар.
3
Изолирующий материал (13) наружной камеры (II) тоже имеет низкую плотность, предпочтительно менее 500 кг/м, чтобы ограничить вес конструкции.
Изолирующий материал (13) наружной камеры (II) выбирают из следующих материалов: глинозем или кремнезем-глинозем и располагают внутри упомянутой наружной камеры (II) в виде шариков размером от нескольких миллиметров до 3 см, или экструдатов диаметром в несколько миллиметров и длиной, которая может достигать 3 см.
Изолирующий материал (13) можно также применять в виде ваты или блоков, механически обработанных таким образом, чтобы соответствовать форме наружной металлической оболочки (1).
Реактор в соответствии с настоящим изобретением можно применять в разных процессах, использующих высокоэкзотермические реакции. Например, можно указать способы частичного окисления или горения, в которых окислитель (Е1) вводят через входной патрубок (8), предварительно нагревают во внутреннем теплообменнике (Е), пропускают через патрубок (7) на выходе теплообменника (Е), затем вводят в контакт с топливом (Е2), подаваемым через входной патрубок (9).
Смесь окислитель/топливо направляют через входной патрубок (11) в реакционную зону (Z), в которой происходят реакции частичного окисления или горения. Реакционные эффлюенты покидают упомянутую реакционную зону (Z) через выходной патрубок (5) и проходят через внутренний теплообменник (Е) по центральному каналу (10), работая как текучая среда-теплоноситель, а затем удаляются наружу реактора через выходной патрубок (12).
Как правило, реактор в соответствии с настоящим изобретением можно использовать для любого способа частичного окисления или горения, в котором температура внутри реакционной зоны (Z) составляет от 1000°С до 1600°С, а давление внутри реакционной зоны (Z) составляет от 40 бар до 100 бар.
Пример согласно изобретению (фиг.2)
Реактор содержит наружную металлическую оболочку (1), выполненную путем соединения обечайки (1) и верхнего полусферического колпака (16) после закрывания фланца (14).
Наружная металлическая оболочка (1) выполнена из нержавеющей стали типа 316 L.
Наружная камера (II), заключенная между наружной металлической оболочкой (1) и внутренней металлической поверхностью (2), имеет размеры, позволяющие ей выдерживать рабочее давление 50 бар и максимальную температуру 350°С.
Внутренняя металлическая поверхность (2) соответствует наружной поверхности трубы (21).
Наружная камера (II) имеет толщину 350 мм.
Внутренняя металлическая поверхность (2) выполнена из жаропрочной стали типа Incoloy MA956.
Основными размерами реактора являются диаметр (DT), равный 1,1 м, и высота (НТ), равная 2,5 м.
Внутренняя камера (I) образована трубой (21), закрепленной сваркой на дне обечайки (1), и закрыта фланцем (24).
2
3
3
Внутренняя камера (I), ограничивающая реакционную зону (Z), выполнена из огнеупорного материала (3), которым является керамика на основе глинозема (Al O более 90% мас.) объемной плотностью 1700 кг/м при пористости 22%.
Теплопроводность этой керамики составляет 0,95 Вт/(м·К).
Этот огнеупорный бетон может выдерживать температуру 1584°С производимых дымов и обеспечивает теплоизоляцию, которая понижает температуру внутренней металлической поверхности (2), соответствующей наружной поверхности трубы (21), до максимального значения 1000°С.
Размерами реакционной зоны (Z) являются диаметр (D2) 250 мм и высота (Н2) 300 мм.
Толщина внутренней камеры (I) равна 50 мм.
Вторая труба (22) тоже закреплена сваркой на дне обечайки (1) и содержится в трубе (21).
Кольцевая зона (6), заключенная между трубами (21) и (22), продолжена двумя каналами (23), выполненными непосредственно в огнеупорном материале (3) внутренней камеры (I) для питания реакционной камеры (Z).
Эти каналы (23) выполняют роль патрубка (7), показанного на фиг.1.
2
3
Пространство, образующее наружную камеру (II), заполнено изолирующим материалом (13), который является керамикой на основе кремнезема (SiO более 80% мас.) плотностью 200 кг/м и с теплопроводностью при 1000°С, равной 0,04 Вт/(м·К), которая позволяет понижать температуру наружной металлической оболочки (1) до максимума 350°С.
С одной стороны, в реакционную зону (Z) подают смесь топлива и воды (Е2) через входную трубу (9), продолженную каналом (11), выполненным непосредственно в материале (3), и, с другой стороны, кислород (Е1), который поступает в кольцевую зону (6) через входную трубу (8).
Скорости нагнетания реакционных текучих сред в реакционную зону (Z) и направление этого нагнетания оптимизируют путем расчетов, чтобы создавать максимально интенсивное завихрение в реакционной зоне (Z) и получать максимально однородную смесь окислитель/топливо во всем объеме упомянутой зоны.
Дымы, выделяемые при горении при 1584°С, удаляются через отверстия (5), выполненные в материале (3) внутренней камеры (I), и опускаются в трубу (10). При прохождении через трубу (10) происходит теплообмен между опускающимися дымами (F) и кислородом, поднимающимся по кольцевой зоне (6).
На своей внутренней поверхности труба (22) защищена тепловым экраном (15) от все еще высокой температуры дымов (F), получаемых при горении. Этот экран выполнен из такого же материала (3), что и внутренняя камера (I).
Комплекс, включающий трубу (10), тепловой экран (15) и кольцевую зону (6), образует встроенный теплообменник (Е).
Теплообменник (Е) позволяет нагревать кислород до максимальной температуры 1000°С до его входа в реакционную зону (Z).
Дымы выходят в нижнюю часть теплообменника (Е) через отверстия (33) и попадают в охлаждающий объем (BQ), в который через трубу (19) можно закачивать воду, чтобы понизить температуру дымов до значения 350°С. После этого охлажденные дымы (S) выходят из реактора через трубу (12).
Наружную камеру (II) поддерживают под давлением азота в значении 50 бар, плюс-минус 1 бар, при помощи потока азота, входящего через трубу (18).
Реактор в соответствии с настоящим изобретением работает при расходе топлива 24,3 кг/ч и 217,5 кг/ч (Е2 на фиг.2).
Расход чистого кислорода (Е1) составляет 100,2 кг/ч.
Давление в реакционной зоне составляет 50 бар (или 5 МПа).
Температура дымов (F), образующихся при горении, составляет 1584°С.
Дымы имеют следующий состав (в % мас.):
2
О: 4,39%
2
НО: 73,8%
2
СО: 21,9%
2
СО+Н: следовые количества (менее 0,1%).