РЕАКТОР ДЛЯ РЕАКЦИИ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ
REACTOR FOR CATALYTIC CONVERSION REACTION

Изобретение относится к каталитическому реактору, который выполнен с возможностью уменьшения деформации и разрыва внутриреакторных конструкций. В частности, изобретение относится к каталитическому реактору с улучшенной оболочкой катализатора.
Предшествующий уровень техники
В гетерогенных химических реакциях химическая реакция часто катализируется твердыми частицами катализатора. Эти частицы катализатора, как правило, расположены в слоях катализатора, и во время прохождения реакционно-способной текучей среды через слой катализатора происходит химическая реакция, в результате чего реакционно-способная текущая среда преобразуется в требуемый продукт или смесь продуктов, химический состав которых отличается от химического состава реакционно-способной текучей среды.
То, что находится внутри реактора, называется внутриреакторными конструкциями. Катализаторный слой удерживается в определенном положении в реакторе при помощи внутриреакторных конструкций, которые позволяют потоку текучей среды перемещаться к и от частиц катализатора. Обычно это обеспечивают посредством образования отверстий во внутриреакторных конструкциях, соприкасающихся с частицами катализатора. Тип отверстий определяет характер протекания текучей среды внутри слоя катализатора.
Внутриреакторные конструкции, предназначенные для удержания слоя катализатора в определенном положении, как правило, представляют собой опорную пластину для катализатора, поддерживаемую вдоль ее кромок и/или за свободную сторону, находящуюся напротив катализаторной стороны. В некоторых случаях поддерживать опорную пластину для катализатора с этой свободной стороны невозможно, например, в случае, когда частицы катализатора и опорная пластина испытывают большое перемещение, которое вызвано тепловым расширением внутриреакторных конструкций.
Слой катализатора может обычно иметь свободную верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, поддерживаемую горизонтальной опорной пластиной для катализатора, в которой выполнены отверстия. Слой катализатора удерживается на месте вертикальными неперфорированными стенками оболочки катализатора и перфорированной опорной пластиной. Затем газ проникает в слой катализатора со стороны свободной верхней поверхности и выходит из него через перфорированную опорную пластину катализатора в нижней области слоя катализатора. Опорная пластина катализатора закреплена вдоль ее кромок к вертикальной стенке оболочки катализатора и обычно она не поддерживается снизу со свободной стороны. При нагреве реактора тепловое расширение слоя катализатора и вертикальных стенок оболочки катализатора или других внутриреакторных конструкций вызывает деформацию слоя катализатора и внутриреакторных конструкций в направлении направленной вниз оси.
Во время прохождения реакционно-способной текучей среды через слой катализатора и опорную пластину катализатора реакционно-способная текучая среда испытывает перепад давления, и это, в сочетании с весом частиц катализатора на опорной пластине для катализатора, может вызвать деформацию опорной пластины для катализатора. Поэтому существует верхний предел для площади поверхности опорной пластины, когда опорная пластина для катализатора удерживается только вдоль своих кромок. Превышение этого верхнего предела потребовало бы практически и экономически нецелесообразного укрепления опорной пластины для катализатора, например использования очень толстой опорной пластины для катализатора.
Альтернативный способ поддержки опорной пластины для катализатора заключается в использовании различных поддерживающих конструкций, расположенных в слое катализатора и закрепленных на опорной пластине для катализатора. Это позволяет применять опорные пластины для катализатора большего размера по сравнению со случаем закрепления опорной пластины к стенкам оболочки катализатора. Могут применяться поддерживающие элементы, такие как стойки, закрепленные на опорной пластине для катализатора. Стойки - это опорные элементы, закрепленные одним концом к первой конструкции, а вторым концом - ко второй конструкции, обеспечивая поддержку одной или обеим конструкциям.
Однако стойки и подобные им поддерживающие конструкции могут испытывать разное тепловое расширение из-за неравномерного распределения температуры в реакторе. Из-за этого возникают сильные напряжения в опорной пластине для катализатора и в стойках в осевом направлении, что может привести к их деформации или разрыву. Силы, испытываемые этими конкретными внутриреакторными конструкциями в радиальном направлении, ничтожны по сравнению с силами, действующими в осевом направлении.
Реферат на английском языке японской патентной заявки №49010172 раскрывает устройство для каталитической реакции, используемое в высокотемпературных каталитических реакциях для предотвращения разрыва опорной пластины для катализатора. Опорная пластина для катализатора имеет отверстия и она разделена на одну или несколько областей и опору для опорной пластины для катализатора. И то, и другое закреплено вертикальными болтами. Тепловое расширение опорной пластины для катализатора может быть скомпенсировано ослаблением вертикальных болтов, расположенных между пластиной и ее опорой, так чтобы они могли перемещаться друг относительно друга.
В рамках настоящей патентной заявки описано устройство для каталитической реакции, в котором напряжения в опорной пластине для катализатора уменьшаются лишь в радиальном направлении. Какие-либо упоминания о том, как уменьшить напряжения в осевом направлении, отсутствуют. Поэтому в основу настоящего изобретения положена задача создания каталитического реактора, в котором уменьшены тепловые напряжения на внутриреакторных конструкциях в осевом направлении. Это в свою очередь уменьшает деформацию и разрыв внутриреакторных конструкций реактора.
Сущность изобретения
Изобретение раскрывает каталитический реактор, имеющий внутриреакторные конструкции, которые включают в себя сегментированную опорную пластину для катализатора, поддерживаемую вытянутыми опорными элементами, в которых уменьшены напряжения, испытываемые внутриреакторными конструкциями при повышенных температурах, в осевом направлении.
Изобретение содержит каталитический реактор, имеющий характеристики, описанные в пункте 1 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1, 2 и 3 представляют собой схематические изображения поперечных сечений сегментированной опорной пластины для катализатора для трех различных вариантов осуществления изобретения.
Фиг.4 представляет собой схематическое изображение продольного сечения, выполненного через оболочку катализатора, со стяжками, прикрепленными нижним концом к сегментированной опорной пластине катализатора.
Фиг.5 представляет собой схематическое изображение продольного сечения, проходящего через оболочку катализатора, с трубками, прикрепленными своими нижними концами к сегментированной опорной пластине для катализатора.
Фиг.6 представляет собой схематическое изображение продольного сечения, проходящего через оболочку катализатора, с двойными трубками, прикрепленными своими нижними концами к сегментированной опорной пластине для катализатора.
Фиг.7 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения сегментированной опорной пластины для катализатора, сегменты которой прикреплены либо к стенке оболочки катализатора, либо к вытянутым опорным элементам.
Подробное описание изобретения
Каталитический реактор, выполненный согласно изобретению, содержит оболочку катализатора, имеющую множество вытянутых опорных элементов. Внутри оболочки катализатора расположена перфорированная опорная пластина для катализатора, поддерживающая слой частиц катализатора. Вытянутые опорные элементы своими нижними концами прикреплены к перфорированной опорной пластине для катализатора, например, посредством сварки. Перфорированная опорная пластина для катализатора разделена на сегменты, и каждый сегмент опорной пластины для катализатора поддерживается вытянутым опорным элементом. Узел, состоящий из сегментированной опорной пластины для катализатора и вытянутых опорных элементов, закрепленных на этих сегментах опорной пластины для катализатора, поддерживается трубной решеткой или пластиной, на которой закреплены верхние концы вытянутых опорных элементов.
Слой катализатора располагается на верхней поверхности перфорированной опорной пластины для катализатора. Таким образом, частицы катализатора расположены вокруг внешней поверхности вытянутых опорных элементов. Технологический газ, проникающий в каталитический реактор, направляется в сторону слоя катализатора для вступления в реакцию. Отверстия, выполненные в опорной пластине для катализатора, позволяют вступившему в реакцию технологическому газу пройти через слой катализатора и так же через опорную пластину для катализатора к нижней стороне опорной пластины для катализатора.
Сегментированная опорная пластина для катализатора может быть изготовлена, например, посредством разрезания цельной большой опорной пластины для катализатора, имеющей требуемые размеры, подходящие для реакторного устройства, на более мелкие отдельные сегменты опорной пластины для катализатора. Опорная пластина для катализатора может быть разрезана при помощи, например, водоструйной резки или любым другим подходящим способом, известным из уровня техники. В сегментах опорной пластины для катализатора можно проделать отверстия, или отверстия в большой опорной пластине для катализатора могут быть проделаны до ее разрезания на отдельные сегменты.
Сегменты опорной пластины для катализатора могут иметь любую подходящую форму или сочетание форм, которые можно поместить в реакторное устройство для образования поверхности, на которой можно расположить слой катализатора.
Сегменты опорной пластины для катализатора могут иметь, например, три стороны (т.е. быть треугольными), четырехсторонними, пятисторонними и шестистронними.
Сегменты опорной пластины для катализатора можно поместить рядом друг с другом, кромка к кромке, с зазором или без зазора между сегментами пластины. Если имеется зазор, то тогда важно, чтобы частицы катализатора не падали через эту щель в пространство под опорной пластиной для катализатора.
Чтобы не допустить такой ситуации, минимальная толщина каждого сегмента опорной пластины для катализатора должна быть на всех технологических этапах, будь то этап запуска или этап остановки, по меньшей мере равна максимально возможной разнице в удлинении между двумя соседними вытянутыми опорными элементами.
Сегментированная опорная пластина для катализатора может быть выполнена из любого подходящего материала, например из сплавов никеля и нержавеющей стали.
Вытянутые опорные элементы могут иметь цилиндрическое поперечное сечение. Возможны также другие формы поперечного сечения, например шестиугольное или квадратное поперечное сечение. Иными словами, поперечное сечение может иметь форму многоугольника.
Каталитический реактор, выполненный согласно изобретению, можно использовать в широком диапазоне температур. Особенно он подходит для использования при температурах выше 700°С в реакторах, где стойки могут испытывать большие колебания температур, ведущие к значительным колебаниям теплового расширения.
Каждая опорная пластина для катализатора прикреплена по меньшей мере к одному вытянутому опорному элементу. Однако сегменты опорной пластины для катализатора, граничащие со стенкой оболочки катализатора, могут опционально быть прикреплены к этой стенке, тогда как остальные сегменты опорной пластины катализатора прикреплены к нижним концам вытянутых опорных элементов.
Возможен вариант осуществления изобретения, при котором каталитический реактор выполнен таким образом, что вытянутые опорные элементы являются стойками, к которым крепятся сегменты опорной пластины для катализатора.
Другим вариантом осуществления изобретения является каталитический реактор, в котором вытянутые опорные элементы являются трубками, например теплопереносящими трубками, к которым крепятся сегменты опорной пластины для катализатора.
Еще одним вариантом осуществления изобретения является каталитический реактор, в котором вытянутые опорные элементы, к которым крепятся сегменты опорной пластины для катализатора, представляют собой концентрические двойные трубки, например, у которых во внутренней трубке находится катализатор. Кольцевой объем, то есть межтрубное пространство, образованное концентрическими двойными трубками, создает канал, который может использоваться, например, для пропускания технологического газа.
Изобретение и варианты его осуществления более подробно описаны ниже:
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения сегментированной опорной пластины 1.1 для катализатора. В этом варианте осуществления опорная пластина 1.1 для катализатора разрезана на несколько сегментов, состоящих из центрального сегмента 1.2 опорной пластины для катализатора и периферийных сегментов 1.3 опорной пластины для катализатора, которые соответственно поддерживаются центральным вытянутым опорным элементом, помещенным в отверстие 1.4, и периферийными вытянутыми опорными элементами, помещенными в отверстие 1.5. Каждый сегмент опорной пластины для катализатора имеет отверстия 1.6, которые обеспечивают равномерное распределение технологического газа как через слой катализатора, так и через сегменты опорной пластины для катализатора. В этом варианте осуществления сегменты 1.2 и 1.3 опорной пластины для катализатора являются соответственно четырех- и шестисторонними.
Однако каждый сегмент опорной пластины для катализатора может быть вырезан с различной формой, как это показано на Фиг.2. На Фиг.2 изображено поперечное сечение, проходящее через оболочку катализатора в каталитическом реакторе, выполненном согласно изобретению и содержащем множество вытянутых опорных элементов 2.4, прикрепленных к множеству сегментов 2.2 и 2.3 опорной пластины для катализатора с отверстиями 2.6. В этом варианте осуществления сегменты 2.2 и 2.3 опорной пластины для катализатора являются по форме соответственно шестиугольными и пятиугольными, и длина сторон сегментов опорной пластины для катализатора может быть различной, то есть их длина не одинакова, как показано на примере сегмента 2.2 опорной пластины для катализатора. В каталитическом реакторе согласно изобретению могут также применяться сегменты опорной пластины для катализатора, имеющие треугольную или квадратную форму. Сегменты 2.2 опорной пластины для катализатора могут поэтому иметь форму многоугольника. В этом варианте осуществления вытянутые элементы имеют цилиндрическую форму и состоят из концентрических двойных трубок.
На Фиг.3 изображена еще одна модификация осуществления изобретения, приведенного на Фиг.1. В этом варианте осуществления исключен центральный сегмент опорной пластины для катализатора, а периферийные сегменты 3.3 опорной пластины для катализатора вырезаны таким образом, что они граничат с центральным вытянутым элементом, помещенным в отверстие 3.4. В этом случае центральный вытянутый элемент в отверстии 3.4 не поддерживает никакой сегмент 3.3 опорной пластины для катализатора.
Поддерживаются все сегменты опорной пластины для катализатора. Однако не все вытянутые элементы в слое катализатора обеспечивают поддержку сегмента опорной пластины для катализатора. Число вытянутых опорных элементов может меняться в зависимости от размера реактора, но находится преимущественно в диапазоне от 1 до 1000. Вытянутыми элементами, не обеспечивающими поддержку, могут быть трубки для пропуска текучей среды.
На практике разница температур, испытываемых по всей поверхности сегментов опорной пластины для катализатора, может быть чрезвычайно большой. Однако локальные разницы температур между соседними вытянутыми элементами невелики. Это означает, что расширения, которым подвергаются соседние вытянутые опорные элементы, очень близки. Таким образом, любые вытянутые опорные элементы расширяются приблизительно на ту же длину, что и их ближайшие соседи.
Еще один вариант осуществления изобретения изображен на Фиг.4. На Фиг.4 изображено продольное сечение каталитического реактора 4.1, выполненного согласно изобретению. Каталитический реактор 4.1 включает в себя оболочку 4.2 катализатора и множество стоек 4.3, которые расположены в правильном порядке внутри оболочки 4.2. Изображены две стойки 4.3. Каждая стойка 4.3 поддерживает сегмент 4.4 опорной пластины для катализатора своим нижним концом. Сегменты 4.4 пластины имеют отверстия 4.5 и помещены кромка к кромке с зазором 46 между кромками сегментов 4.4 пластины или без него.
Таким образом, сегменты 4.4 пластины образуют поверхность, подобную поверхности цельной большой опорной пластины для катализатора, подходящую для поддержки слоя катализатора 4.7.
Технологический газ входит внутрь оболочки 4.2 катализатора через входное отверстие 4.8 и проходит через слой 4.7 катализатора для вступления в каталитическую реакцию при требуемой температуре. После каталитической реакции технологический газ проходит через отверстия 4.5 и зазоры 4.6, если последние имеются, чтобы проникнуть в объем 4.9, расположенный ниже по направлению потока, чем слой 4.7 катализатора.
Еще один вариант осуществления изобретения изображен на Фиг.5. В этом варианте осуществления каталитический реактор, выполненный согласно изобретению, аналогичен реактору, описанному на Фиг.4, за исключением того, что вытянутые опорные элементы являются трубками 5.3, по которым может протекать технологическая текучая среда, причем нижние концы трубок прикреплены к сегментам 5.4 опорной пластины для катализатора. На этой фигуре изображены только оболочка катализатора и ее содержимое. Технологическая текучая среда проникает внутрь оболочки 5.2 катализатора через входное отверстие 5.8 и она подвергается конверсии в процессе прохождения через слой 5.7 катализатора. После прохождения через сегменты 5.4 пластины прореагировавший технологический газ проникает в объем 5.9, а затем в трубки 5.3 через их нижние концы. Во время прохождения через трубки 5.3 прореагировавший технологический газ может осуществлять косвенный теплообмен с реагирующим технологическим газом, находящимся в слое 5.7 катализатора.
Эти варианты осуществления подходят для применения в реакции парового риформинга, в которой метан вступает в реакцию с паром с образованием окиси углерода и водорода. Эндотермическая реакция парового риформинга происходит в слое 5.7 катализатора, и образующийся газ проникает в объем 5.9 и смешивается с горячим газом, протекающим из входного отверстия 5.10. Затем смесь при прохождении через трубки 5.3 охлаждается в результате теплообмена при реакции, протекающей в слое 5.7 катализатора. Прореагировавший газ выходит из оболочки 5.2 катализатора через выходное отверстие 5.12.
Вариант осуществления, изображенный на Фиг.5, особенно полезен в реакциях парового риформинга, температура в которых достигает 1000°С. В таких реакторах реакторная трубка, длина которой может составлять двенадцать метров, может при такой температуре увеличивать свою длину, например, на 160 миллиметров, в зависимости от коэффициента теплового расширения металла трубки. Поскольку реакторная трубка прикреплена верхним концом к трубной решетке 11, наибольшее расширение наблюдается на нижнем конце.
Неравномерное температурное распределение в реакторе может приводить к различному расширению каждой отдельной реакторной трубки в реакторе. В конечном итоге это ведет к деформации и разрыву опорной пластины для катализатора, если она не сегментирована. При использовании сегментированной опорной пластины для катализатора возможно различное расширение реакторных трубок без разрыва каких-либо внутриреакторных конструкций.
Еще один вариант осуществления изобретения изображен на Фиг.6. На этой фигуре изображены только оболочка катализатора и ее содержимое. В этом варианте осуществления каталитический реактор, выполненный согласно изобретению, аналогичен реактору, описанному на Фиг.5, за исключением того, что вытянутые опорные элементы представляют собой концентрические двойные трубки 6.3, причем внешняя трубка прикреплена своим нижним концом к сегментам 6.4 опорной пластины катализатора. В межтрубном пространстве 6.5 концентрических двойных трубок 6.3 может протекать технологическая текучая среда, а объем внутренней трубки 6.6 может быть заполнен частицами катализатора. Сегментированные опорные пластины 6.4 для катализатора поддерживают слой 6.7 катализатора, находящийся снаружи концентрических двойных трубок 6.3.
На Фиг.6 более подробно объяснено следующее. Технологическая текучая среда, например технологический газ, проникает внутрь оболочки 6.2 катализатора через входное отверстие 8 и конвертируется при прохождении через дополнительный слой 6.11 катализатора, расположенный в объеме 6.13 внутренней трубки 6.6 концентрической двойной трубки 6.3. Одновременно технологический газ подвергается конверсии при прохождении через слой 6.7 катализатора, расположенный снаружи концентрических двойных трубок 6.3. Конвертированный технологический газ выходит из объема 6.13 из внутренней трубки 6.6 концентрической двойной трубки 6.3 и проникает в объем 6.9. Конвертированный технологический газ выходит также из слоя 6.7 катализатора через перфорированную сегментированную опорную пластину 6.4 поддержки для катализатора и проникает в объем 6.9. В объеме 6.9 конвертированный технологический газ может затем смешаться с другим газом, проникающим внутрь оболочки 2 катализатора через входное отверстие 6.10. Затем смесь технологических газов проходит через межтрубное пространство 6.5 концентрических двойных трубок 6.3 к выходному отверстию 6.12.
Еще один предпочтительный вариант осуществления изобретения представляет собой каталитический реактор, в котором сегменты опорной пластины для катализатора прикреплены либо к вытянутому опорному элементу, либо к вертикальной стенке оболочки катализатора, как это показано в Фиг.7. В этом варианте осуществления изобретения некоторые сегменты 7.1 опорной пластины для катализатора, граничащие с вертикальной стенкой оболочки катализатора, прикреплены к вертикальной стенке и поддерживаются ею. Остальные сегменты 7.2 опорной пластины для катализатора прикреплены к вытянутым опорным элементам, помещенным в отверстие 7.3, и поддерживаются ими.