МНОГОСЛОЙНЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КОНВЕРТЕР С МЕЖСЛОЙНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
MULTILAYER CATALYTIC CONVERTER WITH INTERLAYER COOLING

Область техники
Настоящее изобретение относится к области многослойных каталитических конвертеров с межслойным охлаждением.
Уровень техники
Многослойные каталитические конвертеры с межслойным охлаждением используются в нескольких областях, включая, например, синтез метанола и синтез аммиака.
Многослойный каталитический конвертер с межслойным охлаждением содержит несколько каталитических слоев, размещенных последовательно, и один или более межслойных теплообменников для охлаждения газового потока частично прореагировавших продуктов, проходящих от одного слоя к другому.
В соответствии с известной компоновкой многослойной конструкции с промежуточным охлаждением, каталитические слои имеют кольцевую форму с радиальным потоком, а теплообменники промежуточного охлаждения (ICH - от англ. intercooling heat exchanger) располагаются коаксиально внутри кольцевых слоев. Такая компоновка описана, например, в ЕР 376000 и ЕР 2610001.
Межслойными охладителями обычно являются кожухотрубные теплообменники, в которых охлаждающая среда (хладагент) протекает в трубном пространстве теплообменника, а газовый поток протекает в межтрубном пространстве. В качестве хладагента может использоваться новая порция газообразных реагентов, которые подогреваются теплом, получаемым при охлаждении продуктов реакции.
Недостатком известных конвертеров с кожухотрубными теплообменниками является сложность их конструкции и трудности изготовления в случае нескольких каталитических слоев. Например, для каждого кожухотрубного теплообменника требуется соответствующий трубный пучок с двумя трубными решетками; трубные решетки представляют собой достаточно дорогие устройства, а сварка между трубами и трубной решеткой требует большой тщательности и является недешевой процедурой.
Другая схема многослойной конструкции с промежуточным охлаждением раскрыта, например, в US 2010/0310436, где в качестве ICH используются пластинчатые теплообменники. Такая схема, однако, отличается низкой эффективностью охлаждения из-за неравномерного распределения реакционной смеси и хладагента между пластинами.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание многослойного каталитического конвертера, в котором устранены вышеупомянутые недостатки уровня техники. Более подробно, задачей изобретения является создание многоступенчатого каталитического конвертера с межслойным охлаждением, отличающегося простотой изготовления и обеспечивающего точность управления температурой реакции.
Эти задачи решаются многослойным цилиндрическим каталитическим конвертером в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения. Предпочтительные признаки этого конвертера описаны в зависимых пунктах.
Предлагаемый конвертер включает по меньшей мере:
первый каталитический слой, второй каталитический слой и теплообменник, расположенный между первым слоем и вторым слоем,
и приспособленный для передачи тепла от первой среды ко второй среде, где первой средой является горячий исходящий поток первого слоя перед введением во второй слой, а второй средой является хладагент,
причем конвертер отличается тем, что:
теплообменник содержит множество (несколько) собранных пакетом округлых пластин, представляющих собой сплошные круглые пластины или кольцевые пластины, и между соседними пластинами имеются промежутки, и
исходящий поток первого каталитического слоя и хладагент проходят, соответственно, через чередующиеся промежутки между пластинами теплообменника.
Исходящий поток первого каталитического слоя подается в первые промежутки, а хладагент подается во вторые промежутки, причем первые промежутки чередуются со вторыми промежутками.
Предпочтительно, ширина промежутков составляет от 1 до 10 мм, более предпочтительно, от 2 до 6 мм.
Предпочтительно, пластинчатый теплообменник окружен распределителем или коллектором, например, в виде проволочной сетки или перфорированной стенки. Соответственно, пластинчатый теплообменник не соприкасается с катализатором, загруженным в каталитические слои. Благодаря этому ширина промежутков не зависит от размеров катализатора, и не возникает ограничений для конструкции пластин.
Предпочтительно, используются штампованные пластины, изготавливаемые механически штамповкой металлического листа. Штамповка металлического листа, предпочтительно, включает холодное формование в матрице с получением требуемого рельефа поверхности. Предпочтительно, такие пластины выполняются из нержавеющей стали, титана или титана, пассированного палладием.
Пластины могут иметь различную конструкцию, позволяющую им выдерживать перепады давления между высоким (десятки бар) и низким (несколько бар) давлениями с разных сторон пластины.
Теплообменник, предпочтительно имеет средства для распределения горячего исходящего потока первого слоя и хладагента с чередованием через первые и вторые промежутки. Соседние пластины, предпочтительно, сварены друг с другом с тем, чтобы избежать, или практически избежать, параллельного протекания горячего исходящего потока во вторые промежутки вместе с хладагентом, и параллельного протекания хладагента в первые промежутки вместе с горячим исходящим потоком. Предпочтительно, параллельное протекание горячего исходящего потока во вторые промежутки и параллельное протекание хладагента в первые промежутки не превышает 1%, более предпочтительно, не превышает 0,1%.
В соответствии с вариантом выполнения изобретения, первые и вторые каталитические слои являются адиабатическими. Соответственно, каталитические слои не содержат средств непосредственного охлаждения катализатора (например, погруженного в катализатор теплообменника), благодаря чему тепло, выделяемое химической реакцией, полностью передается исходящим газам.
В соответствии с другим вариантом выполнения, по меньшей мере один из первых и вторых каталитических слоев является изотермическим, т.е., он содержит погруженный в каталитическую массу теплообменник для непосредственного отведения тепла от катализатора.
В соответствии с частным вариантом выполнения, первый слой является изотермическим, а второй слой является адиабатическим.
Предпочтительно, первым каталитическим слоем является полый цилиндр, имеющий полость, а теплообменник, расположенный коаксиально первому каталитическому слою, помещен в этой полости. Предпочтительно, теплообменник окружен цилиндрической оболочкой.
Конвертер может иметь несколько каталитических слоев, расположенных последовательно, и несколько межслойных теплообменников, представляющих собой круглые пластинчатые теплообменники. Каталитическими слоями, предпочтительно, являются полые цилиндры, причем теплообменники расположены коаксиально внутри соответствующих полостей полых цилиндров. Эти каталитические слои могут быть адиабатическими или изотермическими.
Предпочтительно, конвертер содержит не более пяти каталитических слоев, расположенных последовательно, более предпочтительно, не более трех каталитических слоев, например два каталитических слоя.
Пластинчатый теплообменник имеет две стороны, а именно, первую сторону, по которой проходит горячий исходящий поток первого слоя перед его введением во второй слой (т.е., первая среда), и вторую сторону, по которой проходит хладагент (т.е., вторая среда). Первая сторона и вторая сторона имеют входы и выходы для горячего исходящего потока и хладагента, соответственно.
В варианте выполнения изобретения пластинами являются сплошные круглые пластины.
В другом варианте выполнения изобретения, пластинами являются кольцевые пластины. В соответствии с этим вариантом выполнения, пластинчатый теплообменник, предпочтительно, содержит центральный коллектор для сбора горячего исходящего потока (т.е., первой среды) или хладагента (т.е., второй среды) после теплообмена. Предпочтительно, центральный коллектор используется для сбора горячего исходящего потока после прохождения через промежутки, а именно, после охлаждения. Центральный коллектор, предпочтительно, имеет кольцевую форму.
Согласно некоторым вариантам выполнения, исходящий поток первого каталитического слоя и/или хладагент проходят через промежутки радиальным потоком. Предпочтительно, исходящий поток первого каталитического слоя проходит через промежутки радиальным входящим потоком.
В соответствии с другими вариантами выполнения, исходящий поток первого каталитического слоя и/или хладагент проходят через промежутки потоком в основном параллельно направлению сквозного прохождения.
В соответствии с вариантом выполнения изобретения, по меньшей мере вход или выход по меньшей мере первой среды или второй среды включает множество распылительных отверстий, расположенных на цилиндрической оболочке, окружающей пластинчатый теплообменник.
Предпочтительно, цилиндрическая оболочка имеет множество распылительных отверстий для горячего исходящего потока первого каталитического слоя. Исходящий поток первого каталитического слоя распределяется по первым промежуткам через впускные распылительные отверстия и собирается после прохождения этих промежутков через выпускные распылительные отверстия. Предпочтительно, впускные распылительные отверстия(-е) расположены диаметрально противоположно выпускным распылительным отверстиям(-ю) так, что исходящий поток проходит через промежутки между пластинами потоком, который в основном параллелен направлению сквозного прохождения от впускных распылительных отверстий к выпускным распылительным отверстиям.
В соответствии с вариантом выполнения, по меньшей мере вход или выход по меньшей мере первой или второй среды включает проход, выполненный в верхней крышке или нижней пластине теплообменника, располагаясь, соответственно, сверху или снизу пакета теплообменных пластин. Предпочтительно, проход имеет форму сектора или круга или сектора кольца, предпочтительно, проходящего в пределах угла от 60° до 300°, более предпочтительно, от 90° до 240°, более предпочтительно, 180° или примерно 180°.
Предпочтительно, одна из верхней крышки и нижней пластины имеет первый проход для распределения первой среды, а другая из верхней крышки и нижней пластины имеет второй проход для сбора этой первой среды после ее охлаждения. Предпочтительно, первый проход и второй проход расположены диаметрально противоположно так, что исходящий поток протекает через промежутки в основном параллельно первому направлению, являющемуся направлением сквозного прохождения, и входит в пластинчатый теплообменник и выходит из него во втором направлении, в основном перпендикулярном первому направлению.
Предпочтительно, первый проход включает первую группу - входных распылительных отверстий для первой среды, а второй проход включает вторую группу - выходных распылительных отверстий для сбора первой среды после ее охлаждения.
В соответствии с вариантом выполнения, пластины имеют окно или несколько окон для входа и/или выхода по меньшей мере первой среды или второй среды.
В первом варианте выполнения, пластины содержат несколько входных окон и несколько выходных окон для пропускания хладагента через вторые промежутки. Выходные окна расположены ближе к краю, чем внутренние окна.
Предпочтительно, входные окна расположены вдоль внутреннего ряда, а выходные окна расположены вдоль внешнего ряда. Предпочтительно, внутренний ряд и внешний ряд имеют круговую форму, причем внутренний ряд имеет первый радиус, внешний ряд имеет второй радиус и первый радиус меньше второго радиуса.
Предпочтительно, входные окна совмещены в радиальном направлении с соответствующими выходными окнами, что означает, предпочтительно, равенство числа входных окон и выходных окон.
Благодаря описанному расположению входных и выходных окон, хладагент проходит через вторые промежутки радиально выходящим потоком. Соответственно, когда исходящий поток первого слоя проходит через теплообменник радиально входящим потоком, в этом первом варианте выполнения теплообмен обеспечивается между встречными потоками текучих сред.
Во втором варианте выполнения, каждая из пластин содержит одно входное окно и одно выходное окно для пропускания хладагента. Эти входное и выходное окна, предпочтительно, имеют диаметрально-противоположное расположение.
Благодаря этому, хладагент проходит через вторые промежутки в основном параллельно заданному направлению, т.е., от входного окна к выходному окну. Когда исходящий поток первого каталитического слоя проходит через первые промежутки, в основном, параллельно заданному направлению, во втором варианте выполнения, предпочтительно, осуществляется теплообмен между параллельными встречными потоками текучих сред.
В частном варианте выполнения, цилиндрическая оболочка, окружающая теплообменник, содержит входной просвет для подачи исходящего потока первого слоя в первые промежутки, а теплообменник содержит окно для сбора исходящего потока первого каталитического слоя после прохождения через промежутки. Предпочтительно, это окно-коллектор расположено диаметрально противоположно входному просвету; такое относительное расположение определяет направление потока исходящего газа, в основном параллельное заданному направлению от входного просвета к окну-коллектору. Предпочтительно, входной просвет перекрывает сегмент цилиндрической поверхности цилиндрической оболочки. Этот сегмент имеет, предпочтительно, относительно небольшую ширину. Сегмент, предпочтительно, перекрывает угол в интервале от 10 до 45°, например, угол примерно 30°.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения, конвертер содержит уплотняющие планки, расположенные так, чтобы изолировать возможный обходной путь прохождения первой среды или второй среды вокруг пакета пластин, причем уплотняющие планки (24), предпочтительно, имеют V-образное сечение.
В соответствии с предпочтительными вариантами выполнения, предложенным в изобретении конвертером является конвертер для синтеза аммиака или синтеза метанола.
Другой аспект настоящего изобретения относится к способу модернизации многослойного каталитического конвертера, включающего по меньшей мере:
первый каталитический слой, второй каталитический слой и теплообменник, расположенный между первым слоем и вторым слоем, и
приспособленный для передачи тепла от горячего исходящего потока первого слоя хладагенту перед введением этого потока во второй слой,
причем теплообменником является теплообменник с трубным пучком,
а способ отличается тем, что при его осуществлении заменяют теплообменник с трубным пучком на другой теплообменник, содержащий несколько сложенных пакетом округлых пластин, причем между соседними пластинами имеются промежутки, а исходящий поток первого каталитического слоя и хладагент подаются в промежутки, соответственно, с чередованием.
В предпочтительном варианте выполнения, первым каталитическим слоем является полый цилиндр, имеющий полость, а теплообменник расположен коаксиально с первым каталитическим слоем внутри этой полости. Соответственно, вновь установленный теплообменник, содержащий несколько сложенных пакетом круглых пластин, расположен коаксиально с первым каталитическим слоем внутри этой полости.
Конвертер в соответствии с изобретением обладает рядом преимуществ.
Главным преимуществом по сравнению с обычным теплообменником с трубным пучком является то, что текучие среды имеют контакт по поверхности со значительно большей площадью, так как они расходятся по пластинам, тем самым улучшая теплопередачу.
Кроме того, значительно снижены перепады давления как на стороне горячего исходящего потока, так и на стороне хладагента, в сравнении с классическим кожухотрубным теплообменником.
Более того, настоящее изобретение обеспечивает оптимальное использование объема внутри конвертера благодаря компактной конструкции круглого пластинчатого теплообменника. В частности, в варианте выполнения, содержащем полые каталитические слои, цилиндрические полости внутри этих слоев используются в максимальной степени. Благодаря этому, для размещения катализатора остается больше объема.
Другим преимуществом является увеличение производительности конвертера за счет более компактной конструкции теплообменника с круглыми пластинами. В результате, этот конвертер также обеспечивает повышение выработки аммиака или метанола.
Преимущества изобретения становятся более понятными из приведенного далее подробного описания.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлен упрощенный чертеж многослойного конвертера с межслойным охлаждением, в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 показан первый каталитический слой и первый межслойный охладитель конвертера, изображенного на фиг. 1, в соответствии с вариантом выполнения изобретения;
на фиг. 3 изображен вид сверху межслойного охладителя, показанного на фиг. 2;
на фиг. 4 показан вариант охладителя, изображенного на фиг. 2;
на фиг. 5 показан пластинчатый теплообменник, использующий схему с радиальным потоком, в соответствии с другим вариантом выполнения изобретения;
на фиг. 6 иллюстрируется встречный поток текучих сред, циркулирующих между пластинами теплообменника, изображенного на фиг. 5;
на фиг. 7 показан альтернативный вариант пластинчатого теплообменника, показанного на фиг. 5;
на фиг. 8 показан вариант выполнения теплообменника, показанного на фиг. 7;
на фиг. 9 показан вариант выполнения теплообменника, показанного на фиг. 8
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг. 1 показан многослойный конвертер 1, например, конвертер аммиака или метанола, включающий корпус 2 и картридж 3 катализатора, содержащий три адиабатических каталитических слоя 4, 5, 6, расположенных последовательно, два межслойных пластинчатых теплообменника 7, 8 и, опционально, нижний теплообменник 9.
A
B
C
A
B
C
Каждый слой 4, 5, 6 пересекается радиальным входящим потоком или смешанным радиально-осевым потоком, и имеет кольцевую цилиндрическую форму с центральной осевой полостью 10, 10, 10. Пластинчатые теплообменники 7, 8, 9 расположены, соответственно, в этих центральных полостях 10, 10, 10 для обеспечения межслойного охлаждения газообразных продуктов реакции, выделяющихся из одного каталитического слоя в другой.
Подводимый новый подпиточный газ (ПГ) поступает в конвертер 1 через газовпускной патрубок 11 и попадает в первый слой 4; исходящий поток первого слоя 4 охлаждается, протекая через пластины первого межслойного теплообменника 7; охлажденный исходящий поток попадает во второй слой 5. Аналогично, исходящий поток второго слоя 5 охлаждается во втором межслойном теплообменнике 8 перед его подачей в третий слой 6, а исходящий поток третьего слоя 6 охлаждается в нижнем теплообменнике 9 перед тем, как выйти из конвертера через выходное отверстие 12.
В соответствии с приведенным на фиг. 1 примером, каталитические слои 4, 5, 6 являются адиабатическими, поскольку они не содержат средств охлаждения. В других вариантах выполнения, один или более их этих каталитических слоев 4, 5, 6 могут быть изотермическими, т.е., могут содержать погруженные в них теплообменные элементы (например, трубки или пластины).
На фиг. 2 более подробно показаны первый каталитический слой 4 и первый межслойный пластинчатый теплообменник 7, входящие в конвертер 1, представленный на фиг. 1, согласно варианту выполнения изобретения.
Каталитический слой 4 ограничен распределителем 13 газа и коллектором 14 газа, которые представлены внешней цилиндрической стенкой и внутренней цилиндрической стенкой, соответственно. Эти внешняя и внутренняя цилиндрические стенки проницаемы для газа и способны удерживать катализатор, для чего содержат, например, щели подходящего размера.
A
Коллектор 14 газа своей внутренней стороной ограничивает упомянутую выше центральную полость 10, в которой размещен первый пластинчатый теплообменник 7.
Как показано на фиг. 2, этот теплообменник 7 содержит несколько сложенных пакетом сплошных круглых пластин 15. Между соседними пластинами образованы промежутки 16 для прохождения горячего газа (ГГ), выходящего из первого каталитического слоя 4, и для прохождения хладагента (не показан на фиг. 2). В частности, соседние пластины 15 сварены так, чтобы обеспечить прохождение горячего газа ГГ через первые промежутки 16 и прохождение хладагента через вторые промежутки 16, где первые промежутки чередуются со вторыми промежутками.
Пластинчатый теплообменник 7 имеет цилиндрическую оболочку 17, содержащую просвет 18 для подачи горячего газа ГГ в теплообменник. Этот просвет 18 занимает сегмент цилиндрической поверхности цилиндрической оболочки 17. В соответствии с примером, показанным на фиг. 3, угол а перекрытия этого сегмента составляет 30°.
Пластинчатый теплообменник 7 также имеет окно 19 для сбора охлажденного газа (ОГ) после прохождения через соответствующие промежутки 16 (т.е., вышеупомянутые первые промежутки) между пластинами. Это окно 19, предпочтительно, расположено напротив просвета 18.
Благодаря такому взаимному расположению входного просвета 18 и окна-коллектора 19, показанных на фиг. 2 и 3, поток горячего газа ГГ через первые промежутки в основном направляется по диаметральному направлению от входного просвета 18 к окну-коллектору 19.
A
Точнее, после прохождения коллектора 14 газа, горячий газ ГГ расходится в центральную полость 10 и поступает в пластинчатый теплообменник 7 через входной просвет 18. Горячий газ ГГ подается в чередующиеся промежутки между пластинами 15, а полученный охлажденный газ ОГ далее сходится в окно 19, из которого направляется к следующему каталитическому слою.
A
Вариант выполнения, показанный на фиг. 4, является предпочтительным в случае, когда внутри центральной полости 10 должна быть помещена труба 20. Соответственно, пластины 15 имеют форму кольца.
На фиг. 5 представлен вариант выполнения пластинчатого теплообменника 7, пересекаемого радиальным потоком горячего исходящего газа ГГ.
В соответствии с этим вариантом выполнения, пластинчатый теплообменник 7 содержит сложенные пакетом кольцевые пластины 15 и центральный кольцевой коллектор 21 для сбора охлажденного газа ОГ после прохождения через соответствующие промежутки 16. Горячий газ ГГ подается в теплообменник 7 вдоль всей боковой поверхности теплообменника 7 и собирается в центральном коллекторе 21, образуя радиальный входящий поток.
Пластины 15 содержат несколько входных окон 22 и несколько выходных окон 23 для пропускания хладагента ХА. Эти входные окна 22 расположены вдоль первого кругового ряда с первым радиусом, а выходные окна 23 расположены вдоль второго кругового ряда, имеющего второй радиус, причем первый радиус меньше второго радиуса. Предпочтительно, входные окна 22 совмещены по радиальному направлению с соответствующими выходными окнами 23.
Благодаря вышеописанному расположению входных и выходных окон 22, 23, хладагент ХА пересекает чередующиеся промежутки 16 радиальным выходящим потоком, т.е., в противотоке с горячим газом ГГ.
Соответственно, в варианте, показанном на фиг. 5, обеспечивается теплообмен между текучими средами в противотоке, как это далее показано на фиг. 6.
На фиг. 7 представлен вариант пластинчатого теплообменника 7, в котором пластины 15 содержат одно входное окно 22а и одно выходное окно 23а для пропускания хладагента ХА. Эти окна 22а и 23а расположены диаметрально противоположно. Благодаря этому, хладагент ХА проходит в поперечном направлении через чередующиеся промежутки 16 между пластинами 15 потоком, практически параллельным заданному направлению, т.е., от входного окна 22а к выходному окну 23а, как это показано на фиг. 7 (пунктирные стрелки). Горячий газ ГГ проходит радиальным входящим потоком, по аналогии с вариантом выполнения, показанным на фиг. 5, 6.
На фиг. 8 изображен вариант, показанный на фиг. 7, в котором горячий газ ГГ и хладагент ХА проходят через чередующиеся промежутки 16 между пластинами 15 параллельными встречными потоками.
Хладагент ХА подается в пластинчатый теплообменник 7 через входное окно 22b и выходит из теплообменника 7 через выходное окно 23b. В другом варианте выполнения (не показан), хладагент ХА входит в теплообменник 7 и выходит из него через одно или более впускное распылительное отверстие(-я) и одно или более выпускное распылительное отверстие(-я), соответственно.
Горячий газ ГГ подается в пластинчатый теплообменник 7 через первую группу распылительных отверстий оболочки (впускные отверстия), расположенные на цилиндрической оболочке 17 (см. фиг. 2). Предпочтительно, впускные распылительные отверстия располагаются диаметрально противоположно относительно входного окна 22b.
Охлажденный газ ОГ выходит из теплообменника 7 через вторую группу распылительных отверстий (выпускные отверстия) оболочки 17. Предпочтительно, эти выпускные распылительные отверстия расположены диаметрально противоположно относительно выходного окна 23b. Вариант выполнения, представленный на фиг. 8, также содержит уплотняющие планки 24 для изолирования возможного обходного пути прохождения горячего газа ГГ вокруг пластин. Следует иметь в виду, что вариант выполнения на фиг. 8 и его разновидности обеспечивают прохождение потоков горячего газа и хладагента по встречно-параллельной схеме.
В центральной полости кольцевых пластин 15 располагается труба 20, по которой проходит другая среда (третья среда), не участвующая в процессе теплообмена пластинчатого теплообменника 7.
Геометрия пластинчатого теплообменника 7, показанного на фиг. 8, обеспечивает лучшее размещение теплообменника внутри конвертера.
На фиг. 9 представлена версия конструкции, показанной на фиг. 8, в которой горячий газ ГГ входит в пластинчатый теплообменник 7 и выходит из него через соответствующие впускные распылительные отверстия и выпускные распылительные отверстия (не показаны) потоком, в основном, перпендикулярным потоку горячего газа ГГ в промежутках 16. При таком расположении получается более компактная конструкция пластинчатого теплообменника 7. Впускные распылительные отверстия распределяются по входной площадке 25 верхней крышки теплообменника 7. Выпускные распылительные отверстия распределяются по выходной площадке 26 нижней крышки. Предпочтительно, входная поверхность 25 и выходная поверхность 26 имеют угловой раствор, равный 180° или близкий к 180°.