ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЛОТНОЙ ЗАГРУЗКИ КАТАЛИЗАТОРА В БАЙОНЕТНЫЕ ТРУБЫ ДЛЯ РЕАКТОРА ОБМЕННОГО ТИПА КОНВЕРСИИ С ВОДЯНЫМ ПАРОМ СО СЪЕМНОЙ ТРУБОЙ ДЛЯ ПОДАЧИ ГАЗА
PNEUMATIC SYSTEM OF DENSIVE LOADING OF CATALYST INTO BAYONET PIPES FOR CONVERSION EXCHANGE-TYPE REACTOR WITH WATER VAPOUR WITH REMOVABLE PIPE FOR SUPPLYING GAS

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
Настоящее изобретение относится к области загрузки каталитических труб, используемых в трубчатых реакторах проводящих сильноэндотермических или сильноэкзотермических реакций. Таким образом, настоящее изобретение применимо, в частности, к реактору конверсии с водяным паром природного газа или различных углеводородных фракций с целью получения смеси СО+Н, называемой синтез-газом.
Можно выделить два основных типа реакторов конверсии с водяным паром.
Реакторы, в которых тепло подводят при помощи системы горелок, расположенных внутри реактора, и реакторы, в которых тепло подводят при помощи текущего теплоносителя, обычно газообразных продуктов сгорания, причем указанное сгорание происходит вне самого реактора конверсии с водяным паром.
В некоторых реакторах этого последнего типа, которые в продолжение описания называют реакторами теплообменного типа, прибегают к использованию простых труб. В других прибегают к использованию концентрических двойных труб, называемых также байонетными трубами. Байонетная труба может быть определена как внутренняя труба, окруженная внешней трубой, коаксиальной внутренней трубе, при этом кольцевая зона, находящаяся между внутренней трубой и внешней трубой, обычно заполнена катализатором. В продолжение текста будут говорить о кольцевой зоне или каталитической зоне, чтобы обозначить указанную кольцевую зону, определенную байонетными трубами.
В рамках настоящего изобретения природный газ или чаще углеводородное сырье вводят через кольцевую зону с направлением потока сверху вниз, а реакционно-способные эфлюенты собирают в центральной части внутренней трубы с направлением потока снизу вверх.
Реакция конверсии природного газа с водяным паром с целью получения водорода является очень эндотермической и, следовательно, происходит обычно в печах или реакторах обменного типа в значении, определенном выше.
Реакция протекает при очень высоких температурах типично 900°С и давлении типично от 20 до 30 бар. В этих условиях только осуществление реакции внутри труб может рассматриваться в экономически приемлемых условиях по причине механической стойкости материалов.
3
Итак, каталитические реакторы обменного типа состоят из множества труб, типично порядка 200-300 труб для установок, производящих 100000 м (н.у.)/ч водорода, причем эта совокупность труб заключена в корпус, который принимает горячую текучую среду, позволяющую доставить калории, необходимые для реакции конверсии с водяным паром.
Эта горячая текучая среда или жидкий или газообразный теплоноситель обычно представляет собой газообразные продукты сгорания, которое происходит вне реактора обменного типа.
Таким образом, катализатор должен быть помещен во все трубы реактора конверсии с водяным паром равномерно от одной трубы к другой для того, чтобы иметь одинаковую потерю напора от одной трубы к другой.
Это условие является очень важным для того, чтобы гарантировать хорошее распределение реагентов по совокупности каталитических труб и избежать того, что, например, одна труба будет запитана в меньшей степени, что может привести к значительному перегреву материала, образующего трубу; этот перегрев настолько же уменьшает срок службы трубы.
Также важно, чтобы в трубе не существовало никакого пустого пространства, то есть без катализатора или обедненного катализатором, так как вновь труба могла бы локально перегреваться в результате нарушения каталитической реакции внутри. Кроме того, любая неоднородность в распределении катализатора в реакционной зоне может выражаться в неравновесном течении реакционно-способной текучей среды или реакционно-способных текучих сред.
Устройство согласно настоящему изобретению направлено таким образом на осуществление одновременно плотной и равномерной загрузки каждой из байонетных труб, являющихся составной частью реактора обменного типа.
АНАЛИЗ ИЗВЕСТНОГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Мы ограничимся в этом анализе устройством пневматического типа.
В патенте FR 2950822 фирмы-заявителя описано решение для загрузки байонетных труб с 3 трубами для загрузки, с механическими тормозами или пневматическим замедлением. Этот способ загрузки дает возможность плотной и равномерной загрузки байонетных труб. Способ загрузки «зерно за зерном» представляется слишком медленным и малопригодным для применения в масштабе промышленного реактора, содержащего несколько сотен труб.
В патенте ЕР 1374985 описана система со съемной трубой для введения потока газа с противоточным течением, который тормозит падение частиц. Эта система применима к обычным трубам для конверсии природного газа с водяным паром, но она не принимает во внимание особенностей байонетных труб.
Устройство согласно настоящему изобретению приводит к значительному уменьшению расхода, происходящего через вспомогательную трубу для подачи газа.
Распределение между основным потоком, подаваемым через вспомогательную трубу, и фиксированным потоком, проходящим через образующийся слой частиц, приводит к лучшему распределению частиц внутри слоя и позволяет удалить мелкие частицы, возможно, образующиеся во время заполнения.
Ни один из обнаруженных документов не касается применения к байонетным трубам с загрузкой кольцевой зоны.
Таким образом, устройство, являющееся объектом настоящего изобретения, может быть определено как пневматическое устройство для плотной загрузки катализатора в кольцевую зону байонетных труб, которым оснащен реактор обменного типа конверсии с водяным паром, причем указанное устройство обеспечивает равномерную и плотную загрузку в каждую из труб реактора обменного типа, не нарушая ограничения во времени, совместимого с требованиями промышленного пуска.
Кроме того, в некотором числе случаев устройство согласно изобретению должно иметь возможность приспосабливаться к изменениям внутреннего диаметра внешней трубы, налагаемым механическими и термическими напряжениями, которые изменяются по длине трубы, следовательно, к изменению размеров кольцевой зоны. Ни одно устройство известного уровня техники не принимает во внимание это дополнительное ограничение.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 представляет устройство согласно изобретению, в котором показывают гибкую съемную трубу (7), позволяющую подавать необходимую часть (11b) газа в кольцевую зону (4), а также систему намотки (10) этой последней.
ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение может быть определено как устройство для плотной загрузки катализатора в реактор обменного типа конверсии с водяным паром, состоящий из множества байонетных труб, заключенных в корпус, при этом каждая байонетная труба содержит кольцевую зону (4), по меньшей мере частично заполненную катализатором.
Указанный катализатор состоит из твердых частиц, занимающих по меньшей мере часть кольцевой зоны (4), находящейся между внутренней трубой (5) и внешней трубой (6), при этом совокупность этих двух труб образует байонетную трубу, причем ширина указанной кольцевой зоны находится в интервале от 30 мм до 80 мм, а ее высота составляет от 10 до 20 метров.
Частицы катализатора обычно имеют форму цилиндров высотой приблизительно в интервале от 10 мм до 20 мм и диаметром приблизительно от 5 мм до 20 мм.
Устройство согласно настоящему изобретению в его основной версии состоит из:
- гибкой съемной трубы (7), проникающей внутрь кольцевой зоны (4) и поддерживаемой на расстоянии от поверхности образующегося слоя, находящемся в интервале от 50 до 100 мм, причем указанная труба подает долю (11b) необходимого расхода газа, находящуюся в интервале от 70% до 85%, при этом дополнительная доля подается через внутреннюю трубу (5),
- при этом указанная съемная труба (7) наматывается вокруг наматывающего устройства (10), находящегося вне заполняемой трубы, и при этом частицы катализатора находятся в:
- центральном бункере (1), позволяющем выдавать частицы на транспортерную ленту или вибрационный конвейер (2), питающие кольцевую зону (4) посредством:
- воронки (3), через которую частицы проходят внутрь кольцевой зоны (4).
Съемная труба (7) может быть оснащена на ее конце наконечником, закрытым в выходном поперечном сечении, но открытым для выхода газа через серию боковых отверстий, расположенных в один или несколько рядов. Типично диаметр отверстий находится в интервале от 10 до 15 мм, и расстояние между рядами отверстий находится в интервале от 15 до 30 мм, при этом каждый ряд содержит от 3 до 8 отверстий.
Выгода от этих боковых отверстий заключается в том, чтобы избежать образования газовой струи, ориентированной вертикально (то есть по оси трубы) и которая может возмущать поверхность образующегося слоя частиц, если не соблюдают достаточное расстояние между концом трубы (7) и указанной поверхностью слоя.
Наконечник с боковыми отверстиями позволяет, таким образом, больше приблизить трубу (7) к поверхности слоя, все еще сохраняя определенную высоту падения незаторможенных частиц. В самом деле, без наконечника с боковыми отверстиями эффект торможения частиц производится до тех пор, как они достигают поверхности слоя. С наконечником с боковыми отверстиями вводимый газ намного быстрее поднимается вверх, практически от его выхода из боковых отверстий, и, следовательно, существует конечная часть траектории частиц, на которой они не тормозятся.
Эта конечная часть без торможения является интересной, так как она позволяет гарантировать плотность загрузки. И, кроме того, эта конечная часть без торможения не должна быть очень значительной, чтобы избежать разрушения частиц. Следовательно, она может быть хорошо контролируемой путем использования наконечника с боковыми отверстиями, который дает возможность регулирования указанной высоты падения без торможения.
Настоящее изобретение заключается также в способе загрузки катализатора, прибегающем к устройству, описанному перед этим, который может быть описан последовательностью следующих стадий:
- гибкая съемная труба (7) первоначально смотана во внешнем наматывающем устройстве (10), при этом бункер (1) заполнен твердым веществом,
- гибкую съемную трубу (7) постепенно вводят в кольцевую зону (4) через ее верхнюю часть до того, как ее нижний конец не расположится на расстоянии, составляющем от 50 до 100 см по отношению к дну трубы,
- через центральную трубу (5) вводят постоянный поток газа, соответствующий скорости в кольцевой зоне (4), находящейся в интервале от 0,1 м/с до минимальной скорости псевдоожижения зерен катализатора (от 3 до 4 м/с для обычных катализаторов конверсии с водяным паром),
- другой поток газа вводят через съемную гибкую трубу (7), при этом сумма двух потоков, соответствующая скорости в кольцевой зоне, находящейся в интервале от 8 м/с до 14 м/с, всегда меньше конечной скорости падения частиц,
- транспортерную ленту или вибрационный конвейер (2) приводят в действие таким образом, чтобы обеспечить расход твердого вещества, находящийся в интервале от 250 кг/ч до 500 кг/ч, при этом твердое вещество вводят в кольцевую зону (4) при помощи воронки (3),
- по мере того, как кольцевая зона (4) заполняется, съемную гибкую трубу поднимают в кольцевой зоне (4) при помощи внешнего наматывающего устройства (10) таким образом, чтобы соблюсти постоянное расстояние по отношению к поверхности постепенно образующегося слоя, причем указанное расстояние всегда находится в интервале от 50 см до 100 см,
- съемную гибкую трубу (7) наматывают со скоростью, эквивалентной скорости загрузки трубы, находящейся в интервале от 0,2 метр/мин до 0,4 метр/мин,
- как только байонетная труба загружена, и система загрузки намотана, съемную гибкую трубу (7) перемещают для загрузки следующей трубы.
Газ, используемый при применении способа загрузки согласно изобретению, представляет собой обычно воздух или азот.
В зависимости от расходов загружаемых твердых частиц можно использовать две или три съемные гибкие трубы (7), одинаковые и работающие параллельно. В продолжение текста, когда говорят «съемная гибкая труба (7)», надо, таким образом, иметь в виду съемную гибкую трубу или съемные гибкие трубы (7).
Кроме того, загрузочный бункер (1) может питать группу из двух или трех байонетных труб, каждая из которых снабжена устройством согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение может быть определено как устройство, обеспечивающее плотную загрузку катализатора в кольцевую зону (4) байонетных труб, каждая из которых имеет высоту, находящуюся в интервале от 10 до 20 м, диаметр внешней трубы (6) находится в интервале от 250 мм до 150 мм, и внешний диаметр внутренней трубы (5) находится в интервале от 10 до 40 мм.
Таким образом, кольцевая зона (4), содержащая катализатор, имеет характеристическую ширину около 50 мм. На практике, соответственно случаю, характеристическая ширина кольцевой зоны (4) может изменяться от 80 до 30 мм.
Кроме того, в некоторых случаях внешняя труба (6) имеет диаметр, уменьшающийся сверху вниз по участкам, это означает, что характеристическая ширина кольцевой зоны (4) также уменьшается, двигаясь сверху вниз.
Устройство согласно изобретению дает возможность очень легкой адаптации к этим изменениям характеристической ширины, все еще сохраняя свои характеристики на всей совокупности участков.
Адаптация заключается в таком случае в регулировании расхода газа, вводимого через съемную гибкую трубу (7) таким образом, чтобы соблюсти интервал скоростей от 8 до 14 м/с.
Зерна катализатора обычно имеют форму цилиндров высотой приблизительно от 10 мм до 20 мм и диаметром от 5 мм до 20 мм.
Одной из основных проблем, возникающих при их загрузке в трубы, длиной более 10 метров, является опасность разрушения этих зерен, если они будут просто падать в свободном падении без какой-либо предосторожности, которую и представляет собой одно из решений известного уровня техники для осуществления плотной загрузки. Обычно признают, что опасность разрушения зерен является заметной, начиная с высоты падения 1 метр.
Другие проблемы связаны с геометрией того же самого кольцевого каталитического пространства, которое препятствует проходу обычных систем загрузки.
В частом в контексте настоящего изобретения случае надо принимать во внимание внутреннюю трубу (5), которая проходит через внешнюю трубу (6) в верхней части кольцевой зоны (4), чтобы обеспечить выход, полностью освобожденный от реакционно-способных эфлюентов.
Наконец, как указано в известном уровне техники, опасность образования изгиба усиливается, когда отношение между диаметром трубы и основным размером частиц меньше 8, что является частым случаем в контексте настоящего изобретения, так как типичная ширина кольцевой зоны (50 мм) эквивалентна приблизительно 4-кратному характеристическому диаметру частиц катализатора.
3
2
Важным ограничением, которому также должно удовлетворять загрузочное устройство, является то, что, так как загрузку осуществляют труба за трубой или по группам, ограниченным двумя или тремя трубами, она должна быть достаточно быстрой для промышленной установки, так как реактор конверсии с водяным паром, предназначенный для производства приблизительно 100000 м (н.у.)/ч Н, насчитывает приблизительно от 200 до 350 байонетных труб.
В настоящем изобретении описана система загрузки байонетной трубы при помощи потока газа, обычно воздуха, движущегося в противоточном направлении по отношению к направлению падения частиц, который, следовательно, замедляет падение указанных частиц, избегая таким образом их разрушения, и обеспечивает однородную загрузку без блокировки.
Конечная скорость падения рассматриваемых зерен составляет около 14 м/с. Чтобы избежать разрушения зерен, частицы должны падать со скоростью меньше 3 м/с, предпочтительно меньше 2 м/с.
Скорость потока газа должна находиться в интервале от 11 м/с до 13 м/с, чтобы получить замедленное падение частиц. Получение такой скорости в кольцевой зоне (4) требует введения газа со значительным расходом. Введение газа с таким расходом через внутреннюю трубу (5) с диаметром, типично находящимся в интервале от 30 мм до 50 мм, может генерировать слишком высокие скорости внутри этой трубы, которые могут даже доходить вплоть до течения со скоростью звука.
В настоящем изобретении расход газа, необходимый для соответствующего замедления частиц, получают из двух частей: постоянную часть расхода, необходимого для замедления частиц, вводят через внутреннюю трубу (5) байонета, при этом дополнительную часть вводят через съемную гибкую трубу (7), открывающуюся над образующимся слоем частиц на расстоянии, составляющем от 50 мм до 100 мм.
Течение внутри внутренней трубы (11а) таково, что оно создает скорость в кольцевой зоне (4), которая меньше минимальной скорости псевдоожижения зерен катализатора, составляющей от 3 до 4 м/с, чтобы сохранить образующийся слой частиц в состоянии неподвижного слоя, но захватить мелкие частицы, которые могут возникнуть во время загрузки.
Дополнительную часть расхода газа (11b) вводят через съемную гибкую трубу (7), диаметр которой изменяется в интервале от 0,5 до 0,9 ширины кольцевой зоны (самой маленькой из кольцевых зон в случае трубы с изменением внутреннего диаметра внешней трубы).
Скорость в кольцевой зоне (4) ниже слоя частиц, следуя по направлению течения газа, рассчитанная исходя из суммы расходов, вводимых через съемную (7) и внутреннюю (5) трубы, должна быть на 2-4 м/с меньше конечной скорости падения (около 13-14 м/с для обычных зерен, применяемых при конверсии с водяным паром), так чтобы обеспечить эффективное замедление частиц, не вызывая подъема зерен в направлении истечения газа. Съемную гибкую трубу (7) поднимают по мере того, как в кольцевой зоне (4) образуется слой частиц.
Загрузку осуществляют внавалку через верхнее отверстие кольцевой зоны (4) байонетной трубы при помощи загрузочного бункера (1) и вибрационного конвейера или транспортерной ленты (2).
Между транспортерной лентой (2) и байонетной трубой применяют гибкое соединение (3), чтобы направить катализатор, не передавая вибрацию трубам. Система загрузки твердого вещества (бункер (1), транспортерная лента или вибрационный конвейер (2) и гибкое соединение (3)) должны быть закрытыми и герметичными, чтобы избежать выхода газа через загрузочное устройство. Герметичность (8) должна быть также обеспечена на входе кольцевой зоны (4).
Поток воздуха на выходе из байонетной трубы, нагруженный мелкими частицами, проходит через фильтр (9), который обеспечивает задержание пыли и выброс чистого газа (12).
Система уплотнений обеспечивает прохождение газа только через фильтрующую систему (9).
Изменения сечения кольцевой зоны (4) учитывают путем изменения расхода газа, вводимого через съемную гибкую трубу (7). Расход газа, вводимый через внутреннюю трубу (5), остается обычно постоянным.
ПРИМЕР СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ
Испытания загрузки осуществляли с устройством согласно изобретению в экспериментальной колонне высотой 1 м, состоящей из внутренней трубы (5) с внешним диаметром 42 мм и внутренним диаметром 32,3 мм и внешней трубы (6) с внутренним диаметром 128,1 мм.
Частицы загружаемого твердого вещества имели форму небольших цилиндров высотой 1,5 см и диаметром 0,8 см.
Съемную гибкую трубу (7) с внутренним диаметром 30 мм вводили в кольцевую зону и поддерживали на расстоянии 50 см от поверхности слоя. Устройство непрерывно поднимали со скоростью 0,3 м/мин.
3
Воздух с расходом 0,0345 м/с вводили во внутреннюю трубу (5), что соответствовало скорости 42,4 м/с внутри внутренней трубы.
3
3
Воздух с расходом 0,0897 м/с вводили через съемную трубу (7), что соответствовало скорости 127 м/с внутри съемной трубы. В общей сложности поток с расходом 0,1242 м/с проходил через незанятую часть кольцевой зоны (4), создавая скорость 10,8 м/с.
При измеренной конечной скорости падения частиц 13,8 м/с частицы падали со скоростью 3 м/с.
3
Поток, вводимый через внутреннюю трубу (5), который проходил через неподвижный слой (0,0345 м/с), создавал в кольцевой зоне (4) восходящую скорость 3 м/с, которая меньше минимальной скорости перевода в псевдоожиженное состояние (оцениваемой 3,76 м/с), не достаточна для того, чтобы увлечь с собой мелкие частицы.
3
Как только слой был загружен, измеряли величину ΔР при расходе воздуха 130 м (н.у.)/ч.
После выгрузки разрушенные частицы удаляли из партии. Степень разрушения была весьма низкой, порядка 0,5%.
Результаты загрузки показаны в таблице 1, представленной ниже.
Загрузка, полученная с этой системой, оказалась весьма удовлетворительной с отличной воспроизводимостью в отношении потери напора (среднее отклонение ±3%).
Время загрузки находилось в интервале от 3 до 4 минута/метр, что соответствует максимальному времени 48 минут для трубы длиной 12 м (при расходе твердого вещества около 320 кг/ч).
3
Плотность загрузки составляла 968 кг/м воспроизводимо во всех загрузках.
Пример для фиг. 2
3
Общий расход воздуха: 250 м/ч, распределенный по:
3
- двум трубам из нержавеющей стали с внешн. диам. 38×1,25 мм, внутр. диам. 35,5 мм (2×100 м/ч);
3
- трубе для синтез-газа (50 м/ч).
3
Число отверстий: на трубу: 20 отверстий для 100 м/ч.
Диаметр отверстий: 10 мм.
Скорость струй: 17,68 м/с в отверстиях 10 мм (вместо 28 м/с во внутр. диам. 35,5 в первой конфигурации простой трубы, струя воздуха направленная вниз, которая поднимала частицы).