СИСТЕМА ПЛОТНОЙ ЗАГРУЗКИ КАТАЛИЗАТОРА В БАЙОНЕТНЫЕ ТРУБЫ ДЛЯ РЕАКТОРА-ТЕПЛООБМЕННИКА КОНВЕРСИИ С ВОДЯНЫМ ПАРОМ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ СЪЕМНЫЕ СПИРАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
CATALYSER DENSE LOADING SYSTEM INTO BAYONET PIPES FOR SHIFT REACTOR HEAT EXCHANGER WITH WATER VAPOUR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
2
Настоящее изобретение относится к области загрузки каталитических труб, используемых в трубчатых реакторах для осуществления сильно эндотермических или сильно экзотермических 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 больших семейства 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 жидкого или газообразного теплоносителя, обычно, газообразных продуктов сгорания, причем указанное сгорание происходит вне самого реактора конверсии с водяным паром.
В некоторых реакторах этого последнего типа, которые в продолжении описания называют реакторами-теплообменниками, 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 кольцевое пространство, находящееся между внутренней трубой и внешней трубой, обычно заполнено катализатором. В продолжении текста будут говорить о кольцевом пространстве или каталитической зоне, чтобы обозначить указанное кольцевое пространство, определенное байонетными трубами.
Природный газ или, чаще, углеводородное сырье обычно вводят через кольцевую зону с направлением потока сверху вниз, а реакционно-способные эфлюенты собирают в центральной части внутренней трубы с направлением потока снизу вверх. Введение сырья через внутреннюю трубу и удаление реакционно-способных эфлюентов через кольцевую зону (4) также возможно. Настоящее изобретение не связано с направлением течения текучих сред внутри байонетных труб.
Реакция конверсии природного газа с водяным паром с целью получения водорода является очень эндотермической и, следовательно, происходит, обычно, в печах или реакторах-теплообменниках 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
Таким образом, каталитические реакторы-теплообменники состоят из множества труб, типично, порядка 200-350 труб для установок, производящих 100000 м(н.у.)/ч водорода, причем эта совокупность труб заключена в каландр, 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-теплообменника.
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-теплообменника.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В обычной печи конверсии с водяным паром традиционная загрузка труб, которые имеют типичный внутренний диаметр 10 см, осуществляется при помощи мешков, заполненных катализатором, которые открыты на поверхности слоя. Этот способ загрузки известен специалистам в данной области под названием загрузка «с носка» и известен тем, что не создает значительной плотности загрузки.
Затем трубы подвергают вибрации при помощи ударов молотком вручную или системы для механической вибрации, чтобы способствовать помещению на место зерен катализатора, минимизировать пустые пространства и таким образом увеличить плотность загрузки. Однако избыточная вибрация может привести к разрушению зерен катализатора и к значительному увеличению потери напора.
Тем не менее, этим способом трудно осуществить высококачественную загрузку и, обычно, необходимо несколько раз воспроизводить операцию вибрации, чтобы добиться близких потерь напора от одной трубы к другой.
Другие улучшенные процедуры и установки были предложены под технологическим термином Unidense™, первоначально предложенным Norsk Hydro, или под технологическим термином Spiraload™, первоначально предложенным Haldor Topsøe. Эти технологии применимы к простым трубам и неприменимы к байонетным трубам.
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 целом, можно констатировать, что в области загрузки катализатора в трубы для конверсии с водяным паром существует множество документов. В большей части из них прибегают к гибким средствам замедления или к твердым препятствиям в форме наклонной плоскости.
Но ни один из обнаруженных документов не касается применения к байонетным трубам с загрузкой кольцевой зоны и избавлением от центральной трубы.
Таким образом, устройство, являющееся объектом настоящего изобретения, может быть определено как устройство для плотной загрузки катализатора в кольцевую зону байонетной трубы, которым оснащен реактор-теплообменник конверсии с водяным паром, причем указанное устройство обеспечивает равномерную и плотную загрузку в каждую из труб реактора-теплообменника, 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 из устройств известного уровня техники не принимает во внимание это дополнительное ограничение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет устройство согласно изобретению в случае, когда кольцевая зона каждой байонетной трубы разделена на 3 загрузочных сектора одинакового сечения, образованных системой поддержки центральной трубы в верхней части каталитической трубы.
Фиг. 2 представляет устройство согласно изобретению в случае, когда кольцевая зона пересекается в ее верхней части внутренней трубой (5).
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение может быть определено как устройство для плотной загрузки катализатора, специально приспособленное для реактора-теплообменника конверсии с водяным паром, состоящего из множества байонетных труб, заключенных в каландр, при этом каждая байонетная труба содержит кольцевую зону (4), по меньшей мере, частично заполненную катализатором.
Указанный катализатор состоит из частиц, занимающих, по меньшей мере, часть кольцевого пространства (4), находящегося между внутренней трубой (5) и внешней трубой (6), при этом совокупность этих двух труб образует байонетную трубу, причем ширина указанного кольцевого пространства находится в интервале от 30 мм до 80 мм, а его высота составляет от 10 до 20 м.
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:
- совокупности спиральных элементов «без сердцевины», гибко соединенных между собой вертикальными шнурами или цепями, простирающимися между внешним краем и внутренним краем двух последовательных спиральных элементов. Спиральный элемент определяется его углом наклона по отношению к вертикали, находящимся в интервале от 30° до 60°, предпочтительно, от 30° до 50°, его высотой, находящейся в интервале от 1 шага до 1,5 шага, предпочтительно, находящейся в интервале от 1 шага до 1,3 шага, и его внешним диаметром, который изменяется в зависимости от внутреннего диаметра внешней трубы (6) таким образом, что когда устройство полностью развернуто, каждый спиральный элемент занимает все кольцевое сечение (4).
Вертикальное расстояние, разделяющее два последовательных спиральных элемента, находится в интервале от 50 см до 150 см.
Каждый спиральный элемент называют «без сердцевины» в том смысле, что никакая жесткая труба не занимает внутреннее пространство каждого спирального элемента.
Понятие шага спирали надо принять в его обычном определении, как расстояние по вертикали, соответствующее одному витку спирали.
В основной версии, кольцевое пространство (4) каждой байонетной трубы образует непрерывное пространство и только в его верхней части представляет препятствие, образованное внутренней трубой (5), проходящей через внешнюю трубу (6). Это препятствие не создает проблемы для развертывания устройства согласно изобретению. Достаточно его обойти, правильно вводя в действие различные спиральные элементы во время обхода устройства.
В версии, когда внутренняя труба (5) поддерживается в центре центрирующим элементом, это препятствие также может быть легко обойдено устройством согласно настоящему изобретению.
В случае, когда внутренний диаметр внешней трубы (6) имеет изменения, определяющие участки внешней трубы (6) с диаметром, уменьшающимся сверху вниз, байонетной трубы, система спиральных элементов (7) приспосабливается к этому изменению сечения за счет использования по периферии спиральных элементов меньшего диаметра гибких краев, например, из каучука, закрепленных по внешнему краю спирального элемента малого диаметра.
Во время помещения устройства на место, гибкие периферические края прижаты к стенке внешней трубы (6), затем по мере подъема устройства гибкие края расправляются таким образом, чтобы оставаться в контакте с внутренней стенкой внешней трубы (6), даже на верхних участках большего диаметра.
В таком случае внизу цепи может быть добавлена балластная масса, чтобы принудить систему опуститься в части с наименьшим диаметром.
Настоящее изобретение касается также способа загрузки катализатора, прибегающего к устройству, описанному перед этим, который может быть разложен в ряд следующих стадий:
- система загрузки первоначально смотана во внешнем барабане (10), при этом бункер (1) заполнен твердым веществом,
- систему загрузки затем постепенно вводят в кольцевую зону (4) через ее верхнюю часть до тех пор, пока первый спиральный элемент (7) не достигнет расстояния по отношению к дну трубы, составляющего от 50 до 100 см,
- транспортерную ленту или вибрирующее сито (2) приводят в действие таким образом, чтобы обеспечить расход твердого вещества, находящийся в интервале от 250 кг/ч до 500 кг/ч, при этом частицы твердого вещества вводят в кольцевую зону (4) при помощи воронки (3),
- по мере того, как кольцевая зона (4) заполняется, систему загрузки поднимают в кольцевой зоне (4) при помощи внешнего барабана (10) таким образом, чтобы соблюсти постоянное расстояние между первым спиральным элементом (7) и поверхностью постепенно образующегося слоя, причем указанное расстояние находится в интервале от 50 см до 100 см,
- систему наматывают со скоростью, эквивалентной скорости загрузки трубы, находящейся в интервале от 0,2 м/мин до 0,4 м/мин,
- как только труба загружена и система загрузки намотана, систему перемещают для загрузки следующей трубы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение может быть определено как устройство, обеспечивающее плотную загрузку катализатора в кольцевое пространство (4) байонетных труб, каждая из которых имеет высоту, находящуюся в интервале от 10 до 20 м, внешней диаметр трубы 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, кольцевое пространство (4), содержащее катализатор, имеет характеристическую ширину около 50 мм. На практике, соответственно случаю, характеристическая ширина кольцевого пространства (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 кольцевого пространства (4) также уменьшается, двигаясь сверху вниз.
Устройство согласно изобретению адаптируется к этим изменениям характеристической ширины и сохраняет свои характеристики на всей совокупности участков.
Зерна катализатора обычно имеют форму цилиндров высотой, приблизительно, от 10 мм до 20 мм и диаметром от 0,5 см до 2 см.
Одной из основных проблем, возникающих при их загрузке в трубы длиной более 15 м, является опасность разрушения этих зерен, если их заставят просто падать в свободном падении без какой-либо предосторожности, которую и представляет собой одно из решений известного уровня техники для осуществления плотной загрузки.
Другие проблемы связаны с геометрией того же самого кольцевого каталитического пространства, которое препятствует проходу обычных систем загрузки.
В частом случае в контексте настоящего изобретения 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.
Спиральные элементы (7) позволяют легко обойти это препятствие во время помещения устройства на место, просто располагая спиральный элемент ниже препятствия и поворачивая указанный элемент до тех пор, пока он не будет полностью надет ниже препятствия.
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 кольцевого пространства (50 мм) эквивалентна, приблизительно, 4-кратному характеристическому диаметру частиц катализатора.
Устройство согласно настоящему изобретению значительно уменьшает опасность образования изгибов, так как твердые частицы будут постепенно спускаться в контакте со спиральными элементами и, в конечном счете, окажутся на высоте падения по отношению к образующемуся слою самое большее 1 м.
3
2
Наконец, так как загрузку осуществляют труба за трубой, она должна быть достаточно быстрой для промышленного применения, так как реактор конверсии с водяным паром, предназначенный для производства приблизительно 100000 м(н.у.)/ч Н, насчитывает, обычно, от 200 до 350 байонетных труб.
Совокупность этих ограничений удовлетворяется устройством для плотного заполнения согласно настоящему изобретению, которое можно определить следующим образом.
Настоящее изобретение описывает устройство для плотной загрузки катализатора в реактор конверсии с водяным паром, состоящий из множества байонетных труб, заключенных в каландр, при этом катализатор состоит из твердых зерен, занимающих, по меньшей мере, часть кольцевого пространства, находящегося между внутренней трубой и внешней трубой, совокупность этих двух труб образует байонетную трубу. Реактор-теплообменник конверсии с водяным паром, к которому относится настоящее изобретение, состоит из, приблизительно, 300 одинаковых байонетных труб с высотой, находящейся в интервале от 12 до 20 м, при этом совокупность этих байонетных труб заключена в каландр, который может достигать 10 м в диаметре.
Ширина кольцевого пространства, находящегося между внутренней трубой и внешней трубой байонетной трубы, находится в интервале от 30 мм до 80 мм, а его высота составляет от 12 до 20 м. Частицы катализатора обычно имеют форму цилиндров с высотой, приблизительно, от 5 до 20 мм и диаметром, приблизительно, от 10 мм до 20 мм.
Кольцевое пространство, определенное таким образом, может быть единым или разделенным на несколько строго одинаковых секторов системой, называемой «центратором», которая обеспечивает исходное центрирование внутренней трубы (5) внутри внешней трубы (6). Сектор определяется, таким образом, как часть кольцевого пространства, которая соответствует строго определенной доле кольцевого сечения и распространяется на всю высоту указанного кольцевого пространства.
Устройство для заполнения согласно изобретению состоит из:
- совокупности спиральных элементов (7), равномерно вертикально распределенных вдоль кольцевого пространства (4), при этом каждый спиральный элемент (7) имеет длину, находящуюся в интервале от 1 до 1,5 шага спирали, предпочтительно, находящуюся в интервале от 1 до 1,3 шага спирали, причем элементы (7) разделены расстоянием по вертикали, находящимся в интервале от 50 см до 150 см,
- при этом указанные спиральные элементы (7) соединены между собой цепью (8), которая наматывается вокруг барабана (10), расположенного вне заполняемой трубы, и частицы катализатора содержатся в центральном бункере (1), позволяющем выдавать частицы на транспортерную ленту (2), питающую кольцевое пространство (4) посредством воронки (3), через которую частицы проходят внутрь кольцевого пространства (4).
Каждый спиральный элемент (7) имеет форму плоскости, наклоненной вниз под углом альфа по отношению к вертикали, находящимся в интервале от 30° до 60°, предпочтительно, находящимся в интервале от 30° до 50°. В варианте устройства согласно настоящему изобретению, чередуют спиральные элементы, которые могут быть «правого» и «левого» типа соответственно направлению вращения наклонной плоскости.
Когда диаметр стенки кольцевого пространства (4) изменяется из-за участков внешней трубы (6) с внутренним диаметром, уменьшающимся сверху вниз, систему спиральных элементов (7) снабжают на их концах, ближайших к стенке кольцевого пространства (4), краями из каучука, которые дают возможность регулировать ширину наклонной плоскости таким образом, чтобы получить контакт с внутренней стенкой кольцевого пространства (4).
Чтобы облегчить опускание устройства внутрь кольцевой зоны, можно снабдить первый спиральный элемент массой, которая позволяет преодолеть трение каучуковых губок о стенку внешней трубы (6). Первым спиральным элементом (7) является элемент, который всегда размещен ближе всего к поверхности образующегося каталитического слоя.
Что касается способа загрузки, прибегающего к устройству, такому как описанное перед этим, он может быть описан следующими стадиями:
- система загрузки первоначально смотана во внешнем барабане (10), при этом бункер (1) заполнен твердым веществом,
- систему загрузки затем постепенно вводят в кольцевую зону (4) через ее верхнюю часть до тех пор, пока первый спиральный элемент (7) не достигнет расстояния по отношению к дну трубы, составляющего от 50 до 100 см,
- транспортерную ленту (2) приводят в действие таким образом, чтобы обеспечить расход твердого вещества, находящийся в интервале от 250 кг/ч до 500 кг/ч,
- по мере того, как труба заполняется, систему загрузки поднимают из кольцевой зоны (4) при помощи внешнего барабана (10) таким образом, чтобы соблюсти постоянное расстояние между последним дефлектором и поверхностью постепенно образующегося слоя, причем это расстояние находится в интервале от 50 см до 100 см; таким образом, систему наматывают со скоростью, эквивалентной скорости загрузки трубы, находящейся в интервале от 0,2 метр/мин до 0,4 метр/мин,
- во время загрузки, бункер (1) может быть вновь заполнен, если его объем меньше, чем объем трубы, причем эта операция может быть осуществлена с прекращением или без прекращения загрузки,
- как только труба загружена и система загрузки намотана, систему перемещают для загрузки следующей трубы,
- операции контроля загрузки, прибегающие к измерениям потери напора между двумя точками байонетной трубы, сопровождают операцию загрузки, но не являются объектом описания в этом тексте, так как рассматриваются как хорошо известные специалистам в данной области.
ПРИМЕР СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ
Испытания загрузки осуществляли с устройством согласно изобретению, состоящим из двух спиральных элементов одинакового направления вращения на экспериментальной колонне высотой 2 м, состоящей из внутренней трубы с внешним диаметром 42 мм и внешней трубы с внутренним диаметром 128,1 мм.
Частицы загружаемого твердого вещества имели форму небольших цилиндров высотой 1,5 см и диаметром 0,8 см.
Два спиральных элемента высотой 200 мм с углом наклона по отношению к вертикали 50° вводили в колонну на расстоянии 60 см один от другого.
Расстояние между первым спиральным элементом и поверхностью образующегося слоя во время загрузки поддерживали равным 50 см. Таким образом, устройство непрерывно поднимали со скоростью 0,2 м/мин.
3
Как только слой был загружен, измеряли величину ΔР при расходе воздуха 116 м(н.у.)/ч.
После выгрузки разрушенные частицы удаляли. Наблюдавшаяся степень разрушения была весьма низкой, порядка 1%.
Результаты загрузки показаны в таблице 1, представленной ниже.
Загрузка, полученная с устройством согласно изобретению, оказалась весьма удовлетворительной с отличной воспроизводимостью в отношении потери напора (среднее отклонение ±1%).
Время загрузки составляло максимум 5 минута/метр, что соответствует времени около 1 часа для трубы длиной 12 м (при расходе твердого вещества около 200 кг/ч).
3
Плотность загрузки составляла 959 кг/м во всех осуществленных загрузках.
Таблица 1:Результаты загрузок с системой со спиральными элементами на колонне высотой 1 м. Расход воздуха при измерении потери напора= 116 м<sup>3</sup>(н.у.)/ч
Времязагрузки(мин)
Времявыгрузки(мин)
Скоростьвибрирующего сита
Высота твердого вещества(см)
Плотностьзагрузки(кг/м<sup>3</sup>)
Потерянапора(мм Н<sub>2</sub>О)
Среднееотклонение
4'40''
7'20''
4
102
959
208
-0,97%
4'30''
7'00''
4
102
959
206
0,00%
5'00''
9'19''
4
102
959
204
0,97%
4'50''
7'55''
4
102
959
206
0,00%
4'20''
8'10''
4
102
959
206
0,00%