РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Полезная модель относится к устройствам для проведения каталитических процессов в стационарном слое катализатора. Описанный реактор для проведения каталитических процессов может применяться в системах термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов с температурой от 700°С до 1200°С.
Известен реактор для проведения каталитических процессов, включающий цилиндрический корпус со штуцером ввода и ответным фланцем, штуцером вывода продуктов реакции и штуцерами для загрузки и выгрузки катализатора, внутри которого коаксиально установлена центральная перфорированная труба (ЦПТ), заглушенная с одного конца, а на другом конце которой имеется патрубок для ввода сырья, перфорированные желоба, расположенные по образующим корпуса, коллектор и патрубки для выгрузки катализатора и вывода продуктов реакции (патент Российской Федерации №2102131, 6 B01J 8/02, 1998 г.).
Недостатком конструкции данного реактора являются высокие скорости входа потока окислителя и углеводородного сырья в слой катализатора из отверстий центральной перфорированной трубы, что приводит к неравномерному распределению реакционной смеси по объему катализатора и повышенному удельному расходу катализатора, а также к неблагоприятным силовым нагрузкам, обусловленным температурными напряжениями, возникающих в центральной перфорированной трубе, что вызывает преждевременный износ конструкций реактора.
Известен также принятый за прототип реактор для проведения каталитических процессов, содержащий цилиндрический корпус со штуцером ввода и ответным фланцем, штуцером вывода продуктов реакции и штуцерами для загрузки и выгрузки катализатора, внутри которого коаксиально установлена ЦПТ, снабженная ступенчатым гасителем скорости потока, включающим в себя разделительные кольца и выходную трубу с площадью перфорации не менее 20% от наружной поверхности, заглушенная с одного конца и имеющая на другом конце патрубок ввода реагирующей смеси, перфорированные желоба, расположенные по образующим корпуса, а также устройства для загрузки и выгрузки катализатора и вывода продуктов реакции (патент Российской Федерации №2217229, 7 B01J 8/02, 2003 г.).
Недостатками прототипа является то, что отверстия в выходной трубе, площадь которых, как указано выше, достигает не менее 20%, от наружной поверхности выходной трубы, может привести к попаданию катализатора в полость центральной перфорированной трубы при его загрузке, а это приводит к неравномерному распределению потока по объему катализатора и снижению эффективности его работы. Неравномерное распределение потока ведет к образованию сажистого углерода. Кроме того, в процессе эксплуатации реактора на центральной перфорированной трубе возникают высокие температурные напряжения, а, следовательно, и силовые нагрузки, что приводит к снижению срока службы центральной перфорированной трубы, остановке реактора на ремонт и к дополнительным эксплуатационным затратам.
Задачей полезной модель является повышение надежности работы реактора, улучшение условий работы катализатора, увеличение эффективности реформинга углеводородного сырья, в частности реформинга природного газа продуктами его полного сгорания, а также снижения эксплуатационных и капитальных затрат.
Поставленная задача решается тем, что реактор для проведения каталитических процессов, содержащий цилиндрический корпус со штуцером ввода и штуцером вывода реагирующих компонентов и штуцером для загрузки и выгрузки катализатора имеет диаметры штуцеров ввода и вывода реагирующих компонентов равные диаметру корпуса реакционного пространства, штуцера ввода и вывода составляют одну трубу с цилиндрическим корпусом, загрузку и выгрузку катализатора осуществляют через штуцер вывода продуктов реакции, реакционное пространство заполнено катализатором в следующих пропорциях вдоль хода исходного сырья: катализатор для протекания углекислотного реформинга 30…40%, катализатор для протекания реакции парового реформинга 60…70%, подвод углеводородного сырья осуществляют в нижней части корпуса реакционного пространства.
Сущность полезной модели поясняется чертежом рис.1 - общий вид реактора.
Реактор содержит цилиндрический корпус 2, фланец на входе и на выходе реагирующих компонентов 2, опорное кольцо 3 для поддержки 6 катализатора, слой катализатора, патрубок подвода углеводородного сырья 4.
Цилиндрический корпус 2 представляет трубу постоянного диаметра, в которой штуцера ввода и вывода реагирующих компонентов конструктивно не выделены, что позволяет существенно унифицировать процесс изготовления реактора.
Движение реагирующей смеси сверху вниз согласно рис.1. Окислитель, в частности дымовые газы, подаются снизу, углеводородное сырье, в частности природный газ (метан) подводят в нижнюю часть реакционного пространства через патрубок подвода углеводородного сырья 4. В нижней части реакционного пространства происходит смешение углеводородного сырья и окислителя. После чего реагирующие компоненты попадают в реакционное пространство, заполненное катализатором 5. Катализатор укладывается слоями на поддержку катализатора 6, выполненную в виде этажерки.
2
2
2
Наиболее эффективным применение описанной конструкции будет соответствовать реформингу природного газа продуктами его полного горания. Компонентный состав продуктов полного сгорания природного газа равен CO:HO:N≈1:2:7,52. В реакционном пространстве протекают реакции парового и углекислотного реформинга метана описываемые следующими уравнениями:
4
2
2
СН+СO=2СО+2Н-247,1 кДж/моль (1)
4
2
2
СН+НO=СО+3Н-206,6 кДж/моль (2)
Исходная смесь природного газа и продуктов его полного сгорания имеет температуру от 800 до 1200°С. Свободная энергия Гиббса для реакции углекислотного реформинга природного газа (метана) (1) имеет более высокое значение, чем свободная энергия для реакции парового реформинга метана (2), поэтому необходимо, чтобы содержащийся углекислый газ в исходной смеси прореагировал с метаном в верхней части реакционного пространства, т.к. в верхней части температурный потенциал будет недостаточен для протекания реакции (1). Для этого нижнюю часть реакционного пространства ~30…40% заполняют катализаторами углекислотной конверсии метана, т.е. катализаторами, которые показывают хорошие окислительные свойства именно для реакции (1).
После прохождения нижней части реакционного пространства ~30…40%, реагирующая смесь с уже меньшей концентрацией углекислого газа, но все еще с высокой концентрацией водяных паров попадает в верхнюю часть реакционного пространства ~60…70%, которая заполнена катализаторами паровой конверсии метана (2), т.е. катализаторами, которые показывают хорошие окислительные свойства именно для реакции (2).
2
2
2
Преимущества заполнения реакционного пространства катализаторами углекислотной конверсии ~30…40% и катализаторами паровой конверсии ~60…70% следующие: реагирующая смесь попадает в реакционное пространство с высокой температурой 800…1200°С, при высоком температурном потенциале на катализаторах углекислотной конверсии происходит окисление природного газа углекислым газом, в результате чего температура смеси снижается до температуры, при которой становится невозможным протекание реакции (1). После этого, остальная часть нелрореагировавшего природного газа и дымовых газов попадают в нижнюю часть реакционного пространства ~60…70%. Температурный потенциал в нижней части все еще позволяет реакции (2) полностью завершиться на катализаторах паровой конверсии. Таким образом, на выходе из реактора имеется конвертированный газ с минимальной концентрацией негорючих компонентов (CO, НO, N). Здесь считается, что азот дымовых газов химически нейтрален.
Загрузка и выгрузка катализатора осуществляется следующим образом: при снижении эффективности работы катализатора, через штуцер ввода продуктов реакции вынимается поддержка катализатора 6, в которой происходит замена «отравленных» катализаторов.
Низкие скорости реагирующей смеси достигаются за счет того, что по ходу движения реагирующей смеси отсутствует диффузор (расширяющееся сопло). Отсутствие центральной перфорированной трубы приводит к тому, что температурные напряжения по длине реактора распределены равномерно. Отсутствие центральной перфорированной трубы приводит к равномерному распределению реагирующих компонентов, что в свою очередь приводит к минимизации сажеобразования
Исходное положение реактора перед работой: реактор расположен вертикально, загрузку катализатора 5 на поддержке катализатора 6 осуществляют через штуцер вывода продуктов реакции.