ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПЛОТНОЙ ЗАГРУЗКИ КАТАЛИЗАТОРА В БАЙОНЕТНЫЕ ТРУБЫ ОБМЕННОГО РЕАКТОРА ПАРОВОГО РЕФОРМИНГА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ ТРУБЫ ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ
PNEUMATIC SYSTEM FOR DENSE LOADING OF CATALYST INTO BAYONET TUBES OF STEAM REFORMING EXCHANGE REACTOR WITH USE OF AUXILIARY PIPE FOR INTRODUCTION OF SOLID PARTICLES

Область техники, к которой относится изобретение
2
Настоящее изобретение относится к области загрузки каталитических труб, используемых в трубчатых реакторах, предназначенных для высокоэндотермических или высокоэкзотермических реакций. Таким образом, настоящее изобретение является особенно подходящим для реакторов парового реформинга природного газа или разнообразных углеводородных фракций в целях изготовления смеси CO и H, известной как синтез-газ.
Можно выделить два основных семейства реакторов парового реформинга: реакторы, в которых тепло подается рядом горелок, расположенных внутри реактора, и реакторы, в которых тепло обеспечивается теплопередающей текучей средой, как правило, газообразными продуктами горения, причем вышеупомянутое горение, разумеется, происходит снаружи реактора парового реформинга.
В некоторых реакторах последнего типа, которые далее называются термином «обменные реакторы», используются простые трубы. В других реакторах используются концентрические трубы с двойными стенками, которые также известны как байонетные трубы. Байонетная труба может быть определена как внутренняя труба, которую окружает внешняя труба, проходящая коаксиально по отношению к внутренней трубе, причем межтрубное пространство между внутренней трубой и внешней трубой, как правило, заполнено катализатором. В остальной части текста термин «межтрубное пространство» или «каталитическое пространство» будет использоваться, чтобы обозначать вышеупомянутое межтрубное пространство, которое определяют байонетные трубы.
В контексте настоящего изобретения, природный газ или, более типично, исходный углеводород, вводится через межтрубное пространство в потоке сверху вниз, а продукты реакции собираются в центральной части внутренней трубы и выходят в потоке снизу вверх.
Реакция парового реформинга природного газа с образованием водорода является высокоэндотермической и, таким образом, она осуществляется, как правило, в печах или в обменных реакторах, как определено выше.
Реакция происходит при очень высоких температурах, как правило, при 900°C, и при давлениях, которые обычно составляют от 20 до 30 бар (от 2 до 3 МПа). В таких условиях, вследствие механических свойств материалов, реакция может осуществляться только в экономически обоснованных условиях, если она происходит внутри труб.
3
Таким образом, каталитические обменные реакторы составляют множество труб, как правило, приблизительно от 200 до 350 труб, для блоков, производящих 100000 Нм/ч водорода, причем данное множество труб, заключает в себе оболочка, которая принимает горячую текучую среду, и это означает возможность обеспечения тепла, необходимого для реактора парового реформинга.
Эта горячая текучая среда или теплопередающая текучая среда, как правило, состоит из газообразных продуктов горения, которое происходит снаружи обменного реактора.
Таким образом, катализатор необходимо помещать во все трубы реактора парового реформинга равномерным образом при переходе от одной трубы к другой, чтобы обеспечивать одинаковый перепад давления от одной трубы к другой.
Это условие является очень важным для гарантии надлежащего распределения реагентов во множестве каталитических труб и для предотвращения недостаточной загрузки одной трубы, что могло бы привести, например, к значительному перегреву составляющего трубу материала, а такой перегрев существенно сокращает срок службы трубы.
Аналогичным образом, очень важно, чтобы в трубе отсутствовали пустоты, т.е. области, в которых катализатор отсутствует или присутствует в недостаточном количестве, потому что при этом в трубе также может происходить местный перегрев вследствие отсутствия каталитический реакции внутри нее. Кроме того, любое неравномерное распределение катализатора в реакционном пространстве может приводить к неравновесному потоку реакционной текучей среды или текучих сред.
Таким образом, задача устройства согласно настоящему изобретению заключается в том, чтобы обеспечивать загрузку, которая является плотной и равномерной в каждой избайонетных труб, составляющих часть обменного реактора.
Уровень техники
Настоящее исследование ограничивается только загрузочными устройствами пневматического типа.
Во французском патенте №2950822 заявитель настоящего изобретения описывает решение задачи загрузки байонетных труб через загрузочные трубы с помощью механических тормозов или пневматического торможения. Этот способ загрузки можно использовать для осуществления плотной равномерной загрузки байонетных труб. Этот способ относится к типу «по зернышку» и, таким образом, является чрезмерно медленным и неудовлетворительным для использования в реакторах промышленного масштаба, которые состоят из нескольких сотен труб.
Европейский патент №1374985 описывает загрузочную систему со съемной трубой для введения в противоположном направлении потока воздуха, который тормозит падающие частицы. Эта система является применимой к традиционным трубам реактора парового реформинга природного газа, но не может выполнять определенные требования для байонетных труб.
Ни один из документов не описывает применение для байонетных труб, когда межтрубное пространство является загруженным.
Таким образом, устройство согласно настоящему изобретению можно определить как пневматическое устройство для плотной загрузки катализатора в межтрубное пространство байонетных труб, установленных в обменном реакторе парового реформинга, причем данное устройство используется для обеспечения равномерной плотности загрузки в каждой из труб обменного реактора в течение периода времени, который является совместимым с требованиями пуска реактора промышленного масштаба.
Кроме того, в некоторых случаях устройство согласно настоящему изобретению должно быть пригодным для приспособления к изменениям внутреннего диаметра внешней трубы 6, вызываемым механическими и термическими напряжениями, которые изменяются на протяжении трубы, и, таким образом, изменяют размеры межтрубного пространства. Ни одно из устройств предшествующего уровня техники не учитывает это дополнительное условие.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет устройство согласно настоящему изобретению и иллюстрирует состоящую из секций вспомогательную трубу 7, которую можно использовать для введения твердых частиц в межтрубное пространство (кольцевую зону) 4, а также систему для ее подъема.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение можно определить как пневматическое устройство для плотной загрузки катализатора в обменный реактор парового реформинга, состоящий из множества байонетных труб, заключенных в оболочку, где каждая байонетная труба содержит межтрубное пространство, которое, по меньшей мере, частично заполнено катализатором. Вышеупомянутый катализатор составляют твердые частицы, занимающие, по меньшей мере, часть межтрубного пространства 4, заключенного между внутренней трубой 5 и внешней трубой 6, причем узел из этих двух труб составляет байонетную трубу, ширина вышеупомянутого межтрубного пространства составляет от 30 мм до 80 мм, а его высота составляет от 10 до 20 м.
Частицы катализатора, как правило, присутствуют в форме цилиндров, у которых высота составляет приблизительно от 10 мм до 20 мм, и диаметр составляет приблизительно от 5 мм до 20 мм.
Согласно основному варианту осуществления настоящего изобретения, данное устройство составляют:
жесткая вспомогательная труба 7, разделенная на множество секций и проникающая внутрь межтрубного пространства 4, сохраняя расстояние от поверхности слоя, составляющее от 50 мм до 150 мм, причем через вышеупомянутую трубу твердые частицы поступают в межтрубное пространство 4, перемещаясь в направлении, противоположном потоку тормозящего газа, который вводится через внутреннюю трубу 5,
вышеупомянутая жесткая вспомогательная труба 7 может разбираться на секции, длина которых составляет от 50 см до 200 см, и частицы катализатора содержат:
центральный загрузочный бункер 1, который направляет частицы на ленточный конвейер или вибрационный конвейер 2, питающий вспомогательную трубу 7 через
воронку 3, через которую частицы перемещаются внутрь вспомогательной трубы 7.
Можно использовать две или три параллельно работающие одинаковые жесткие трубы 7 в зависимости от скорости потоков загружаемых твердых частиц. Таким образом, в остальной части настоящего текста термин «жесткая вспомогательная труба 7» следует понимать как означающий жесткую вспомогательную трубу или трубы 7.
Это множество параллельно работающих жестких труб 7 можно загружать через один загрузочный бункер.
Настоящее изобретение также предлагает способ загрузки катализатора с использованием устройства, описанного выше, причем данный способ можно описать как следующий ряд стадий:
сначала состоящая из секций жесткая вспомогательная труба 7 находится снаружи байонетной трубы, а загрузочный бункер 1 заполнен твердыми частицами;
жесткая вспомогательная труба 7 постепенно вводится в межтрубное пространство 4 через его верхнюю часть с добавлением секций до тех пор, пока ее нижний конец не будет находиться от дна трубы на расстоянии, составляющем от 50 см до 100 см;
постоянный поток газа, который вводится через центральную трубу 5, проходит в межтрубное пространство и поднимается внутри вспомогательной трубы, причем скорость потока газа является такой, что ей соответствует скорость внутри вспомогательной трубы, составляющая от 8 м/с до 14 м/с;
включается ленточный конвейер или вибрационный конвейер 2, таким образом, что обеспечивается поток твердых частиц со скоростью, составляющей от 150 кг/ч до 500 кг/ч и предпочтительно от 250 кг/ч до 500 кг/ч, причем данный поток твердых частиц вводится во вспомогательную трубу 4 через воронку 3;
твердые частицы замедляются внутри вспомогательной трубы и падают на поверхность образующегося слоя, который заполняет межтрубное пространство 4;
по мере того, как заполняется межтрубное пространство 4, жесткая вспомогательная труба 7 поднимается в межтрубном пространстве 4 посредством извлечения секций таким образом, что сохраняется постоянным расстояние по отношению к поверхности постепенно образующегося слоя, причем вышеупомянутое расстояние всегда находится в интервале от 50 см до 150 см;
жесткая вспомогательная труба 7 извлекается со скоростью, равной скорости загрузки трубы и составляющей от 0,1 м/мин до 0,4 м/мин и предпочтительно от 0,2 м/мин до 0,4 м/мин;
когда байонетная труба оказывается загруженной, и загрузочная система извлекается, загрузочная система перемещается, чтобы загружать следующую трубу.
Когда используется множество параллельно работающих жестких труб 7, это множество труб 7 перемещается для заполнения другого множества байонетных труб.
Как правило, газ, используемый для осуществления способа согласно настоящему изобретению, представляет собой воздух или азот.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение можно определить как устройство для плотной загрузки катализатора в межтрубное пространство 4 байонетных труб, причем у каждой байонетной трубы высота составляет от 10 м до 20 м, диаметр внешней трубы 6 составляет от 250 мм до 150 мм, и внешний диаметр внутренней трубы 5 составляет от 10 до 40 мм.
Таким образом, межтрубное пространство (кольцевая зона) 4, в котором содержится катализатор, имеет характерную ширину, составляющую приблизительно 50 мм. На практике, в зависимости от конкретного случая, характерная ширина межтрубного пространства (кольцевая зона) 4 может составлять от 30 мм и 80 мм.
Кроме того, в некоторых случаях внешняя труба 6 имеет диаметр, который уменьшается сверху вниз по секциям, и это означает, что характерная ширина межтрубного пространства 4 также уменьшается сверху вниз.
Устройство согласно настоящему изобретению можно очень легко приспосабливать к изменениям характерной ширины, сохраняя ее эксплуатационные параметры для всего ряда секций.
Частицы катализатора, как правило, присутствуют в форме цилиндров, у которых высота составляет приблизительно от 10 мм до 20 мм, диаметр составляет от 5 мм до 20 мм.
Одну из основных проблем, возникающих при их загрузке в трубы, длина которых составляет более чем 10 м, представляет собой риск разрушения этих частиц в том случае, если они просто будут свободно падать при отсутствии каких-либо мер предосторожности; решение этой проблемы предшествующего уровня техники представляет собой осуществление плотной загрузки. Как правило, риск разрушения частиц становится высоким при падении с высоты одного метра.
Другие проблемы связаны с геометрией самого межтрубного каталитического пространства, которая препятствует введению традиционных загрузочных систем.
В контексте настоящего изобретения, зачастую должна быть установлена внутренняя труба 5, которая проходит сквозь внешнюю трубу 6 в верхней части межтрубного пространства 4, чтобы обеспечивать выпуск, в котором полностью отсутствуют выходящие продукты реакции.
Наконец, как показывает предшествующий уровень техники, риск перекрывания усиливается, когда соотношение между диаметром трубы и максимальным размером частиц составляет менее чем 8, что часто имеет место в контексте настоящего изобретения, поскольку типичная ширина межтрубного пространства (50 мм) приблизительно в 4 раза превышает характерный диаметр частиц катализатора.
3
Основная проблема, которую также должно решить загрузочное устройство, заключается в том, что загрузка труб осуществляется по очереди, и, таким образом, она должна быть достаточно быстрой для применения в промышленности, поскольку реактор парового реформинга, предназначенный для производства приблизительно 100000 Нм/ч водорода, содержит приблизительно от 200 до 350 байонетных труб.
Настоящее изобретение описывает систему для загрузки байонетной трубы посредством потока газа, как правило, воздуха, который движется в направлении, противоположном падению частиц, и, таким образом, замедляет падение вышеупомянутых частиц, в результате чего предотвращается их разрушение, и, следовательно, обеспечивается равномерная загрузка без закупоривания.
Конечная скорость рассматриваемых частиц во время падения составляет приблизительно 14 м/с. Чтобы предотвратить разрушение частиц, скорость падения частиц должна составлять менее чем 3 м/с и предпочтительно менее чем 2 м/с.
Скорость газа, который движется в направлении, противоположном падению частиц, должна составлять от 11 м/с до 13 м/с, чтобы замедлять падение частиц. Для достижения такой скорости потока во всем межтрубном пространстве 4 требуется очень высокая скорость потока газа. Введение газа при такой скорости потока через внутреннюю трубу 5, диаметр которой составляет, как правило, от 30 мм до 50 мм, может создавать очень высокие скорости внутри данной трубы, и в результате этого может возникать даже поток со звуковой скоростью.
Согласно настоящему изобретению, поток газа, который требуется, чтобы замедлять частицы соответствующим образом, вводится полностью через внутреннюю трубу 5, но твердые частицы поступают в межтрубное пространство (кольцевую зону) 4 через жесткую вспомогательную трубу 7, диаметр которой составляет от 0,5 до 0,9 ширины межтрубного пространства 4, точнее наименьшего из межтрубных пространств 4 в случае трубы с изменяющимся внутренним диаметром внешней трубы 6. Эта жесткая вспомогательная труба 7 разделена на несколько секций таким образом, что обеспечивается ее опускание на дно кольцевой зоны 4, когда начинается загрузка, а затем ее постепенное извлечение в процессе загрузки вышеупомянутой кольцевой зоны 4.
Поток газа внутри внутренней трубы 5 является таким, что:
с одной стороны, скорость, создаваемая в жесткой вспомогательной трубе 7 находится в интервале от 8 м/с до 14 м/с и предпочтительно в интервале от 11 м/с до 13 м/с;
с другой стороны, скорость восходящего потока, создаваемого в межтрубном пространстве, составляет менее чем минимальная скорость псевдоожижения твердых частиц, составляя от 3 м/с до 4 м/с, чтобы сохранять образующийся слой частиц в состоянии неподвижного слоя, но уносить мелкие частицы, которые могут образовываться в процессе загрузки.
Загрузка осуществляется путем свободного падения через верхнее отверстие вспомогательной трубы или труб, когда загружается загрузочный бункер 1 и вибрационный конвейер или ленточный конвейер 2.
Между вибрационным конвейером 2 и жесткой вспомогательной трубой 7 используется гибкое соединение 3, чтобы направлять частицы катализатора и при этом препятствовать передаче вибрации в жесткую вспомогательную трубу.
Поток газа, который выходит из жесткой вспомогательной трубы 7, загруженной мелкими частицами, проходит через фильтр 9, который задерживает пыль и выпускает чистый газ 12. Уплотнительная система 8 обеспечивает, чтобы только газ проходил через систему для загрузки твердых частиц и фильтрации 9.
Изменения сечения межтрубного пространства 4 не производят какого-либо дополнительного воздействия на скорость потока воздуха, вводимого через внутреннюю трубу 5, которая остается постоянной в течение всего процесса загрузки, и это означает, что устройство согласно настоящему изобретению является особенно хорошо приспособленным к геометриям трубы с изменением размеров кольцевой зоны 4.
Пример изобретения
Исследование загрузки осуществляли, используя пневматическое устройство согласно настоящему изобретению, установленное в экспериментальной колонне высотой 1 м, которую составляли внутренняя труба 5, имеющая внешний диаметр 42 мм и внутренний диаметр 32,2 мм, а также внешняя труба 6, имеющая внутренний диаметр 128,1 мм.
Загружаемые твердые частицы имели форму мелких цилиндров высотой 1,5 см и диаметром 0,8 см.
Полная длина вспомогательной загрузочной трубы 7 составляла 6,2 м, а ее диаметр составлял 5 см.
Расстояние между нижним концом жесткой вспомогательной трубы 7 и поверхностью образующегося слоя в процессе загрузки сохранялось на постоянном уровне, составляющем 50 см.
3
Поток воздуха со скоростью 76,3 м/ч поступал через внутреннюю трубу байонетной системы и обеспечивал скорость загрузки внутри жесткой вспомогательной трубы 7 на уровне 10,8 м/с.
Скорость внутри внутренней трубы 5 байонетной системы составляла 26 м/с.
Скорость восходящего потока через слой твердых частиц составляла 2 м/с, т.е. была меньше минимальной скорости псевдоожижения.
Пневматическое устройство непрерывно поднималось со скоростью 0,2 м/мин.
3
Когда слой оказывался загруженным, измеряли перепад давления ΔP при потоке воздуха 130 Нм/ч.
После выгрузки из партии удаляли разрушенные частицы. Степень их разрушения была очень низкой, составляя приблизительно 0,7%.
Результаты загрузки представлены ниже в таблице 1.
Загрузка, обеспечиваемая данной системой, была весьма удовлетворительной и демонстрировала превосходную воспроизводимость в отношении перепада давления (среднеквадратическое отклонение составляло приблизительно ±3%).
Скорость загрузки составляла от 5 до 6 мин/м, чему соответствовала продолжительность загрузки, составляющая приблизительно 66 минут для трубы длиной 12 м (при скорости потока твердых частиц, составляющей приблизительно 180 кг/ч).
3
Плотность загрузки составляла приблизительно 970 кг/м и удовлетворительно воспроизводилась для всех загрузок.
Таблица 1Результаты загрузки с помощью пневматической системы со вспомогательной загрузочной трубой для однометровой модели
Продолжительность загрузки (мин)
Высота твердого материала (см)
Плотность загрузки (кг/м<sup>3</sup>)
Перепад давления (мм вод. ст.)
Среднеквадратическое отклонение
Степень разрушения частиц
5<sup>,</sup>00<sup>,,</sup>
98
968
260
0,5%
0,76%
5<sup>,</sup>42<sup>,,</sup>
97
978
266
2,8%
0,78%
6<sup>,</sup>
98
968
250
-3,3%
0,68%
Средний перепад давления
258,6