Спосіб модифікації реактора аксіального типу для гетерогенного синтезу в реактор аксіально-радіального або радіального типу

Изобретение относится к отрасли химической технологии получения аммиака и метанола, в частности к способу модификации реактора аксиального типа для гетерогенного синтеза в реактор аксиально-радиального или радиального типа; реактор аксиального типа содержит внешнюю цилиндрическую оболочку,аксиально расположенную передающую газовую трубу и внутренний цилиндр, содержащий гранулированный катализатор, размещенный в одном или нескольких слоях, образованных участками наружной стенки цилиндра, участком внутренней цилиндрической стенки аксиально расположенной передающей газовой трубы и основанием, верхняя поверхность слоев открыта для прохождения свежего синтез-газа, указанный способ предусматривает извлечение и замену каталитических слоев для преобразования на месте реактора в реактор аксиально- радиального или радиального типа. Известно, что реакторы синтеза катализатора под давлением, в частности, для каталитического синтеза аммиака, метанола, высших спиртов и т.д., состоят из наружного корпуса, обычно изготовленного из одного куска, и внутреннего цилиндра, содержащего гранулы катализатора, имеющие различную форму и характеристики, расположенные в один или более каталитических слоев. Для достижения оптимальных температур в различных каталитических слоях при экзотермических реакциях синтез-газа, проходящего через различные каталитические слои, обычно охлаждаются между слоями путем впрыскивания свежего газе (охлаждающий реактор) или за счет непосредственного теплообмена с подаваемым холодным газом. Недавно были предложены реакторы с радиальным потоком газа в каталитических слоях [1,2,3] или радиальные (Ammonia Casale) [4,5], которые явились значительным прогрессом по сравнению с реакторами аксиального потока, когда речь идет о больших количествах катализатора, позволяющих уменьшить давление на каталитических слоях и, следовательно, расход энергии. Аксиальный газовый поток требует применения широких реакторов (отношение низкой высоты к диаметру установки) с дорогостоящим оборудованием и высоким расходом энергии. В [4,5] предлагается конструкция цилиндров синтез-реакторов, которая значительно упрощена для получения внутренней конструкции реактора, имеющей легкий доступ для обслуживания, а также для загрузки и выгрузки катализатора, и одновременно с этим гарантированы низкие перепады давлений. Действительно, в соответствии с упомянутыми патентами каждый слой катализатора образован из наружной перфорированной цилиндрической стенки, внутренней перфорированной стенки и только одного герметизированного основания (верхняя часть корзины в действительности полностью открыта), неперфорированной верхней части, по меньшей мере, одной из цилиндрических стенок вместе с верхней открытой поперечной секцией, расположенной между верхними концами двух цилиндрических стенок; упомянутые концы, находящиеся в плоскости примерно перпендикулярной продольной оси перфорированных стенок, образующих зону, в которой незначительная часть газа проходит через каталитический слой, преимущественно аксиальным потоком, тогда как оставшаяся часть газа проходит в радиальном потоке через основную часть каталитического слоя, расположенного в перфорированной зоне цилиндрических стенок слоя. Следовательно, часть газа, которая проходит через слой предпочтительно в виде аксиального потока, регулируется исключительно высотой неперфорированной верхней части, по меньшей мере, одной из упомянутых стенок, причем неперфорированный участок является только незначительной частью общей высоты этой стенки ( или стенок). Реакторы, размеры которых соответствуют соотношению высоты к диаметру больше 10 ( т.е. отношение диаметра к высоте менее чем 0,1) изготавливаются предпочтительно в соответствии с вышеупомянутым уровнем техники. При существующей сегодня в мире экономической ситуации большое внимание уделяется рынку модернизации существующих заводов, большая часть которых использует для синтез-процессов (например, синтеза аммиака ) реакторы с осевым потоком в каталитических слоях ( аксиальные реакторы ), отличающиеся низким отношением высоты к диаметру установки. Вследствие вышеупомянутого требования для поддержания низкого перепада давления в реакторе, такие обычные реакторы аксиального потока имеют высокий расход энергии и другие недостатки, которые особенно проявляются, когда реакторы, так называемого типа "косоугольник", имеют только один каталитический слой, довольно большую высоту и тем самым имеют большой перепад давления и повышенный расход энергии, а также сильное коробление в нижних слоях катализатора, которые в результате повреждаются и теряют часть своей активности. Основной задачей настоящего изобретения является уменьшение расхода энергии реакторов для гетерогенного синтеза под давлением, в частности, обычных аксиальных реакторов, эта система пригодна, в частности, для модернизации (ремонта ) реакторов с аксиальным потоком газа, особенно таких, которые имеют низкое соотношение высоты к диаметру, т.е. реакторов типа Келлог, ICI. Упомянутые обычные реакторы используются в ряде высокопроизводительных заводов (800-1500 тонн в день). Основной характеристикой таких заводов помимо их большой производительности, является использование центробежных газовых компрессоров, приводящихся в действие паром, который вырабатывается на заводе в соответствии с интегрированным циклом, и использование вышеупомянутых низкоэффективных аксиальных реакторов. Вышеупомянутые заводы отличались большим расходом энергии, который не создавал особых проблем в те годы, когда энергия была относительно дешевой, аксиальные реакторы были одной из причин большого расхода. В соответствии с настоящим изобретением было установлено, что аксиальные реакторы с обычным расходом энергии, особенно те, которые имеют низкое отношение высоты к диаметру, могут быть довольно легко и удобно модифицированы путем реконструкции содержащего катализатор цилиндра таким образом, что аксиальный поток газа заменяют радиальным, предпочтительно аксиально-радиальным или ра диальным газовым потоком, по меньшей мере, в части каталитических слоев, при этом газовый поток направляют внутрь или наружу. Таким образом, как отмечено во вступительной части описания и в независимом пункте формулы изобретения, настоящее изобретение касается способа, отличающегося тем, что для установки новой формы модифицированных каталитических слоев оно имеет следующие признаки: а) внутри и рядом с внутренним цилиндром установлена наружная стенка, которая в основном перфорирована по всей ее высоте и имеет диаметр несколько меньший, чем диаметр упомянутого внутреннего цилиндра; б) внутренняя стенка, снабженная перфорациями в основном по всей ее высоте и имеющая диаметр несколько меньший, чем диаметр наружной стенки и несколько больший, чем диаметр аксиально расположенной, передающей газовой трубы, установлена вокруг аксиально расположенной передающей газовой трубы; в) герметичное круглое основание установлено в нижнем конце, по меньшей мере, одного каталитического слоя, по меньшей мере, небольшой верхний участок, по меньшей мере, одной из внутренней и наружной труб выполнен цельным и неперфорированным. В соответствии с примером воплощения изобретения, по меньшей мере, незначительная часть, по меньшей мере, одной из упомянутых двух стенок лишена перфораций, в результате чего синтез-газ проходит в основном радиально (аксиально-радиальный поток, внутрь или наружу) через модифицированные каталитические слои. Предпочтительно синтез-газ, который проходит в аксиальном направлении через верхнюю открытую часть слоев, модифицированных в соответствии с указанным воплощением, разделяют на главный радиальный поток, проходящий через перфорированную высоту, по меньшей мере, одной стенки и второстепенный аксиальный поток, проходящий через неперфорированную высоту. Одним из отличий по сравнению с приведенными выше патентами Ammonia Casale является то, что часть газа, которая пересекает предпочтительно в аксиальном потоке модифицированные каталитические слои в соответствии с указанным воплощением, является значительно больше (даже если главные высоты рассматриваются для неперфорированной верхней части перфорированных цилиндрических стенок слоя), в то время, как часть газа, пересекающая оставшуюся часть каталитического слоя, расположенного в перфорированных зонах цилиндрических стенок, в радиальном потоке уменьшается. В первом варианте воплощения настоящего изобретения верхнюю незначительную неперфорированную часть размещают на внутренней стенке и синтез-газ, после прохождения каталитического слоя, собирается в кольцевой зоне, расположенной между передающей трубой 26 с диаметром 25 и частью внутренней стенки 38, имеющей высоту 43 и диаметр 39. Во втором варианте верхнюю незначительную неперфорированную часть размещают на наружной стенке 40, главная перфорированная часть которой образует канал с внутренней поверхностью цилиндра для отработанных газов. Соотношение вышеупомянутых газовых потоков (аксиального потока и радиального потока) будет различным в различных каталитических слоях цилиндра, если слои имеют различную высоту (различное соотношение высоты к диаметру корзины) как и в случае, в котором настоящее изобретение используют для модификации реакторов так называемого типа Келлогг, у которого высота каталитических слоев внутреннего цилиндра увеличивается в различных слоях. В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения в некоторых модифицированных слоях часть газа, пересекающая в аксиальном направлении верхнюю часть слоев, может быть уменьшена до нуля за счет использования верхней регулирующей поток диафрагмы для уменьшения открытой секции, расположенной между верхними концами двух вставленных цилиндрических стенок слоев, причем диафрагма снабжена соответствующими отверстиями или выполнена полностью закрытой и непосредственно контактирует с верхней поверхностью каталитического слоя с диафрагмой с отверстиями, сечение которых может увеличиваться радиально изнутри наружу слоя (или наоборот для слоев с наружным газовым потоком). В соответствии с другим вариантом изобретения частичное уменьшение аксиального газовoго потока может быть достигнуто за счет обеспечения размерного градиента катализатора, например, верхняя зона каталитического слоя состоит из слоя катализатора значительно меньшего размера, чем слой катализатора нижней зоны, через которую проходит радиальный поток газа, при этом толщина упомянутого слоя катализатора уменьшается изнутри наружу слоя в радиальном направлении (или наоборот для слоев с наружным потоком газа). В соответствии с другим вариантом изобретения упомянутая диафрагма может иметь сплошные стенки, полностью закрытые (неперфорированные), всегда располагающиеся на верхней поверхности слоя. Настоящее изобретение будет лучше понятно -из приведенного ниже описания нескольких предпочтительных, но не ограничивающих воплощений, показанных на прилагаемых чертежах, где: Фиг. 1 - схематичное и продольное сечение реактора Келлогг с аксиальным потоком в соответствии с предшествующим уровнем техники; Фиг. 2 - схематичное и продольное сечение реактора ICI с аксиальным потоком в соответствии с предшествующим уровнем техники; Фиг. 3 - схематичное и продольное сечение реактора Келлогг по фиг. 1, модифицированного в соответствии с настоящим изобретением в реактор, с по существу радиально направленным внутрь потоком газа; Фиг. 4 - схематичное и продольное сечение реактора ICI по фиг. 2, модифицированного в соответствии с настоящим изобретением в реактор с по существу радиально направленным внутрь потоком газа; Фиг. 5 - схематичное и продольное сечение реактора Келлогг по фиг. 1, модифицированного в соответствии с настоящим изобретением в реактор с по существу радиально направленным наружу потоком газа; Фиг. 6 - схематичное и продольное сечение реактора ICI по фиг. 2, модифицированного в соответствии с настоящим изобретением в реактор с по существу радиально направленным наружу потоком газа; Фиг. 7 - схематичное и продольное сечение реактора Келлогг по фиг. 3, снабженного регуляторами поток (диафрагмами) сверху первых двух слоев; Фиг. 8 - схематичное и продольное сечение реактора, имеющего более высокие соотношения высоты к диаметру (например, приблизительно 10), например, для типа TVA (Tennessee Valley Authority) и аналогичных, модифицированных в соответствии с настоящим изобретением в реактор с по существу радиально направленным внутрь потоком газа; Фиг. 9 схематичное и продольное сечение реактора Келлог с двумя нижними слоями, модифицированными в соответствии с настоящим изобретением в слои, имеющие по существу радиально направленный внутрь поток газа, и снабженными сверху закрытыми диафрагмами. На фиг. 1 показан обычный реактор типа Келлогг, имеющий четыре каталитических слоя с 1 по 4 с синтез-газом 5 всегда идущим в аксиальном потоке (стрелки 6) и с четырьмя охлаждающими форсунками с 7 по 10 для охлаждающего газа, расположенными сверху каждого слоя 1-4. На фиг.2 показан так называемый реактор типа ICI с одним каталитическим слоем, разделенным на три секции 11,12 и 13 двумя охлаждающими ромбами 14 и 15. Здесь и на всех других фигурах цифры обозначают следующее: 16 - внутренний цилиндр; 17 - наружный, выдерживающий давление, корпус; 18 - канал между внутренней поверхностью корпуса 17 и наружной стенкой цилиндра 16, через который проходит, в основном, холодный реакционный газ 5 для охлаждения поверхности корпуса; 19 - общий катализатор в общей корзине с 1 по 4 на фиг.1, и с 11 по 13 на фиг.2; при этом каждая корзина, например, на фиг.1 имеет высоту 20,21,22 и 23 и наружный диаметр 24 по существу равный внутреннему диаметру цилиндра 16 и внутренний диаметр 25 по существу равный диаметру центральной передающей газовой трубы 26; 27 - бесконтактный теплообменник и 28 выход отработанных газов. В обычном реакторе аксиального типа, например, типа Келлогг на фиг.1 свежий реакционный газ 5 поступает через основание реактора и проходит вверх в воздушном пространстве 18 между корпусом 17 и внутренним цилиндром 16, проходит через верхний обменник газ-газ на наружной поверхности теплообменника 27 (который изнутри обтекается горячим реакционным газом 29), возвращается вниз через кольцевой проход 30, смешивается с охлаждающим газом и достигает верха первого слоя катализатора 1, проходя через него полностью в осевом направлении. Затем осевой поток, выходящий из основания первого слоя 1, смешивается с охлаждающим газом 8 и проходит через второй слой 2 в аксиальном направлении, в основании которого он смешивается с охлаждающим газом 9. Упомянутый охлажденный поток проходит в аксиальном направлении слой 3, смешивается с охлаждающим газом 10, проходит в осевом направлении слой 4, в основании которого он собирается в виде горячего отработанного газа 31 и поступает в центральную передающую трубу 26 для прохождения через центральную верхнюю часть теплообменника 27 (где происходит теплообмен со свежим газом 32) и затем удаляется через выпускное отверстие 28. На фиг.2 показан другой обычный полностью аксиального типа реактор, отличие которого от реактора на фиг.1 заключается в том, что охлаждающие газы 33 и 34 подаются сверху реактора через трубы 35 и 36 между слоями катализатора 11,12 и 13 с помощью "ромбов" 14 и 15 (эти ромбовые реакторы известны также как ICI ромбовые реакторы). Свежие газы 5 подаются сверху реактора, проходят вниз в воздушный канал 18, входят как газ 32 в нижний теплообменник 27, затем их возвращают через передающую газовую трубу 26, на выходе из которой их направляют вниз в виде аксиального потока 6, через слои катализаторов. В основании слоя 13 отработанный газ удаляется в виде потока 29. Описание дальнейших подробностей известных реакторов будет излишним, так как они хорошо известны любому специалисту в этой области. В основном упомянутые обычные реакторы имеют большой перепад давлений и тем самым являются растратчиками энергии. Более того, они используют низко эффективный крупно размерный (6-10 мм) синтез-катализатор. Высота 37 различных слоев 1,2,3 и 4 в основном уменьшается от верха до основания (см. фиг.1, где 20