Спосіб високоефективної каталітичної конверсії монооксиду вуглецю у діоксид вуглецю, реактор і обладнання для здійснення цього способу, способи модернізації реактора та обладнання

Винахід стосується галузі хімічної технології, а саме способу високоефективної каталітичної конверсії монооксиду вуглецю у діоксид вуглецю, реактору і обладнання для здійснення цього способу та способу модернізації реактора і обладнання. Реалізація групи винаходів здійснюється при проведенні каталітичної конверсії монооксиду вуглецю у діоксид вуглецю, за яким подають із заданою швидкістю газового потоку, що містить монооксид вуглецю, до зони реакції, проведення реакції у цій зоні. В нижченаведеному описі та наступних пунктах формули винаходу поняття «зона реакції» взагалі розуміється як зона (простір), який включає засоби, що містять каталізатор, і де відбувається реакція конверсії монооксиду вуглецю у діоксид вуглецю у відповідності з наступним рівнянням: СО + Н2О (пара) Û СО2 + Н2 Реакція конверсії монооксиду вуглецю дуже важлива для промисловості, оскільки вона дозволяє отримати один з головних реагентів для багатьох реакцій синтезу(наприклад, синтезу аміаку), а саме водень. Даний винахід також стосується, відповідно, реактора і обладнання для впровадження вищезазначеного способу, а також, в рівній мірі, способу модернізації реактора і обладнання для каталітичної конверсії монооксиду вуглецю. Як відомо, в галузі каталітичної конверсії монооксиду вуглецю все більше відчувається потреба у впровадженні способів конверсії, що дозволяють досягти все більшої продуктивності при низьких експлуатаційних та капітальних витратах та низькому рівні витрачання енергії. Щоб задовольнити ці вимоги в процесах галузі конверсії монооксиду вуглецю потрібні способи, де газові реагенти спрямовуються потоком із здебільшого аксіальним, радіальним або аксіально-радіальним рухом через зону реакції, що включає принаймні один шар каталізатора. У якості прототипу способа високоефективної каталітичної конверсії монооксиду вуглецю у діоксид вуглецю обрано спосіб високоефективної каталітичної конверсії монооксиду вуглецю у діоксид вуглецю, за яким подають до зони реакції із заданою швидкістю газовий потік, що містить монооксид вуглецю, в зоні реакції з участю монооксиду вуглецю проводять реакцію для отримання газового потоку, що містить діоксид вуглецю (ЕР-Α-0 372 453, С 01В 3/12, Bulletin 90/24, 13.06.90). Спосіб за прототипом має вагомий недолік, пов'язаний з присутністю води - наприклад, у формі краплин залученої в газовий потік, що включає монооксид вуглецю. Дійсно, вода, що вводиться разом з монооксидом вуглецю до зони реакції необоротно пошкоджує приповерхневий шар каталізатора, що міститься в зоні реакції, та робить його занадто компактним або ущільненим. Це відбувається, зокрема, завдяки локальному термічному ударові, викликаному миттєвим випаровуванням води в зоні контакту з розігрітим до високої температури каталізатором, та, частково, завдяки механічному ударові при зіткненні водяної краплини з каталізатором. Первинний наслідок такого ущільнення приповерхневого шару каталізатора - значне падіння тиску газового потоку, що прямує крізь масу каталізатора, та зменшення активності каталізатора, із одночасним зменшенням виходу конверсії (і внаслідок цього виробничої потужності) та із зростанням витрат енергії. Цей важливий недолік способів конверсії монооксиду вуглецю був відомий в даній галузі протягом двох десятиріч, і єдине вирішення проблеми, що пропонувалось дотепер, полягало в ручному видаленні робітником шару ущільненого каталізатора та заміні його новим. До того ж, утворення ущільненого шару каталізатора може бути настільки частим та зашкоджаючим загальному протіканню процесу, що буде потребувати згаданих ручних маніпуляцій через дуже короткі інтервали часу, звичайно менші, ніж рік (від 3 до 9 місяців). Як можна зрозуміти, це вирішення згаданого недоліку не може розглядатись як задовільне для промислових потреб, оскільки воно включає зупинку заводу, де втілений процес конверсії, і внаслідок цього зупинку виробництва, із зростанням виробничих та експлуатаційних витрат і споживання енергії. У якості прототипу реактору для високоефективної каталітичної конверсії монооксиду вуглецю у діоксид вуглецю обрано реактор, який включає переважно циліндричний зовнішній кожух, принаймні один шар каталізатора, розміщений всередині кожуха, впускний патрубок магістралі у кожусі для подавання до принаймні одного шару каталізатора газового потоку, що включає монооксид вуглецю (ЕР-А-0 372 453,С01В 3/12, Bulletin 90/24, 13.06.90). У якості прототипу обладнання для високоефективної каталітичної конверсії монооксиду вуглецю у діоксид вуглецю, обрано обладнання, яке містить реактор конверсії, що включає переважно циліндричний зовнішній кожух і принаймні один шар каталізатора, розміщений у кожусі, патрубок для подавання до реактора газового потоку, що включає монооксид вуглецю (ЕР-А-8 372 453, С01В 3/12, Bulletin 90/24, 13.06.90). Недоліки прототипів реактору і обладнання - не забезпечений в достатній мірі процес конверсії монооксиду вуглецю, який дозволив би отримати високі показники виробничої потужності, а також великі капітальні і експлуатаційні витрати та споживання енергії про проведенні конверсії. У якості прототипу способу модернізації реактора для високоефективної каталітичної конверсії монооксиду вуглецю у діоксид вуглецю, за яким і модернізують реактор, який містить переважно циліндричний зовнішній кожух, принаймні один шар каталізатора, розміщений всередині кожуху, впускний патрубок магістралі у кожусі для подавання до принаймні одного шару каталізатора газового потоку, що включає монооксид вуглецю (US 4 140 625, B01G 8/02, C10G 11/10, publ. 20.09.79) У якості прототипу способу модернізації обладнання для високоефективної каталітичної конверсії монооксиду вуглецю у діоксид вуглецю обрано спосіб, за яким модернізують обладнання, яке включає реактор конверсії, що включає переважно циліндричний зовнішній кожух і принаймні один шар каталізатора, розміщений всередині кожуха, патрубок для подавання до реактора газового потоку, що включає монооксид вуглецю (US 4 140 625, B01G 8/02, C10G 11/10, publ. 20.09.79). Недоліком способів модернізації реактора і обладнання є не достатнє забезпечення процесу конверсії монооксиду вуглецю, який дозволив би отримати високі показники виробничої потужності. Задача, що лежить в основі заявленої групи винаходів - забезпечити процес конверсії монооксиду вуглецю, який дозволить отримати високі показники виробничої потужності, і втілення якого не потребуватиме великих капітальних і експлуатаційних витрат та споживання енергії. Зокрема, задача, що лежить в основі даного винаходу, зробити доступним процес конверсії монооксиду вуглецю, в якому не буде відбуватись приповерхневе ущільнення каталізатора, як це має місце в процесах, відомих в даній галузі. Вищезгадана задача вирішується в доповненні відомого способу конверсії монооксиду вуглецю зазначеного типу, в якому попередньо проводять прискорювання згаданого газового потоку, що включає монооксид вуглецю, перед згаданою зоною реакції. Крім того прискорювання є таким, що збільшення швидкості газового потоку, що включає монооксид вуглецю, дорівнює від 1,5 до 5 разів. Також газовий потік, що включає монооксид вуглецю, проходить крізь зону реакції здебільшого радіальним або аксільно-радіальним рухом. Перевага в тому, що завдяки стадії прискорювання газового потоку, що включає монооксид вуглецю та має бути поданий до зони реакції, є можливим отримати розокремлення води, залученої до потоку, в краплини малого діаметру, наприклад, між 100μМ і 600μΜ, і таким чином сприяти принаймні частковому випаровуванню останньої в газовому потоці, що подається до зони реакції та звичайно не є насиченим парою. До того ж, було неочікувано виявлено, що за стадією прискорювання всі водяні краплини, отримані в результаті прискорювання, мають тенденцію накопичуватись - з причини механіки рідинного потоку - ближче до центру газового потоку так, що вони зтикаються тільки з малою обмеженою частиною маси каталізатора в зоні реакції, при цьому спостерігається дуже обмежене падіння тиску, зумовлене ущільненням каталізатора. Нарешті, як наслідок вищезазначеного розокремлення води у краплини малого діаметру, практично виключається будь-яке механічне пошкодження каталізатора. Таким чином, спосіб за даним винаходом дозволяє переваги, з одного боку, принаймні часткового вилучення води а газовому потоці, а з іншого боку - значне зменшення дії останньої на каталізатор і її пошкоджуючого ефекту. Бажано, щоб вищезазначене прискорювання було таким, щоб воно збільшувало швидкість газового потоку, що включає монооксид вуглецю, у інтервалі від 1,5 до 5 разів, для отримання ефективного та повного розокремлення всієї води в газовому потоці. Перевага в тому, що газовий потік, що включає монооксид вуглецю, проходить крізь зону реакції переважно радіальним або аксіально-радіальним рухом. В такий спосіб присутність слідів води в газовому потоці, що подається до зони реакції, не викликає особливих проблем із ущільненням каталізатора, і внаслідок цього падінням тиску, оскільки частина зони реакції, що зазнає впливу залишкової води, є вторинною та периферійною. Поставлена задача вирішується також тим, що для втілення заявленого способу даний винахід передбачає в реакторі-прототипі нового розташування засобів, які для прискорювання згаданого газового потоку розташовані перед принаймні одним шаром каталізатора, також засоби розташовані у згаданому патрубку, засоби включають звужуючий елемент, який має діаметр проходу менше, ніж діаметр проходу патрубку, крім того потрібно, щоб відношення між діаметром проходу звужуючого елементу і діаметром проходу патрубку було між 0,45 і 0,85, також в якості звужуючого елементу вибрано трубку Вентурі. Крім того, принаймні один шар каталізатора виконано радіального або аксіально-радіального типу. Поставлена задача вирішується також тим, що даний винахід передбачає у відомому обладнанні для високоефективної каталітичної конверсії монооксиду вуглецю у діоксид вуглецю нове розташування та включення нових елементів, а саме: у патрубку розташовані засоби для прискорювання газового потоку, згадані засоби включають звужуючий елемент, який має діаметр проходу менше, ніж діаметр проходу патрубка, зокрема відношення між діаметром проходу звужуючого елемента і діаметром проходу патрубка лежить між 0,45 і 0,85 та звужуючий елемент в обладнанні є трубкою Вентурі. Згідно з іншим аспектом даного винаходу, також робиться можливим спосіб модернізації реактора для каталітичної конверсії монооксиду вуглецю у діоксид вуглецю такого типу, за яким у відомий реактор додатково розміщують до принаймні одного шару каталізатора засоби для прискорювання газового потоку. Згідно з ще одним аспектом даного винаходу, також робиться можливим спосіб для модернізації обладнання для каталітичної конверсії монооксиду вуглецю такого типу, за яким у відомий реактор додатково розміщують в патрубку засоби для прискорювання газового потоку. Завдяки вищезазначеним способам модернізації відповідно для існуючого реактора або обладнання, є можливим зробити процес конверсії монооксиду вуглецю простим у втіленні і спроможним досягти високої виробничої потужності при низьких експлуатаційних витратах та малому витрачанню енергії, і в якому не відбувається приповерхневе ущільнення каталізатора, що міститься в принаймні одному каталітичному шарі. Характерні риси та переваги способу за даним винаходом детальніше будуть подані в описі втілення, наведеному нижче, за допомогою прикладу, що не обмежує цей винахід, з посиланнями на фігури, що додаються. Короткий опис фігур Фіг. показує подовжній розріз крізь секцію реактора для конверсії монооксиду вуглецю згідно з даним винаходом. З посиланням на Фіг., позначка 1 означає в цілому реактор для високоефективної конверсії монооксиду вуглецю у діоксид вуглецю. Взагалі реакція конверсії відбувається при температурах між 180°С та 500°С і тисках між 1бар та 100бар. Обладнання 1 включає переважно циліндричний зовнішній кожух 2, котрий визначає в своїх межах зону реакції 3, в котрій розміщено шар каталізатору 4, що власне містить каталізатор 5. В прикладі на Фіг. каталізатор 5 весь вміщено в один шар 4. Проте є можливим забезпечити зону реакції, в якій каталізатор 5 розподілено в багатьох шарах 4, наприклад, двох або трьох. В шарі каталізатора 4 також забезпечено газопроникну бокову стінку 8 в магістраль з колектором 9 для збирання газу, що залишає шар каталізатору 4. Шар каталізатору передбачено такого типу, як описано, наприклад, у ЕР-А-0 372 453. Щоб запобігти небажаному вилученню каталізатора 5, кінець 6 звичайно обладнано покривною решіткою відомого типу (не показано). Згідно з альтернативним втіленням даного винаходу (не показано), шар каталізатора 4 може бути чисто радіального типу з газонепроникним кінцем 6. Позначки з номерами 10 та 11 зображують відповідно впускний та випускний патрубки, розташовані в верхньому та нижньому кінцях кожуху 2. Перевагою є те, що перед шаром каталізатора 4 належним чином розміщено засоби - загалом показані позначкою 12 - для прискорювання газового потоку, що подається до зони реакції 3. В прикладі на Фіг., засоби 12 розташовано в газовому впускному патрубку 10 та переважно біля кожуху 2. Таке розташування є особливо бажаним, оскільки воно дозволяє отримати засоби 12, які є простими в конструюванні, невеликими за розміром та легкими за доступом при їх експлуатації. Тут треба зазначити, що в кожусі 2 біля газового впускного патрубку 10 взагалі забезпечується отвір (не показано), що в промисловості зветься «люк» або «горловина» для інспективного огляду та обслуговування реактора конверсії 1. Засоби 12 включають звужуючий елемент 13 з внутрішнім діаметром, меншим, ніж газового впускного патрубку 10. Як звужуючий елемент 13, наприклад, можуть бути застосовані елементи типу Вентурі або дископодібного типу. Особливо задовільні результати можна отримати при відношенні внутрішніх діаметрів між 0,45 і 0,85. Завдяки засобам прискорювання 12 є можливим отримати розокремлення води, залученої до газового потоку, що подається, на краплини малого діаметру, забезпечивши принаймні часткове її випаровування і в будь-якому разі зменшення небезпеки пошкодження каталізатора. На Фіг., стрілки 14 показують різні шляхи просування газового потоку в реакторі конверсії 1, в той час як позначка 15 показує водяні краплини, що містяться в цьому потоці. Склад газового потоку 14, що подається до зони реакції 3 і включає монооксид вуглецю та пару змінюється під час прямування шаром каталізатора 4 по мірі протікання реакції конверсії, в результаті цього на виході з реактора 1 газовий потік містить головним чином діоксид вуглецю та водень. Оскільки газовий потік 14 піддається прискорюванню засобами 12, краплини 15 накопичуються в центральній частині зони реакції 3 і зтикаються тільки з малою і обмеженою часткою поверхні каталізатора 5. До того ж, оскільки краплини 15 розщеплюються на краплинки нехтовно малого розміру, їх вплив на масу каталізатора 5 не викликає будь-яких особливих проблем з ущільненням. У відповідності з способом каталітичної конверсії в даному винаході, газовий потік 14, що включає монооксид вуглецю, подається із заданою швидкістю до зони реакції 3, де монооксид вуглецю зазнає реакції з утворенням в потоці 14 діоксиду вуглецю. Перевагою є те, що згідно з попередньою стадією даного способу, газовий потік 14, що включає монооксид вуглецю, прискорюється до зони реакції 3. Таким чином, водяні краплини 15, що залучені до газового потоку, що подається в зону реакції 3, розщеплюються, і в результаті відбувається принаймні часткове їх випаровування, так що запобігається або ж принаймні суттєво зменшується утворення ущільненого приповерхневого шару каталізатора, що міститься в зоні реакції 3. Експлуатаційні умови тиску та температури в даному процесі зазначено вище, вони відповідають типовим експлуатаційним умовам каталітичних процесів конверсії монооксиду відомим в даній галузі. Перевагу було виявлено і в тому, що, належно зі швидкість газового потоку 14, є можливим отримати повне випаровування водяних краплин 15. Зокрема, це це, коли прискорювання таке, що зростання швидкостію потоку 14, зокрема, є в інтервалі між 4 і 5-кратним, З посиланням на реактор Фіг., вищезазначене зростання швидкості було отримано з використанням переважно звго елементу 13 типу Вентурі з відношенням діаметрів елемента впускного патрубку 10 між 0,45 і 0,50. Завдяки присутності в зоні реакції 3 шару каталізатора 4 аксіально-радіального типу, газовий потік 14 переважно спрямовується до реактор конверсії 1 із здебільшого аксіально-радіальним рухом. В такий спосіб, отримується подвійна перевага: з одного боку, компенсуються падіння тиску, викликані звужуючим елементом 13, а з іншого боку, робиться доступною для ущільнення, якщо необхідно, вторинна та периферійна область поверхні каталізатора 5. Дійсно, падіння тиску в результаті прямування газового потоку 14 крізь масу каталізатора 5 значно скорочуються при чисто аксіальному проходженні крізь шар каталізатора. При цьому можна обминути без суттєвих обмежень виробничої потужності навіть значні падіння тиску, викликані проходженням газового потоку крізь звужуючий елемент 13. До того ж, як показано на Фіг., водяні краплини 15 спрямовуються до мало важливої і периферійної зони шару каталізатора 4, а саме до центральної області аксіальної частини шару 4 так, щоб запобігти будь-якому пошкодженню частини каталізатора 5, що залишилася, і внаслідок цього утворенню додаткових небажаних падінь тиску в шарі каталізатора 4. У випадку чисто радіального шару каталізатора такі ж переваги отримуються з точки зору падіння тиску, як і в аксіально-радіальному шарі, проте використання маси каталізатора і, внаслідок цього, виробнича потужність реактора конверсії менші за рівних умов, оскільки має місце не оптимальне використання маси каталізатора завдяки втраті аксіального компоненту руху крізь нього. Згідно з найбільш вигідним втіленням даного винаходу, засоби прискорювання 12 включають елемент Вентурі 13, який забезпечує бажане зростання швидкості газового потоку 14 з мінімальним падінням тиску в порівнянні з падінням тиску, викликаним звужуючими елементами каліброваного дискового типу або їм подібними. Згідно з альтернативним втіленням даного способу конверсії в цьому винаході також робиться доступним обладнання (не показано) такого типу, що включає реактор конверсії, що має переважно циліндричний зовнішній кожух і принаймні один шар каталізатора, розміщений в цьому кожусі та патрубок для подавання до реактора газового потоку, що включає монооксид вуглецю. Патрубок взагалі виконує функцію сполучення реактора з процесорним бойлером, розташованим перед реактором. Під поняттям «процесорний бойлер» розуміється бойлер для виробництва пари за допомогою непрямого теплового обміну між нагріваючим потоком, що включає монооксид вуглецю, і водяним потоком. Взагалі, ці бойлери є бойлерами трубчасто-гніздового типу з двома кінцями труб, приєднаних до відповідних трубчастих пластин. Перевагою є те, що це обладнання включає засоби для прискорювання газового потоку 14, що подається, розміщені в патрубку. Засоби прискорювання належно включають звужуючий елемент з внутрішнім діаметром, меншим, ніж діаметр патрубку. Бажано, щоб відношення між зазначеними діаметрами проходу потоку було між 0,45 і 0,85, і звужуючий елемент був типу Вентурі. Стосовно проблеми ущільнення каталізатора, переваги, отримані за допомогою обладнання цього типу близькі до тих, що обговорювалися вище з посиланнями на реактор Фіг. В цьому разі однак, оскільки засоби прискорювання газового потоку, що подається, розташовано всередині патрубку, їх установка та експлуатація більш складні. Даний винахід також забезпечує відповідні способи модернізації реактора та способи модернізації обладнання для каталітичної конверсії монооксиду вуглецю. Перевагою є те, що ці способи включають стадію розміщення перед зоною реакції засобів для належного прискорювання газового потоку, що включає монооксид вуглецю. В такий спосіб, є можливим технічно просто і з малими витратами виконати модернізацію існуючого реактора або обладнання з отриманням вищезазначених переваг і виключенням недоліків, зазначених з посиланнями на існуючий рівень техніки. Бажано, щоб засоби прискорювання розташовувались у газовому впускному патрубку або в трубопроводі подавання, і щоб вони включали звужуючий елемент, а саме типу Вентурі з внутрішнім діаметром проходу, меншим, ніж діаметр елементу, в якому вони розміщені. Виходячи з вищевикладеного обговорення є зрозумілими численні переваги, що їх можна досягти з використанням даного винаходу, зокрема, можливість ефективно нейтралізувати, якщо не повністю зняти, проблему приповерхневого ущільнення каталізатора, який міститься в зоні реакції; і це зробити за допомогою способу конверсії, простого у своєму втіленні, з високою виробничою потужністю та малими експлуатаційними коштами та витрачанням енергії.