Спосіб модернізації на місці реактора гетерогенного синтезу, реактор гетерогенного синтезу

Винахід, що заявляється, має відношення до способу модернізації на місці реактора гетерогенного синтезу, зокрема, для екзотермічного синтезу, такого як синтезу аміаку та метанолу і конверсії монооксиду вуглецю, який включає принаймні шар каталізатора радіального або аксіально-радіального типу, який змонтовано з протилежними циліндричними перфорованими стінками для входу і ви ходу газів. У наведеному нижче описі та наступних пунктах формули винаходу під поняттям "модернізація на місці" слід розуміти модифікацію «на місці» вже існуючого реактора з метою поліпшити його ефективність та отримати, наприклад, більшу виробничу потужність і/або вихід конверсії порівняно до нового побудованого реактора. За термінологією даної галузі, цей тип модернізації також називають «ретрофітінгом» (retrofitting) або «ривемпінгом» (revamping). Як відомо, в галузі реакцій гетерогенного екзотермічного синтезу взагалі, відчувається зростаюча потреба до адаптації вже існуючих реакторів синтезу до нових каталізаторів з концепцією постійно зростаючої реакційної активності, при цьому досягти поліпшення виходу конверсії та скорочення споживання енергії, одночасно зменшуючи рівень капіталовкладень. В дійсності, постійний прогрес у впровадженні каталізаторів високої реакційної активності призвів до того факту (при незмінній виробничій потужності реактора), що маса каталізатора, яку потрібно завантажити у відповідний шар, стала значно меншою, аніж максимальний об'єм шару, призначений для заповнення цим каталізатором, дозволяючи, в такий спосіб, заощадити кількість згаданого каталізатора. У наявних реакторах, які обладнані шарами каталізатора аксіального типу, адаптація реактора до нових каталізаторів з високою реакційною активністю не викликає особливих проблем, оскільки шар(и) каталізатора можна завантажити більшою чи меншою кількістю каталізатора без особливих суттєви х модифікацій в роботі реактора, особливо з точки зору динаміки потоків, за виключенням різного падіння тиску, останнє можна якимось чином врегулювати певною зміною експлуатаційних умов реактора. У вже існуючих реакторах, що включають шари каталізатора радіального або аксіально-радіального типу, завантаження маси каталізатора, відмінної від передбаченої за конструкцією, навпаки, включає серйозні проблеми в функціонуванні шару(ів) каталізатора. Шар каталізатора радіального типу тільки частково заповнений каталізатором, в ньому неможливо запобігти присутності рядів отворів у стінках для входу і виходу газів, які залишаються незакритими у верхній частині шару, при цьому відбувається небажане стороннє проникнення газів-реагентів і відповідне значне скорочення виходу конверсії в реакторі. Така ж проблема постає в шарі каталізатора аксіально-радіального типу, де також бракує аксіальних перетинів каталізатора газами-реагентами, що включає подальше скорочення виходу конверсії в порівнянні з оптимально завантаженим шаром каталізатора. Зокрема присутність зменшеної кількості каталізатора в аксіально-радіальному шарі, окрім непокриття частини отворів у перфорованих стінках для входу і ви ходу газів, заважає функції, що її виконує неперфорована сторона верхньої частини стінки для виходу газу при аксіальному прямуванні газів, що входять до згаданого шару. Навіть хоча і "ретрофітінг" існуючих реакторів став особливо бажаним, з точки зору того, що ця процедура спрямована на запобігання дуже витратного заміщення реактора при досяганні в той самий час максимального виходу конверсії і мінімального витрачання енергії, сумісних з наявною зоною реакції, не було запропоновано способів, що дозволяють прямо зараз адаптувати для згаданих потреб вже існуючі реактори з шарами радіального або аксіально-радіального типу. На цей час, оскільки бракує конкретних технічних рішень, шари каталізатора радіального або аксіальнорадіального типу існуючих реакторів все ще завантажують звичайними каталізаторами, перешкоджаючи поліпшенню виходу конверсії та зменшенню споживання енергії, що могло б бути досягнуто при застосуванні нових каталізаторів з високою реакційною активністю. Інакше кажучи, а саме із застосуванням каталізатора з високою активністю, завжди є необхідним заповнювати наявний об'єм шару каталізатора радіального або аксіально-радіального типу повністю, для того щоб запобігти вищезгаданих недоліків, при цьому відповідно досягається, окрім зростання виходу конверсії, також і зростання виробничої потужності вже існуючого реактора, що не завжди є необхідним або бажаним, оскільки таке зростання може, наприклад, включати заміну апаратів, розташованих вниз за потоком від реактора синтезу, які, інакше будуть замалими, із відповідним зростанням капіталовкладень та коштів для переобладнання. Окрім того, заповнення цілого наявного об'єму у вже існуючих шарах каталізатора, які виконані так, щоб бути придатними для звичайного каталізатора з низькою активністю, потребує все одно певної кількості високоактивного каталізатора, так що рівень капіталовкладень залишається занадто високим. Завдяки таким значним недолікам, використання каталізаторів з високою активністю у вже існуючих реакторах гетерогенного екзотермічного синтезу, що включають шари каталізатора радіального або аксіальнорадіального типу, не має до цього часу конкретного втілення, незважаючи на відчутно зростаючу потребу в цій галузі. Короткий опис винаходу В основу винаходу поставлено задачу забезпечення способу модернізації реактора гетерогенного синтезу та реактора гетерогенного синтезу такого типу, що включає принаймні радіальний або аксіально-радіальний шар розміщення каталізатору, так щоб зробити можливим використання каталізаторів нової концепції, що завжди мають вишу реакційну активність, для того щоб досягти поліпшення виходу конверсії і скоротити споживання енергії простим і доступним шляхом та зменшити капіталовкладення й експлуатаційні витрати. Згадана задача вирішується за допомогою способу такого типу, який вже висунуто вище, він відрізняється тим, що включає наступні стадії: встановлення неперфорованої циліндричної стінки коаксіально до згаданої стінки виходу газу у згаданому шарі каталізатора, при цьому згадана неперфорована циліндрична стінка простягається від верхнього кінця згаданої стінки виходу газу в межах її частини завчасно визначеної довжини, так щоб визначити вільний простір між стінкою виходу газу і неперфорованою стінкою для проходження частини газу, що залишає згаданий шар каталізатора; встановлення засобів закриття згаданого вільного простору між неперфорованою стінкою і стінкою виходу газу в безпосередній близькості від верхнього кінця останньої, запобігаючи таким чином обтіканню згаданого шару каталізатора або повернення до нього газу, відповідно, що входить і виходить з реактора. Перевагою є те, що спосіб за даним винаходом дозволяє лише часткове завантаження вже існуючих радіальних або аксіально-радіальних шарів каталізатора, дозволяючи, в такий спосіб, ефективне використання нових каталізаторів з високою активністю, без істотного негативного впливу на роботу шарів каталізатора, зокрема, підтримання без змін динаміки потоків і характеристик розподілу тиску. Фактично, завдяки присутності неперфорованої стінки попередньо визначеної довжини біля верхньої зони стінки виходу газу, і одночасному утворенню вільного простору між неперфорованою стінкою та стінкою виходу газу, переважно постає можливим досягти подвійної мети, що саме розтлумачується в даному документі. З одного боку, неперфорована стінка дозволяє газовому потоку проходити крізь масу каталізатора, входячи до шарів, запобігаючи тим самим утворенню небажаних сторонніх потоків, а саме запобігаючи газові безпосередньо прямувати крізь отвори в стінці виходу газу, які залишалися б незакритими з причини тільки часткового заповнення шарів каталізатора, без проходження крізь каталізатор. З іншого боку, присутність вільного простору дозволяє газовому потоку, який пройшов крізь масу каталізатора, витікати крізь всі отвори стінки виходу газу, і, в такий спосіб, підтримувати незмінним розподіл тиску в масі каталізатора. Особливо задовільних результатів можна досягти встановленням неперфорованої стінки, яка простягається в межах 5-50% довжини стінки виходу газу, визначаючи відповідно кільцеподібний вільний простір, що має товщину в межах 0,5-10см. В такий спосіб є можливим завантажити навіть відносно малі кількості каталізатора високої активності, без ризику небажаних сторонніх проходів синтез-газу в обтікання шару каталізатора, при цьому дотримуються незмінними характеристики динаміки потоків та розподілу тиску, які вже існували перед тим як здійснювався ретрофітінг. З посиланням на даний винахід, треба особливо наголосити на тому, що саме в ньому є спроможним досягти тільки часткового завантаження каталізатора в шар радіального або аксіально-радіального типу - без негативного впливу на роботу останнього - в особливу противагу постійномутвердженню в існуючому рівні техніки, згідно з яким використання шарів каталізатора радіального або аксіально-радіального типу безперечно включає повне завантаження шару каталізатором, для того, щоб запобігти небажаним обтіканням каталізатора газами-реагентами. Фактично, з причини дуже особливих характеристик таких шарів, тільки часткове завантаження шару каталізатора радіального або аксіально-радіального типу в межах існуючого рівня те хніки практично неможливе. Тільки після дослідження, яке виконав заявник винаходу, стало можливих розв'язати вищезгадану технічну проблему, запропонувавши модернізацію вже існуючих шарів каталізатора радіального або аксіально-радіального типу, яка дозволяє у противагу твердженню існуючого рівня техніки, часткове завантаженні останніх. Характеристики та переваги даного винаходу дедалі викладено в описі приклад; втілення способу модернізації згідно з винаходом, що не обмежує даний винахід а також не обмежуючої даний винахід Ілюстрації з посиланням до доданої фігури. Короткий опис фігури Фіг. схематично показує розріз впродовж існуючого реактора для проведення реакцій гетерогенного синтезу, зміненого належним чином за способом модернізації, що пропонується в даному винаході. Летальний опис прийнятного втілення З посиланням на Фіг. позначка 1 показує реактор гетерогенного синтезу в цілому. Реактори цього типу особливо придатні для виконання реакцій екзотєрмічного гетерогенного синтезу при високому тискові та температурі (20-300бар. 180-550°C) наприклад, для виробництва аміаку чи метанолу або для конверсії монооксиду вуглецю у диоксид вуглецю. Реактор 1 включає трубчасту оболонку або кожух 2 оснащений зверху патрубком 3 для входу газівреагентів, та очищений знизу отвором 4 для виходу продуктів реакції. Кожух 2 також зверху оснащено отвором 5, щоб дозволити прохід робітника всередину реактора 1 для виконання різноманітних монтажних та експлуатаційних операцій. Патрубки цього типу взагалі відомі фа хівцеві в даній галузі під жаргонним ім'ям «отвори для людини» /"manholes"/. Всередині кожуха 2 розміщено шар каталізатора 6 аксіально-радіального типу, обмежений з боків відповідними циліндричними перфорованими стінками 7 та 8 входу і ви ходу газу, та знизу днищем кожуха 2 . Шар каталізатора 6 є відкритим зверху, щоб дозволити частині газів-реагентів аксіально перетинати його. Для запобігання небажаному просочуванню каталізатора, в його шарі можуть встановлюватись утримуючі гнізда, що взагалі є відомим обізнаним рішенням в даній галузі і тому не показано. В прикладі на Фіг., стінка входу газу 7 розташована близько до кожуха 2. в той час як стінка виходу газу 8 розташована в центрі реактора 1. Між кожухом 2 і стінкою входу газ у 7 отримано вільний простір 9, щоб дозволити газам-реагентам радіально перетинати шар 6. Стінка виходу газу 8 також закрита зверху газонепроникним ковпаком 10 відомого типу. Камера 11, що простягається коаксіально до шару каталізатора 6, між стінкою 8 та ковпаком 10, встановлюється в реакторі 1 вже наприкінці, вона призначена для проходу продуктів реакції що залишають згаданий шар. до патрубка 4, крізь який вони вкінець видаляються. Перервна лінія 12, що показана поблизу верхнього кінця отвору входу газ у 3. відокремлює найвищий рівень, який може бути досягн утий каталізатором всередині шару 6. і визначає разом з боковими стінками 7 і 8 та днищем кожуха 2. зону реакції, наявну в реакторі 1. Така зона розрахована на основі реакційної здатності каталізатора, комерційно доступного на час проектування реактора 1, для досягнення завчасно визначеної виробничої потужності. Тому, перед тим. як бути модернізованим за даним винаходом, реактор 1 все ще має шар каталізатора в. об'єм якого повністю зайнятий звичайним каталізатором. На противагу цьому, перервна лінія 13 показує рівень, що досягається каталізатором в реакторі 1, модернізованому згідно з даним винаходом. Каталізатор всередині шару 6 промарковано - в цілому - позначкою 14, і він має реакційну активність, таку, щоб забезпечити виробничу потужність реактора, еквівалентну запроектованій потужності, але із заняттям об'єму, що суттєво менше, ніж об'єм шару каталізатора 6. Інакше кажучи, завдяки більш високій реакційній активності, маса каталізатора 14, що завантажена до реактора відразу після його модернізації згідно з винаходом, стає, при незмінній виробничій потужності, набагато меншою, ніж маса каталізатора, застосовано до модернізації, і це, відповідно, включає заощадження витрат на сам каталізатор. Стрілки 15 на фіг. показують різні шляхи, якими прямує газ крізь шар каталізатора 6. Згідно з першою стадією способу модернізації за даним винаходом, встановлюється головним чином циліндрична неперфорована стінка 16, коаксіально до стінки виходу газу 8 в шарі каталізатора 6. Неперфорована стінка 16 видається з верхнього кінця 17 стінки виходу газу 8 на завчасно визначену її частину, так, щоб утворити кільцеподібний вільний простір 18 між стінкою виходу газу 8 і неперфорованою стінкою 16 для проходження частини газу, що залишає згаданий шар каталізатора 6, як це показано стрілками 15. На наступній стадії даного способу модернізації, встановлюються засоби для закриття вільного простору 18 між неперфорованою стінкою 16 та стінкою виходу газу 8, безпосередньо біля верхнього кінця 17 останньої, при цьому запобігається обтікання шару каталізатора 6 або повертання до останнього газів, що, відповідно, входять і виходять з реактора. Завдяки стадіям встановлення неперфорованої стінки поблизу верхнього кінця стінки виходу газу і утворенню вільного простору між згаданими стінками для проходження газів-реагентів, з перевагою постає можливим завантажувати шар каталізатора кількостями каталізатора, суттєво нижчими, ніж призначені кількості, без негативного впливу на роботу останнього, зокрема при незмінних характеристиках динаміки потоків та розподілу тиску. Фактично, навіть хоча рівень каталізатора 14 залишається значно нижче верхнього кінця 17 стінки виходу газу 8 (перервна лінія 13), залишаючи в такий спосіб незакритими певну кількість отворів такої стінки, неперфорована стінка 16 запобігає тому, щоб гази-реагенти перетинали шар каталізатора 6 без проникнення в масу каталізатора, а вільний простір 18 дозволяє використовува ти всі отвори стінки 8 для виходу продуктів реакції. Коли б неперфорована стінка 16 була би в безпосередньому контакті із стінкою виходу газу 8 - без утворення вільного простору 18 - отримана маса каталізатора мала би такі самі характеристики динаміки потоків, як і у випадку немодернізованого шару, але завдяки зменшенню кількості отворів, доступних для виходу продуктів реакції, збільшився би розподіл тиску. В прикладі на фіг., неперфорована стінка 16 простягається переважно такою частиною, що є в межах від 20% до 40% довжини стінки виходу газу. На практиці, стінка 16 простягається переважно до такої довжини, щоб перекрити шар каталізатора 6, що тільки частково завантажено каталізатором 14, зону, яка переважно аксіально перетинається газами-реагентами. Якби шар каталізатора 6 був тільки радіального типу, стінка 16 була би ледь вище перервної лінії 13, яка визначає рівень, якого сягає каталізатор 14, щоб забезпечити радіальне перетинання шару каталізатора. Більш того, вільний простір 18 визначається переважно так, щоб мати товщину від 1 до 5см. В усякому випадку, товщина вільного простору 18 повинна бути достатньо великою, щоб дозволити перетинання шару, без того, щоб викликати додаткове зростання тиску. Перевагою є те, що вільний простір 18 закрито біля верхнього кінця 17 стінки виходу газу, так, щоб запобігти небажаному обтіканню газами-реагентами шару каталізатора 8 або повертанню до останнього відповідно продуктів реакції. Для того, що спростити, наскільки це можливо, втілення даного способу модернізації, неперфорована стінка 16 належним чином підтримується стінкою виходу газу 8. Наприклад, стінка 16 може бути рухомо прикріплена до стінки 8, хоча до останньої біля її верхнього кінця приєднано спеціальні засоби прикріплення. Зокрема, згідно з бажаним втіленням даного винаходу, показаним на фіг., неперфорована стінка 16 діаметр якої більше за діаметр стінки виходу газу 8 - переважно закріплюється горизонтальним газонепроникним ковпаком 19, який видається над верхнім кінцем 17 стінки виходу газу 8 та на неї обпирається. Перевагою є те, що стінка 16 та ковпак 19 утворюють різновид газонепроникної посудини - наприклад, з неперфорованої пластини - яка залишається на зворотній стороні кришки (ковпаку) 10 стінки виходу газу 8. Внаслідок виконання згаданих стадій модернізується реактор 1, який дозволяє проводити реакції гетерогенного синтезу з високими виходами конверсії та низьким споживанням енергії, при цьому він працює так, як викладено нижче. Газові реагенти, що вп ускаються в реактор 1 крізь патрубок 3, подаються до шару каталізатора 6, що він містить каталізатор з високою активністю 14. В залежності від типу реакції, температура і тиск газів-реагентів, які подаються до шару каталізатора 6, регулюються до реактора 1. Гази-реагенти перетинають шар каталізатора 6 аксіально-радіальним доцентровим потоком. Завдяки присутності неперфорованої стінки 16, є можливість аксіально відхилити потік газів-реагентів, запобігаючи небажаному обтіканню шару каталізатора 6. Продукти реакції, отримані в шарі каталізатора 6, перетинають стінку ви ходу газ у 8 і після того збираються в камері 11, перед тим, як повністю залишити реактор 1 крізь патрубок 4. Частина (менша) продуктів реакції переважно прямує по вільному простору 18, що дозволяє, в такий спосіб, використовувати для виходу газів також частину стінки 8, обмежену стінкою 16. В такий спосіб, є можливим - при незмінній виробничій потужності існуючого реактора - тільки частково завантажити шар каталізатора 6 каталізатором з високою реакційною активністю, отримуючи економію витрат на згаданий каталізатор, і в той же час підтримуючи незмінними характеристики динаміки потоків та розподілу тиску в шарі каталізатора. Якщо є потреба у збільшенні виробничої потужності вже існуючого реактора, що включатиме необхідність повного використання всього наявного об'єму шару каталізатора 6 при завантаженні його каталізатором з високою реакційною активністю, то буде цілком достатнім видалити з реактора 1 неперфоровану стінку 16, і, як наслідок, також і ковпак 19, який її закріплює, при цьому відбувається повернення до оригінальної конфігурації шару каталізатора 6. Даний винахід вигідно стосується особливо галузі реакцій гетерогенного синтезу, в яких технологічний прогрес дозволив розробити новітні каталізатори, що відрізняються постійно зростаючою реакційною активністю. Без сумніву, дуже цікавою галуззю є синтез аміаку, де завдяки даному способові натепер є можливим ефективно модернізувати існуючі реактори, з метою використання каталізаторів з високою реакційною активністю, таких, як каталізатори на основі рутенію на графітових носіях. Іншою дуже цікавою галуззю є конверсія монооксиду вуглецю, де існуючі реактори (наприклад, такого типу, що показано на фіг., можуть бути вигідно завантажені меншими об'ємами каталізаторів з високою реакційною активністю, такими, як, наприклад, каталізаторами високотемпературної конверсії, що містять мідь. Проте, спосіб модернізації згідно з даним винаходом, не обмежується типами реакторів, описаних вище з посиланням на фіг., а може бути також застосований до реакторів, що містять багато радіальних або аксіально-радіальних шарів, закріплених, наприклад, всередині належного каркасу. Окрім того, з метою втіленні даного способу, взагалі не має значення, перетинається шар каталізатора газами-реагентами доцентровим чи відцентровим потоком. В останньому випадку, стінка виходу газу 8 буде розташована біля кожуху 2, а неперфорована стінка 16 матиме діаметр менший за діаметр стінки 8. Даний винахід вочевидь може використовува тись також у випадку, коли є бажаним зменшення виробничої потужності існуючого реактора, і тому в шарі зменшують масу звичайного каталізатора, що відрізняється низьким виходом реакції. Виходячи з того, що висвітлено, стають з'ясованими багато переваг, яких можна досягти при використанні даного винаходу, зокрема, є можливим тільки частково завантажувати шар каталізатора радіального або аксіально-радіального типу у вже існуючому реакторі, отримуючи, в такий спосіб, економію витрат на каталізатор без істотного внаслідок цього негативного впливу на роботу реактора.