Реактор і спосіб вторинного каталітичного риформінгу

1. Спосіб вторинного каталітичного риформінгу вуглеводнів та одержання синтез-газу, при здійсненні якого в реактор подають перший потік газу, що містить вуглеводні, та другий потік кисневмісного газу, при цьому принаймні один із цих потоків подають у реактор у визначеному напрямку, по суті паралельно до поздовжньої осі реактора, краще уздовж поздовжньої осі реактора, і потоки газу змішують у реакторі по суті з одночасним окисненням вуглеводнів, що містяться в першому потоці газу, киснем, що міститься в другому потоці газу, який відрізняється тим, що потоки газу перемішують, закручуючи принаймні один з потоків газу навколо напрямку подачі потоків газу в реактор. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що принаймні один з потоків газу являє собою другий потік кисневмісного газу. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що перший потік газу, що містить вуглеводні та другий потік кисневмісного газу на визначеній за довжиною ділянці на вході в реактор подають у реактор окремо один від одного, один потік усередині іншого, у визначеному напрямку уздовж однієї й тієї ж осі, і перемішують їх за цією ділянкою реактора, закручуючи перед цим принаймні один із внутріш 2 (19) 1 3 90252 4 10. Реактор за п. 9, який відрізняється тим, що на відкритому кінці (18) другої труби (7) розташований зрізаний конус (13), який звужений до центра труби, вісь якого співпадає з віссю труби (7), а конусність становить від 30° до 180°. 11. Реактор за п. 10, який відрізняється тим, що розташований на відкритому кінці (18) другої труби (7) зрізаний конус з'єднаний з трубою ввігнутим перехідником (17), відношення радіуса вигину якого до діаметра другої труби (7) становить від однієї десятої до п'яти. 12. Реактор за п. 9, який відрізняється тим, що на відкритому кінці (18) другої труби (7) розташований ввігнутий патрубок (13), відношення радіуса вигину якого до діаметра другої труби (7) становить від однієї десятої до п'яти. 13. Реактор за п. 7, який відрізняється тим, що усередині першої труби (8) розташований завихрювач (12), який закручує потік газу, що протікає по трубі. Даний винахід стосується способу вторинного каталітичного реформінгу вуглеводнів та одержання синтез-газу, при здійсненні якого в реактор подають перший потік газу, що містить вуглеводні, та другий потік кисневмісного газу, при цьому принаймні один із цих потоків подають у реактор у визначеному напрямку, по суті паралельно до поздовжньої осі реактора, бажано уздовж поздовжньої осі реактора, і потоки газу змішують у реакторі по суті з одночасним окисненням вуглеводнів, що містяться в першому потоці газу, киснем, що міститься у другому потоці газу. Термін "вуглеводні", що зустрічається в іншій частині опису та у формулі винаходу означає насичені і/або ненасичені легкі або важкі вуглеводні (наприклад, С1-С6) або їх суміші, а вираз "потік газу, що містить вуглеводні " означає потік газу, що відбирається з реактора для первинного реформінгу певних вуглеводнів (частково облагороджені реформінг-гази), у якому містяться водень, моноксид вуглецю, діоксид вуглецю, водяна пара та вуглеводні, що не вступили в реакцію. З іншого боку, вираз "потік кисневмісного газу" означає потік газу, у якому містяться чистий кисень, повітря, збагачене киснем повітря або повітря, що містить у певних пропорціях кисень, азот та водяну пару. Термін "синтез-газ" означає суміш газів, що використовують для одержання метанолу або аміаку, або в більш загальному випадку означає газ, що містить водень, моноксид вуглецю та можливо азот. Рівень техніки Відомо, що вторинний каталітичний реформінг вуглеводнів, призначений для одержання синтезгазу, в принципі протікає у відповідному шарі каталізатора у дві послідовні стадії, на першій з яких відбувається часткове окиснення певних вуглеводнів, а на другій відбувається остаточне окиснення тих вуглеводнів, які не вступили в реакцію на першій стадії. Відомо, що для досягнення високого виходу на другій стадії реформінгу або, іншими словами, для повного окиснення вуглеводнів необхідно забезпечити максимально рівномірний розподіл температури та складу газу на вході в шар каталізатора для того, щоб у кожній точці шару каталізатора каталізатор міг працювати в умовах, максимально близьких до розрахованих. Відомо також, що на вході в шар каталізатора, у якому на другій стадії реформінгу відбувається остаточне окиснення вуглеводнів, розподіл температури носить істотно нерівномірний характер з великим, таким, що досягає навіть у найкращих реакторах 60/70°С, перепадом ΔΤ температур у різних ділянках поверхні шару каталізатора, при якому каталізатор вже не працює в розрахованому режимі, у результаті чого вихід реакції знижується, а виробничі витрати збільшуються. В основу даного винаходу була покладена задача розробити спосіб вторинного каталітичного реформінгу вуглеводнів зазначеного на початку опису типу, по суті з рівномірним розподілом або дуже вузьким діапазоном можливої зміни в часі температури шару каталізатора з невеликими відхиленнями від розрахованої величини, при якій каталізатор працює в оптимальних умовах. Основна ідея даного винаходу, яка дозволяє вирішити цю задачу, полягає в тому, що безпосередньо перед першою стадією окиснення вуглеводнів у процесі вторинного каталітичного реформінгу шляхом оптимального перемішування потоків газів, один із яких містить вуглеводні, а інший кисень, безперервно одержують потік газу, ступінь перемішування якого забезпечує рівномірне та однорідне протікання реакції окиснення у всій масі газу. Іншими словами, на першій стадії пропонованого у винаході способу вторинного каталітичного реформінгу вуглеводнів реакція окиснення вуглеводнів протікає по суті з рівномірним ступенем конверсії, та одержані в результаті реакції окиснення гази мають один і той самий склад і потрапляють у шар каталізатора з однією й тією ж температурою. На основі зазначеної вище ідеї зазначена вище задача вирішується за допомогою пропонованого у винаході способу вторинного каталітичного реформінгу вуглеводнів зазначеного на початку опису типу, який відрізняється тим, що потоки газу перемішують, закручуючи принаймні один з потоків навколо напрямку подачі потоків газу в реактор. У кращому варіанті перший потік газу, що містить вуглеводні, та другий потік кисневмісного газу на визначеній за довжиною ділянці на вході в реактор подають у реактор окремо один від одного (один потік усередині іншого) у визначеному напрямку уздовж однієї й тієї ж осі і перемішують їх за цією ділянкою реактора, закручуючи перед цим 5 принаймні внутрішній потік газу навколо напрямку подачі. Закручувати краще другий потік кисневмісного газу. У даному винаході пропонується також реактор для каталітичного реформінгу вуглеводнів згаданим вище способом. Інші відмітні риси та переваги винаходу більш докладно розглянуті нижче на прикладі одного з варіантів здійснення пропонованого у винаході способу вторинного каталітичного реформінгу з посиланням на прикладені до опису креслення, які лише ілюструють, але не обмежують обсяг винаходу. Стислий опис креслень На прикладених до опису кресленнях, зокрема, показано: на фіг. 1 - схематичний вигляд у поздовжньому розрізі реактора для реформінгу вуглеводнів пропонованим у винаході способом, на фіг. 2 - схематичний вигляд у розрізі верхньої частини реактора, показаного на фіг. 1, та на фіг. 3 - розріз однієї з показаних на фіг. 2 деталей пропонованого у винаході реактора. Кращий варіант здійснення винаходу На фіг. 1 показаний позначений позицією 1 реактор, призначений для вторинного каталітичного реформінгу вуглеводнів пропонованим у винаході способом. Реактор має по суті циліндричний корпус 2 з вертикальною віссю А-А та покриту жароміцним матеріалом внутрішню поверхню, що витримує високі температури, позначену на фіг. 1 позицією 15. Внутрішній простір реактора умовно розділено на дві сполучені та розташовані одна над одною першу та другу зони Z1 та Z2. Нижня зона Z2 реактора заповнена шаром 3 каталізатора, що лежить на відповідній основі, верхня "вільна" поверхня якого в площині В розділяє внутрішній простір реактора на дві зони. Корпус 2 реактора зверху та знизу закритий відповідно конічними кришкою та днищем, які обмежують розміри розташованої в першій зоні Z1 реакційної камери 5, нижня межа якої лежить у площині В (у площині верхньої поверхні шару 3 каталізатора), і збірника 6 продуктів реакції, з'єднаного із відвідним трубопроводом 16. При проведенні каталітичного реформінгу вуглеводнів пропонованим у винаході способом перший потік газу, що містить вуглеводні та другий потік кисневмісного газу безперервно подають у реактор у напрямку, по суті паралельному до його центральної осі А-А. При цьому потік кисневмісного газу подають у реактор 1 по суті вздовж його центральної осі А-А. Відповідно, зокрема, до кращого варіанту здійснення винаходу потоки газу, що подаються в реактор, на визначеній за довжиною ділянці 19 усередині реактора не змішуються один з одним і проходять по різних каналах, утворених жорсткими, переважно прямими трубами 7 та 8, розташованими усередині реактора на одній осі концентрично одна одній. Друга труба 7 проходить усередині першої труби 8 та утворює внутрішню 90252 6 стінку розташованого між трубами каналу 9 кільцевої форми. Труби 7 та 8 мають певну довжину і доходять до зони Ζ1, яка через ці труби з'єднана з (не показаними на кресленнях) розташованими ззовні джерелами першого та другого потоків газу. У кращому варіанті друга труба 7 закінчується в зоні 5 реакції та проходить уздовж центральної осі реактора. Перший потік газу подають у зону реакції по кільцевому каналу 9, а другий потік газу - по розташованій усередині кільцевого каналу на одній з ним осі другій трубі 7. Перший потік газу, у якому містяться вуглеводні та який подають у кільцевий канал 9 через отвір 11, вісь С-С якого розташована перпендикулярно центральній осі А-А реактора, проходить через розподільний пристрій 10, призначений для рівномірного розподілу швидкості газу за поперечним перерізом кільцевого каналу 9. Пропонований у винаході реактор відрізняється від відомих реакторів, зокрема, тим, що другий потік кисневмісного газу закручують у трубі 7 навколо напрямку подачі. Для закручування (або завихрення) другого потоку газу використовують так називаний завихрювач 12, розташований у другій трубі 7 з відступом від її нижнього відкритого кінця, розташованого в зоні Ζ1. Як завихрювач 12 можна використовувати завихрювач зі звичайними і тому не показаними на кресленнях похилими або гвинтовими ребрами, які закручують потік газу, що проходить через завихрювач. Закручений другий потік газу, що виходить із нижнього відкритого кінця 18 труби 7, рухається по суті в радіальному напрямку до стінок камери 5. На виході з труби поверхневий шар закрученого другого потоку газу зустрічається з другим потоком газу, що рухається в осьовому напрямку, витісняє його до стінок реакційної камери 5 та перемішується з ним. Перший та другий потоки газу, що зустрічаються на вході в реакційну камеру, вступають у реакцію, у результаті якої вуглеводні, що містяться в першому потоці газу, частково окиснюються, і утворюється третій потік газу, у якому крім невеликої кількості вуглеводнів, які не вступили в реакцію окиснення, містяться кисень та моноксид вуглецю. Завдяки такій конструкції реактора й такому способу подачі газів із закручуванням другого потоку газу відбувається більш інтенсивне, ніж при простій взаємодії двох паралельних потоків газу, перемішування газів у реакційній камері 5 та, як наслідок цього, більш рівномірний розвиток реакції часткового окиснення вуглеводнів і утворення водню та моноксиду вуглецю. Рівномірний розподіл температури та складу газів на поверхні шару каталізатора забезпечує можливість роботи каталізатора в оптимальному режимі при розрахованій температурі та певному складі газів і дозволяє збільшити вихід реакції та зменшити виробничі витрати. Третій потік газу, що утворився в результаті перемішування першого та другого потоків газу, 7 подають у шар 3 каталізатора, у якому триває реакція часткового окиснення вуглеводнів. Гази, що виходять з шару 3 каталізатора, збираються в збірнику 6 продуктів реакції та відбираються з реактора по трубопроводу 16. У варіанті, показаному на фіг. 1-3, потік кисневмісного газу, який виходить із відкритого кінця 18, що розширюється, другої труби 7 рухається в напрямку стінок реакційної камери 5. У кращому варіанті відкритий кінець 18 другої труби 7 переходить у розташований на осі другої труби 7 зрізаний конус 13, що звужується до її центра, з кутом розкриття, або конусністю, що може становити від 30° включно до 180° включно, краще від 120 до 150°. У кращому варіанті розташований на кінці другої труби 7 зрізаний конус 13 з'єднаний з другою трубою 7 ввігнутим (з відносно великим радіусом кривизни) перехідником 17, відношення радіуса вигину якого до діаметра другої труби 7 становить від 0,1 до 5, краще від 0,1 до 0,2. В іншому (не показаному на кресленнях) варіанті відкритий кінець 18 другої труби безпосередньо закінчується ввігнутою ділянкою 13 (з відносно великим радіусом кривизни), відношення радіуса вигину якого до діаметра другої труби 7 становить від 0,1 до 5, краще від 0,1 до 0,2. Друга труба 7 з перехідником і/або з ввігнутою ділянкою 13 має на кінці певний профіль у формі явно вираженого розтруба. При наявності на кінці другої труби зрізаного конуса або ввігнутого патрубка 13 перший потік газу, що витікає з кільцевого каналу 9, який містить вуглеводні, обтікає зовні стінку, що має форму розтруба, кінця другої труби та відхиляється в радіальному напрямку від осі до конічної стінки реактора. У ділянці, що конічно розширюється, каналу сопла попередньо закручений завихрювачем дру 90252 8 гий потік газу "зчіплюється" з вигнутими стінками перехідника 17 і конічними стінками зрізаного конуса або ввігнутого патрубка 13. Наявність такого сопла дозволяє працювати з низькими швидкостями газу, що не перевищують половини швидкості газу, який витікає із прямого кінця, що не розширюється, внутрішньої труби 7, та знижує втрати тиску, що виникають при згаданому вище закручуванні другого потоку газу. У пропонованому у винаході соплі другий потік газу легко змінює свій первинний напрямок і рухається по стінках розтруба назовні в напрямку стінок реакційної камери 5 паралельно першому потоку газу, що містить вуглеводні. У розглянутому вище кращому варіанті здійснення пропонованого у винаході способу вторинного каталітичного реформінгу вуглеводнів потік кисневмісного газу подають у зону реакції по трубі, яка розташована усередині кільцевого каналу, по якому в зону реакції подають потік газу, що містить вуглеводні. В іншому, не показаному на кресленнях варіанті використовують завихрювані 12, розташовані і у другій трубі 7, і в кільцевому каналі 9, які закручують обидва потоки газу, який подається в зону реакції. Використовувані в цьому варіанті завихрювані закручують потоки газу в протилежних напрямках, тобто в протитечії або назустріч один одному. Таке закручування обох потоків газу сприяє їх більш ефективному перемішуванню при потраплянні в реакційну камеру 5. Розглянутий вище кращий варіант здійснення винаходу не виключає можливості різних, пов'язаних з конкретними вимогами змін й удосконалень, які не повинні виходити за обсяг винаходу, визначений його формулою. 9 Комп’ютерна верстка І.Скворцова 90252 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601