Риформінг-апарат для конверсії метану та пари в со,с02 і н2 та ущільнюючий засіб для проведення ендотермічних або екзотермічних хімічних реакцій у реакторах

1 Риформінг-апарат для конверсії метану та пари в СО, СОг і Н2, що містить переважно циліндричний ЗОВНІШНІЙ кожух з трубами, розміщеними в ньому, та з визначеною зоною непрямого теплообміну і зоною для подавання газоподібного потоку, що включає метан та пару, до зони непрямого теплообміну, отвір, виконаний у згаданому кожусі, для подавання у згадану зону непрямого теплообміну розігрітого газового потоку як джерела для згаданої конверсії, який відрізняється тим, що згадані труби виконані з плаваючими головками, що містять каталізатор риформінгу, які розміщені вздовж головної осі у згадану зону непрямого теплообміну, та сполучення потоку зі згаданою зоною подавання, камеру для збирання газового потоку, що включає СО, СОг та Н2, отримані в результаті згаданої конверсії, розташовану вниз за потоком від згаданих труб, трубопровід, відкритий в згаданій камері збиранні для вилучення з кожуха згаданого газового потоку, що включає СО, СО2 та Н2 Даний винахід стосується хімічної технології та машинобудування, зокрема риформінг-апарату такого типу, що включає зону непрямого теплообміну для реакції риформінгу газового потоку, що містить метан та водяну пару, з утворенням СО, СО2 і Н2 та використання ущільнення типу компресійного кільця у риформінг-апараті В нижченаведеному описі та наступних пунктах формули винаходу поняття «метан» загально розуміється як сировинний матеріал, який є джерелом водню та вуглецю, таким як, наприклад, Зоя 2 Апарат за п 1, який відрізняється тим, що трубопровід вилучення переважно розташований коаксіально згаданому кожуху і паралельно згаданим трубам через зону непрямого теплообміну та зону подавання від камери збирання до отвору виходу газу з кожуха 3 Апарат за п 2, який відрізняється тим, що в ньому встановлені ущільнюючі засоби для газу, розташовані між трубопроводом та трубчастою пластиною, поміщеною між зоною подавання та згаданою зоною непрямого теплообміну 4 Апарат за п 3, який відрізняється тим, що в ньому встановлені ущільнюючі засоби для газу, розташовані між згаданим трубопроводом і згаданим кожухом 5 Апарат за п 3, який відрізняється тим, що в ньому встановлені ущільнюючі засоби для газу, розташовані між згаданою трубчастою пластиною і згаданим кожухом 6 Апарат за пп 3 - 5, який відрізняється тим, що згадані ущільнюючі засоби для газу розташовані поблизу згаданого отвору виходу газу 7 Апарат за пп 3 - 5, який відрізняється тим, що згадані ущільнюючі засоби для газу є типу компресійного кільця 8 Ущільнюючий засіб для проведення ендотермічних або екзотермічних ХІМІЧНИХ реакцій у реакторах, зокрема у риформінг-апараті, який відрізняється тим, що як ущільнюючий засіб використане компресійне кільце для газу між структурно розділеними частинами, що мають різні коефіцієнти термічного розширення власне метан або суміш рідких і/або газоподібних вуглеводнів, таких як природний газ і нафта Як відомо, в галузі риформінгу метану з метою отримання водню та оксиду вуглецю, що є необхідними для синтезу таких продуктів, як аміак і/або метанол, все більше відчувається потреба в апаратах, які б, з одного боку, дозволяли здійснювати реакцію риформінгу метану наскільки можливо повністю, а, з іншого боку, відзначались малим використанням енергії та капітальними і експлуатаційним витратами при одночасній простоті впровадження о ю о ^со 43405 Щоб задовольнили вищезгадані умови, для промисловості пропонується риформінг-апарат обмінного типу, а саме, такий, що має зону теплообміну для реакції риформінгу метану В цьому апараті велика КІЛЬКІСТЬ тепла, яка необхідна для ендотермічної реакції риформінгу, отримується непрямим теплообміном з потоком розігрггого газу, що подається до такого апарату Зокрема, на заводах, що виробляють аміак, де застосовують реакцію риформінгу метану, здійснювану в двох окремих секціях, що звуться первинним та вторинним риформінгом, причому друга працює при більш високій температурі, ніж перша, є можливим використовувати гарячий прореагований газ з вторинної секції риформінгу як джерело тепла для первинної секції Риформінг-апарат обмінного типу звичайно використовують згідно з існуючим рівнем техніки в процесах синтезу аміаку, метану чи водню замість стандартного первинного риформінг-апарату, як описано, наприклад, у ЕР-А-0 298525 Незважаючи на багато переваг, вищезазначений апарат виявляє ряд недоліків, перш за все дуже складну конструкцію, що потребує великих капіталовкладень Дійсно, цей апарат включає численні труби байонетного типу, а саме, що складаються з зовнішнього трубчастого елемента з сліпим кінцем для непрямого теплообміну між розігрггим газовим потоком і газоподібним реагентами (метаном і парою), та внутрішньою трубою для вилучення продуктів реакції Можна легко уявити, що конструкція такого типу є складною і недешевою, ускладненою в виконанні операцій експлуатації, та супроводжується великим діаметром риформінг-апарату До того ж, оскільки реакція риформінгу є каталггичною, необхідно, щоб кільцевий простір між ЗОВНІШНІМ трубчастим елементом та внутрішньою трубою був рівномірно заповнений каталізатором, і каталізатор періодично замінювався Ці операції перешкоджаються або принаймні ускладнені в присутності внутрішньої труби Нарешті, використання труб байонетного типу виявляє незручності навіть з точки зору енергії, оскільки вельми небажаним є теплообмін між прореагованим та реагуючим газовими потоками, при цьому ще й додається ризик корозії металу внутрішньої труби з утворенням пилу за рахунок про pea гова ного газу, якщо останній занадто охолоджується В якості прототипу риформінг-апарату нами обраний риформінг-апарат для конверсії метану і пари в CO, CO2 1 Нг, що містить переважно циліндричний ЗОВНІШНІЙ кожух з визначеною зоною непрямого теплообміну і зоною для подавання газоподібного потоку, що включає метан та пару, до зони непрямого теплообміну, отвір, виконаний у згаданому кожусі, для подавання у згадану зону непрямого теплообміну розігрггого газового потоку, як джерела для згаданої конверсії, описаний у JP-A4154601, C01U 3/38, Мітсубісі Гас Кемікел Ко , Інк, 27 07 1992 JP-A-4154601 описує риформінг-апарат обмінного типу, що включає багато окремих труб, заповнених каталізатором, зовні яких просувається розігрітий газ Труби приєднані на кінцях до ВІДПО ВІДНИХ пластин, які також приєднані до риформінгапарату Але риформінг-апарату - прототипу притаманний ряд недоліків Хоча в JP-A-4154601 описано апарат теплового обміну, простіший в конструюванні й використанні, ніж з трубами байонетного типу, недоліком його є серйозна незручність, оскільки ці труби не розраховані на розширення при піддаванні високій температурі, як це має місце при реакції риформінгу, отже є ризик їх зламу або навіть розриву із змішуванням реагуючого газу з розігрітим газом, що призведе до пошкодження апарату З цього випливає, що такий тип апарату не тільки веде до високих експлуатаційних витрат для заміни дефектних труб, але й не є спроможним забезпечити оптимальну та надійну експлуатацію Ці НЄДОЛІКІ риформінг-апарат теплообмінного типу пояснюють, згідно з існуючим рівнем техніки, до цього часу незначне використання, незважаючи на все більшу актуальну потребу в промисловості В основу винаходу поставлено задачу зробити доступним риформінг-апарат, який був би простий в своєму втіленні та забезпечував реакцію риформінгу метану більш повно, з низькими коштами для впровадження, малими експлуатаційними витратами та низьким споживанням енергії Досягнення цієї задачі вирішується тим, що відома конструкція риформінг-апарату додатково містить -труби з плаваючими головками, що містять каталізатор риформінгу, які розміщені вздовж головної ВІСІ у згадану зону непрямого теплообміну, та сполучення потоку зі згаданою зоною подавання, - розташовану вниз за потоком від згаданих труб камеру для збирання газового потоку, що включає СО, СОг та ЬІ2, отримані в результаті згаданої конверсії, - трубопровід, відкритий в згаданій камері збирання для вилучення з кожуху згаданого газового потоку, що включає СО, СОг і Нг В наведеному нижче описі та пунктах формули винаходу поняття «труби з плаваючими головками» означає труби, що кожна з яких має принаймні один кінець (головку), яка структурно вільна пересуватись (плавати), дозволяючи теплу розповсюджуватись від труб Перевага в тому, що риформінг-апарат згідно з даним винаходом повинен включати камеру збирання для прореагованого газу до магістралі рухомого потоку з багатьма трубами, заповненими каталізатором для непрямого теплообміну, та трубопровід для вилучення цього газу з кожуху В такий спосіб, весь газ - як тільки здійснилася реакція риформінгу - збирається в одній і тій самій камері та вилучається за допомогою одного трубопроводу Завдяки цим особливостям побудови, є можливим отримати риформінг-апарат обмінного типу, який є надійним, найпростішим для конструювання, потребує малих коштів для впровадження, і який в той же час є ефективним стосовно реакції риформінгу метану без недоліків, типових для відомих в даній галузі апаратів 43405 Зокрема, експлуатаційні операції, та завантаження й заміна каталізатора в труби полегшуються завдяки присутності багатьох окремих труб з плаваючими головками, що незалежні одна від одної До того ж, оскільки прореагований газ весь збирається в одній камері та вилучається з кожуху за допомогою трубопроводу, котрий в тепловому відношенні незалежний від труб теплообміну, щонайкраще виключається небажаний теплообмін між прореагованим та реагуючим газом та запобігається небезпека корозії металу трубопроводу вилучення з утворенням пилу.при цьому скорочуються експлуатаційні витрати в порівнянні з існуючими апаратами Згідно З прийнятним втіленням апарату за даним винаходом, трубопровід вилучення переважно розташований коаксіально згаданому кожуху і паралельно згаданим трубам через зону непрямого теплообміну та зону подавання від камери збирання до труби виходу газу з кожуху Таким чином, отримується дуже проста та компактна структура, що дозволяє водночас ефективно компенсувати розширення різних частин апарату, викликане різним тепловим навантаженням, якому вони піддаються в разі використання різних матеріалів Зокрема, є можливим прийнятно і надійно компенсувати різні коефіцієнти розширення, яким виникають в трубах теплообміну та трубопроводі вилучення прореагованого газу, додатково таким чином отримують дуже простий з точки зору побудови апарат Дійсно, завдяки особливому розташуванню трубопроводу вилучення, як перевага отримується камера збирання, яка також є плаваючого типу, з трубами теплообміну та трубопроводом вилучення, що мають змогу вільно розширюватись одночасно в багатьох протилежних напрямках по відношенню до зони подавання Таким чином, різні коефіцієнти розширення матеріалів не тільки не створюють механічних конструкційних проблем для цього апарату, а в такий спосіб можуть бути разом зкомпенсовані Перевага й втому, що згідно з даним винаходом, між згаданим трубопроводом вилучення та трубчастою пластиною, розміщеними між згаданою зоною подавання та зоною теплообміну, як між згаданим трубопроводом та кожухом забезпечуються прийнятні засоби ущільнення для запобігання небажаних перетікань реакційного або прореагованого газу, в той же час дозволяючи різні коефіцієнти теплового розширення для різних частин апарату Завдяки даному винаходові, ущільнюючі засоби, що забезпечують коректну експлуатацію апарату, скорочені до мінімуму і зконцентровані тільки між трубопроводом вилучення, трубчастою пластиною та кожухом Бажано, щоб ущільнюючі засоби були розташовані поблизу згаданого отвору для виходу, так щоб полегшити доступ до цих ущільнюючих засобів і таким чином спростити і допомогти їх експлуатації Характерні риси та переваги даного винаходу детальніше будуть подані в описі втілення, наведеному нижче шляхом звернення до прикладу, що не обмежує даний винахід, з посиланнями на додані до цього матеріалу фігури На фігурах показано Фіг 1 - розріз по довжині крізь секцію риформінг-апарату згідно з даним винаходом Фіг 2 - розріз по довжині крізь секцію частини апарату Фіг1, що його переобладнано згідно з прийнятним втіленням даного винаходу Фіг 3 - розріз по довжині крізь секцію в збільшеному вигляді частини апарату Фіг 2 З посиланнями на Фіг 1-3, позначка 1 відповідає в цілому риформінг-апаратові даного винаходу для реакції риформінгу газового потоку, що містить метан та пару Апарат 1 включає більшою мірою циліндричний кожух 2, в якому суцільно поперек розташовано трубчасту пластину 3, що ділить кожух 2 на зону подавання 4 та зону непрямого теплообміну 5 Зона 4 слугує для подавання газового потоку, що включає метан та пару, до зони непрямого теплообміну 5 Принаймні дві труби, які мають позначку 6, з плаваючими головками розташовані вздовж зони непрямого теплообміну 5 до трубчастої пластини З Труби 6 визначають поміж собою (не показано) зону розміщення каталізатора риформінгу відомого типу До того ж, труби 6 мають перший кінець 7, приєднаний до сполучення потоку з зоною 4, та другий кінець 8, приєднаний до сполучення потоку з камерою 9 для збирання газового потоку, що включає CO, CO2 і ЬЬ, отриманих в реакції риформінгу Позначка 10 - трубчаста пластина, розташована між трубами 6 та камерою 9 з другого кінця 8 Кожух 2 також обладнаний в зоні непрямого теплообміну 5 отворами 11 та 12, які слугують ВІДПОВІДНО для входу та виходу розігрітого газу як джерела тепла для реакції риформінгу Отвори 13 та 14, також розташовані в кожусі 2 в зоні 4, слугують ВІДПОВІДНО ДЛЯ входу реакційного газу, що включає метан та пару, та виходу прореагованого газу, що включає CO, CO21 Нг Перевагою є те, що трубопровід 15, встановлений в кожусі 2, призначено для вилучення з апарату 1 прореагованого газу Трубопровід 15 розташовано в сполученні потоку з камерою 9 та отвором виходу газу 14 Завдяки особливій будові, що є результатом присутності багатьох окремих труб 6 в поєднанні з камерою 9 і трубопроводом вилучення прореагованого газу 15, є можливим бути впевненим в такому апараті, який механічно дуже простий та легкий у впровадженні в аспекті конструювання, і який водночас вельми надійний та ефективний з точки зору використання енергії та виходу конверсії у реакції риформінгу В прикладі на Фіг1, трубопровід вилучення 15 розташований коаксіально кожухові 2 і паралельно трубам 6 крізь зону непрямого теплообміну 5 та зону подавання 4 Згідно З альтернативним втіленням даного винаходу (не показано), трубопровід 15 розташований від камери 9 до нижнього кінця апарату 1, а отвір 14 розташований коаксіально з апаратом і виконаний в нижньому КІНЦІ кожуха 2 43405 З урахуванням прикладу на Фіг 1, є можливим таким чином збільшити корисний простір в зоні 5 для розташування труб 6 із зростанням поверхні теплообміну Позначка 16 - всі разом ущільнюючі засоби для запобігання небажаних перетікань реакційного або прореагованого газу Ці засоби 16 також дозволяють різне теплове розширення, зокрема труб 6 і трубопроводу 15, забезпечуючи оптимальну та надійну експлуатацію апарату 1 УЩІЛЬНЮЮЧІ засоби для газу 16 розташовані з посиланням на Фіг 1, між трубопроводом 15 та трубчастою пластиною 3 та між трубопроводом 15 та кожухом 2, в той час як на прикладі на Фіг 2 вони розташовані між трубопроводом 15 та трубчастою пластиною 3 та між трубчастою пластиною З та кожухом 2 Згідно З втіленням на Фіг 1, ущільнюючі засоби 16 переважно всі розташовані відносно одної частини апарату 1, тобто трубопроводу вилучення 15, для максимального спрощення розташування цих засобів всередині апарату 1 Для полегшення операцій експлуатації газових ущільнюючих засобів 16 останні можуть бути розташовані поблизу отвору для виходу прореагованого газу 14, як показано на Фіг 2 Згідно З прийнятним втіленням даного винаходу, ущільнюючі засоби 16 розташовані відносно трубчастого придатку 17 трубчастої пластини З, яка простягається до отвору 14 Перевага й в тому, що ущільнюючі засоби 16 є лабіринтноготипу або типу компресійного кільця, переважно типу компресійного кільця В описі, наведеному нижче, поняття «лабіринтні ущільнюючі засоби» означає ущільнення, створене зпаруванням двох частин звичайної трубчастої форми - "мами" і "папи", перша має зовнішню поверхню, призначену для того, щоб при спаруванні було створено ребра та порожнини (лабіринт) між з'єднаними частинами, які запобігають протіканню газу В описі, наведеному нижче, поняття «ущільнюючі засоби типу компресійного кільця» означає засоби, створені компресійним кільцем, розташованим між з'єднаними частинами "мами" і "папи", які запобігають протіканню газу Завдяки такому типу ущільнюючих засобів 16, є можливим забезпечити ущільнення протіканню газу та зробити надійну і постійну компенсацію навіть при тривалих та великих коефіцієнтах розширення як у випадку риформінг-апарату Фіг 3 показує в збільшеному масштабі частину риформінг-апарату 1 на Фіг 2, яка робить зрозумілою будову ущільнюючих засобів 16 типу компресійного кільця між трубопроводом вилучення 15 та трубчастим придатком 17 пластини З УЩІЛЬНЮЮЧІ засоби 16 включають багато компресійних кілець 18 (бажано принаймні два), розміщених у ВІДПОВІДНИХ порожнинах 19 циліндричного елементу 20, закріпленого на КІНЦІ 21 трубопроводу вилучення 15, бажано роз'єднуючим засобом, наприклад, болтами (не показано) Присутність компресійних кілець 18 між трубопроводом 15 ("папа") та придатком 17 ("мама") запобігає протіканню прореагованого газу до зони теплообміну 5, і в той же час дозволяє трубопро водові 15 просуватись вздовж придатку 17 для компенсації їх розширення УЩІЛЬНЮЮЧІ засоби для газу 16 риформінг-апарату 1 на прикладі Фіг 1 та Фіг 2 бажано щоб були такого типу, як на Фіг З Відносно лабіринтного ущільнення, слід зазначити, що використання компресійних кілець дозволяє реалізувати ряд переваг, серед яких зазначимо ЦІННІ ефективніше ущільнення для газу (менше газу просочується крізь нього), більша структурна гнучкість (люфт між "папою" і "мамою" може бути вдесятеро більшим, ніж у лабіринтному ущільнені), більша компактність ущільнюючих засобів (коротші при однаковому ущільненні) Це означає, що ущільнюючі засоби з клапанним кільцем спроможні забезпечити гарне ущільнення для газу навіть у випадку пошкодження або зсуву частин, в такій же мірі як і більшу гнучкість в збиранні та операціях по доведенню риформінг-апарату 1, меншу чутливість до входу сторонніх потраплянь та менший ризик виходу з ладу Використання ущільнюючих засобів з клапанним кільцем розповсюджується переважно на апарати для проведення ендотермічних та екзотермічних реакцій взагалі, наприклад, навіть до реакторів синтезу аміаку або метанолу, забезпечуючи ущільнення для газу між структурно окремими частинами, які мають різні коефіцієнти термічного розширення На Фіг 1 та Фіг 2 стрілки 22 та 23 показують різні шляхи газового потоку в риформінг-апараті 1 для потоку, що включає метан та пару (реакційний газ) та для розігрітого газового потоку для непрямого теплообміну ВІДПОВІДНО Далі описується робота риформінг-апарату згідно з даним винаходом Експлуатаційні температурні умови в даному описі такі як для первинного риформінг-апарату З посиланням на Фіг 1 газовий потік 22, що включає метан та пару (реакційний газ), попередньо підігрітий до температури між 300°С та 500°С спрямовується до зони подавання 4 апарату 1 крізь отвір 13 для входу газу і далі прямує в труби 6 (з боку труб) для здійснення реакції риформінгу при температурі між 500°С та 1000°С 3 цією метою труби 9 належним чином заповнені каталізатором Реакція риформінгу стає можливою завдяки теплу, що передається гарячим газовим потоком 23, що має температуру між 900°С та 1100°С, що подається до зони теплообміну 5 крізь отвір для входу газу 11 Гарячий газовий потік 23 прямує зовні труб 6 (з боку кожуху) і виходить з кожуху 2 крізь отвір для виходу газу 12 при температурі між 300°С та 600°С Зокрема, гарячий газовий потік 23 переносить тепло реакції за допомогою непрямого теплообміну до більш холодного реакційного газового потоку 22 Газовий потік 22, що включає CO, CO2 і ЬЬ, отриманий в результаті реакції риформінгу, виходить з труб 6 крізь кінець 8, збирається в камері 9 та вилучається з апарату 1 крізь трубопровід 15 та отвір для виходу газу 14 при температурі між 500°СтаЮ00°С Як було підкреслено вище, газовий потік 22, зібраний та поданий в трубопровід 15, більш не є в тепловому відношенні контактуючим з реакційним 43405 газом, що проходить крізь труби 6, і таким чином належно запобігається небажаний теплообмін між прореагованим та реакційним газом До того ж, коефіцієнти термічного розширення різних частин апарату 1, особливо труб 6 та трубопроводу 15, завдяки різним матеріалам та різному тепловому навантаженню, якому вони піддаються, ефективно компенсуються особливою структурою камери 9 та трубопроводу 15, та розміщенням ущільнюючих засобів 16, які дозволяють просторове пересування різних частин та водночас запобігають небажаному протіканню газу Важливо зазначити, що використання цих ущільнюючих засобів не впливає негативно на конструкційну простоту апарату даного винаходу В прикладах на Фіг 1 та Фіг 2 труби 6 належно розташовані трубчастим вузлом для огтги мізацм швидкості розповсюдження потоку в зоні теплообміну 5 Додатково, щоб збільшити доступну площу поверхні з поліпшенням в результаті теплообміну, трубчастий вузол належно обладнаний ВІДПОВІДНИМИ діафрагмами 24, та труби 6 мають ребра (не показано) Для процесу синтезу аміаку, гарячий газовий потік 23 бажано включає газовий потік, що виходить з вторинної секції риформінгу Виходячи з вищевикладеного, зрозумілі численні переваги, що їх можна досягнути в даному винаході, зокрема в отриманні надійного риформінг-апарату, який простий за будовою та легкий в конструюванні, і який дозволяє проводити риформінг метану з низьким споживанням енергії та малими експлуатаційними коштами ФІГ. 1 43405 Фіг. 2 Фіг. З Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 (03122) 2 - 5 7 - 0 3