Спосіб модернізації in situ реактора гетерогенного екзотермічного синтезу, реактор гетерогенного екзотермічного синтезу та спосіб здійснення гетерогенних екзотермічних реакцій синтезу з високою продуктивністю

Даний винахід стосується способу модернізації in situ (на місці) реактора гетерогенного екзотермічного синтезу, реактор включає зовнішній кожух, в якому суперпозиційно розміщено численні шари каталізатора в одному загальному просторі. Більш докладно, цей винахід має відношення до способу модернізації такого типу, що включає попередню стадію: - встановлення принаймні першого шару каталізатора у верхній частині згаданого кожуха і принаймні другого шару каталізатора в нижній частині згаданого кожуха; згаданий перший і згаданий другий шари завантажуються першим каталізатором із завчасно визначеною активністю. В наведеному нижче описі та наступних пункта х формули винаходу під поняттям "модернізація in situ" 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 збудованого реактора. Згідно з термінологією даної галузі, цей тип модернізації також називають «ретрофітінгом» (retrofitting) або «ривемпінгом» (revamping). В наведеному нижче описі та наступних пунктах формули винаходу під поняттям "верхня частина і відповідно нижня частина кожуха" слід розуміти простір всередині кожуха, що визначений відповідно у верхній та нижній його половині. Точніше, верхня частина займає взагалі біля 20-50% внутрішнього простору кожуха, в той час як нижня - відповідно, 50-80%. Як відомо, в галузі гетерогенного екзотермічного синтезу взагалі, та зокрема у виробництві аміаку та метанолу, потрібно задовольнити подвійну вимогу, а саме, подвоїти, з одного боку, виробничу потужність вже існуючих реакторів синтезу, а з іншого боку, поліпшити вихід конверсії та скоротити споживання реакторами енергії. З метою задовольнити вищезгадані потреби, стали все більш і більш прийнятними так звані технічні прийоми модернізації вже існуючих реакторів, розроблені з метою запобігання дорогої заміни останніх та досягання в той самий час максимуму конверсії, сумісного з наявними об'ємами каталізатора. Наприклад, в заявці US-A-5585074 описано спосіб модернізації, що базується на заміні шару(шарів) каталізатора в уже існуючому реакторі новими шарами високоефективного радіального або аксіальнорадіального типу, і який відрізняється тим, що проміжне охолодження газів, які проходять між різними шарами каталізатора, досягається в такому модернізованому реакторі шляхом непрямого теплообміну у двох теплообмінниках типу газ-газ, розташованих між першим та другим шаром, відповідно у третьому шарі каталізатора. Незважаючи на певні переваги, способи модернізації згідно з існуючим рівнем техніки не дозволяють досягти виходів конверсії, які можна було б порівняти з найпізнішими синтез-реакторами, що використовують особливий каталізатор на основі рутенію з високою реакційною активністю. Фактично, такі методи не приймають до уваги можливість модернізації. вже існуючих реакторів втіленням такої побудови, яка може ефективно вмістити з малими капіталовкладеннями вищезгаданий каталізатор з високою активністю. Головним чином, це можливо завдяки тому факту, що розташування та об'єми шарів каталізатора модернізованого реактора розраховано для звичайного каталізатора, і тому це майже не підходить для використання з високоактивним каталізатором. В особливості кінетичні та термодинамічні параметри звичайних каталізаторів потребують таких зон реакції, які суттєво більші за розміром ніж використовувані з високоактивним каталізатором. Згідно з цим, загальна зона реакції в реакторі, модернізованому за прийомами існуючого рівня техніки, значно перевищена для використання з високоактивним каталізатором, інакше кажучи, експлуатувати зону реакції потрібно повністю, наскільки можливо, при цьому кількість високоактивного каталізатора, що його потрібно завантажити до шарів, спричиняє надмірні капіталовкладення. В цьому аспекті заслуговує на увагу наголос, що каталізатор на основі рутенію до цього часу завдяки дуже високій вартості мав сильно обмежене застосування на практиці, навіть незважаючи на те, що його особлива реакційна активність відома вже понад десять років, і потреба збільшення виходу конверсії в реакторах гетерогенного екзотермічного синтезу дуже відчутна в даній галузі. В усякому разі, використання такого каталізатора натепер обмежене тільки новими реакторами, при цьому, окрім вартості каталізатора, саме їх будівництво потребує дуже високих капіталовкладень. Проблема, що складає основу даного винаходу, є забезпечення способу модернізації реактора гетерогенного екзотермічного синтезу, який дозволяє значно збільшити вихід конверсії в порівнянні з тими рівнями, яких можна досягти, застосовуючи способи модернізації існуючого рівня техніки, при цьому цей спосіб повинен відрізнятись низьким рівнем капіталовкладень і експлуатаційних витрат та низьким рівнем споживання енергії. Згадана проблема вирішується за допомогою способу модернізації такого типу, який саме заявляється, він відрізняється тим фактом, що включає стадії: - встановлення найнижчого шару каталізатора в згаданій нижній частині кожуха, такий шар має зону реакції меншу, ніж зона реакції у згаданому др угому шарі каталізатора; - завантаження згаданого найнижчого шару каталізатора другим каталізатором, що має активність вище, ніж перший каталізатор, що його завантажено до інших шарів. В наведеному нижче описі та наступних пунктах формули винаходу під поняттям "зона реакції" слід розуміти об'єм шару каталізатора, який саме займає каталізатор, і звідси простір шару, де саме відбувається реакція синтезу. Перевагою є те, що спосіб за даним винаходом дозволяє отримати - при незмінній внутрішній будові реактор більшої ефективності з точки зору виходу конверсії, і тому збільшити виробничу потужність, шляхом завантаження більш ефективного каталізатора до належним чином підігнаного за розміром найнижчого шару каталізатора. Зокрема, завдяки даному способові є можливим ефективно інтегрувати у вже існуючий реактор використання каталізатора звичайного типу з високою активністю радикально поліпшуючи таким чином ефективність реактора, одночасно дотримуючи рівень капіталовкладень практично незмінним у порівнянні з необхідними коштами на модернізацію реактора згідно зі способами існуючого рівня техніки. Більш того, в умовах використання високоактивного каталізатора є можливість проводити реакцію в найнижчому шарі при температурах нижчих за звичайні, отримуючи в такий спосіб також і заощадження експлуатаційних витрат та споживання енергії в порівнянні зі згаданими способами існуючого рівня техніки. Переважно, найнижчий шар каталізатора завантажується каталізатором на основі рутенію на графітовому носії, такий каталізатор має високу реакційну активність і водночас довгий час життя, оскільки він не ушкоджується та має відмінну стійкість до тих температури та тиску, що відповідають експлуатаційним умовам всередині реактора. Особливо задовільні результати можна отримати встановленням в кожусі найнижчого шару каталізатора, який має зону реакції між 5 та 50% зони реакції згаданого другого шару, найбільш прийнятно 10-25%. Додатково, згідно з особливим та переважним втіленням даного способу модернізації, у згаданому кожусі встановлюються три шари каталізатора: згаданий перший шар каталізатора - у згаданій верхній частині кожуха, згаданий другий шар каталізатора і згаданий найнижчий шар каталізатора - у згаданій нижній частині кожуха відповідно. В такий спосіб, як кінетична, так і термодинамічна конфігурація реактора і використання наявних зон реакції є оптимізованими, що призводить до суттєвого збільшення виходу конверсії при мінімальному рівні капіталовкладень. В переважному втіленні даного винаходу цей спосіб надалі включає таку стадію: - забезпечення згаданого найнижчого шару каталізатора засобами для подавання до нього радіального або аксіально-радіального потоку реагуючих газів. В такий спосіб, падіння тиску, що спричинене проходженням реакційної суміші крізь шар каталізатора переважно зменшується, при цьому скорочується споживання енергії та експлуатаційні витрати. Більш того, у випадку аксіально-радіального потоку, досягається оптимальна експлуатація каталітичної маси, запобігаючи знесенню частин каталізатора реакційною сумішшю та, внаслідок, виводу їх з використання. Як альтернатива, щоб максимально використовувати ви щезгадані переваги, кожен шар каталізатора, що встановлено у кожух, переважно забезпечується засобами для подавання до нього радіального або аксіально-радіального потоку газів-реагентів. Щоб запобігти ефектам розведення внаслідок компенсуючого проміжного охолодження, а саме завдяки змішуванню газів, що протікають між шарами каталізатора, з холодними газами-реагентами (що закономірно впливає на вихід конверсії в реакторі), спосіб модернізації згідно з даним винаходом переважно передбачає подальші стадії: - встановлення першого теплообмінника типу газ-газ у згаданому кожусі і відповідних засобів для непрямого охолодження газів, що протікають між згаданим першим та згаданим другим шарами каталізатора; - встановлення другого теплообмінника типу газ-газ у згаданому кожусі і відповідних засобів для непрямого охолодження газів, що протікають між згаданим другим та згаданим найнижчим шарами каталізатора. Згідно з подальшим аспектом винаходу, для ефективного протікання та високого виходу реакцій гетерогенного екзотермічного синтезу, спосіб також передбачає такі стадії: - подавання газоподібних реагентів до реактора синтезу, який включає кожух, в якому закріплено, суперпозиційно в одному загальному просторі, принаймні перший шар каталізатора, що простягається у верхній частині згаданого кожуха, принаймні другий шар каталізатора і найнижчий шар каталізатора, що простягаються у нижній частині згаданого кожуха; - проведення реакції між згаданими газовими реагентами у згаданих шарах каталізатора; - виведення з синтез-реактора продуктів реакції, що виходять зі згаданого найнижчого шару каталізатора, який відрізняється тим, що він далі включає таку стадію: - спрямовування реакційної суміші протікати у згаданий найнижчий шар каталізатора крізь зону реакції меншу за зону реакції у згаданому другому шарі каталізатора, при цьому згаданий найнижчий шар каталізатора має реакційну активність вищу за активність каталізатора, завантаженого у інші шари. Характеристики та переваги даного винаходу викладено детальніше в описі прикладу втілення способу модернізації згідно з винаходом, шляхом викладення не обмежуючої даний винахід ілюстрації з посиланням до доданих фігур. На фігурах: Фіг.1 показує розріз впродовж реактора так званого типу Келога (Kellogg) для ефективного проведення реакцій гетерогенного екзотермічного синтезу. Фіг.2 показує розріз впродовж розріз реактора, отриманого при модернізації реактора Келога на Фіг.1 із застосуванням способу згідно з даним винаходом. З посиланням на Фіг.1, позначка 1 стосується в цілому реактора так званого типу Келога для проведення реакцій гетерогенного екзотермічного синтезу в умовах високого тиску та температури (100-300 бар, 300-550°С), наприклад, для виробництва аміаку. Реактор 1 включає трубчастий балон або кожух 2, прикритий зверху ковпакоподібною кришкою 3, та оздоблений знизу отвором 4 для подавання газів-реагентів. Носій 5, у складі якого чотири шари каталізатора 6, 7, 8 та 9, суперпозиційно розміщені в одному загальному просторі, змонтовано відомим в даній галузі способом в кожусі 2. В кожному з шарів каталізатора 6-9 розміщено звичайний каталізатор на основі заліза з певним середнім розміром частинок (не показано). Перервна лінія визначає в межах шарів каталізатора 6-9 верхній рівень розміщення каталізатора в шарі, і разом з боковими стінками та дном, зону реакції згаданих шарів. Здебільшого кільцеподібний вільний простір 10, визначений між носієм 5 та кожухом 2, простягається між отвором 4 та теплообмінником 11 типу газ-газ, який призначається для попереднього розігріву газів-реагентів, і який, в свою чергу, звичайним способом розташовано в кришці 3. Реактор 1 також включає багато тороїдальних розподільників 12-15 для подавання холодних або охолоджуючих газів-реагентів у вер хню за потоком частину кожного шару каталізатора 6-9. Отвір 16, що коаксіально розширюється в шарах каталізатора 6-9, останнім встановлюється в реакторі 1 для подавання продуктів реакції, що залишають найнижчий шар каталізатора 9, до теплообмінника типу газ-газ 11, який їх охолоджує перед тим, як вони востаннє виходять з реактора крізь отвір 17. На Фіг.1, стрілки 18 показують різні шляхи протікання газів вздовж вільного простору 10, крізь шари каталізатора 6-9 та теплообмінник 11. Фіг.2 показує взагалі реактор гетерогенного екзотермічного синтезу, отриманий при модернізації реактора на Фіг.1 із застосуванням способу згідно з даним винаходом. На згаданій фігурі подробиці реактора 1 структурно та функціонально еквівалентні зображеним на Фіг.1, і вони позначені однаковими цифрами, тому надалі розглядатись не будуть. Даний винахід не обмежується модернізацією реакторів так званого типу Келога або циліндричногорловинного (bottle-neck) типу, а саме такими, що мають кришку меншого діаметру ніж у кожуха; цей спосіб може бути застосовано для модернізації будь-якого типу реакторів гетерогенного екзотермічного синтезу з одним або більше шарами каталізатора, і таким чином його можна застосовувати також для модернізації реакторів повністю відкритого типу, що мають кришку практично того ж діаметру, що й кожух. Більш того, спосіб за даним винаходом може бути ефективно застосовано для налагодження вже модернізованих завчасно модернізованих реакторів синтезу, наприклад, для модернізації реактора згідно зі способом, описаним у US-A-5585074, як згадано вище з посиланням на існуючий рівень техніки. Згідно з попередньою стадією даного винаходу, носій 5 реактора 1 передчасно звільняється від того, що в ньому міститься, та оздоблюється принаймні першим шаром каталізатора 19 в верхній частині 20 кожуха 2, і принаймні другим шаром каталізатора 21 у нижній частині 22 того ж кожуха 2. Згідно з наступним кроком способу модернізації, найнижчий шар каталізатора 23 встановлюється в нижній частині 22 кожуха 2, при цьому цей шар каталізатора 23 має зону реакції меншу за зону реакції у другому шарі каталізатора 21. Згідно з даним винаходом, у першому і другому шарах каталізатора відповідно 19 і 21 також завантажується перший каталізатор (не показано), який має завчасно визначену активність, в той час як найнижчий шар каталізатора 23 завантажується другим каталізатором (не показано), який має вищу реакційну активність у порівнянні з першим каталізатором, що його завантажено у інші шари. Каталізатор першого типу, що його завантажено до шарів 19 і 21 складається, наприклад, із звичайного каталізатора на основі заліза з малим розміром частинок, в той час як каталізатор другого типу, що його завантажено в найнижчий шар каталізатора 23, є здебільшого на основі рутенію, і переважно цей каталізатор є на основі рутенію закріпленого на графіті. Каталізатор останнього типу має реакційну активність звичайно в 5-20 разів більшу за активність каталізатора на основі заліза. Завдяки заходам, що дають належно подрібнений найнижчий шар каталізатора і завантаженню до нього каталізатора з високим рівнем активності можна досягти рівня конверсії аж до 100% в порівнянні з виходом, який можливий при використанні реактора на Фіг.2, і на 10-40% більше, ніж максимальний вихід, можливий для реактора існуючого рівня техніки, як описано у US-A-5585074, також визнаючи економію експлуатаційних витрат та споживання енергії. Капіталовкладення, необхідні для втілення способу модернізації згідно з даним винаходом, є, напроти, незвичайно близькі за рівнем до коштів, що взагалі необхідні для модернізації згідно з рівнем існуючої техніки, і є в будь-якому випадку мізерними, порівняно до того визиску, який отримується від збільшення виходу конверсії та виробничої потужності модернізованого реактора. Переваги, що їх можна досягти в даному винаході, головним чином стосуються використання каталізатора, який має різну реакційну активність в уже існуючому реакторі, а також особливого розташування та доведення розміру шар у каталізатора з високою реакційною активністю. Тільки після зусиль та досліджень, виконаних заявником, стало можливим отримати вражаюче зростання виходу конверсії в уже існуючому реакторі, заощаджуючи, таким чином, капіталовкладення; це стало можливим завдяки введенню малої кількості каталізатора з високим рівнем реакційної активності в обмежену і особливу зону реактора, а точніше в зону реакції, яка взагалі розглядається як більш незручна з кінетичної та термодинамічної точок зору. В особливо вигідному втіленні способу за даним винаходом, показаному на Фіг.2, оптимальний розподіл зон реакції, і тому каталізатора (як звичайного, так і з високою реакційною активністю) досягається встановленням одного першого шару каталізатора 19 у верхній частині 20 кожуха 2, та шарів каталізатора 21 і 23 у нижній частині 22. Особливо вигідні результати були також отримані встановленням найнижчого шару каталізатора 23 із зоною реакції, яка складає 10-20% зони реакції другого шар у каталізатора 21. Згідно з подальшою характеристикою даного винаходу, кожен із вищезгаданих шарів каталізатора 19, 21 та 23 оздоблено відомими в даній галузі засобами для досягнення радіального або аксіальнорадіального потоку газу крізь ці шари. Згадані засоби можуть, наприклад, включати кільцеві збірники 24, 25 та 26, оздоблені протилежними належним чином перфорованими газопроникними стінками для входу і виходу газів. Засоби цього типу для забезпечення аксіально-радіального потоку газу в шарі каталізатора описано, наприклад, у US-A-4755362, їх опис тут включено у вигляді посилання. У прикладі на Фіг.2, охолодження газів, що прямують між шаром каталізатора та таким засобом, переважно досягається за допомогою непрямого теплообміну з охолоджуючою рухливою фазою, переважно холодним синтез-газом. З цією метою спосіб за даним винаходом включає додаткові стадії встановлення першого теплообмінника типу газ-газ 27 в першому шарі каталізатора 19, розташованому в верхній частині 20 кожуха 2, і встановлення другого теплообмінника типу газ-газ 28 у др угому шарі каталізатора 21, розташованому в нижній частині 22 кожуха 2. На Фіг.2, другий теплообмінник 28 переважно простягається також і у найнижчий шар каталізатор 23, так щоб збільшити поверхню теплообміну та отримати форсоване охолодження реакційної суміші, що має подаватися до останнього шару каталізатора 23, і водночас більший ступінь розігріву холодного газу, що надходить до реактора синтезу 1. Оскільки найнижчий шар каталізатора 23 завантажується каталізатором з високою активністю, перевагою є те, що можливо звичайно оперувати за відносно малих температур реакції, отримуючи в такий спосіб економію експлуатаційних витрат та споживання енергії. Здебільшого теплообмінники 27 та 28 розташовуються в межах та коаксіально до шарів 19, 21 та 23, використовуючи отвори, виконані в вигляді кільцеподібних збірників 24, 25 та 26 в центральній частині кожного із згаданих шарів каталізатора. Згідно з даним винаходом, в теплообмінниках 27 та 28 встановлюються відповідні засоби для непрямого охолодження газів, що проходять між першим та другим шарами каталізатора 19 і 21, та, відповідно, між другим та найнижчим шарами каталізатора 21 і 23. Згадані засоби включають трубчасті гнізда 29 і, відповідно, 30, вміщені в трубчасти х кожуха х 31 і, відповідно, 32. Вони обладнані на протилежних кінцях отворами для входу та виходу газу 33 та 34 відповідно 35 і 36, з боку кожуха, а також засобами для подавання холодних газів-реагентів до отвору для входу газу 37 і відповідно 38 з боку тр уб теплообмінника 27 і відповідно 28. Входи для газу 33, і відповідно, 35 з боку кожуха від трубчастих гнізд 29 і, відповідно, 30 сполучені, в свою чергу, комунікацією з шарами каталізатора 19 і, відповідно, 21, хоча передбачається кільцеподібний вільний простір 39 і, відповідно, 40 між зовнішньою стінкою трубчастих кожухів 31 і, відповідно, 32 та стінкою виходу газу збірників 24 і, відповідно, 25. Навпаки, отвір виходу газ у 34 з боку кожуха від трубчастого гнізда 29 сполучено прямою комунікацією з шаром каталізатора 21, в той час як відповідний отвір для виходу газу 36 з боку кожуха від тр убчастого гнізда 30 сполучено комунікацією з шаром каталізатора 24, крізь кільцеподібний вільний простір 41, утворений між трубчастим кожухом 32 та коаксіальною стінкою 42, який простягається між кожухом 32 та збірником 26. В проілюстрованому прикладі, засоби для транспортування холодних газових реагентів до трубчастого бокового отвору 37 обмінника 27 включають трубопровід 43 між згаданим отвором і отвором 44 для подавання холодних газових реагентів. Так само, засоби для транспортування холодних газових реагентів до трубчастого бокового отвору 38 обмінника 28 включають трубопровід 45 між згаданим отвором і отвором 46 для подавання холодних газових реагентів. Згодом, теплообмінники типу газ-газ 27 та 28 послідовно приєднані одне до одного на трубчастій стороні, наприклад, крізь лабіринтний стик 47. Стадії способу модернізації згідно з даним винаходом можуть бути виконані в порядку, незалежному від наведеного в даному описі та наступних пунктах формули винаходу, в залежності від специфічних технічних вимог для втілення, які можуть в кожному випадку відрізнятися одне від одного. Як висновок із згаданих стадій, реактор 1 отримується таким, що дозволяє проводити гетерогенний екзотермічний синтез з високим виходом конверсії та невеликим рівнем споживання енергії, а саме в такий спосіб, як викладено нижче. Газові реагенти, що подаються до реактора 1 крізь отвір 4 є попередньо розігрітими у вільному просторі 10 і в теплообміннику 11, і далі вони подаються до першого шару каталізатора 19, який включає каталізатор звичайного типу, наприклад, на основі заліза. Температура згаданих газових реагентів, що подаються до згаданого першого шару каталізатора 19 контролюється в межах бажаних значень першою порцією свіжих або охолоджених газових реагентів, що подаються до реактора 1 за допомогою розподільника 12, та другою порцією газових реагентів, завчасно розігрітих у теплообмінниках 27 і 28, як буде з'ясовано далі. Реакційна суміш, що залишає шар каталізатора 19, який перетинається доцентровим аксіальнорадіальним потоком, потім збирається у вільному просторі 39 і подається до обмінника 27, в якому вона охолоджується за допомогою непрямого теплообміну з охолоджуючою рухливою фазою, що прямує у протитоку тр убчастою стороною, і включає, наприклад, на Фіг.2, суміш газових реагентів, що частково виходять з зовні крізь отвір 43, і частково з нижче розташованого теплообмінника 28. Охолоджена в такий спосіб суміш потім подається до наступного шару каталізатора 21, після того, як вона пройде крізь отвір 34. Шар каталізатора 21 також завантажено каталізатором звичайного типу, наприклад, на основі заліза. З шар у каталізатора 21, який перетинається доцентровим аксіально-радіальним потоком, виходить друга реакційна суміш, вже збагачена продуктами реакції; вона подається - крізь отвір 35 - до теплообмінника 28, в якому вона частково охолоджується за допомогою непрямого теплообміну з охолоджуючою рухливою фазою, що прямує у протитоку тр убчастою стороною, і включає в основному суміш газових реагентів, що надходять зовні крізь отвір 45. Перевагою є те, що реакційна суміш, яка має подаватися до найнижчого шару каталізатора 23, може бути о холоджена до температури, значно нижчої, в порівнянні з температурою реакційної суміші, яка потрапляє до шарів каталізатора 19 і 21. Охолоджена в такий спосіб суміш потім подається до найнижчого шару каталізатора 23, після того, як вона пройде крізь кільцеподібний вільний простір 41. Перевагою є те, що найнижчий шар каталізатора 23 завантажено каталізатором з високою реакційною здатністю, переважно це є рутеній на графітовому носії. З найнижчого шару каталізатора 23, який перетинається відцентровим аксіально-радіальним потоком, виходить кінцева реакційна суміш, яка подається крізь центральний отвір 16, до теплообмінника 11, перед тим як вона має повністю залишити реактор 1 крізь отвір 17. Згідно з даним винаходом, реакційна суміш, що ви ходить з шару каталізатора 21, спрямовується до найнижчого шару каталізатора 23, крізь зону реакції, меншу, ніж зона реакції згаданого другого шару каталізатора 21 (бажано між 10% та 40%), при цьому ця зона реакції включає каталізатор, що має реакційну активність вищу, ніж активність каталізатора, завантаженого до інших шарів. В такий спосіб отримується кардинальне збільшення виходу конверсії та внаслідок цього збільшення виробничої потужності такого модернізованого реактора. Виходячи з того, що викладено вище, стають зрозумілими численні переваги, що їх можна досягнути за даним винаходом. В особливості - це можливість суттєво збільшити вихід конверсії у вже існуючому реакторі, скоротивши в той самий час експлуатаційні витрати та споживання енергії, з дуже малими капіталовкладеннями.