EA005001B1 - Способ и устройство с использованием пластинчатой системы для нагревания и предварительного нагревания реагентов - Google Patents

Способ и устройство с использованием пластинчатой системы для нагревания и предварительного нагревания реагентов Download PDF

Info

Publication number
EA005001B1
EA005001B1 EA200300515A EA200300515A EA005001B1 EA 005001 B1 EA005001 B1 EA 005001B1 EA 200300515 A EA200300515 A EA 200300515A EA 200300515 A EA200300515 A EA 200300515A EA 005001 B1 EA005001 B1 EA 005001B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
channels
heating
reaction
catalyst
plates
Prior art date
Application number
EA200300515A
Other languages
English (en)
Other versions
EA200300515A1 (ru
Inventor
Роберт С. Малвани
Хемант У. Дандекар
Original Assignee
Юоп Ллк
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юоп Ллк filed Critical Юоп Ллк
Publication of EA200300515A1 publication Critical patent/EA200300515A1/ru
Publication of EA005001B1 publication Critical patent/EA005001B1/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/48—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents followed by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/248—Reactors comprising multiple separated flow channels
    • B01J19/249—Plate-type reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/025—Preparation or purification of gas mixtures for ammonia synthesis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/382—Multi-step processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00309—Controlling the temperature by indirect heat exchange with two or more reactions in heat exchange with each other, such as an endothermic reaction in heat exchange with an exothermic reaction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/0053—Controlling multiple zones along the direction of flow, e.g. pre-heating and after-cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/02—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor with stationary particles
    • B01J2208/021—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor with stationary particles comprising a plurality of beds with flow of reactants in parallel
    • B01J2208/022—Plate-type reactors filled with granular catalyst
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2453—Plates arranged in parallel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2456—Geometry of the plates
    • B01J2219/2459—Corrugated plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2461—Heat exchange aspects
    • B01J2219/2462—Heat exchange aspects the reactants being in indirect heat exchange with a non reacting heat exchange medium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2461—Heat exchange aspects
    • B01J2219/2465—Two reactions in indirect heat exchange with each other
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2477—Construction materials of the catalysts
    • B01J2219/2479—Catalysts coated on the surface of plates or inserts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2477—Construction materials of the catalysts
    • B01J2219/2481—Catalysts in granular from between plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2483—Construction materials of the plates
    • B01J2219/2485—Metals or alloys
    • B01J2219/2486—Steel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0244—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being an autothermal reforming step, e.g. secondary reforming processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/0475—Composition of the impurity the impurity being carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/068—Ammonia synthesis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0833—Heating by indirect heat exchange with hot fluids, other than combustion gases, product gases or non-combustive exothermic reaction product gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0838—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel
    • C01B2203/0844—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel the non-combustive exothermic reaction being another reforming reaction as defined in groups C01B2203/02 - C01B2203/0294
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0877—Methods of cooling by direct injection of fluid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0883—Methods of cooling by indirect heat exchange
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1005—Arrangement or shape of catalyst
    • C01B2203/1011—Packed bed of catalytic structures, e.g. particles, packing elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1005—Arrangement or shape of catalyst
    • C01B2203/1035—Catalyst coated on equipment surfaces, e.g. reactor walls
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1247—Higher hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1258—Pre-treatment of the feed
    • C01B2203/1264—Catalytic pre-treatment of the feed
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1276—Mixing of different feed components
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/141—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in parallel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/142—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/142—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C01B2203/143—Three or more reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/82—Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P30/00—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Incineration Of Waste (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Crucibles And Fluidized-Bed Furnaces (AREA)
  • Heating, Cooling, Or Curing Plastics Or The Like In General (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

Способ и устройство для получения продуктов реакции посредством опосредованного предварительного нагревания и нагревания реагентов с помощью опосредованного теплообмена. Использование стадии предварительного нагревания упрощает конструкцию зоны реакции за счет исключения необходимости во внешних теплообменниках и особенно пригодно для системы из пластин, которые образуют узкие каналы для опосредованного теплообмена. Узкие каналы предпочтительно образованы гофрированными пластинами. Каналы первичной реакции (в секции 42) содержат катализатор для ускорения получения желаемого продукта реакции из исходных реагентов. Нагревательная среда (30) проходит через смежные нагревательные каналы (в секции 28) для обеспечения опосредованного нагревания. По меньшей мере часть нагревательных каналов обменивается теплом с не каталитической частью реакционных каналов (в секции 40) для предварительного нагревания реагентов перед каталитической секцией (в секции 42) реакционных каналов. Каталитическое сгорание внутри нагревательных каналов (в секции 28) может обеспечивать на месте ввод тепла в нагревательную среду (30). Подходящие катализаторы для нагревательных каналов могут содержать катализаторы, ускоряющие окисление.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится в целом к теплообменникам пластинчатого типа для опосредованного обмена тепла и нагревания реагентов для управления температурными условиями в процессе реакции.
Уровень техники
Во многих отраслях промышленности, таких как нефтехимическая и химическая промышленность, контакт реакционных жидкостей или газов с катализатором при подходящих условиях температуры и давления приводит к реакции между компонентами одного или более реагентов в жидкостях или газах. Большинство этих реакций проходят с образованием или поглощением тепла в различной степени и являются поэтому экзотермическими или эндотермическими. Явления нагревания или охлаждения, связанные с экзотермическими или эндотермическими реакциями, могут оказывать положительное или отрицательное воздействие на работу зоны реакции. Отрицательные воздействия могут включать среди прочего: недостаточный выход продукта, деактивацию катализатора, получение нежелательных побочных продуктов и, в экстремальных случаях, повреждение реакционного резервуара и соответствующих трубопроводов. Обычно нежелательные воздействия, связанные с изменениями температуры, приводят к уменьшению избирательности или выхода продуктов из зоны реакции.
Во многих системах предпринимаются попытки преодоления отрицательного воздействия эндотермического охлаждения посредством подачи тепла в зону реакции. В более традиционных способах используют несколько стадий нагревания между стадиями адиабатических реакций. В других способах используют нагревание на месте за счет одновременных реакций или опосредованного теплообмена для поддержания изотермического или других температурных профилей внутри зоны реакции.
В патенте США № 5525311 приведен пример опосредованного теплообмена с теплообменной жидкостью для управления температурным профилем внутри зоны реакции.
Во многих процессах можно использовать опосредованный теплообмен с зоной реакции для управления температурными профилями внутри зоны реакции. Обычные примеры реакций преобразования углеводородов включают ароматизацию углеводородов, реформинг углеводородов, дегидрирование углеводородов и алкилирование углеводородов.
Другими примерами являются процессы получения водорода и оксидов углерода посредством конверсии метана в присутствии пара или оксидов углерода. Процесс конверсии с водяным паром является наиболее известным и включает прохождение смеси исходного материала и водяного пара над катализатором ре форминга с водяным паром. Типичный катализатор реформинга с водяным паром содержит кобальт на огнеупорных носителях, таких как альфа оксид алюминия или алюминат кальция. Сильная эндотермическая природа первичной реакции конверсии с водяным паром требует подачи тепла для поддержания реакции. Для специалистов в данной области техники известно выравнивание потребности эндотермического тепла первичного реформинга с помощью частичного окисления углеводородов для обеспечения реакции вторичного реформинга, которая поставляет тепло для стадии первичного реформинга и генерирует дополнительно синтетический газ. Работа адиабатической реформинг-установки раскрыта в И8-А-4985231. В И8-А-5300275 раскрыта другая базовая система, в которой используют реакцию вторичного реформинга для подачи горячего газа с целью нагревания реакции первичного реформинга. В патентах США №№ 4810472, 4750986 и 4822521 раскрыта другая базовая система, в которой используется реакция вторичного реформинга для подачи горячего газа с целью нагревания реакции первичного реформинга. В патентах США №№ 4810472, 4750986 и 4822521 раскрыты частные системы теплообменных реакторов, которые осуществляют опосредованный теплообмен между горячими газами из вторичной стадии реформинга и первичной стадии реформинга. В И8-А-4127389 показаны различные конструкции трубочных камер для подачи тепла в реакцию первичного реформинга из зоны реакции вторичного реформинга. Как следует из приведенных выше патентов, уровень техники в настоящее время основывается исключительно на трубчатых системах и в большинстве случаев уровень техники основывается на трубах с двойными стенками, называемых «байонетными трубами», для теплообмена между первичной и вторичной зонами реформинга. Геометрия трубчатых реакторов накладывает ограничения, которые требуют выполнения больших реакторов и больших поверхностей труб для обеспечения желаемой высокой эффективности переноса тепла.
В других вариантах выполнения процессов опосредованный теплообмен осуществляют внутри тонких пластин, которые образуют каналы. Каналы попеременно содержат катализатор и реагенты в одном комплекте каналов и жидкость для переноса тепла в смежных каналах для опосредованного нагревания или охлаждения реагентов и катализаторов. Специальная система для переноса тепла и реакционные каналы, которые обеспечивают более полное управление температурой, раскрыты в патенте США № 5525311, полное содержание которого включается в данное описание. Другие полезные пластинчатые системы для опосредованного теплообмена раскрыты в патентах США №№ 5130106 и 5405586.
Хотя из патентов, таких как патент США № 4714593, известно непосредственное сжигание топлива для косвенного нагревания зоны реакции, предварительное нагревание сырья обычно осуществляется вне зоны реакции. Типичные системы обработки, которые обеспечивают на месте нагревание для управления температурой, также используют ту или иную форму загрузочного нагревателя. Загрузочный нагреватель доводит подаваемый материал до исходной температуры реакции перед его входом в зону реакции. Загрузочный нагреватель увеличивает стоимость и сложность системы.
Сущность изобретения
Было установлено, что за счет модификации способа и устройства для опосредованного нагревания реагентов в зоне реакции, можно исключить необходимость загружаемого нагревателя. Процесс, в котором используется множество пластин, образующих узкие каналы для нагревания реагентов в зоне реакции, содержащей катализатор, позволяет продлить каналы так, чтобы они содержали расположенную выше по потоку секцию, которая предварительно нагревает исходный материал. Расположенная выше по потоку секция предварительного нагревания не содержит катализатора. Зона предварительного нагревания повышает температуру реагентов до желаемой начальной температуры реакции перед контактированием исходного материала с катализатором в секции реакции каналов. Среда для нагревания секции реакции может быть любой переносящей тепло средой, которая входит в нагревательные каналы при подходящих условиях для обеспечения необходимой температуры и нагревания как части предварительного нагревания, так и каталитической части каналов реакции. И наоборот, теплообменная среда может быть потоком топлива, который подвергается сжиганию внутри нагревательных каналов. Метан обеспечивает особенно полезную нагревательную среду. В некоторых случаях нагревательная среда может содержать исходное сырье или компоненты реагентов из каналов реакции. Прежде всего, изобретение обеспечивает сохранение тепла посредством устранения необходимости отдельного нагревателя в процессе и посредством устранения связанных с этим потерь тепла. Таким образом, изобретение обеспечивает высоко эффективное использование пластин и реакции в каналах, а также нагревательной конструкции.
Поэтому задачей данного изобретения является улучшение эффективности нагревания реагентов в процессе, в котором используется на месте опосредованный теплообмен.
Другой задачей данного изобретения является снижение требований к оборудованию при нагревании реагентов.
Наличие узких нагревательных каналов для выполнения реакций и осуществления нагревательных функций составляет существенное требование данного изобретения. Каналы для нагревания и реакции могут принимать различные конфигурации, которые соответствуют частному процессу и нагревательной среде. Часть предварительного нагревания канала реакции может содержать часть вдоль непрерывной длины канала, или же отдельная длина канала может создавать часть предварительного нагревания и подавать нагреваемые реагенты в независимый реакционный канал. В проходящих вертикально каналах, короткая загрузка катализатора в реакционных каналах может обеспечивать пространство выше или ниже секции первичного реформинга, в которой осуществляется предварительное нагревание исходного материала.
Нагревательные каналы и реакционные каналы могут пропускать жидкости или газы в виде поперечных, попутных или встречных потоков. Встречный поток обеспечивает наибольший ввод тепла в реакционную часть реакционных каналов и тем самым встречный поток максимизирует нагревание в части предварительного нагревания реакционных каналов.
Нагревательные каналы могут содержать катализатор, способствующий сгоранию, для увеличения скорости сгорания топлива. Там, где происходит сгорание топлива в нагревательных каналах, загрузка катализатора сгорания может изменяться в нагревательных каналах для согласования с требованиями по нагреванию потока исходного материала и зоны реакции. Управление скоростью сгорания с использованием катализатора в каналах, которые опосредованно нагревают зону реакции посредством теплообмена по поверхности теплообмена, может сдерживать температуру, улучшая тем самым преобразование, избирательность или преобразование и избирательность. Сдерживание температуры посредством изменения скорости сгорания топлива может также уменьшать деактивацию катализатора в зоне реакции. Можно использовать несколько различных способов изменения скорости, с которой катализатор поддерживает сгорание топлива в нагревательных каналах. Это может приводить к изменению условий процесса, таких как время пребывания/объемная скорость. Концентрация топливных реагентов может также изменяться посредством ввода дополнительного топлива или разбавителей. С помощью другого способа можно увеличивать количество катализатора, присутствующего в нагревательных каналах. Увеличение или уменьшение загрузки каталитически активного материала на основе катализатора по длине нагревательных каналов приводит к изменению скорости сгорания. Дополнительно к изменению катализатора посредством изменения в загрузке металла можно также изменять тип катализатора по длине нагревательных каналов. Кроме того, согласно данному изобретению, можно просто изменять количество равномерного катализато5 ра посредством изменения объема катализатора на единицу длины потока в каналах. За счет использования подходящего профиля активности катализатора в нагревательных каналах, можно обеспечивать в каналах, где происходит преобразование исходного материала, температурный профиль, который делает максимальным преобразование. С механической точки зрения увеличение или уменьшение ширины сектора реактора с радиальным потоком обеспечивает готовое средство для изменения объема катализатора на единицу длины потока вдоль нагревательных каналов. В патенте США № 5405586 показана система реактора с радиальным потоком с опосредованным теплообменом, которую можно модифицировать, согласно данному изобретению, для осуществления изменения сгорания топлива.
С помощью пластинчатых систем можно также изменять загрузку катализатора в нагревательных каналах. Пластины могут занимать часть каналов для уменьшения загрузки катализатора только в части нагревательных каналов. Толстая пластина может проходить через часть нагревательных каналов и надежно смещать катализатор из части теплообменного канала. Пара твердых пластин могут проходить над частью теплообменного канала с образованием пустых объемов частичных каналов. Такие частичные каналы могут создавать тонкие слои катализатора снаружи нагревательных каналов, где желательно уменьшение сгорания. Использование перфорированных пластин может обеспечивать особенно предпочтительный способ чередования загрузки катализатора в нагревательных каналах. Размер перфораций может блокировать вход катализатора в частичную часть канала, образованную перфорированными пластинами в нагревательных каналах, при одновременном обеспечении потока газа через них. В качестве альтернативного решения, перфорированные пластины могут проходить по всей длине нагревательных каналов, однако, с изменением размера перфорации. В вертикально ориентированных каналах более мелкая перфорация в верхней части пластины может предотвращать вход частиц из верхнего пространства между пластинами, в то время как более крупная перфорация в нижней части пластин пропускает катализатор в нижнюю зону частичного канала для увеличения относительного объема катализатора на единицу длины канала. Такое использование перфорированных пластин может в сильной степени облегчать загрузку и разгрузку катализатора сгорания и даже обеспечивать изменение по потоку различной загрузки катализатора сгорания.
Распределительные камеры вдоль пути каналов могут обеспечивать места для промежуточного впрыска реагентов или нагревательной среды. Распределительные камеры можно по желанию предусматривать на концах каналов или же в средних точках. В одной системе таких разветвленных трубопроводов используются две или более отдельных пачек теплообменных пластин или «реакционных пачек» для выполнения различных реакций и стадий теплообмена в изолированных пакетах. Например, одна система чередующихся узких каналов в реакционной пачке может содержать катализатор только для нагревательных каналов, в то время как расположенный ниже по потоку реакционный пакет содержит катализатор как в реакционных каналах, так и в нагревательных каналах. Система разветвленных труб пропускает изолированный предварительно нагретый исходный материал и поток нагревательной среды в другую секцию нагревательных каналов и реакционных каналов, которые снова опосредованно приводят в контакт нагревательную среду с реагентами. Интеграция коллекторов с наружными трубами может дополнительно улучшить управление процессом посредством промежуточного добавления или удаления нагревательной среды или реагентов.
В подходящей пластинчатой системе можно использовать относительно гладкие пластины с промежуточными распорками, расположенными прерывисто между пластинами для обеспечения канального пространства и создания турбулентности для улучшения переноса тепла. Спирально намотанная система из расположенных на небольшом расстоянии друг от друга каналов может обеспечивать высокую степень контактирования и теплообмена. Предпочтительная форма теплообменных элементов содержит относительно плоские пластины, имеющие образованную в них волнистость. Волнистость служит для поддержания расстояния между пластинами с одновременной опорой пластин для обеспечения устойчивой системы из узких каналов. Дополнительные подробности расположения такой пластинчатой системы показаны в патенте США № 5525311.
Подходящие пластинчатые системы могут также содержать перфорированные пластины. Перфорированные пластины могут наиболее предпочтительно обеспечивать протекание управляемого количества реагентов непосредственно из каналов зоны первичного реформинга в качестве исходного материала в каналы зоны вторичного реформинга. Перфорированные пластины распределяют ввод реагентов на желаемую часть вторичных нагревательных каналов. Для специалистов в данной области техники понятны другие вариации расположения пластин, обеспечивающие дополнительные преимущества интеграции нагревательных и реакционных каналов.
В соответствии с этим один вариант выполнения данного изобретения является способом контактирования реагентов с катализатором в зоне реакции и опосредованного нагревания реагентов посредством контакта с нагревательΊ ной средой. Согласно этому способу поток реагентов пропускают через множество узких реакционных каналов, образованных основными расположенными на расстоянии друг от друга пластинами, и нагревают поток реагентов при отсутствии катализатора в первой части узких реакционных каналов. В ходе процесса также пропускают нагревательную среду через множество узких нагревательных каналов, образованных основными пластинами, и опосредованно нагревают поток реагентов в первой части реакционных каналов на пластинах с нагревательной средой в части предварительного нагревания нагревательных каналов с целью создания нагретого потока реагентов в реакционных каналах. Нагретый поток реагентов пропускают через вторую часть реакционных каналов и приводят нагретый поток реагентов в контакт с катализатором во второй части реакционных каналов для создания послереакционного потока при одновременном нагревании второй части реакционных каналов нагревательной средой при ее прохождении через первичную нагревательную часть нагревательных каналов. В частном варианте выполнения способа метан входит в нагревательные каналы и подвергается окислению для создания нагревательной среды. При этом метан предпочтительно входит в контакт с катализатором сгорания или катализатором окисления в нагревательных каналах.
Согласно другому аспекту данного изобретения, создано устройство для контактирования реагентов с катализатором в зоне реакции при одновременном опосредованном нагревании реагентов за счет контакта с газами сгорания, образованными в зоне создания тепла. Устройство содержит множество чередующихся реакционных каналов и нагревательных каналов, образованных множеством первичных пластин с образованием входа для реагентов на одном конце реакционных каналов, выхода для реагентов на противоположном конце реакционных каналов, входа для нагревательной среды на одном конце нагревательных каналов и выхода для нагревательной среды на противоположном конце нагревательных каналов. Реакционные каналы содержат средство для исключения твердого катализатора из части предварительного нагревания реакционных каналов, которая расположена ниже по потоку от входа для реагентов, и для удерживания твердого катализатора в каталитической части реакционных каналов, расположенной по потоку ниже части предварительного нагревания. Устройство может содержать средства для подачи потока реагентов на вход для реагентов и для удаления потока реагентов с выхода для реагентов, и средства для подачи нагревательной среды на вход для нагревательной среды и удаления нагревательной среды от выхода для нагревательной среды. В другом варианте выполнения устройства нагревательные каналы могут образовывать зону сгорания и удерживать катализатор, способствующий сгоранию. Удерживаемый катализатор предпочтительно содержит катализатор окисления, и кислородная магистраль подает кислород в нагревательные каналы.
Нагревательную среду можно подавать в виде отдельного потока, части послереакционного потока или части потока реагентов. Например, в случае изомеризации парафина часто необходимо насыщать бензол, который обычно сопровождает подаваемый парафин. Тепло, создаваемое при насыщении бензола, может косвенно нагревать реакционную зону изомеризации с одновременным нагреванием также исходного материала, который входит в зону изомеризации. В таком процессе поток исходного материала, содержащий С4-С6 парафиновые углеводороды и обычно по меньшей мере 2 мол.% бензола, проходит через зону насыщения бензола, содержащую насыщающие каналы. Опосредованный теплообмен на множестве расположенных на расстоянии друг от друга пластин с охлаждающей жидкостью в теплообменных каналах охлаждает вытекающий из зоны реакции насыщения поток. По меньшей мере часть по меньшей мере частично насыщенного вытекающего потока проходит в зону изомеризации в качестве исходного материала изомеризации, при этом исходный материал изомеризации изомеризуется в зоне изомеризации за счет контакта с катализатором изомеризации с образованием выходного потока изомеризации. По меньшей мере один поток исходного материала, комбинированного исходного материала, исходного материала изомеризации или выходной поток зоны изомеризации проходит через теплообменные каналы в качестве охлаждающей среды.
Краткое описание чертежей
На чертежах изображено фиг. 1 - схема потоков в системе зоны реакции, зоны нагревания, теплообменника и загружаемого нагревателя, согласно уровню техники;
фиг. 2 - схема потоков в системе зоны реакции, зоны нагревания и теплообменника, согласно данному изобретению;
фиг. 3 - схема теплообменника с вертикальными пластинчатыми каналами, содержащего систему, согласно данному изобретению;
фиг. 4 - разрез по линии 4-4 реактора с теплообменником, показанным на фиг. 3;
фиг. 5 - разрез по линии 5-5 реактора с теплообменником, показанным на фиг. 3;
фиг. 6 - разрез по линии 6-6 реактора с теплообменником, показанным на фиг. 3;
фиг. 7 - плоский пластинчатый элемент, имеющий гофрированную структуру;
фиг. 8 - гофрированные пластины, образующие каналы для потоков, в изометрической проекции;
фиг. 9 и 10 - альтернативная система потоков для реакционных и нагревательных каналов, согласно данному изобретению;
фиг. 11 и 12 - расположение нагревательных и реакционных зон в каналах.
Подробное описание изобретения
На фиг. 1 и 2 показано сравнение уровня техники и данного изобретения. На фиг. 1 обрабатываемый поток входит в обрабатывающую систему через трубу 10 и проходит через теплообменник 12, который извлекает тепло из выходящего из зоны реакции потока 14. Частично нагретый исходный материал из теплообменника 12 проходит в загружаемый нагреватель 16 через трубу 18. Через трубу 17 в загружаемый нагреватель 16 добавляется топливо. Труба 20 несет нагретый исходный материал в контакт с катализатором в зоне 22 реакции для эндотермической реакции с образованием вытекающего потока 14, который покидает обработку через трубу 24 по потоку ниже теплообменника 12. В зоне 22 реакции происходит теплообмен через пластину 26 переноса тепла с зоной 28 нагревания. Труба 30 подводит нагревательную среду в зону 28 нагревания. После теплообмена в зоне 28 труба 32 отводит охлажденную нагревательную среду.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения, нагревательная среда содержит поток топлива для сгорания в зоне 28 нагревания. Труба 34 отводит часть нагревательной среды снова на вход зоны нагревания. Свежее топливо входит в контур нагревательной среды через трубу 36, в то время как труба 38 отводит отработанные компоненты топлива. Нагревательная среда может содержать метан и воздух или любое другое подходящее сгораемое топливо. Зона 28 сгорания может содержать также катализатор сгорания.
На фиг. 2 показана модификация показанной на фиг. 1 системы, согласно уровню техники, посредством добавления зоны 40 предварительного нагревания и исключения загружаемого нагревателя 16. Таким образом, поток исходного материала снова входит в процесс через трубу 10 и подвергается теплообмену с выходящим потоком 14 в теплообменнике 12. Труба 18' проводит частично нагретый исходный материал в секцию 40 предварительного нагревания зоны 41 реакции. Секция 40 предварительного нагревания не содержит катализатора и служит для нагревания остатка исходного материала до температуры, желательной для реакции, которая происходит в секции 42 каталитической реакции зоны 41 реакции. После теплообмена поток продукта выходит из процесса через трубу 24. На стороне нагревания нагревательная среда 30 снова проходит через зону 28' нагревания и покидает зону нагревания через трубу 32. Трубы 36, 34 и 38 снова обеспечивают добавление, рециркуляцию и удаление, когда нагревательная среда содержит поток топлива.
Нагревательная зона 28' нагревает секцию 40 предварительного нагревания и секцию 42 каталитической реакции зоны 41 реакции через теплообменную пластину 26'. Количество тепла, необходимого в зоне 40 предварительного нагревания, а также температура и нагревательная способность нагревательной среды определяют относительную длину зоны 40 предварительного нагревания и величину площади поверхности, обеспечиваемой секцией 43 предварительного нагревания пластины 26'.
Когда реагенты или продукты из зоны 41 реакции поставляют топливо в зону нагревания, топливо можно ответвлять из трубы 10 или 14 в зону 28' нагревания. Топливо можно также впрыскивать непосредственно из зоны 41 реакции в зону нагревания через пластину 26'. Достаточное падение давления от зоны реакции до зоны нагревания позволяет использовать перфорированную пластину и предотвращает обратное течение среды из зоны нагревания в зону реакции. Перфорация, размер которой обеспечивает управление потоком, может быть предусмотрена в пластине переноса тепла в части 43 предварительного нагревания, секции 42 каталитической реакции или в них обеих.
Данное изобретение может быть полезным для любого эндотермического процесса, в котором используется нагревательное средство для предварительного нагревания потока реагентов до желаемой температуры реакции, а также используется нагревательное средство для поддержания после этого температуры потока реагентов. Особенно подходящими процессами для использования данного изобретения являются процессы, в которых реагент подвергается нагреванию посредством сгорания топлива. Данное изобретение может быть особенно полезным в автотермических процессах, где конверсия реагента или части потока после эндотермической реакции поставляет топливо для экзотермической реакции, которая нагревает эндотермическую реакцию. Дополнительные требования такого процесса к совместимости с пластинчатой системой теплообмена обычно требуют наличия относительно небольшого АТ между зонами экзотермической и эндотермической реакции наряду с небольшим АР в пластинчатых секциях. Для данного изобретения предпочтительными являются разностные температуры 200°С или менее. Разностные давления предпочтительно не превышают 0,7 МПа.
Этим требованиям отвечают многие реакции для получения углеводорода и химических продуктов. Примеры автотермического процесса включают производство неочищенного синтетического газа аммиака, производство неочищенных потоков водорода и производство синтетического газа для преобразования в органические соединения.
При рассмотрении, в частности, примера производства неочищенного синтетического газа, такой процесс обычно включает первичную стадию преобразования углеводородного исходного материала с помощью водяного пара для получения газа, содержащего оксиды углерода, водород, метан и не отреагировавший пар. При производстве синтетического газа флюид углеводорода, такой как природный газ, преобразуют в горячую смесь реформированных газов, содержащую в принципе водород и моноксид углерода, в соответствии с реакцией (1) (1) СН4 + Н2О о СО + 3Н2 которая обычно известна как первичный реформинг и широко используется в производстве синтетического газа или чистого водорода. Эта эндотермическая реакция выполняется на практике, согласно данному изобретению, посредством пропускания газовой смеси жидкого углеводорода и пара через секцию предварительного нагревания, в которой нет катализатора, и затем через содержащую катализатор секцию реакционного канала. Подходящий катализаторный состав заполняет каталитическую секцию реакционных каналов.
Необходимое тепло подают в реакционные каналы за счет реакции вторичного реформинга, в которой окисляется жидкое углеводородное топливо. Жидкое углеводородное топливо может содержать побочный поток из жидкого углеводородного исходного материала или часть вытекающего потока после первичного реформинга. Реакция окисления поставляет тепло в первичное устройство реформинга посредством опосредованного теплообмена через теплообменные пластины. В нагревательных каналах, которые содержат зону вторичного реформинга, протекают следующие реакции (2) 2СО + О2 > 2СО2 (3) 2СН4 + О2 > 4Н2 + 2СО и (4) 2Н2 + О2 > 2Н2О
Реакции (2), (3) и (4) являются экзотермическими реакциями, которые обычно протекают довольно быстро в пространстве вторичной реакции, при этом оставшийся метан преобразуется за счет реакции с паром в соответствии с реакцией (1) и за счет реакции с кислородом в соответствии с реакцией (2), так что только очень незначительное количество метана остается в выходном газе процесса. Сильно эндотермическая реакция (1) является относительно медленной реакцией, которая происходит во время прохождения газов через каталитический слой зоны вторичного реформинга, за счет чего охлаждаются газы с высокой температурой, обеспеченной реакциями (2), (3) и (4), которые происходят в направлении подающего конца зоны вторичной реакции. При применении на практике данного изобретения соотношения кислорода и жидкого углеводородного исходного материала, подаваемых в интегрированные устройства первичного и вторичного реформинга, поддерживают по существу или же полностью автотермический процесс, по существу, без необходимости во внешнем топливе. Предпочтительным признаком изобретения является гибкость в обеспечении возможности ответвления части потока углеводородного исходного материала непосредственно в пространство вторичной реакции реформинга на подающем конце зоны вторичного реформинга.
Типичными рабочими температурами для производства неочищенного синтетического газа являются температуры в диапазоне от 420 до 950°С. Используемые конкретные рабочие давления в принципе зависят от требований к давлению в последующих операциях обработки, в которых используется реформированная газовая смесь. На практике в большинстве операций реформинга используется давление выше атмосферного, и оно подходит для большинства применений устройства и способа, согласно данному изобретению. Рабочие давления, используемые в способе, обычно лежат внутри диапазона от 2 до 10 МПа. В производстве синтетического газа для получения аммиака выходной поток из стадии первичного реформинга вступает в каталитическую реакцию с кислородом и содержащей азот смесью, обычно с воздухом, для преобразования дополнительных частей метана и введения азота в выходной поток. После реакции сдвига и удаления СО2, неочищенный синтетический газ аммиака имеет желаемое отношение водорода к азоту, равное примерно 2,5-3,0.
Поток реагентов вступает в контакт с катализатором в каждом из реакционных каналов. Катализаторы в виде макрочастиц, используемые в реформинге с водяным паром, хорошо известны. Зона вторичного реформинга обычно содержит слой аналогичного каталитического материала. В качестве альтернативы катализатору из макрочастиц можно в различных зонах реформинга использовать также катализатор, нанесенный на поверхности пластин. Может быть особенно предпочтительным покрывать катализатором первичного реформинга пластины для обеспечения верхней каталитической секции и нижней, не содержащей катализатора секции, которые находятся в состоянии теплообмена с каталитической секцией вторичного реформинга через образующие канал пластины.
На фиг. 3 показана альтернативная система потоков, согласно данному изобретению, в которой исходный материал для синтетического газа, содержащий природный газ и пар с отношением пара к метану от 1,5 до 4, поступает в процесс через трубу 11 и подвергается теплообмену в обычном теплообменнике 13, при этом полученный поток синтетического газа отводится по трубе 15. Предварительно нагретый поток исходного материала проходит через трубу 17 в распределительный трубопровод 19. Распреде13 лительный трубопровод 19 подает подогретый исходный материал в распределительные пространства 21 в реакторе 23 теплообмена. Как показано на фиг. 4, распределительные пространства 23 распределяют нагретый синтетический газ во множество каналов 29 первичной реакции реформинга с помощью пластин 44. Реакционные каналы удерживают катализатор реформинга в верхней части 29' и имеют не содержащую катализатор зону предварительного нагревания в нижней части 29. Средние части 21' реакционных каналов 29 открыты для потока газа, однако, они имеют подходящий экранирующий материал, расположенный поперек них, для предотвращения падения катализатора из верхний частей 29' каналов. Нагретые реагенты реформинга проходят через каналы 29. Коллекторное пространство 25 собирает вытекающий поток из зоны первичного реформинга из открытых верхних частей 27' каналов 29. Как показано на фиг. 3, коллектор 31 собирает вытекающий поток первичного реформинга из коллекторных пространств 25 и переводит вытекающий поток, за вычетом некоторого количества, забираемого трубой 15', через трубу 33 в зону вторичного реформинга. Труба 15' перепускает вытекающий поток зоны первичного реформинга непосредственно в продукт трубы
15.
Труба 33 пропускает первичный вытекающий поток в распределительный коллектор 35, который распределяет горячие газы в распределительные пространства 47. Часть исходного природного газа может обходить реакционные каналы 29 по трубе 33' и непосредственно попадать в зону вторичного реформинга. Труба 34' подает кислород или воздух для сгорания, а также может поставлять при необходимости дополнительное топливо в зону вторичной реакции. Некоторая начальная реакция вытекающего потока первичного реформинга может происходить в коллекторе 35 и в распределительном пространстве 47. Соединение О2 с потоком исходного материала или вытекающим потоком первичного реактора необходимо выполнять так, чтобы исключить присутствие кислорода или других горючих веществ в полных или локализованных пропорциях, которые находятся внутри возможных взрывных диапазонов. Меры предосторожности должны включать использование смесительных элементов, а также специальной конструкции распределительного трубопровода для поддержания безопасных пропорций смесей. Подходящие конструкции распределительного трубопровода могут включать упаковочный или другой вытесняющий объем материал для минимизации объема кислорода и топливных смесей по потоку выше реакции вторичного реформинга.
Как показано на фиг. 5, изображающей разрез по линии 5-5 на фиг. 3, распределительные пространства 47 распределяют горячий газ на входы 37 нагревательных каналов 49. В противоположность распределительному пространству 21, распределительное пространство 47 имеет донные части реакционных каналов 29 закрытыми для потока газа и катализатора для предотвращения протекания в них вытекающего потока вторичного реформинга. Основная реакция вторичного реформинга происходит в контакте с катализатором, содержащимся в нагревательных каналах. Контакт с подходящим катализатором вторичного реформинга в нагревательных каналах непосредственно образует тепло для опосредованного нагревания реагентов в зоне первичного реформинга, содержащейся внутри реакционных каналов. При прохождении горячих газов вверх через нагревательные каналы 49, большая площадь поверхности, обеспечиваемая пластинами 44, которые образуют реакционные и нагревательные каналы, эффективно переносит тепло в реакционные каналы 29.
Коллекторное пространство 45 собирает охлажденный газ вторичного реформинга из открытых выходов 46 нагревательных каналов 49. Как показано на фиг. 3, коллектор 48 собирает охлажденные вытекающие потоки вторичного реформинга и передает их в трубу 15 продукта для извлечения по потоку ниже теплообменника 13 через трубу 50.
Система коллекторных пространств 25 и 45 для избирательного собирания вытекающего потока первичного реформинга и вытекающего потока вторичного реформинга показана более подробно на фиг. 6. Как показано на фиг. 6, те части реакционных каналов 29, которые совпадают с коллекторным пространством 25, содержат выходы 27', открытые для их свободного сообщения. В противоположность этому, те части нагревательных каналов 49, которые совпадают с коллекторным пространством 25, имеют заглушку 28', которая исключает соединение по флюиду с коллекторным пространством 25. Коллекторное пространство 45 имеет обратную взаимосвязь с каналами 29 и 45, согласно которой совпадающие части каналов 49 открыто сообщаются через выход 46, в то время как совпадающие части каналов 29 заблокированы от сообщения с коллекторным пространством 45 с помощью заглушек 47. Распределительные пространства 21 и 47 имеют аналогичную систему для создания и исключения соединения по флюиду с желаемыми каналами. На фиг. 6 показаны также перегородки 51, которые отделяют внутри коллекторные пространства 24 от коллекторных пространств 45.
Подходящими пластинами для данного изобретения являются любые пластины, которые обеспечивают высокую скорость переноса тепла. Предпочтительными являются тонкие пластины, имеющие толщину от 1 до 2 мм. Пластины состоят обычно из железных или не железных сплавов, таких как нержавеющая сталь.
Предпочтительные сплавы для пластин должны выдерживать экстремальные температуры и содержать высокий процент никеля и хрома. Пластины могут иметь форму кривых или другую конфигурацию, однако, предпочтительными являются плоские пластины для целей штабелирования. Пластины могут быть плоскими с образованными в них канавками для образования каналов. Опять же пластины могут быть гладкими и могут быть предусмотрены дополнительные элементы, такие как распорки в виде выштампованных выступов, для обеспечения турбулентности флюида в каналах. Каждая пластина предпочтительно имеет гофрировку, которая выполнена наклонной к потоку реагентов и теплообменной среде.
На фиг. 7 показана предпочтительная гофрированная система, где пластины 44, которые разделяют центральную часть теплообменного реактора 23 на нагревательные каналы и реакционные каналы, образованы пластинами 49', имеющими гофрированную систему, показанную на фиг. 7. Схема гофрирования может выполнять по меньшей мере две функции. Дополнительно к конструктивной опоре смежных пластин, гофрирование способствует турбулентности для повышения эффективности теплообмена в узких реакционных каналах. На фиг. 7 показана гофрировка, образованная гребнями 52 и впадинами 54. Частота или шаг гофрировки могут изменяться при необходимости для обеспечения любой степени изменения турбулентности. Поэтому более мелкая гофрировка, показанная с помощью гребней 52 и впадин 54, создает меньшую турбулентность. В противоположность этому, больший шаг гофрировки, показанный с помощью гребней 56 и впадин 58, приводит при необходимости к увеличенной турбулентности. Шаг и частота гофрировки могут также изменяться в одном теплообменном канале для изменения степени переноса тепла в разных частях канала. Каналы могут иметь плоскую часть 60 по их периферии для облегчения закрывания каналов по желанию по сторонам и сверху.
На фиг. 8 показан типичный поперечный разрез системы из гофрированных пластин, в которой гофрировка пластин 62 проходит в противоположном направлении к гофрировке пластин 64, за счет чего образуются чередующиеся реакционные каналы 66 и нагревательные каналы 68. На фиг. 8 показано предпочтительное расположение гофрированных пластин, где узор в виде селедочного скелета на поверхностях противоположных гофрированных пластин проходит в противоположных направлениях и противоположные поверхности пластин соприкасаются друг с другом с образованием проточных каналов и обеспечением конструктивной опоры для секций пластин.
В целом, изобретение основывается на относительно узких каналах для обеспечения эф фективного теплообмена на пластинах. Гофрировки поддерживают изменяющуюся ширину каналов, задаваемую высотой гофрировок. Обычно ширина канала составляет в среднем менее одного дюйма (25,4 мм), при этом средняя ширина менее 'Л дюйма является предпочтительной. В случае наличия гофрировки, средняя ширина канала задается практически как объем каналов на единицу площади сечения параллельно первичной плоскости пластин. При таком определении гофрировки, по существу, с прямыми наклонными боковыми сторонами имеют среднюю ширину, которая равна половине максимальной ширины поперек каналов.
Зоны реакций для способа, согласно данному изобретению, могут опосредованно приводить в контакт реагенты с теплообменной средой в любом относительном направлении. Таким образом, проточные каналы и входы и выходы зон реакции могут быть выполнены для параллельного, встречного или перекрестного потока реакционной среды относительно теплообменной среды.
Для осуществления на практике данного изобретения нет необходимости в чередовании каждого реакционного канала с нагревательным каналом. В возможных конфигурациях реакционной секции два или более нагревательных канала могут располагаться между каждым реакционным каналом для уменьшения падения давления на стороне теплообменной среды. При использовании для этой цели пластина, разделяющая смежные нагревательные каналы, может иметь перфорацию.
Дополнительные каналы, образованные пластинами, могут обеспечивать различные вспомогательные функции. Дополнительно к каналам для нагревания исходного материала в секции предварительного нагревания и в каталитической секции другие функции каналов могут включать охлаждение вытекающего потока из зоны реакции и дополнительного предварительного нагревания исходного материала относительно других вытекающих потоков. Реакторная система 69, имеющая многофункциональные каналы, показана на фиг. 9 и 10. На фиг. 9 показана одна такая канальная система с функциями различных каналов, снабженных кодовыми обозначениями в схематичном изображении. Буквы РР обозначают канал для предварительного нагревания исходного материала. Буквы БК указывают вторичную реакцию с целью нагревания, и буквы РК представляют первичную реакцию.
Как показано на фиг. 9, прохождение жидкости или газа через каналы желаемым образом требует наличия двух разных систем коллекторных и распределительных пространств. Потоком среды через коллекторные/распределительные пространства можно управлять аналогично описанному и показанному на фиг. 3-6 способу. Как показано на фиг. 9, исходный ма териал на пути в зону первичной реакции проходит через каналы 70 предварительного нагревания исходного материала, где опосредованный теплообмен с каналами 72 вторичной реакции повышает температуру исходного материала до желаемой для начальной реакции температуры в каналах 74 первичной реакции. Предварительно нагретый исходный материал протекает в коллекторное пространство 76. Коллекторное пространство 76 соединяет предварительно нагретый исходный материал с каналами 74 первичной реакции. Предварительно нагретый исходный материал проходит вверх через каналы 74 первичной реакции и в другое коллекторное пространство 78. Там, где часть продукта сжигается в качестве топлива, в коллекторное пространство 78 может подаваться через форсунку 80 содержащий кислород газ и, не обязательно, дополнительный исходный материал или горючее топливо. В коллекторном пространстве 78 любая среда, входящая через форсунку 80, смешивается с вытекающим потоком зоны первичной реакции и смесь распределяется в качестве топлива в каналы 72 вторичной реакции. Каналы 72 вторичной реакции предпочтительно содержат по всей своей длине способствующий сгоранию катализатор, который способствует экзотермической вторичной реакции. При прохождении смеси вниз через каналы 72 вторичного реформинга она нагревает каналы 74, содержащие первичные реагенты, а также каналы 70 предварительного нагревания исходного материала.
На фиг. 10 показано дополнительное распределительное пространство 82 и коллекторное пространство 84, которые образуют часть реактора 69. Перегородки (не изображенные, но аналогичные перегородкам 29, показанным на фиг. 3) отделяют распределительное пространство 82 и коллекторное пространство 84 от пространства 78 и 76. Исходный материал поступает в реактор 69 через форсунку 84. Распределительное пространство 82 распределяет зону первичного реформинга на каналы 70 предварительного нагревания через открытые входы 86. Закрывающие пластины 88 блокируют верхние части каналов 74 первичной реакции и каналов 72 вторичной реакции, где каналы соприкасаются с распределительным пространством 82. После распределения по подающим каналам, исходный материал первичной реакции продолжает протекать через реактор 69, как было описано применительно к фиг. 9. Вытекающий поток вторичной реакции покидает реактор 69 через коллекторное пространство 84, которое соединено через открытые донные части 90 с каналами 72 вторичной реакции. Выходы 90 содержат подходящий экранирующий материал для удерживания катализатора в каналах вторичной реакции при одновременном обеспечении выхода среды из каналов. Донные части каналов 74 первичной реакции закрыты пластинами 92 за глушек при прохождении через коллекторное пространство 84. Форсунка 94 вторичной реакции отводит собранный вытекающий поток вторичной реакции. Можно осуществлять любой обвод исходного материала между зонами первичной и вторичной реакции с помощью наружных трубопроводов, которые соединяются с распределительным пространством 82, коллекторным пространством 84 или коллекторным пространством 76.
Дополнительное предварительное нагревание, а также изоляцию зон экзотермической реакции от непосредственного совмещения с зонами эндотермической реакции, легко выполнять посредством изменения положения загрузки катализатора между каналами. Пространство на одном конце канала можно также использовать в качестве зоны предварительного нагревания исходного материала для зоны вторичной реакции, или же в качестве зоны охлаждения вытекающего потока. На фиг. 9 и 10 схематично показана частичная загрузка катализатора в каналах с помощью линии 96 уровня катализатора. Каналы 74 первичной реакции могут содержать катализатор от линии 96 вниз до входов каналов 74. В такой системе при прохождении исходного материала вниз через каналы 70 предварительного нагревания исходного материала, зона вторичной реакции сначала нагревает опосредованно исходный материал с помощью секции реакции каналов 72 вторичной реакции. Исходный материал первичной реакции после теплообмена входит в каналы первичной реакции для реакции в них. Тепло от реакции в канале 72 вторичной реакции нагревает зону первичной реакции в нижней части канала 74 при прохождении через него исходного материала вверх. Вытекающий поток из зоны первичной реакции продолжает получать тепло из верхней части каналов 72, пока он не выйдет из каналов 74 и не войдет в верхнюю часть каналов 72 зоны вторичной реакции для контакта с содержащимся в них катализатором.
Различные другие комбинации функций каналов можно осуществлять в системах с единичным проходом или с несколькими проходами. Использование пластинчатого теплообменного реактора облегчает расположение нагревательных каналов, обеспечивает различные варианты желаемых функций для систем с единичными или множественными штабелями.
Например, верхние и нижние секции каналов 74, показанные как теоретически разделенные вдоль линии 96 загрузки катализатора, можно легко разделить физически на две отдельные зоны реакций. Коллекторные и распределительные разветвленные трубопроводы, аналогичные показанным на фиг. 3-6, 9 и 10, можно использовать для внутреннего соединения потоков среды между секциями отдельных каналов. Более практично использовать системы разветвленных трубопроводов для соединения снаружи реакционных каналов, содержащихся в одном реакционном резервуаре. Наружные соединения облегчают управление потоками газов в различные зоны реакции и зоны теплообмена. Внешнее управления обеспечивает также большое разнообразие путей прохождения потоков между различными системами каналов.
В качестве дополнительной иллюстрации на фиг. 11 и 12 показаны графические схемы, показывающие кодовые обозначения для возможных расположений функций каналов во множестве каналов, образованных пластинчатыми элементами. Кодовые обозначения ЕР, 8К. и РК были пояснены выше. Дополнительные кодовые обозначения, используемые в графических схемах 11 и 12, включают «ЕС», что означает охлаждение вытекающего потока, и «НР», что относится к зоне, которая содержит поток горячего газа из каналов вторичной реакции, который нагревает каналы реакции первичного реформинга. НЕ обозначает зону, в которой исходный материал для зоны первичной реакции дополнительно нагревается с помощью опосредованного переноса тепла из части каналов вторичной реакции.
На фиг. 11 показаны три случая конфигурации соединения друг с другом параллельных каналов с повторяющейся схемой функций. Случай 1 на фиг. 11 представляет систему каналов, показанную на фиг. 8-9, где канал вторичной реакции разделяет каналы предварительного нагревания исходного материала и первичной реакции, так что в целом имеется один канал первичной реакции для каждых шести каналов. Случай 2 представляет систему, которая охлаждает вытекающий поток из каналов вторичной реакции исходным материалом и обеспечивает в целом один канал первичной реакции на каждые 3 канала. Случай 3 представляет другую систему, которая обеспечивает один канал первичной реакции и два канала вторичной реакции на каждые 6 каналов.
На фиг. 12 показаны другие системы, в которых множество штабелей реакции создают двойные пакеты каналов, которые можно соединять друг с другом снаружи или изнутри, так чтобы обеспечивалось множество различных функций каналов. Все конфигурации, показанные на фиг. 12, упрощенно представляют верхнюю и нижнюю системы двухпроходного теплообмена с различными функциями, описываемыми указанными выше кодовыми обозначениями, при этом дополнительное кодовое обозначение «НР» представляет канал, используемый для опосредованного нагревания зоны первичной реакции.
Случай 1 на фиг. 12 представляет двухпроходную теплообменную секцию. В нижнем пакете каналов исходный материал первичной реакции подвергается опосредованному теплообмену с пластинами, которые содержат на своих противоположных сторонах реакцию вто ричного реформинга. В верхних пакетах каналов предварительно нагретый исходный материал реагирует в каналах, противоположных зоне первичной реакции, которые содержат горячий вытекающий поток из зоны вторичной реакции и которые нагревают зону первичной реакции. Соединенные снаружи разветвленные трубопроводы переносят вытекающий поток из зоны первичной реакции в зону реакции вторичного реформинга.
Случай 2 на фиг. 12 представляет другую систему с двумя штабелями каналов. Секция верхних каналов охлаждает поток продукта из зоны вторичной реакции за счет опосредованного теплообмена с противоположным входящим потоком исходного материала. Функционально верхняя секция выполняет, по существу, ту же роль, что и теплообменник 13 на фиг. 3. Нижняя секция каналов обеспечивает опосредованное нагревание из зоны вторичной реакции непосредственно в зону первичной реакции.
Случай 3 на фиг. 12 представляет еще один вариант схемы потоков, в которой используются разветвительные трубопроводы между двумя пакетами нагревательных каналов для создания системы теплообмена, аналогичной системе, показанной в случае 1 на фиг. 12. Случай 3 отличается от случая 1 направлением сред, которое является встречным, в противоположность параллельному направлению потоков сред в случае 1.
Наконец, в случае 4 показана система, в которой используются два отдельных пакета нагревательных каналов в соединении с зоной вторичной реакции. Зона вторичной реакции может быть выполнена как единое целое с каналами или же может быть расположена вне пакетов каналов. Зона вторичной реакции может также служить в качестве соединительного разветвленного трубопровода для соединения каналов. В этой системе исходный материал поступает в зону предварительного нагревания исходного материала и претерпевает опосредованный теплообмен с вытекающим потоком зоны вторичной реакции. Затем исходный материал проходит из зоны предварительного нагревания в зону первичной реакции. Горячие газы из вторичной реакции нагревают зону первичной реакции путем опосредованного теплообмена. Вытекающий поток из зоны первичной реакции входит в зону вторичной реакции, которая может быть выполнена в виде каналов или же в виде неподвижного слоя катализатора вторичной реакции. Вытекающий поток из зоны вторичной реакции поставляет горячие газы для нагревания зоны первичной реакции, которая подвергается затем дополнительному опосредованному охлаждению входящим исходным материалом первичной реакции.
Дополнительное улучшение управления температурой можно обеспечить за счет использования промежуточного впрыска окислитель21 ной среды или дополнительного топлива. Работа со встречными или параллельными потоками первичных реагентов оставляет стороны каналов доступными для поперечного впрыска потоков промежуточной окислительной среды или исходного материала. Схема поперечных потоков обеспечивает дополнительное управление генерированием тепла в специальных местах, что обеспечивает регулирование температурного профиля в зоне вторичной реакции. Когда зона вторичной реакции обменивается теплом непосредственно с зоной первичной реакции, то можно использовать промежуточный впрыск для оказания влияния на температурный профиль внутри зоны первичной реакции.
Пример.
Влияние использования способа и системы каналов согласно данному изобретению для поддержания изотермических условий было исследовано в процессе преобразования углеводородов для дегидрирования парафинов. Модель, основанная на возможностях данного изобретения, для поддержания изотермических условий была подготовлена на основе потока исходного материала, имеющего состав, приведенный в таблице. Изотермические условия, которые следуют из данного изобретения, были имитированы в процессе дегидрирования с использованием конфигурации каналов, показанной на фиг. 2, в которой независимо сжигали метан для обеспечения ввода тепла в процесс.
В этой модели процесса поток исходного материала, подаваемый через трубу 10 и имеющий состав, приведенный в таблице, входит в теплообменник 12, который повышает температуру потока исходного материала свыше примерно 370-390°С. В это же время вытекающий поток зоны дегидрирования, имеющий состав, указанный для потока 14, отводится из теплообменника 12 через трубу 24.
Труба 18' подает частично нагретый поток исходного материала в зону 40 предварительного нагревания, которая принимает тепло из зоны 28' нагревания. Опосредованный теплообмен на ряде пластин переноса тепла повышает температуру исходного материала до примерно 480°С на выходе из зоны 40 предварительного нагревания. Модель частей зон предварительного нагревания и каталитической реакции основана на использовании пучка теплообменных пластин, имеющего 250 слоев катализатора, длину зоны предварительного нагревания около 1,1 м и длину каталитической зоны около 0,37 м. Пластины образуют реакционные каналы, которые чередуются с нагревательными каналами и имеют толщину около 1,2 мм, гофрировку с глубиной около 10 мм и ширину около 5500 мм. Пластины расположены рядом друг с другом с чередованием гофрировки, так что вершины гофрировок соприкасаются друг с другом. Реакционные каналы и каналы теплообмена работают при среднем давлении около 20 фунт-сил на квадратный дюйм (138 кПа).
Нагретый поток исходного материала подвергается дегидрированию с образованием потока продукта, имеющего указанный выше состав для трубы 14. Непрерывное опосредованное нагревание из зоны 28' нагревания поддерживает температуру потока продукта из каталитической зоны 42 на выходной температуре 474°С. Секция каталитической реакции содержит типичный катализатор для дегидрирования, содержащий платину на опоре из оксида алюминия.
Труба 30 поставляет смесь метана, кислорода и оксидов углерода в зону 28' нагревания для обеспечения опосредованного ввода тепла для зоны предварительного нагревания и каталитической зоны. Примерно 74000 кг-моль/ч циркулирующей нагревательной смеси удаляется из выходной трубы 32 через трубу 38, в то время как остаток нагревательной смеси вместе с 7000 кг- моль/ч потока метана и воздуха, поставляющего 14000 кг-моль/ч кислорода, возвращается во входную трубу 30.
Таблица

Claims (16)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Способ контактирования реагентов с катализатором в зоне (40) реакции и опосредованного нагревания реагентов посредством контакта с нагревательной средой, отличающийся тем, что содержит следующие стадии:
    a) пропускание потока реагентов через множество узких реакционных каналов (29), образованных пластинами (44), и нагревание потока реагентов в отсутствии катализатора в первой секции (29) узких реакционных каналов;
    b) пропускание нагревательной среды через множество узких нагревательных каналов (49), образованных основными пластинами (44), и опосредованное нагревание потока реагентов в первой секции реакционных каналов на пластинах с нагревательной средой для обеспечения нагретого потока реагентов в реакционных каналах;
    с) пропускание нагретого потока реагентов через вторую секцию (29') реакционных каналов и контактирование нагретого потока реагентов с катализатором во второй секции реакционных каналов для получения послереакционного потока;
    6) опосредованное нагревание второй секции реакционных каналов нагревательной средой при ее прохождении через первую секцию нагревания нагревательных каналов (49) и
    е) пропускание части послереакционного потока в узкие нагревательные каналы (49).
  2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагревательные каналы содержат катализатор окисления.
  3. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что основные пластины образуют чередующиеся реакционные каналы и нагревательные каналы.
  4. 4. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что нагревательная среда содержит метан и кислород, и сгорание метана обеспечивает по меньшей мере часть тепла для реакционных каналов.
  5. 5. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что пластины образуют гофрировку, которая поддерживает расстояние между пластинами.
  6. 6. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что катализатор в реакционных каналах содержит материал из макрочастиц, удерживаемый в каналах.
  7. 7. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что реакционные каналы имеют среднюю ширину менее 1 дюйма.
  8. 8. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что нагревание реагентов осуществляется посредством контакта с газами сгорания, образованными в зоне получения тепла.
  9. 9. Способ по п.6, отличающийся тем, что катализатор сгорания, содержащий материал из макрочастиц, удерживается в нагревательных каналах.
  10. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что узкие нагревательные каналы (49) содержат каталитический материал для ускорения экзотермической реакции и катализатор во второй части (29') реакционных каналов (29) для ускорения эндотермической реакции.
  11. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно собирают послереакционный поток в коллекторную зону (78), имеющую непосредственное соединение с выходами, образованными пластинами, которые образуют вто рую секцию (74) реакционных каналов и осуществляют впрыск промежуточной среды непосредственно в коллекторный объем (78) и смешивание ее по меньшей мере с частью послереакционного потока для получения смешанного потока.
  12. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно пропускают смешанный поток из коллекторной зоны (78) непосредственно во входы указанного множества узких нагревательных каналов (72), образованных пластинами, имеющих непосредственное соединение с коллекторной зоной (78).
  13. 13. Устройство для контактирования реагентов с катализатором в зоне реакции при одновременном опосредованном нагревании реагентов путем контакта с газами сгорания, образованными в зоне получения тепла, отличающееся тем, что содержит множество чередующихся реакционных каналов (29) и нагревательных каналов (49), образованных множеством пластин (44) с входом для реагентов на одном конце реакционных каналов, выходом для реагентов на противоположном конце реакционных каналов, входом для нагревательной среды на одном конце нагревательных каналов и выходом для нагревательной среды на противоположном конце нагревательных каналов;
    экран для исключения твердого катализатора из секции предварительного нагревания реакционных каналов, расположенной по потоку ниже входа для реагентов, и для удерживания твердого катализатора в каталитической части реакционных каналов, расположенной по потоку ниже секции предварительного нагревания;
    трубу для доставки потока реагентов на вход для реагентов и трубу для удаления послереакционного потока от выхода для реагентов;
    трубу для доставки нагревательной среды на вход для нагревательной среды и трубу для удаления нагревательной среды от выхода для нагревательной среды; и трубу для доставки части послереакционного потока на вход для нагревательной среды.
  14. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что нагревательные каналы образуют зону сгорания и удерживают способствующий сгоранию катализатор.
  15. 15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что способствующий сгоранию катализатор содержит катализатор окисления.
  16. 16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что содержит кислородную магистраль, по которой подают кислород в нагревательные каналы.
EA200300515A 2000-10-27 2000-10-27 Способ и устройство с использованием пластинчатой системы для нагревания и предварительного нагревания реагентов EA005001B1 (ru)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2000/029542 WO2002034383A1 (en) 2000-10-27 2000-10-27 Process and apparatus using plate arrangement for reactant heating and preheating

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA200300515A1 EA200300515A1 (ru) 2003-10-30
EA005001B1 true EA005001B1 (ru) 2004-10-28

Family

ID=21741928

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA200300515A EA005001B1 (ru) 2000-10-27 2000-10-27 Способ и устройство с использованием пластинчатой системы для нагревания и предварительного нагревания реагентов

Country Status (12)

Country Link
EP (1) EP1333917B1 (ru)
KR (1) KR100693261B1 (ru)
CN (1) CN1217732C (ru)
AT (1) ATE374074T1 (ru)
AU (2) AU2001212349B2 (ru)
CA (1) CA2426347C (ru)
DE (1) DE60036569T2 (ru)
EA (1) EA005001B1 (ru)
ES (1) ES2293928T3 (ru)
NO (1) NO328140B1 (ru)
PT (1) PT1333917E (ru)
WO (1) WO2002034383A1 (ru)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100542217B1 (ko) 2004-06-07 2006-01-12 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기
KR100551053B1 (ko) 2004-06-29 2006-02-09 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
EP1625887B1 (en) * 2004-08-05 2009-01-14 Saudi Basic Industries Corporation Process with a heat-exchanger coated with a catalyst
JP4809113B2 (ja) * 2006-04-24 2011-11-09 株式会社豊田中央研究所 熱交換型改質器
US20090064579A1 (en) * 2006-04-24 2009-03-12 Tokyota Jidosha Kabushiki Kaisha Heat exchange reformer unit and reformer system
JP4809117B2 (ja) * 2006-04-28 2011-11-09 株式会社豊田中央研究所 熱交換型改質器及び改質装置
GR1006128B (el) * 2007-05-25 2008-11-03 . Υψηλα θερμικα ολοκληρωμενος αναμορφωτης για παραγωγη υδρογονου
US8394154B2 (en) * 2007-12-28 2013-03-12 Texaco Inc. Counter-current oxidation and steam methane reforming process and reactor therefor
EP2233209B1 (de) * 2009-03-24 2014-11-05 Basf Se Formkörper
BR112013013597A2 (pt) * 2010-12-01 2016-09-13 Meggitt Uk Ltd aparelho para utilização na produção de ácido nítrico
RU2462502C1 (ru) * 2011-04-06 2012-09-27 Ольга Васильевна Малова Способ осуществления каталитической эндотермической реакции
US11286169B2 (en) * 2017-11-25 2022-03-29 Starfire Energy Chemical reactor with integrated heat exchanger, heater, and high conductance catalyst holder
CN108745223A (zh) * 2018-06-20 2018-11-06 华北电力大学 一种具有余热回收利用功能的高效微反应器系统
CN108686612A (zh) * 2018-08-02 2018-10-23 汤铁 管式逆流换热反应器
EP4133218A4 (en) * 2020-04-09 2023-11-15 Woodside Energy Technologies Pty Ltd METHOD AND PLANT FOR PROCESSING HYDROCARBON USING RENEWABLE ENERGY

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01168332A (ja) * 1987-12-25 1989-07-03 Hitachi Ltd 燃料改質装置
JPH0812303A (ja) * 1994-07-05 1996-01-16 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd プレートリフォーマ
JP3555704B2 (ja) * 1995-03-13 2004-08-18 石川島播磨重工業株式会社 予熱機能付きプレート型改質器
JPH0930801A (ja) * 1995-07-19 1997-02-04 Mitsubishi Electric Corp 改質反応器
DE19725378A1 (de) * 1997-06-16 1998-12-17 Gerhard Friedrich Kompakter Festbettreaktor für katalytische Reaktionen mit integriertem Wärmeaustausch

Also Published As

Publication number Publication date
KR100693261B1 (ko) 2007-03-13
DE60036569T2 (de) 2008-06-19
WO2002034383A1 (en) 2002-05-02
DE60036569D1 (de) 2007-11-08
PT1333917E (pt) 2007-11-29
NO20031861L (no) 2003-06-10
CN1217732C (zh) 2005-09-07
CA2426347C (en) 2009-01-06
AU1234901A (en) 2002-05-06
ES2293928T3 (es) 2008-04-01
AU2001212349B2 (en) 2007-01-04
CN1474717A (zh) 2004-02-11
NO328140B1 (no) 2009-12-14
ATE374074T1 (de) 2007-10-15
EP1333917B1 (en) 2007-09-26
EP1333917A1 (en) 2003-08-13
EA200300515A1 (ru) 2003-10-30
CA2426347A1 (en) 2002-05-02
KR20030048080A (ko) 2003-06-18
NO20031861D0 (no) 2003-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6159358A (en) Process and apparatus using plate arrangement for reactant heating and preheating
US6180846B1 (en) Process and apparatus using plate arrangement for combustive reactant heating
US6869578B1 (en) Apparatus using plate arrangement for exothermic reactions
US6190624B1 (en) Simplified plate channel reactor arrangement
US6168765B1 (en) Process and apparatus for interbed injection in plate reactor arrangement
US6274101B1 (en) Apparatus for in-situ reaction heating
US5004592A (en) Steam reforming process
US4824658A (en) Production of synthesis gas using convective reforming
US5181937A (en) Apparatus for production of synthesis gas using convective reforming
US20100133474A1 (en) Thermally coupled monolith reactor
US5039510A (en) Steam reforming
EA005001B1 (ru) Способ и устройство с использованием пластинчатой системы для нагревания и предварительного нагревания реагентов
KR20070008648A (ko) 제거형 촉매 구조체를 갖는 플레이트형 반응기
US7087192B2 (en) Process for the preparation of synthesis gas
US5006131A (en) Apparatus for production of synthesis gas using convective reforming
AU2001224509B2 (en) Simplified plate channel reactor arrangement
AU2001224509A1 (en) Simplified plate channel reactor arrangement
EP0124226A2 (en) Steam reforming
KR20170022345A (ko) 반응 효율이 우수한 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기
JP2000502950A (ja) 熱交換触媒反応器
US6118038A (en) Arrangement and process for indirect heat exchange with high heat capacity fluid and simultaneous reaction
ZA200305320B (en) Simplified plate channel reactor arrangement.

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM BY KG MD TJ