EA041161B1 - METHOD AND REACTOR FOR EXOTHERMAL REACTIONS - Google Patents
METHOD AND REACTOR FOR EXOTHERMAL REACTIONS Download PDFInfo
- Publication number
- EA041161B1 EA041161B1 EA202091531 EA041161B1 EA 041161 B1 EA041161 B1 EA 041161B1 EA 202091531 EA202091531 EA 202091531 EA 041161 B1 EA041161 B1 EA 041161B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- catalytic
- catalyst
- cooling plates
- modules
- process gas
- Prior art date
Links
Description
Предпосылки к созданию изобретенияPrerequisites for the invention
В контексте увеличения роста мирового населения аммиак имеет существенное значение для пищевой отрасли благодаря тому, что он может применяться в качестве сырья при производстве удобрений. Исторически конвертер системы TVA (англ.: Tennessi Valley Authority, рус.: Администрация долины реки Теннесси) в течение десятилетий был предпочтительным типом реактора для синтеза аммиака и получил распространение уже в 1930-х гг. Он характеризуется использованием осевого потока в одном слое катализатора с газовым охлаждением. Охлаждение катализатора осуществляют с помощью нескольких труб, расположенных в слое катализатора вертикально, обеспечивая благоприятные условия для конверсии при экзотермической реакции. Несмотря на большое количество документов, в которых описан этот тип конвертера, его конструкция имеет три важных ограничения:In the context of increasing global population growth, ammonia is essential to the food industry due to its potential use as a feedstock in the production of fertilizers. Historically, the TVA (Tennessi Valley Authority) system converter was the preferred reactor type for ammonia synthesis for decades, and became widespread as early as the 1930s. It is characterized by the use of axial flow in a single gas-cooled catalyst bed. The cooling of the catalyst is carried out with the help of several pipes located vertically in the catalyst bed, providing favorable conditions for the conversion during the exothermic reaction. Despite the large number of documents that describe this type of converter, its design has three important limitations:
i) увеличение перепада давления в одиночном конвертере при повышении производительности установки и, как следствие, высокое энергопотребление;i) increase in pressure drop in a single converter with an increase in plant productivity and, as a result, high energy consumption;
ii) высокая стоимость монтажа параллельных конвертеров в отдельных силовых оболочках для устранения проблемы высокого перепада давления; и iii) обычно требуется высокий объем рециркуляции (и высокое давление контура), чтобы компенсировать низкую степень конверсии водорода и азота за один цикл.ii) the high cost of installing parallel converters in separate power enclosures to eliminate the problem of high pressure drop; and iii) a high recycle volume (and high loop pressure) is usually required to compensate for the low conversion of hydrogen and nitrogen per cycle.
В соответствии с общей тенденцией к строительству крупных установок с одной линией после второй мировой войны была предложена идея использования адиабатического радиального потока в неподвижных слоях катализатора. В частности, начиная с 1960-х гг., конвертер с радиальным потоком становился все более распространенным на рынке за счет конвертера системы TVA. Общим признаком реакторов с радиальным потоком является то, что, как правило, они обеспечивают большую площадь поперечного сечения для потока и тем самым более низкую среднюю скорость газа по сравнению с площадью поперечного сечения и скоростью газа при осевом потоке через одну и ту же массу катализатора. Такая конструкция позволила значительно повысить производительность аммиака в одиночном конвертере и силовой оболочке, при этом перепад давления в конвертере сохранялся в пределах 3 бар. Кроме того, для повышения степени конверсии и понижения необходимых объемов рециркуляции в контуре в 1960-х гг. с помощью конвертера фирмы Haldor Topsoe S-100 начали осуществлять резкое охлаждение газообразного продукта из первого адиабатического слоя с помощью свежего технологического газа. Затем осуществляли дальнейшую конверсию объединенного потока, прошедшего этап резкого охлаждения, во втором адиабатическом слое, соединенном последовательно с первым слоем. В обоих слоях катализатора использовали радиальный поток.In keeping with the general trend towards the construction of large single line plants after the Second World War, the idea of using an adiabatic radial flow in fixed catalyst beds was proposed. In particular, since the 1960s, the radial flow converter has become increasingly common in the market due to the TVA system converter. A common feature of radial flow reactors is that they generally provide a larger cross-sectional area for flow and thus a lower average gas velocity compared to the cross-sectional area and gas velocity for axial flow through the same catalyst body. This design allowed a significant increase in the ammonia capacity in the single converter and in the power shell, while maintaining the pressure drop across the converter within 3 bar. In addition, in order to increase the degree of conversion and reduce the required volumes of recirculation in the circuit in the 1960s. Using a Haldor Topsoe S-100 converter, quenching of the gaseous product from the first adiabatic bed using fresh process gas was started. Then carried out further conversion of the combined flow, past the stage of rapid cooling, in the second adiabatic layer connected in series with the first layer. Radial flow was used in both catalyst beds.
Дальнейшие усовершенствования конвертера с радиальным потоком появились в конвертере S-200 в 1980-х гг. и конвертере S-300 около 2000 г. Вместо резкого охлаждения эти реакторы оборудованы одним или двумя внутрислойными теплообменниками соответственно для обеспечения охлаждения между двумя или тремя последовательно функционирующими слоями катализатора, причем каждый слой является адиабатическим и в нем используются преимущества принципа радиального потока. Аналогичные конструкции включают в себя конвертер с осевым-радиальным потоком системы Casale, в котором также используют адиабатические последовательно функционирующие неподвижные слои катализатора с промежуточным теплообменом. Вышеупомянутый промежуточный теплообменник(и) служит(ат) для генерирования термодинамического потенциала для того, чтобы обеспечить более высокую конверсию в ходе экзотермической реакции после каждого слоя катализатора с одновременным предварительным нагревом поступающего в конвертер свежего технологического газа перед первым слоем катализатора.Further improvements to the radial flow converter appeared with the S-200 converter in the 1980s. and an S-300 converter around 2000. Instead of quenching, these reactors are equipped with one or two intra-bed heat exchangers, respectively, to provide cooling between two or three successive catalyst beds, each bed being adiabatic and taking advantage of the radial flow principle. Similar designs include the axial-radial flow converter of the Casale system, which also uses adiabatic sequentially functioning fixed beds of catalyst with intermediate heat exchange. The aforementioned intermediate heat exchanger(s) serve to generate a thermodynamic potential in order to provide a higher conversion during the exothermic reaction after each catalyst bed, while simultaneously preheating the fresh process gas entering the converter before the first catalyst bed.
При любом усовершенствовании, связанном с реакторами синтеза аммиака, необходимо сопоставлять производительность конвертера с адиабатическим конвертером с двумя или тремя слоями с радиальным потоком и внутренним теплообменом, поскольку этот тип конвертера все еще является предпочтительным для промышленных установок синтеза аммиака.Any improvement related to ammonia synthesis reactors must compare the performance of the converter with an adiabatic converter with two or three layers of radial flow and internal heat exchange, since this type of converter is still preferred for industrial ammonia synthesis plants.
Несмотря на то что на рынке все еще доминируют последовательные адиабатические конвертеры с радиальным потоком и внутренним теплообменом, могут быть сделаны дальнейшие шаги по усовершенствованию. Известно, что эффективность катализатора для любой экзотермической реакции может быть улучшена путем охлаждения катализатора до такой степени, при которой кривая рабочей температуры соответствует кривой максимальной скорости реакции. Адиабатический реактор, в котором отсутствует охлаждение, имеет тот недостаток, что часть массы катализатора работает при температурах ниже оптимальной, в то время как другие части слоя катализатора работают при температурах выше оптимальной. Соответственно системой Casale предлагается очевидное усовершенствование, при котором в конвертере потока охлаждение слоя катализатора обеспечивается за счет охлаждающих пластин, в которых происходит нагрев охлаждающей жидкости какого-либо типа. Такой тип конвертера может в принципе обеспечивать более высокую конверсию на объем катализатора из-за улучшенных условий реакции катализатора по сравнению с условиями, полученными в адиабатическом слое. Эта концепция описана в ряде патентов, например в US 6946494 и US 9028766. Во всех этих патентах описаны охлаждающие пластины, которые расположены радиально внутри цилиндрического корпуса конвертера, и использование радиального потока в слое катализатора для обеспечения низкого перепада давления в слое катализатора.Although the market is still dominated by series adiabatic converters with radial flow and internal heat exchange, further improvements can be made. It is known that the efficiency of a catalyst for any exothermic reaction can be improved by cooling the catalyst to such an extent that the operating temperature curve corresponds to the maximum reaction rate curve. An adiabatic reactor that lacks refrigeration has the disadvantage that part of the catalyst mass is operated at sub-optimal temperatures while other parts of the catalyst bed are operated at above-optimal temperatures. Accordingly, the Casale system offers an obvious improvement, whereby in the flow converter, cooling of the catalyst bed is provided by cooling plates in which some type of coolant is heated. This type of converter can in principle provide a higher conversion per volume of catalyst due to the improved reaction conditions of the catalyst compared to those obtained in the adiabatic bed. This concept is described in a number of patents, such as US 6946494 and US 9028766. All of these patents describe cooling plates that are located radially inside the cylindrical converter housing and the use of radial flow in the catalyst bed to provide a low pressure drop across the catalyst bed.
Несмотря на то что указанный выше уровень техники, в котором используются радиальный поток иAlthough the above prior art, which uses radial flow and
- 1 041161 радиальное расположение охлаждающих пластин, обеспечивает улучшение каталитической эффективности экзотермической реакции, это решение имеет четыре основных недостатка:- 1 041161 the radial arrangement of the cooling plates provides an improvement in the catalytic efficiency of the exothermic reaction, this solution has four main disadvantages:
i) конфигурация с радиальным расположением охлаждающих пластин подразумевает различное расстояние между охлаждающими пластинами и, следовательно, варьирующуюся толщину слоя катализатора между двумя соседними охлаждающими пластинами, что приводит к нежелательному профилю охлаждения в слое катализатора.i) The radial cooling plate configuration implies a different spacing between the cooling plates and hence a varying thickness of the catalyst bed between two adjacent cooling plates, resulting in an undesirable cooling profile in the catalyst bed.
В частности, вблизи внешнего радиуса слоя катализатора обеспечивается слишком слабое охлаждение химической экзотермической реакции, поскольку расстояние между охлаждающими пластинами здесь больше оптимального, в то время как вблизи внутреннего радиуса слоя катализатора обеспечивается слишком сильное охлаждение химической экзотермической реакции из-за минимального расстояния между охлаждающими пластинами. Соответствующий профиль потока обеспечивает неоптимальную кривую рабочих температур и ограниченную удельную производительность катализатора. Кроме того, ii) сохранение принципа радиального потока подразумевает необходимость высоких вертикальных слоев катализатора, что приводит к воздействию высоких каталитических сил на механические части конвертера и опасности возникновения неисправностей;In particular, near the outer radius of the catalyst layer, too little cooling of the chemical exothermic reaction is ensured, since the distance between the cooling plates is greater than the optimal one, while near the inner radius of the catalyst layer, too much cooling of the chemical exothermic reaction is provided due to the minimum distance between the cooling plates. The corresponding flow profile results in a sub-optimal operating temperature curve and limited catalyst specific productivity. In addition, ii) maintaining the principle of radial flow implies the need for high vertical catalyst beds, which leads to high catalytic forces on the mechanical parts of the converter and the risk of malfunctions;
iii) большой объем катализатора, используемый в каждом слое конвертера с радиальным потоком, требует загрузки катализатора внутри конвертера после установки оборудования, что приводит к увеличению времени установки; и iv) выгрузка катализатора, размещенного между охлаждающими пластинами, является особенно проблематичной в нижней части охлаждаемого конвертера с радиальным потоком из-за использования длинных охлаждающих пластин.iii) the large volume of catalyst used in each layer of the radial flow converter requires the catalyst to be loaded inside the converter after installation of the equipment, resulting in increased installation time; and iv) discharging the catalyst placed between the cooling plates is particularly problematic at the bottom of the cooled radial flow converter due to the use of long cooling plates.
Краткое изложение сущности изобретенияBrief summary of the invention
Настоящее изобретение относится к высокоэффективному способу осуществления экзотермических каталитических реакций, например, помимо прочего, реакций синтеза аммиака или метанола. В настоящем изобретении описан новый способ улучшения условий реакции используемого катализатора. Кроме того, изобретением предусматривается конфигурация, когда модули уложены в штабель для быстрой установки, простоты загрузки и выгрузки катализатора. Изобретение обеспечивает высокие степени конверсии в химических установках большой производительности при низких инвестиционных затратах и высокой энергоэффективности с устранением недостатков предшествующего уровня техники. В соответствии с настоящим изобретением вышеупомянутые технические проблемы предшествующего уровня техники решаются следующим способом.The present invention relates to a highly efficient process for carrying out exothermic catalytic reactions, such as, but not limited to, ammonia or methanol synthesis reactions. The present invention describes a new method for improving the reaction conditions of the catalyst used. In addition, the invention contemplates a stacked configuration for rapid installation, ease of catalyst loading and unloading. EFFECT: invention provides high conversion rates in high-capacity chemical plants at low investment costs and high energy efficiency, eliminating the shortcomings of the prior art. According to the present invention, the above technical problems of the prior art are solved in the following way.
Способ для осуществления экзотермических каталитических реакций включает этапы подачи свежего технологического газа в по меньшей мере два параллельных цилиндрических каталитических модуля, каждый из которых содержит охлаждаемую каталитическую зону, содержащую слой катализатора и внутрислойный теплообменник.The method for carrying out exothermic catalytic reactions includes the steps of supplying fresh process gas to at least two parallel cylindrical catalytic modules, each of which contains a cooled catalytic zone containing a catalyst bed and an intralayer heat exchanger.
Осуществляют экзотермическую конверсию свежего технологического газа с получением газообразного продукта, когда поток технологического газа подают в осевом направлении через слой катализатора в каждой из каталитических зон.Exothermic conversion of fresh process gas is carried out to produce a gaseous product when the process gas stream is fed axially through the catalyst bed in each of the catalytic zones.
В каждом из параллельно функционирующих цилиндрических каталитических модулей осуществляют охлаждение экзотермической реакции путем подачи свежего технологического газа из внешнего кольцевого пространства, образованного вокруг каждого из цилиндрических каталитических модулей, во внутрислойный теплообменник и подачи свежего технологического газа через внутрислойный теплообменник при непрямом теплообмене с реагирующим технологическим газом, который поступает в осевом направлении через охлаждаемую каталитическую зону. Охлаждаемая каталитическая зона каждого модуля при необходимости может быть соединена последовательно с одной или более адиабатическими каталитическими зонами выше и/или ниже охлаждаемой каталитической зоны.In each of the cylindrical catalytic modules operating in parallel, the exothermic reaction is cooled by supplying fresh process gas from the outer annular space formed around each of the cylindrical catalytic modules to the intralayer heat exchanger and supplying fresh process gas through the intralayer heat exchanger in indirect heat exchange with the reacting process gas, which enters in the axial direction through the cooled catalytic zone. The cooled catalytic zone of each module, if necessary, can be connected in series with one or more adiabatic catalytic zones above and/or below the cooled catalytic zone.
Внутрислойный теплообменник каждого модуля состоит из множества теплообменных блоков, выровненных по вертикали, которые образуют проточные секции для свежего технологического газа во внутреннем теплообменнике. Каждый теплообменный блок содержит горизонтально расположенное устройство подачи, предназначенное для транспортировки свежего технологического газа от внешнего кольцевого пространства, образованного вокруг каждого из цилиндрических модулей, в теплообменный блок, где осуществляют нагревание свежего технологического газа при прохождении через теплообменный блок вследствие поглощения тепла экзотермической реакции в охлаждаемой каталитической зоне. Предварительно нагретый свежий технологический газ покидает теплообменный блок с противоположного конца указанного устройства подачи, после чего он транспортируется в верхнюю каталитическую зону, которая является адиабатической или охлаждаемой. Поток в каждом теплообменном блоке внутрислойного теплообменника предпочтительно проходит в осевом направлении, противоположном или параллельном направлению потока в каталитических зонах.The interlayer heat exchanger of each module consists of a plurality of vertically aligned heat exchange units that form the fresh process gas flow sections in the internal heat exchanger. Each heat exchange unit comprises a horizontally positioned supply device for transporting fresh process gas from the outer annulus formed around each of the cylindrical modules to the heat exchange unit, where the fresh process gas is heated as it passes through the heat exchange unit due to the absorption of exothermic reaction heat in the cooled catalytic zone. The preheated fresh process gas leaves the heat exchange unit at the opposite end of said feeder, after which it is transported to the upper catalytic zone, which is adiabatic or refrigerated. The flow in each heat exchange block of the intralayer heat exchanger preferably runs in an axial direction opposite or parallel to the direction of flow in the catalytic zones.
В одном из вариантов осуществления изобретения указанные теплообменные блоки каждого внутрислойного теплообменника состоят из удлиненных пластинчатых конструкций, которые именуются охлаждающими пластинами, например из охлаждающих пластин подушкообразной формы. Охлаждающую пластину, как правило, изготавливают из двух тонких стальных листов, расположенных на расстоя- 2 041161 нии друг от друга, при этом пространство между двумя стальными листами внутри охлаждающей пластины образует канал, по которому проходит свежий технологический газ. Катализатор расположен между охлаждающими пластинами. Газообразный продукт из каждого цилиндрического каталитического модуля предпочтительно подают из самой нижней каталитической зоны в центральное пространство, образованное по центру внутри двух или более каталитических модулей, когда модули уложены в штабель внутри силовой оболочки.In one embodiment of the invention, said heat exchange blocks of each interlayer heat exchanger consist of elongated plate structures, which are referred to as cooling plates, such as pillow-shaped cooling plates. The cooling plate is typically made from two thin steel sheets spaced apart, with the space between the two steel sheets inside the cooling plate forming a channel through which fresh process gas flows. The catalyst is located between the cooling plates. The gaseous product from each cylindrical catalyst module is preferably fed from the lowest catalyst zone to a central space formed centrally within two or more catalyst modules when the modules are stacked within the power shell.
В соответствии с изобретением также описывается возможность применения параллельного расположения охлаждающих пластин, при котором расстояние между двумя соседними охлаждающими пластинами одинаково в пределах ±10%, при этом каждая охлаждающая пластина предпочтительно является по существу плоской и имеет подушкообразную форму.The invention also describes the possibility of using a parallel arrangement of cooling plates, in which the distance between two adjacent cooling plates is the same within ±10%, with each cooling plate preferably being substantially flat and having a pillow shape.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения используют дополнительное устройство для подачи предварительно нагретого технологического газа, поступающего, например, из внутреннего или внешнего пускового нагревателя к катализатору, загруженному в цилиндрические каталитические модули. Такое устройство, именуемое газовой системой с прямым впуском, может эффективно обеспечивать восстановление активности катализатора в ходе запуска конвертера. Указанная газовая система с прямым впуском выполнена с возможностью обхода внешнего кольцевого пространства, расположенного между внешней силовой оболочкой и цилиндрическими каталитическими модулями. Это позволяет подавать предварительно нагретый технологический газ во время восстановления активности катализатора, в противном случае расчетная температура или давление были бы превышены. Без системы прямого впуска газа возможный уровень температуры катализатора во многих случаях будет ограничен из-за вышеупомянутой расчетной температуры, что приведет к длительному и неэффективному периоду восстановления.In accordance with another embodiment of the invention, an additional device is used to supply preheated process gas coming from, for example, an internal or external start-up heater to the catalyst loaded in the cylindrical catalyst modules. Such a device, referred to as a direct inlet gas system, can effectively restore catalyst activity during converter start-up. Said direct inlet gas system is configured to bypass the outer annular space located between the outer power shell and the cylindrical catalytic modules. This allows preheated process gas to be supplied during catalyst recovery, otherwise design temperature or pressure would be exceeded. Without a direct gas injection system, the possible temperature level of the catalyst will in many cases be limited due to the aforementioned design temperature, resulting in a long and inefficient recovery period.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения газовую систему с прямым впуском также используют для подачи свежего, предварительно не нагретого технологического газа в катализатор, содержащийся в цилиндрических каталитических модулях при нормальном эксплуатационном режиме конвертера, т.е. после первоначального восстановления активности катализатора. Поток технологического газа через систему прямого впуска газа может контролироваться с помощью одного или более клапанов, расположенных снаружи конвертера. Эта система позволяет контролировать уровень температуры катализатора в нормальном эксплуатационном режиме. Например, в течение начального периода срока службы катализатора, когда активность катализатора максимальна, или в течение периодов пониженной нагрузки (с уменьшенным потоком подачи) в конвертере доля исходного газа, подаваемого через систему прямого впуска газа, может быть увеличена для охлаждения катализатора, который нагревается теплотой экзотермической реакции. Аналогичным образом, если катализатор дезактивируется и/или повышается нагрузка конвертера, доля подаваемого газа, направляемого через систему прямого впуска газа, может быть уменьшена, чтобы обеспечить улучшенный предварительный нагрев оставшейся части подаваемого газа, который проходит через внутрислойный теплообменник каждого каталитического модуля. Использование упомянутой системы прямого впуска газа для обоих сценариев, нагревание в течение периода восстановления активности катализатора и регулирование температуры во время нормального режима эксплуатации, обеспечивают оптимальное использование доступного объема преобразователя вместо проектирования внутренних частей преобразователя с двумя отдельными устройствами/системами для подачи предварительно нагретого и свежего не нагретого технологического газа соответственно.In accordance with yet another embodiment of the invention, a direct inlet gas system is also used to supply fresh, unpreheated process gas to the catalyst contained in the cylindrical catalyst modules during normal converter operating conditions, i. after the initial recovery of catalyst activity. The process gas flow through the direct gas inlet system can be controlled by one or more valves located outside the converter. This system allows the temperature level of the catalyst to be monitored during normal operating conditions. For example, during the initial period of catalyst life when catalyst activity is at its highest, or during periods of reduced load (with reduced feed flow) in the converter, the proportion of feed gas fed through the direct gas inlet system can be increased to cool the catalyst, which is heated by heat. exothermic reaction. Similarly, if the catalyst is deactivated and/or the converter load is increased, the proportion of feed gas directed through the direct gas inlet system can be reduced to provide improved preheating of the remainder of the feed gas that passes through the interlayer heat exchanger of each catalyst module. Using said direct gas injection system for both scenarios, heating during the catalyst reactivation period and controlling the temperature during normal operation, makes optimal use of the available converter volume instead of designing the converter internals with two separate devices/systems for supplying preheated and fresh oil. heated process gas, respectively.
В отличие от предшествующего уровня техники неожиданно было обнаружено, что изобретение, в котором используют осевой поток в каталитической(их) зоне(ах) параллельно функционирующих модулей, позволяет предпочтительно размещать охлаждающие пластины параллельно внутри охлаждаемой каталитической зоны. Это важное решение обеспечивает одинаковую толщину слоя катализатора, расположенного между двумя соседними охлаждающими пластинами из-за предпочтительной конфигурации параллельных охлаждающих пластин. Это обеспечивает равномерное охлаждение катализатора в охлаждаемой каталитической зоне и, следовательно, улучшенные условия реакции и каталитическую эффективность по сравнению с условиями реакции в соответствии с известным уровнем техники.In contrast to the prior art, it has surprisingly been found that the invention, which uses axial flow in the catalytic zone(s) of modules operating in parallel, makes it possible to preferentially arrange the cooling plates in parallel within the cooled catalytic zone. This important decision ensures the same thickness of the catalyst layer located between two adjacent cooling plates due to the preferred configuration of parallel cooling plates. This provides uniform cooling of the catalyst in the cooled catalytic zone and hence improved reaction conditions and catalytic efficiency compared to the reaction conditions according to the prior art.
Еще одно усовершенствование, предоставляемое настоящим изобретением, относится к тому, что описанная комбинация i) параллельно функционирующих каталитических модулей, ii) осевого потока через зоны катализатора и iii) предварительного нагрева исходного газа с помощью внутреннего теплообмена в охлаждаемой каталитической зоне обеспечивает возможность загрузки значительно большего количества катализатора в силовую оболочку данной химической установки. Таким образом, новое изобретение обеспечивает более эффективное использование доступного объема силовой оболочки. Сочетание улучшенной каталитической эффективности, обеспечиваемой при постоянной толщине слоя катализатора из-за параллельных охлаждающих пластин, и большего объема загрузки катализатора позволяет достигнуть дополнительного синергетического эффекта в отношении максимальной производительности, возможной в силовой оболочке фиксированного размера. Это имеет первостепенное значение при реконструкции, когда важнее всего увеличить производительность при замене конвертера и одновременно при сохранении существующей силовой оболочки.Another improvement provided by the present invention relates to the fact that the described combination of i) parallel functioning catalyst modules, ii) axial flow through the catalyst zones and iii) preheating of the feed gas using internal heat exchange in the cooled catalytic zone provides the ability to load significantly more catalyst into the power shell of this chemical plant. Thus, the new invention provides a more efficient use of the available volume of the force shell. The combination of the improved catalytic efficiency provided by a constant catalyst bed thickness due to the parallel cooling plates and the larger catalyst loading volume allows for an additional synergistic effect in terms of the maximum performance possible in a fixed size power sheath. This is of paramount importance during refurbishment, when it is most important to increase productivity by replacing the converter and at the same time retaining the existing power shell.
- 3 041161- 3 041161
Другое преимущество изобретения состоит в том, что несмотря на осевой поток через все зоны катализатора общий перепад давления в конвертере может поддерживаться на уровне 1 кг/см2 или менее.Another advantage of the invention is that, despite axial flow through all catalyst zones, the overall pressure drop across the converter can be maintained at 1 kg/cm 2 or less.
Это возможно из-за того, что при такой выбранной параллельной конфигурации потока в модулях скорость газа в каталитических зонах снижается.This is possible due to the fact that with such a selected parallel flow configuration in the modules, the gas velocity in the catalytic zones is reduced.
Кроме того, описанный способ, при котором свежий технологический газ подают из наружного кольцевого пространства, расположенного между внешней силовой оболочкой и цилиндрическими каталитическими модулями, во внутрислойный теплообменник, является эффективным и целесообразным решением для охлаждения силовой оболочки, расчетная температура для которой зачастую является низкой, и поэтому силовая оболочка должна быть защищена от тепла экзотермической реакции, происходящей в каталитических зонах параллельно функционирующим каталитическим модулям.In addition, the described method, in which fresh process gas is supplied from the outer annular space located between the outer power shell and the cylindrical catalytic modules, to the intralayer heat exchanger, is an effective and efficient solution for cooling the power shell, the design temperature for which is often low, and therefore, the power shell must be protected from the heat of the exothermic reaction occurring in the catalytic zones in parallel to the functioning of the catalytic modules.
Другим важным признаком изобретения является то, что размер модулей, функционирующих параллельно, может с легкостью быть изменен просто путем изменения количества модулей для данной химической установки в соответствии с необходимой производительностью. Изобретение позволяет осуществлять загрузку катализатора вне силовой оболочки и устанавливать модули меньшей массы с предварительно загруженным катализатором непосредственно в силовую оболочку. Это объясняет необычайную ценность предлагаемых преимуществ, касающихся сокращения времени простоя в результате сокращения времени, необходимого для загрузки катализатора, и времени установки оборудования, что обеспечивается расположением каталитических модулей, которые находятся один над одним.Another important feature of the invention is that the size of the modules operating in parallel can easily be changed simply by changing the number of modules for a given chemical plant according to the required throughput. EFFECT: invention makes it possible to load the catalyst outside the power shell and install smaller mass modules with a preloaded catalyst directly into the power shell. This explains the extraordinary value of the downtime reduction benefits offered by the reduction in catalyst loading time and equipment set-up time provided by one-on-one arrangement of catalyst modules.
Наконец, изобретение обеспечивает меньшую вертикальную высоту слоя катализатора за счет увеличения количества каталитических модулей, что значительно уменьшает воздействие каталитических сил на механические элементы и уменьшает опасность возникновения неисправностей.Finally, the invention provides a lower vertical height of the catalyst bed by increasing the number of catalyst modules, which significantly reduces the effect of catalytic forces on mechanical elements and reduces the risk of malfunctions.
Еще одним важным преимуществом меньшей высоты слоя катализатора является упрощение выгрузки катализатора.Another important advantage of the lower catalyst bed height is the simplification of catalyst unloading.
В общих чертах настоящее изобретение имеет следующие аспекты и признаки.In general terms, the present invention has the following aspects and features.
1. Способ осуществления экзотермических реакций, включающий этапы подачи свежего технологического газа параллельно по меньшей мере двум цилиндрическим каталитическим модулям, уложенным в штабель, каждый из которых содержит одну или более расположенных последовательно каталитических зон, причем по меньшей мере одну из каталитических зон охлаждают с помощью внутрислойного теплообменника;1. A method for carrying out exothermic reactions, comprising the steps of supplying fresh process gas in parallel to at least two stacked cylindrical catalyst modules, each of which contains one or more sequential catalytic zones, and at least one of the catalytic zones is cooled using an intralayer heat exchanger;
экзотермической реакции свежего технологического газа, протекающего в осевом направлении через все каталитические зоны, с получением газообразного продукта;exothermic reaction of fresh process gas flowing axially through all catalytic zones to produce a gaseous product;
охлаждения в каждом из цилиндрических каталитических модулей технологического газа, участвующего в экзотермической реакции, с помощью свежего технологического газа с осуществлением тем самым предварительного нагрева свежего технологического газа путем подачи свежего технологического газа из внешнего кольцевого пространства, образованного вокруг каждого из цилиндрических каталитических модулей, во внутрислойный теплообменник и подачи свежего технологического газа через внутрислойный теплообменник при непрямом теплообмене с предварительно нагретым технологическим газом, участвующим в экзотермической реакции, который поступает в осевом направлении через охлаждаемую каталитическую зону; и сбора газообразного продукта, отведенного из по меньшей мере двух каталитических модулей в центральном пространстве, образованном по центру внутри по меньшей мере двух уложенных в штабель каталитических модулей.cooling in each of the cylindrical catalytic modules of the exothermic process gas with fresh process gas, thereby preheating the fresh process gas by supplying fresh process gas from the outer annulus formed around each of the cylindrical catalytic modules to the interlayer heat exchanger and supplying fresh process gas through the interlayer heat exchanger in indirect heat exchange with the preheated process gas involved in the exothermic reaction, which enters in the axial direction through the cooled catalytic zone; and collecting the product gas withdrawn from the at least two catalyst modules in a central space formed centrally within the at least two stacked catalyst modules.
2. Способ по признаку 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из соединенных последовательно каталитических зон представляет собой адиабатическую каталитическую зону.2. Method according to feature 1, characterized in that at least one of the catalytic zones connected in series is an adiabatic catalytic zone.
3. Способ по признаку 1, отличающийся тем, что технологический газ из одиночной охлаждаемой каталитической зоны последовательно подают через одиночную адиабатическую каталитическую зону.3. The method according to feature 1, characterized in that the process gas from a single cooled catalytic zone is sequentially fed through a single adiabatic catalytic zone.
4. Способ по любому из признаков 1-3, отличающийся тем, что внутрислойный теплообменник содержит множество охлаждающих пластин, образующих проточные секции для свежего технологического газа во внутрислойном теплообменнике.4. A method according to any one of the features 1-3, characterized in that the intralayer heat exchanger comprises a plurality of cooling plates forming fresh process gas flow sections in the intralayer heat exchanger.
5. Способ по признаку 4, отличающийся тем, что толщина охлаждаемого слоя катализатора между двумя соседними охлаждающими пластинами варьируется в пределах ±10%.5. The method according to feature 4, characterized in that the thickness of the cooled catalyst layer between two adjacent cooling plates varies within ±10%.
6. Способ по признаку 5, отличающийся тем, что толщина охлаждаемого слоя катализатора между двумя соседними охлаждающими пластинами составляет 10-300 мм.6. The method according to feature 5, characterized in that the thickness of the cooled catalyst layer between two adjacent cooling plates is 10-300 mm.
7. Способ по признаку 6, отличающийся тем, что толщина охлаждаемого слоя катализатора между двумя соседними охлаждающими пластинами составляет 20-150 мм.7. The method according to feature 6, characterized in that the thickness of the cooled catalyst layer between two adjacent cooling plates is 20-150 mm.
8. Способ по любому из признаков 5-7, отличающийся тем, что каждая из охлаждающих пластин является практически плоской.8. Method according to any of the features 5-7, characterized in that each of the cooling plates is substantially flat.
9. Способ по любому из признаков 5-8, отличающийся тем, что охлаждающие пластины расположены в трех секциях с температурой 120° в цилиндрических каталитических модулях, при этом все охлаждающие пластины в каждой секции с температурой 120° являются практически плоскими и параллельными.9. The method according to any of the features 5-8, characterized in that the cooling plates are located in three sections with a temperature of 120° in cylindrical catalytic modules, while all the cooling plates in each section with a temperature of 120° are practically flat and parallel.
10. Способ по признаку 9, отличающийся тем, что практически плоские охлаждающие пластины в10. The method according to feature 9, characterized in that the substantially flat cooling plates in
- 4 041161 любой из трех секций с температурой 120° не являются параллельными практически плоским охлаждающим пластинам в другой секции.- 4 041161 any of the three 120° temperature sections are not parallel to the substantially flat cooling plates in the other section.
11. Способ по любому из признаков 1-10, отличающийся тем, что свежий технологический газ подают через внутрислойный теплообменник в противоположном направлении или параллельно направлению потока технологического газа, подаваемого через каталитические зоны в каждом из цилиндрических каталитических модулей.11. A method according to any one of the features 1-10, characterized in that the fresh process gas is supplied through the intralayer heat exchanger in the opposite direction or parallel to the direction of the process gas flow supplied through the catalyst zones in each of the cylindrical catalyst modules.
12. Способ по любому из признаков 1-11, отличающийся тем, что свежий технологический газ подают через внутрислойный теплообменник противоположно направлению потока технологического газа, подаваемого через каталитические зоны в каждом из цилиндрических каталитических модулей.12. A method according to any one of the features 1-11, characterized in that the fresh process gas is fed through the intralayer heat exchanger opposite to the flow direction of the process gas supplied through the catalytic zones in each of the cylindrical catalyst modules.
13. Способ по любому из признаков 1-12, отличающийся тем, что цилиндрические каталитические модули имеют одинаковый размер.13. A method according to any of the features 1-12, characterized in that the cylindrical catalyst modules are of the same size.
14. Реактор для осуществления экзотермических реакций, содержащий внутри цилиндрической силовой оболочки по меньшей мере два функционирующих параллельно цилиндрических каталитических модуля, уложенных в штабель, каждый из которых содержит одну или более расположенных последовательно каталитических зон со слоем катализатора, предназначенных для осевого течения, причем слой катализатора в по меньшей мере одной из каталитических зон охлаждается с помощью внутрислойного теплообменника;14. A reactor for carrying out exothermic reactions, containing inside a cylindrical power shell at least two cylindrical catalytic modules operating in parallel, stacked, each of which contains one or more consecutive catalytic zones with a catalyst layer, designed for axial flow, and the catalyst layer in at least one of the catalytic zones is cooled using an intralayer heat exchanger;
вне шнее кольцевое пространство между цилиндрическими каталитическими модулями и цилиндрической силовой оболочкой, находящееся в жидкостном соединении с по меньшей мере двумя параллельными цилиндрическими каталитическими модулями;an outer annulus between the cylindrical catalyst modules and the cylindrical power shell in fluid communication with at least two parallel cylindrical catalyst modules;
уст ройство подачи для подачи свежего технологического газа во входное отверстие внутрислойного теплообменника в по меньшей мере одной охлаждаемой зоне катализатора, находящееся в жидкостном соединении с внешним кольцевым пространством;a feeder for supplying fresh process gas to the inlet of the intralayer heat exchanger in at least one cooled zone of the catalyst, in fluid communication with the outer annulus;
вых одное отверстие внутрислойного теплообменника, образованное открытыми концами внутрислойного теплообменника в по меньшей мере одной охлаждаемой зоне катализатора;the exit one opening of the intralayer heat exchanger formed by the open ends of the intralayer heat exchanger in at least one cooled zone of the catalyst;
крышки, закрывающие по меньшей мере два параллельных цилиндрических каталитических модуля; и выпускное устройство из по меньшей мере двух параллельных цилиндрических каталитических модулей.lids covering at least two parallel cylindrical catalytic modules; and an outlet of at least two parallel cylindrical catalyst modules.
15. Реактор по признаку 14, отличающийся тем, что выпускное устройство из по меньшей мере двух параллельных цилиндрических каталитических модулей расположено в центральном пространстве, образованном по центру внутри по меньшей мере двух уложенных в штабель каталитических модулей.15. The reactor of feature 14, characterized in that the outlet of at least two parallel cylindrical catalytic modules is located in a central space formed centrally within at least two stacked catalytic modules.
16. Реактор по признаку 14 или 15, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из расположенных последовательно каталитических зон представляет собой адиабатическую каталитическую зону.16. The reactor according to feature 14 or 15, characterized in that at least one of the catalytic zones arranged in series is an adiabatic catalytic zone.
17. Реактор по любому из признаков 14-16, имеющий одиночную охлаждаемую каталитическую зону, последовательно соединенную с одиночной адиабатической каталитической зоной.17. The reactor according to any of the features 14-16, having a single cooled catalytic zone connected in series with a single adiabatic catalytic zone.
18. Реактор по любому из признаков 14-17, отличающийся тем, что внутрислойный теплообменник представляет собой пластинчатый теплообменник с множеством охлаждающих пластин, образующих проточные секции для свежего технологического газа во внутрислойном теплообменнике.18. Reactor according to any of the features 14-17, characterized in that the intralayer heat exchanger is a plate heat exchanger with a plurality of cooling plates forming fresh process gas flow sections in the intralayer heat exchanger.
19. Реактор по признаку 17, отличающийся тем, что толщина охлаждаемого слоя катализатора между двумя соседними охлаждающими пластинами варьируется в пределах ±10%.19. Reactor according to feature 17, characterized in that the thickness of the cooled catalyst layer between two adjacent cooling plates varies within ±10%.
20. Реактор по признаку 19, отличающийся тем, что толщина охлаждаемого слоя катализатора между двумя соседними охлаждающими пластинами составляет 10-300 мм.20. Reactor according to feature 19, characterized in that the thickness of the cooled catalyst layer between two adjacent cooling plates is 10-300 mm.
21. Реактор по признаку 19, отличающийся тем, что толщина охлаждаемого слоя катализатора между двумя соседними охлаждающими пластинами составляет 20-150 мм.21. Reactor according to feature 19, characterized in that the thickness of the cooled catalyst layer between two adjacent cooling plates is 20-150 mm.
22. Реактор по любому из признаков 18-21, отличающийся тем, что каждая из охлаждающих пластин является практически плоской.22. Reactor according to any of the features 18-21, characterized in that each of the cooling plates is substantially flat.
23. Реактор по любому из признаков 18-22, отличающийся тем, что охлаждающие пластины расположены в трех секциях с температурой 120° в цилиндрических каталитических модулях, при этом все охлаждающие пластины в каждой секции с температурой 120° являются практически плоскими и параллельными.23. The reactor according to any of the features 18-22, characterized in that the cooling plates are located in three sections with a temperature of 120° in cylindrical catalytic modules, while all the cooling plates in each section with a temperature of 120° are practically flat and parallel.
24. Реактор по признакам 18-22, отличающийся тем, что охлаждающие пластины расположены в трех секциях с температурой 120° в цилиндрических каталитических модулях, при этом практически плоские охлаждающие пластины в любой из трех секций с температурой 120° не являются параллельными практически плоским охлаждающим пластинам в другой секции.24. The reactor according to features 18-22, characterized in that the cooling plates are located in three sections with a temperature of 120 ° in cylindrical catalytic modules, while the practically flat cooling plates in any of the three sections with a temperature of 120 ° are not parallel to the practically flat cooling plates in another section.
25. Реактор по любому из признаков 14-24, отличающийся тем, что цилиндрические каталитические модули имеют одинаковый размер.25. Reactor according to any of the features 14-24, characterized in that the cylindrical catalytic modules are of the same size.
26. Реактор по любому из признаков 17-25, отличающийся тем, что охлаждающие пластины имеют подушкообразную форму.26. Reactor according to any one of the features 17-25, characterized in that the cooling plates are pillow-shaped.
27. Реактор по любому из признаков 14-26, отличающийся тем, что входное отверстие внутрислойного теплообменника снабжено устройством подачи газа, находящимся в жидкостном соединении с27. The reactor according to any of the signs 14-26, characterized in that the inlet of the intralayer heat exchanger is equipped with a gas supply device in liquid connection with
- 5 041161 внешним кольцевым пространством.- 5 041161 outer annulus.
28. Реактор по любому из признаков 14-27, отличающийся тем, что выпускное устройство из самой нижней каталитической зоны в каждом из по меньшей мере двух функционирующих параллельно цилиндрических каталитических модулей находится в жидкостном соединении с центральным пространством, образованным по центру внутри по меньшей мере двух уложенных в штабель каталитических модулей.28. The reactor according to any one of the signs 14-27, characterized in that the outlet from the lowermost catalytic zone in each of at least two cylindrical catalytic modules operating in parallel is in fluid connection with a central space formed centrally inside at least two stacked catalytic modules.
29. Реактор по любому из признаков 14-28, отличающийся тем, что реактор содержит дополнительное входное устройство подачи для подачи дополнительного потока предварительно нагретого технологического газа.29. The reactor according to any of the features 14-28, characterized in that the reactor includes an additional inlet feeder for supplying an additional stream of preheated process gas.
30. Реактор по признаку 29, отличающийся тем, что устройство для подачи дополнительного потока предварительно нагретого технологического газа выполнено с возможностью подачи газа в обвод внешнего кольцевого пространства и внутрислойного теплообменника.30. The reactor according to feature 29, characterized in that the device for supplying an additional stream of preheated process gas is configured to supply gas to the bypass of the outer annular space and the intralayer heat exchanger.
31. Реактор по любому из признаков 14-30, отличающийся тем, что реактор содержит устройство для подачи дополнительного потока свежего технологического газа.31. The reactor according to any of the features 14-30, characterized in that the reactor includes a device for supplying an additional stream of fresh process gas.
32. Реактор по признаку 30, отличающийся тем, что устройство для подачи дополнительного потока свежего технологического газа выполнено с возможностью подачи газа в обвод внешнего кольцевого пространства и внутрислойного теплообменника.32. The reactor according to feature 30, characterized in that the device for supplying an additional flow of fresh process gas is configured to supply gas to the bypass of the outer annular space and the intralayer heat exchanger.
Признаки и преимущества изобретения более понятны из описания чертежей и частных вариантов осуществления, приведенных ниже.The features and advantages of the invention will be better understood from the description of the drawings and particular embodiments below.
Описание чертежейDescription of drawings
На фиг. 1A, 1B приведен вид в разрезе каталитического конвертера с тремя расположенными друг над другом цилиндрическими каталитическими модулями, функционирующими параллельно в общей силовой оболочке.In FIG. 1A, 1B is a sectional view of a catalytic converter with three stacked cylindrical catalytic modules operating in parallel in a common power shell.
На фиг. 2А-2С приведены три примера теплообменных блоков, из которых может быть составлен внутрислойный теплообменник.In FIG. 2A-2C show three examples of heat exchange units from which an interlamellar heat exchanger can be composed.
На фиг. 2D и 2Е показаны примеры типов охлаждающих пластин, из которых может быть составлен теплообменный блок.In FIG. 2D and 2E show examples of the types of cold plates that a heat exchange unit can be made up of.
На фиг. 3А приведен пример вида в разрезе цилиндрического каталитического модуля, содержащего охлаждаемую каталитическую зону и внутрислойный теплообменник. Изображенный на этой фигуре внутрислойный теплообменник состоит из выровненных по вертикали параллельных охлаждающих пластин, расположенных внутри охлаждаемой каталитической зоны.In FIG. 3A is an exemplary sectional view of a cylindrical catalyst module comprising a cooled catalyst zone and an interlayer heat exchanger. The interlayer heat exchanger depicted in this figure consists of vertically aligned parallel cooling plates located within a cooled catalytic zone.
На фиг. 3В приведен вид в разрезе цилиндрического каталитического модуля в соответствии с разрезом А-А на фиг. 3А. Аналогично на фиг. 3C приведен вид в разрезе двух цилиндрических каталитических модулей в соответствии с разрезом В-В на фиг. 3A.In FIG. 3B is a sectional view of a cylindrical catalytic module according to section A-A in FIG. 3A. Similarly in FIG. 3C is a sectional view of two cylindrical catalytic modules according to the B-B section of FIG. 3A.
На фиг. 4 показан вид в разрезе еще одного примера цилиндрического каталитического модуля, в котором расположены две адиабатические каталитические зоны, которые последовательно соединены с одиночной охлаждаемой каталитической зоной.In FIG. 4 is a sectional view of yet another example of a cylindrical catalyst module in which two adiabatic catalyst zones are located that are connected in series to a single cooled catalyst zone.
На фиг. 5А-5С показаны примеры возможных конфигураций охлаждающих пластин цилиндрических каталитических модулей, при которых внутрислойный теплообменник каждого модуля состоит из множества охлаждающих пластин.In FIG. 5A-5C show examples of possible configurations of the cooling plates of cylindrical catalyst modules, in which the intralayer heat exchanger of each module consists of a plurality of cooling plates.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
В соответствии с настоящим изобретением описывается способ осуществления экзотермических реакций, при котором технологический газ подают параллельно в по меньшей мере два цилиндрических каталитических модуля, которые уложены в штабель. На фиг. 1 приведен пример конфигурации сечения каталитического конвертера с тремя расположенными друг над другом цилиндрическими каталитическими модулями 1, функционирующими параллельно в общей силовой оболочке 3. На этой фигуре, свежий технологический газ 9 поступает в нижнюю часть силовой оболочки, затем идет вверх в осевом направлении и поступает во внешнее кольцевое пространство 2, расположенное между внешней силовой оболочкой 3 и цилиндрическими каталитическими модулями 1. Свежий технологический газ поступает в каждый из цилиндрических каталитических модулей, проходя в каждом модуле внутрислойный теплообменник (не показан), где осуществляют предварительное нагревание свежего технологического газа, а затем газ поступает в осевом направлении вниз через охлаждаемую каталитическую зону и при необходимости через одну или более адиабатических каталитических зон (зоны не показаны подробно). Газообразный продукт из самой нижней каталитической зоны каждого цилиндрического каталитического модуля подают в центральное пространство 4, образованное по центру внутри двух или более каталитических модулей, когда модули уложены в штабель внутри силовой оболочки. На этой фигуре комбинированный газообразный продукт 10 выводят из нижней части силовой оболочки конвертера.In accordance with the present invention, a method for carrying out exothermic reactions is described in which process gas is fed in parallel to at least two cylindrical catalyst modules that are stacked. In FIG. 1 shows an example of a cross-sectional configuration of a catalytic converter with three cylindrical catalytic modules 1 arranged one above the other, operating in parallel in a common power shell 3. In this figure, fresh process gas 9 enters the lower part of the power shell, then goes up in the axial direction and enters an outer annular space 2 located between the outer power shell 3 and the cylindrical catalytic modules 1. Fresh process gas enters each of the cylindrical catalytic modules, passing in each module an intralayer heat exchanger (not shown), where the fresh process gas is preheated, and then the gas enters axially downward through the cooled catalytic zone and optionally through one or more adiabatic catalytic zones (zones not shown in detail). The gaseous product from the lowest catalytic zone of each cylindrical catalytic module is fed into a central space 4 formed centrally within two or more catalytic modules when the modules are stacked inside the power shell. In this figure, the combined gaseous product 10 is withdrawn from the bottom of the converter power shell.
На фиг. 2 приведены три примера теплообменных блоков 11, из которых может быть составлен внутрислойный теплообменник. На фиг. 2А представлен один пример, где каждый теплообменный блок 11 состоит из устройства 5 подачи и охлаждающей пластины 6. На фиг. 2В показан тот же принцип, что и на фиг. 2А, с устройством 5 подачи, однако в этом случае теплообменный блок 11 содержит охлаждающую пластину 12 в виде ряда более узких частей. На фиг. 2С представлен третий пример теплообменного бло- 6 041161 ка 11, в котором устройство 5 подачи соединено с охлаждающими трубами 13. В каждом случае, изображенном на фиг. 2А-2С, устройство 5 подачи, расположенное в нижней части каждого теплообменного блока 11, обеспечивает равномерное распределение свежего технологического газа по ширине охлаждающей пластины 6, после чего свежий технологический газ поступает через теплообменник 11 вверх в осевом направлении.In FIG. 2 shows three examples of heat exchange units 11 from which an interlayer heat exchanger can be composed. In FIG. 2A shows one example where each heat exchange unit 11 consists of a feeder 5 and a cooling plate 6. In FIG. 2B shows the same principle as in FIG. 2A with a supply device 5, however, in this case, the heat exchange unit 11 comprises a cooling plate 12 in a series of narrower parts. In FIG. 2C shows a third example of a heat exchange unit 11 in which a feeder 5 is connected to cooling pipes 13. In each case shown in FIG. 2A-2C, a supply device 5 located at the bottom of each heat exchange unit 11 ensures that fresh process gas is uniformly distributed across the width of the cooling plate 6, after which the fresh process gas flows through the heat exchanger 11 upward in the axial direction.
Изобретение не ограничено приведенными выше примерами теплообменных блоков, изображенных на фиг. 2А-2С. Могут также использоваться и другие конфигурации, помимо охлаждающих пластин 6, охлаждающих пластин 12 в виде ряда более узких частей или охлаждающих труб 13, а устройство 5 подачи в качестве альтернативы может размещаться над ними, чтобы внутри каждого теплообменного блока 11 поток свежего технологического газа поступал вниз в осевом направлении. На фиг. 2D и 2Е показаны примеры типов охлаждающих пластин, из которых может быть составлен теплообменный блок. Охлаждающая пластина 6, изображенная на фиг. 2D и 2Е, относится к типу подушечной пластины. На фиг. 2D указана линия 19 симметрии.The invention is not limited to the above examples of heat exchange units shown in FIG. 2A-2C. Configurations other than cooling plates 6, cooling plates 12 as a series of narrower sections or cooling tubes 13 can also be used, and alternatively the supply device 5 can be placed above them so that inside each heat exchange unit 11 the flow of fresh process gas flows downwards. in the axial direction. In FIG. 2D and 2E show examples of the types of cold plates that a heat exchange unit can be made up of. The cooling plate 6 shown in FIG. 2D and 2E refers to the pillow plate type. In FIG. 2D shows the line 19 of symmetry.
На фиг. 3А приведен вид в разрезе цилиндрических каталитических модулей 1, содержащих охлаждаемую каталитическую зону 14. Внешнее кольцевое пространство 2 расположено между внешней силовой оболочкой 3 и цилиндрическим каталитическим модулем 1. Внутрислойный теплообменник, состоящий из выровненных по вертикали параллельных охлаждающих пластин 6 и устройства подачи (не показано), расположен внутри охлаждаемой каталитической зоны 14. На фиг. 3А стрелки, направленные внутрь на охлаждающих пластинах, обозначают поток свежего технологического газа из наружного кольцевого пространства 2 во внутрислойный теплообменник.In FIG. 3A is a sectional view of cylindrical catalytic modules 1 containing a cooled catalytic zone 14. The outer annulus 2 is located between the outer power shell 3 and the cylindrical catalytic module 1. An intralayer heat exchanger consisting of vertically aligned parallel cooling plates 6 and a feeder (not shown ) is located within the cooled catalytic zone 14. In FIG. 3A, arrows pointing inward on the cooling plates indicate the flow of fresh process gas from the outer annulus 2 to the interlayer heat exchanger.
На фиг. 3B приведен вид в разрезе цилиндрического каталитического модуля в соответствии с разрезом А-А на фиг. 3А. На этом виде показано, что модуль состоит из охлаждаемой каталитической зоны 14, соединенной последовательно с адиабатической каталитической зоной 15, расположенной ниже охлаждаемой каталитической зоны. Свежий технологический газ подают во внутрислойный теплообменник через устройство 5 подачи. В этом примере по изобретению свежий технологический газ поступает в осевом направлении вверх через охлаждающие пластины, при этом этот поток поступает в направлении, противоположном направлению осевого нисходящего потока в охлаждаемой каталитической зоне 14. Каталитическую зону 14 охлаждают за счет теплообмена со свежим технологическим газом, проходящим через охлаждающие пластины 6. Технологический газ из охлаждаемой каталитической зоны, прошедший частичную конверсию, последовательно поступает в адиабатическую каталитическую зону 15 каталитического модуля 1, где осуществляют его дальнейшую конверсию с получением газообразного продукта.In FIG. 3B is a sectional view of a cylindrical catalytic module according to section A-A in FIG. 3A. This view shows that the module consists of a refrigerated catalytic zone 14 connected in series with an adiabatic catalytic zone 15 located below the refrigerated catalytic zone. Fresh process gas is supplied to the intralayer heat exchanger through the supply device 5 . In this example of the invention, fresh process gas flows axially upward through the cooling plates, with this flow in the opposite direction of the axial downward flow in the cooled catalytic zone 14. The catalytic zone 14 is cooled by heat exchange with fresh process gas passing through cooling plates 6. Process gas from the cooled catalytic zone, which has undergone partial conversion, sequentially enters the adiabatic catalytic zone 15 of the catalytic module 1, where it is further converted to obtain a gaseous product.
На фиг. 3C приведен вид в разрезе двух цилиндрических каталитических модулей в соответствии с разрезом В-В на фиг. 3А. Свежий технологический газ подают из внешнего кольцевого пространства 2 в теплообменные блоки 11, каждый из которых состоит из устройства 5 подачи и охлаждающей пластины 6. При прохождении через устройство 5 подачи свежий технологический газ равномерно распределяется по ширине охлаждающей пластины 6. Затем свежий технологический газ поступает в осевом направлении вверх через охлаждающие пластины, при этом происходит предварительное нагревание технологического газа вследствие того, что газ поглощает часть теплоты экзотермической реакции, которая проходит в охлаждаемой каталитической зоне 14, которая расположена между охлаждающими пластинами 6. В этом примере предварительно нагретый свежий технологический газ покидает охлаждающие пластины в верхней части, поворачивает и поступает в осевом направлении вниз через первую зону 14 с газовым охлаждением, а затем адиабатическую каталитическую зону 15 до подачи в центральное пространство 4, откуда он течет к выходу конвертера (не показан). Также показана газовая система 7 с прямым впуском, которая служит для подачи предварительно нагретого технологического газа к катализатору, загруженному в каталитические модули 1 во время восстановления активности катализатора, и/или для подачи свежего, не нагретого технологического газа в верхнюю зону катализатора 14, что позволяет контролировать уровень температуры катализатора при нормальном режиме эксплуатации. Эта газовая система 7 с прямым впуском выполнена с возможностью подачи газа в обвод внешнего кольцевого пространства 2, и, таким образом, это позволяет избежать превышения расчетной температуры силовой оболочки 3 во время восстановления активности катализатора.In FIG. 3C is a sectional view of two cylindrical catalytic modules according to the B-B section of FIG. 3A. Fresh process gas is supplied from the outer annular space 2 to the heat exchange units 11, each of which consists of a supply device 5 and a cooling plate 6. As it passes through the supply device 5, the fresh process gas is evenly distributed across the width of the cooling plate 6. The fresh process gas then enters axially upward through the cooling plates, the process gas being preheated due to the fact that the gas absorbs part of the heat of the exothermic reaction that takes place in the cooled catalytic zone 14, which is located between the cooling plates 6. In this example, the preheated fresh process gas leaves the cooling plate at the top, rotates and flows axially downward through the first gas-cooled zone 14 and then the adiabatic catalytic zone 15 before entering the central space 4 from where it flows to the outlet of the converter (not shown). Also shown is a direct inlet gas system 7 which serves to supply preheated process gas to the catalyst loaded in the catalyst modules 1 during catalyst reactivation and/or to supply fresh, unheated process gas to the upper catalyst zone 14, thereby allowing monitor the temperature level of the catalyst during normal operation. This direct inlet gas system 7 is configured to supply gas to the bypass of the outer annulus 2 and thus avoids the design temperature of the power sheath 3 being exceeded during catalyst reactivation.
На фиг. 4 показана другая конфигурация, которая входит в объем изобретения. В этом случае каталитический модуль 1 помещают внутри силовой оболочки 3, причем этот каталитический модуль содержит верхнюю адиабатическую каталитическую зону 16, соединенную последовательно с охлаждаемой каталитической зоной 17, с которой последовательно соединена еще одна нижняя адиабатическая каталитическая зона 18. Из внешнего кольцевого пространства 2 свежий технологический газ поступает в устройство 5 подачи, где он равномерно распределяется по ширине охлаждающей пластины 6. В отличие от фиг. 3 свежий технологический газ на фиг. 4 нагревают, когда его подают в осевом направлении вниз через охлаждающую пластину 6. Для подачи газа к катализатору предусмотрено транспортное устройство 8 с возможностью подачи предварительно нагретого свежего технологического газа из выходного отверстия охлаждающей пластины в верхнюю адиабатическую каталитическую зону 16. В настоящем примере поток свежего технологического газа внутри охлаждающей пластины 6 направляется в том же на- 7 041161 правлении, что и поток технологического газа в охлаждаемой каталитической зоне 17.In FIG. 4 shows another configuration that is within the scope of the invention. In this case, the catalytic module 1 is placed inside the power shell 3, and this catalytic module contains an upper adiabatic catalytic zone 16 connected in series with a cooled catalytic zone 17, with which another lower adiabatic catalytic zone 18 is connected in series. From the outer annular space 2 fresh technological the gas enters the feeder 5 where it is evenly distributed across the width of the cooling plate 6. In contrast to FIG. 3 fresh process gas in FIG. 4 is heated as it is fed axially downward through the cooling plate 6. To supply the gas to the catalyst, a transport device 8 is provided with the possibility of supplying preheated fresh process gas from the cooling plate outlet to the upper adiabatic catalytic zone 16. In the present example, the fresh process stream gas inside the cooling plate 6 is directed in the same direction as the process gas flow in the cooled catalytic zone 17.
Наконец, на фиг. 5А-5С показаны частные варианты осуществления изобретения. На каждой фигуре показан цилиндрический каталитический модуль 1, включающий охлаждаемую каталитическую зону и внутрислойный теплообменник, состоящий из выровненных по вертикали параллельных охлаждающих пластин 6 и устройства подачи (не показано). Внешнее кольцевое пространство 2 расположено между внешней силовой оболочкой 3 и цилиндрическим каталитическим модулем 1. Более подробно на фиг. 5А показаны охлаждающие пластины, которые имеют форму цилиндра, с равным расстоянием между находящимися рядом пластинами. На фиг. 5В охлаждающие пластины расположены в четырех секциях с температурой 90° в цилиндрическом каталитическом модуле 1, при этом все охлаждающие пластины в каждой секции с температурой 90° являются плоскими и параллельными. На фиг. 5 С охлаждающие пластины расположены в трех секциях с температурой 120° в цилиндрическом каталитическом модуле 1, при этом все охлаждающие пластины в каждой секции с температурой 120° являются плоскими и параллельными. Во всех трех случаях толщина слоя катализатора, расположенного между двумя соседними охлаждающими пластинами, является постоянной, что обеспечивается предпочтительным вариантом конфигурации параллельных охлаждающих пластин. Это обеспечивает более равномерное охлаждение катализатора в охлаждаемой каталитической зоне и, следовательно, улучшенные условия реакции и каталитическую эффективность по сравнению с условиями реакции в соответствии с известным уровнем техники.Finally, in FIG. 5A-5C show particular embodiments of the invention. Each figure shows a cylindrical catalytic module 1 including a cooled catalytic zone and an interlayer heat exchanger consisting of vertically aligned parallel cooling plates 6 and a feeder (not shown). The outer annular space 2 is located between the outer force shell 3 and the cylindrical catalytic module 1. In more detail in FIG. 5A shows cooling plates which are cylindrical in shape with equal spacing between adjacent plates. In FIG. 5B, the cooling plates are arranged in four 90° sections in the cylindrical catalytic module 1, with all of the cooling plates in each 90° section flat and parallel. In FIG. 5C, the cooling plates are arranged in three 120° sections in the cylindrical catalytic module 1, with all of the cooling plates in each 120° section being flat and parallel. In all three cases, the thickness of the catalyst layer located between two adjacent cooling plates is constant, which is provided by the preferred configuration of parallel cooling plates. This provides more uniform cooling of the catalyst in the cooled catalytic zone and hence improved reaction conditions and catalytic efficiency compared to prior art reaction conditions.
ПримерExample
Было проведено исследование предлагаемой идеи изобретения в ходе синтеза аммиака в сопоставлении с известным уровнем техники, т.е. с конвертером радиальным потоком, поскольку в настоящее время такой конвертер является предпочтительным вариантом для промышленных установок по производству аммиака. В частности, способы изобретения сравнивались с трехслойным конвертером с радиальным потоком с двумя промежуточными теплообменниками для предварительного нагрева свежего технологического газа и для охлаждения между слоями катализатора.A study was made of the proposed idea of the invention during the synthesis of ammonia in comparison with the prior art, i.e. with a radial flow converter as it is currently the preferred option for commercial ammonia plants. In particular, the methods of the invention were compared with a three-layer radial flow converter with two intermediate heat exchangers for preheating fresh process gas and for cooling between catalyst beds.
Конвертер по настоящему изобретению был оборудован несколькими цилиндрическими каталитическими модулями, функционирующими параллельно, отрегулированными так, чтобы общий перепад давления в конвертере составлял менее 1 кг/см2. Каждый каталитический модуль состоял из охлаждаемой каталитической зоны, внутри которой был расположен внутрислойный теплообменник, при этом каталитическая зона была соединена последовательно с адиабатической каталитической зоной. В обеих каталитических зонах каждого каталитического модуля использовали осевой поток. Внутрислойный теплообменник каждого каталитического модуля состоял из параллельных охлаждающих пластин, обеспечивающих постоянную толщину слоя катализатора в охлаждаемой зоне катализатора. Оба типа конвертеров имели силовую оболочку одинакового размера. Кроме того, использовалось одинаковое давление в контуре, и в обоих случаях рассматривался один и тот же катализатор синтеза аммиака.The converter of the present invention was equipped with several cylindrical catalytic modules operating in parallel, adjusted so that the total pressure drop across the converter was less than 1 kg/cm 2 . Each catalytic module consisted of a cooled catalytic zone, within which was located an intralayer heat exchanger, while the catalytic zone was connected in series with the adiabatic catalytic zone. Axial flow was used in both catalytic zones of each catalytic module. The intralayer heat exchanger of each catalytic module consisted of parallel cooling plates, providing a constant thickness of the catalyst layer in the cooled zone of the catalyst. Both types of converters had a power shell of the same size. In addition, the same pressure in the circuit was used, and in both cases the same ammonia synthesis catalyst was considered.
Основные результаты представлены в таблице ниже.The main results are presented in the table below.
--
Claims (24)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DKPA201700733 | 2017-12-20 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA041161B1 true EA041161B1 (en) | 2022-09-20 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111556782B (en) | Method and reactor for carrying out an exothermic reaction | |
| US7371361B2 (en) | Maximum reaction rate converter system for exothermic reactions | |
| RU2753027C2 (en) | Reactor for conducting exothermic equilibrium reactions | |
| US4714592A (en) | Radial flow catalytic reactor including heat exchange apparatus within the bed | |
| US4482523A (en) | Ammonia synthesis converter | |
| US4735780A (en) | Ammonia synthesis converter | |
| US3372988A (en) | Process and apparatus for performing reactions in the gaseous phase | |
| CN111511463B (en) | Adiabatic axial flow converter | |
| EA041161B1 (en) | METHOD AND REACTOR FOR EXOTHERMAL REACTIONS | |
| KR102662121B1 (en) | Method and reactor for carrying out exothermic reaction | |
| US10329159B2 (en) | Axial-radial flow converter | |
| EA041640B1 (en) | COOLED CONVERTER WITH AXIAL FLOW | |
| KR102660387B1 (en) | Adiabatic axial flow converter | |
| EA041776B1 (en) | ADIABATIC CONVERTER WITH AXIAL FLOW | |
| BR112020012389B1 (en) | ADIABATIC AXIAL FLOW CONVERTER |