EA041640B1

EA041640B1 - COOLED CONVERTER WITH AXIAL FLOW

Info

Publication number: EA041640B1
Application number: EA202091529
Authority: EA
Inventors: Кристиан Хенрик Шпет; Пер Юуль Даль
Original assignee: Хальдор Топсёэ А/С
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2022-11-16

Description

Изобретение относится к охлаждаемому конвертеру с осевым потоком, в котором технологический газ поступает от внешнего кольцевого пространства во внутреннюю центральную трубу через слой катализатора, причем осуществляют конверсию технологического газа с получением продукта.The invention relates to an axial flow cooled converter in which process gas flows from the outer annular space into the inner central tube through a catalyst bed, wherein the process gas is converted to produce a product.

Конвертеры аммиака представляют собой сложные устройства из-за того, что, как уже упоминалось, синтез аммиака из азота и газообразного водорода (приблизительно в отношении 1:3) является экзотермической реакцией, которая проходит при высоких температурах и при высоком давлении. Таким образом, между несколькими каталитическими зонами, как правило, используют промежуточное охлаждение для поддержания кинетики и условий равновесия для обеспечения оптимальной эффективности конверсии. Кроме того, при этом должна быть предусмотрена возможность обслуживания каталитических зон, например, для регулярного удаления и замены катализаторов, когда катализаторы теряют эффективность.Ammonia converters are complex devices due to the fact that, as already mentioned, the synthesis of ammonia from nitrogen and hydrogen gas (approximately in a ratio of 1:3) is an exothermic reaction that takes place at high temperatures and at high pressure. Thus, intercooling is typically used between multiple catalytic zones to maintain kinetics and equilibrium conditions for optimum conversion efficiency. In addition, it should be possible to maintain the catalytic zones, for example, to regularly remove and replace the catalysts when the catalysts lose efficiency.

Из-за того, что конвертеры аммиака представляют собой сложные устройства, и из-за того, что они являются важной частью оборудования, предпринимается много усилий для повышения их эффективности. Так, в документе US 2004/0096370 А1 описан вертикальный конвертер аммиака с раздельным потоком, в котором каталитическая зона с неподвижным слоем катализатора механически разделена на два параллельно функционирующих объема катализатора и два газовых потока. При такой конструкции отношение газового потока к объему катализатора поддерживают таким образом, что эффективность катализатора не снижается. Слои катализатора и линии газового потока выполнены таким образом, что через каждый объем катализатора газовый поток поступает сверху вниз.Due to the fact that ammonia converters are complex devices and because they are an important piece of equipment, a lot of effort is being made to improve their efficiency. Thus, US 2004/0096370 A1 describes a split-flow vertical ammonia converter in which the fixed bed catalytic zone is mechanically divided into two catalyst volumes operating in parallel and two gas streams. With this design, the ratio of gas flow to catalyst volume is maintained in such a way that the efficiency of the catalyst is not reduced. The catalyst beds and gas flow lines are designed in such a way that the gas flow flows through each catalyst volume from top to bottom.

Когда в каталитическом конвертере с неподвижным слоем необходим низкий перепад давления, зачастую предпочтительным является тип конвертера с радиальным потоком. Тем не менее, в отдельных случаях, например в случае с охлаждаемым слоем катализатора, в случае усадки катализатора или в случае, когда частицы катализатора имеют низкую прочность одновременно при большой высоте слоя катализатора, такое решение не является целесообразным, поэтому в таких случаях предпочтительными являются реакторы с межслойным охлаждением или параллельные реакторы.When a low pressure drop is required in a fixed bed catalytic converter, the radial flow converter type is often preferred. However, in some cases, for example, in the case of a cooled catalyst bed, in the case of catalyst shrinkage, or in the case where the catalyst particles have low strength at the same time as the catalyst bed is high, such a solution is not appropriate, therefore, in such cases, reactors are preferred. with interlayer cooling or parallel reactors.

Решение может состоять в замене слоя с радиальным потоком несколькими, расположенными одна над одной одинаковыми емкостями с осевым потоком. Несмотря на то что в каждой отдельной емкости направление потока является осевым, весь блок может представлять собой реактор с радиальным потоком, в котором, например, исходный поток идет от внешнего кольцевого пространства, а выходящий поток из реактора поступает во внутреннюю трубу. Высота слоя может регулироваться таким образом, чтобы обеспечить соответствие требованию по перепаду давления и силе катализатора без изменения принципиальной фигуры реактора.The solution may be to replace the radial flow layer with several identical axial flow containers one above the other. Although the direction of flow is axial in each individual vessel, the entire unit may be a radial flow reactor in which, for example, the feed stream is from the outer annulus and the reactor effluent enters the inner tube. The bed height can be adjusted to meet the requirement for pressure drop and catalyst strength without changing the fundamental shape of the reactor.

Таким образом, настоящее изобретение относится к охлаждаемому конвертеру с осевым потоком, в котором внутри цилиндрического корпуса реактора технологический газ поступает от внешнего кольцевого пространства во внутреннюю центральную трубу через слой катализатора, где осуществляют конверсию технологического газа с получением продукта, при этом слой катализатора содержит два или более модуля (2), содержащих по меньшей мере один слой катализатора (3);Thus, the present invention relates to an axial flow cooled converter in which, inside a cylindrical reactor vessel, the process gas flows from the outer annulus to the inner central tube through a catalyst bed, where the process gas is converted to produce a product, the catalyst bed comprising two or more module (2), containing at least one catalyst layer (3);

устройства подачи (4) выполнены с возможностью параллельного соединения внешнего кольцевого пространства (5) и входной части (6) двух или более модулей (2);feed devices (4) are made with the possibility of parallel connection of the outer annular space (5) and the input part (6) of two or more modules (2);

коллекторные устройства (7) расположены на выходе двух или более модулей (2) с возможностью предоставления проточного прохода для полученного в результате конверсии технологического газа потока продукта, проходящего в осевом направлении через слой катализатора (3) в двух или более модулях в центральную трубу (8); и по меньшей мере один из указанных двух или более модулей (2) содержат одну или более охлаждающих пластин (10), охлаждаемых посредством технологического газа и расположенных по меньшей мере в одном слое катализатора (3);collector devices (7) are located at the outlet of two or more modules (2) with the possibility of providing a flow passage for the product stream obtained as a result of the conversion of the process gas, passing in the axial direction through the catalyst bed (3) in two or more modules into the central pipe (8 ); and at least one of said two or more modules (2) comprise one or more cooling plates (10) cooled by the process gas and located in at least one catalyst bed (3);

указанные два или более модуля (2) имеют диаметр, который меньше внутреннего диаметра цилиндрического корпуса реактора, образующего внешнее кольцевое пространство (5) между корпусом реактора и указанными двумя или более модулями (2), причем поступающий технологический газ распределяется по указанным двум или более модулям (2).said two or more modules (2) have a diameter that is smaller than the inner diameter of the cylindrical reactor vessel forming an outer annular space (5) between the reactor vessel and said two or more modules (2), wherein the incoming process gas is distributed over said two or more modules (2).

Конструкция, когда конвертер включает внешнее кольцевое пространство, через которое подается технологический газ, устройство подачи для подачи технологического газа от кольцевого пространства к входной части по меньшей мере одного модуля, содержащего по меньшей мере один слой катализатора, а также коллекторное устройство для сбора потока продукта, т.е. технологического газа, прошедшего через катализатор в модуле, и для подачи собранного потока продукта во внутреннюю центральную трубу, обеспечивает несколько преимуществ, например:The design, when the converter includes an outer annular space through which process gas is supplied, a supply device for supplying process gas from the annulus to the inlet part of at least one module containing at least one catalyst layer, as well as a collector device for collecting the product stream, those. process gas passed through the catalyst in the module and to feed the collected product stream into the inner core tube provides several advantages, for example:

в случае экзотермической реакции для корпуса реактора поддерживается минимально возможная температура;in the case of an exothermic reaction, the lowest possible temperature is maintained for the reactor vessel;

с использованием модулей, содержащих катализатор(ы), упрощается загрузка/разгрузка катализатора, поскольку загрузка/разгрузка катализатора в модули может осуществляться вне конвертера;using modules containing catalyst(s) simplifies the loading/unloading of the catalyst, since the loading/unloading of the catalyst into the modules can be carried out outside the converter;

модульная конструкция обеспечивает внутреннее разделение потока, что значительно снижает об- 1 041640 щий перепад давления Dp в реакторе;modular design provides internal flow separation, which significantly reduces the overall pressure drop Dp in the reactor;

уникальная модульная конструкция позволяет использовать модули с разным диаметром для более эффективного использования объема реактора;unique modular design allows the use of modules with different diameters for more efficient use of the reactor volume;

модульная конструкция обеспечивает низкое отношение диаметра и высоты реактора, в результате чего уменьшается площадь, необходимая для размещения реактора, и упрощается его транспортировка.the modular design provides a low ratio of diameter and height of the reactor, which reduces the area required to house the reactor, and simplifies its transportation.

В различных предпочтительных вариантах осуществления устройство подачи, по меньшей мере, частично расположено в охлаждающих пластинах, т.е. технологический газ проходит через охлаждающие пластины, выступая в качестве охлаждающей среды для окружающего катализатора в модуле.In various preferred embodiments, the feeder is at least partially located in the cooling plates, i. e. process gas flows through the cooling plates, acting as a cooling medium for the ambient catalyst in the module.

Это означает, что охлаждающие пластины и устройство подачи могут быть выполнены с возможностью обеспечения предварительного нагрева технологического газа при прохождении через указанное устройство подачи, при этом, в то время тепло реакции, по меньшей мере, частично отводится от одного или более слоев катализатора в модуле.This means that the cooling plates and feeder can be configured to preheat the process gas as it passes through said feeder, while the heat of reaction is at least partially removed from one or more catalyst beds in the module.

Охлаждаемый преобразователь с осевым потоком предпочтительно содержит два или более модуля, а одна или более охлаждающих пластин каждого модуля предпочтительно разделяют модуль на два или более охлаждаемых каталитических канала с общей площадью поперечного сечения катализатора А_кат. В случае если используют более одного модуля в конвертере, модули могут быть расположены один над другим.The cooled axial flow converter preferably comprises two or more modules, and one or more cooling plates of each module preferably divide the module into two or more cooled catalytic channels with a total catalyst cross-sectional area A _cat . In case more than one module is used in the converter, the modules can be arranged one above the other.

В предпочтительном варианте осуществления охлаждаемого конвертера с осевым потоком по изобретению охлаждающие пластины содержат по меньшей мере один охлаждающий канал, имеющий ширину W и высоту Н, а модуль содержит охлаждаемый слой катализатора с высотой Н. Общая площадь поперечного сечения охлаждающих пластин модуля - Аохл. Отношение А_кат/А_охл может определяться на основании специальных требований к охлаждению.In a preferred embodiment of the axial flow cooled converter of the invention, the cooling plates comprise at least one cooling channel having a width W and a height H, and the module comprises a cooled catalyst bed with a height H. The total cross-sectional area of the cooling plates of the module is Acool. The ratio A _cat /A _cool can be determined based on special cooling requirements.

Чтобы обеспечить однородную температуру катализатора по охлаждающим пластинам, отклонения расстояния между соседними охлаждающими пластинами предпочтительно составляют не более чем ± 15% от постоянного. В зависимости от конструкции максимальное отклонение расстояния между соседними охлаждающими пластинами может составлять ± 10, ± 5% или 2%. Предпочтительно отклонение расстояния между двумя соседними охлаждающими пластинами близко ± 0%, поскольку это обеспечит равномерное охлаждение слоя катализатора и, следовательно, оптимальную производительность реактора.In order to ensure a uniform temperature of the catalyst across the cooling plates, the deviations in the distance between adjacent cooling plates are preferably no more than ± 15% of the constant. Depending on the design, the maximum distance deviation between adjacent cooling plates can be ± 10%, ± 5% or 2%. Preferably, the distance deviation between two adjacent cooling plates is close to ±0%, as this will ensure uniform cooling of the catalyst bed and hence optimum reactor performance.

Охлаждающие пластины могут быть расположены различными способами для обеспечения одинакового расстояния между охлаждающими пластинами, например, в виде концентрических колец вокруг внутренней центральной трубы или в виде винта Архимеда с центральной осью вдоль центральной трубы.The cooling plates can be arranged in various ways to ensure the same spacing between the cooling plates, for example as concentric rings around an inner central tube or as an Archimedean screw with a central axis along the central tube.

В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления охлаждаемый конвертер с осевым потоком выполнен с возможностью параллельного и/или последовательного функционирования двух или более модулей. В частности, с использованием конструкции с параллельными модулями обеспечивается конструкция реактора с общим низким перепадом давления в слоях катализатора с осевым потоком. Модули могут быть расположены параллельно, чтобы уменьшить перепад давления, или модули могут быть расположены последовательно, чтобы увеличить степень конверсии.According to another preferred embodiment, the axial flow cooled converter is configured to operate two or more modules in parallel and/or in series. In particular, using a parallel module design provides a reactor design with an overall low pressure drop across the axial flow catalyst beds. Modules may be arranged in parallel to reduce pressure drop, or modules may be arranged in series to increase conversion.

Предпочтительно конвертер выполнен с возможностью обеспечения одинакового перепада давления Dp во всех параллельно функционирующих модулях в пределах ± 5%. Это обеспечит равномерное распределение газа относительно катализатора между модулями, чтобы обеспечить одинаковый или практический одинаковый поток технологического газа через модули. Предпочтительно перепад давления между модулями близок к 0%, поскольку это обеспечит равномерное распределение газа между модулями, благодаря чему обеспечивается оптимальная производительность реактора.Preferably, the converter is designed to provide the same differential pressure Dp in all modules operating in parallel within ± 5%. This will ensure that the gas is evenly distributed relative to the catalyst between the modules to ensure the same or substantially the same flow of process gas through the modules. Preferably, the pressure drop between the modules is close to 0%, as this will ensure an even distribution of gas between the modules, thereby ensuring optimum reactor performance.

Если высота Н охлаждающего канала и слоя катализатора параллельно функционирующих модулей является одинаковой в пределах ± 5%, то могут быть реализованы варианты, в которых в параллельных модулях обеспечивается одинаковый поток технологического газа.If the height H of the cooling channel and the catalyst bed of the modules operating in parallel is the same within ± 5%, then variants can be implemented in which the same process gas flow is provided in the parallel modules.

Предпочтительное распределение технологического газа между параллельными модулями также может быть обеспечено, если отношение между общей площадью поперечного сечения охлаждающих пластин (А_охл) и общей площадью поперечного сечения катализатора (А_кат) параллельно функционирующих модулей является одинаковым в пределах ± 10%.The preferred distribution of the process gas between the parallel modules can also be ensured if the ratio between the total cross-sectional area of the cooling plates (A _cool ) and the total catalyst cross-sectional area (A _cat ) of the parallel modules is the same within ± 10%.

Таким образом, модули могут предпочтительно иметь одинаковую или практически одинаковую высоту охлаждающего канала и канала катализатора в пределах плюс/минус пяти процентов, одинаковое отношение между шириной охлаждающего канала и канала катализатора в пределах плюс/минус десяти процентов, одинаковое отношение между площадью поперечного сечения охлаждающего канала и канала катализатора в пределах плюс/минус пяти процентов и/или содержат одинаковый тип катализатора.Thus, the modules may preferably have the same or substantially the same height of the cooling channel and the catalyst channel within plus/minus five percent, the same ratio between the width of the cooling channel and the catalyst channel within plus/minus ten percent, the same ratio between the cross-sectional area of the cooling channel and catalyst channels within plus/minus five percent and/or contain the same type of catalyst.

В некоторых вариантах осуществления изобретения модуль(и) содержит адиабатический слой над и/или под одним или более охлаждаемыми слоями катализатора, причем указанный адиабатический слой имеет диаметр (d_agи), площадь поперечного сечения (А_ади) и высоту (Нади), при этом в параллельно функционирующих модулях высота (Н_ади) слоя/слоев адиабатического катализатора является одинаковойIn some embodiments, the module(s) comprise an adiabatic bed above and/or below one or more cooled catalyst beds, said adiabatic bed having a diameter (d _{ag and} ), a cross-sectional area (A _adi ), and a height (Nadi), wherein in modules operating in parallel, the height (H _adi ) of the adiabatic catalyst layer/layers is the same

- 2 041640 ± 5%.- 2 041640 ± 5%.

Адиабатические слои, добавленные ниже слоя(ев) охлажденного катализатора, могут быть, по меньшей мере, частично расположены в коллекторном устройстве, то есть газообразный продукт, выходящий из охлажденного катализатора, может проходить через слой адиабатического катализатора при его прохождении через коллекторное устройство в центральную трубу.The adiabatic beds added below the cooled catalyst bed(s) can be at least partially located in the manifold device, i.e. the gaseous product leaving the cooled catalyst can pass through the adiabatic catalyst bed as it passes through the collector device into the central tube .

Аналогично условиям для охлаждаемого катализатора, в параллельно функционирующих модулях высота Н_ади слоя/слоев адиабатического катализатора может быть одинаковой ± 5% максимум, предпочтительно ± 0%, чтобы обеспечить в конвертере оптимизированный поток через все модули реактора.Similar to the conditions for a cooled catalyst, in parallel functioning modules, the height H _adi of the adiabatic catalyst bed/s can be the same ± 5% maximum, preferably ± 0%, in order to provide an optimized flow in the converter through all reactor modules.

Таким образом, предпочтительно, чтобы параллельно функционирующие модули имели одинаковое отношение поперечного сечения и высоты для охлаждающей пластины/катализатора, тогда как последовательно функционирующие модули могут иметь разные конфигурации охлаждающих пластин и катализатора, поскольку оптимальные требования в отношении практически одинакового Dp для параллельных модулей не применяются к последовательным модулям.Thus, it is preferable that modules operating in parallel have the same cross-sectional height ratio for the cold plate/catalyst, while modules in series may have different configurations of cold plates and catalyst, since the optimal requirements for substantially the same Dp for parallel modules do not apply to sequential modules.

Модули являются функционально идентичными, когда они имеют одинаковую высоту охлаждающего канала и канала катализатора в пределах плюс/минус пяти процентов, одинаковое отношение между шириной охлаждающего канала и канала катализатора в пределах плюс/минус десяти процентов, одинаковое отношение между площадью поперечного сечения охлаждающего канала и канала катализатора в пределах плюс/минус пяти процентов и содержат одинаковый тип катализатора. Функционально идентичной конструкцией модуля обеспечивается одинаковый поток/объем катализатора (объемную скорость) в каждом модуле.Modules are functionally identical when they have the same height of the cooling channel and the catalyst channel within plus/minus five percent, the same ratio between the width of the cooling channel and the catalyst channel within plus/minus ten percent, the same ratio between the cross-sectional area of the cooling channel and the channel catalyst within plus/minus five percent and contain the same type of catalyst. A functionally identical module design provides the same catalyst flow/volume (space velocity) in each module.

В целом, может быть желательно иметь одинаковую объемную скорость потока, по меньшей мере, через некоторые модули, предпочтительно через все модули, чтобы обеспечить равную конверсию технологического газа при его прохождении через модули.In general, it may be desirable to have the same volumetric flow rate through at least some of the modules, preferably through all of the modules, to ensure equal process gas conversion as it passes through the modules.

Таким образом, предпочтительно, чтобы модули были выполнены с возможностью обеспечения одинаковой объемной скорости в каждом из параллельно функционирующих модулей. Например, все модули могут иметь одинаковую высоту и содержать одинаковые слои катализатора. Диаметр модулей может варьироваться, например, чтобы модули могли физически размещаться в разных зонах конвертера, при условии, что катализатор является одинаковым во всех модулях и при условии, что распределение/отношение каналов катализатора и охлаждающих каналов являются одинаковыми.Thus, the modules are preferably configured to provide the same space velocity in each of the modules operating in parallel. For example, all modules may have the same height and contain the same catalyst beds. The diameter of the modules may vary, for example, so that the modules can be physically located in different areas of the converter, as long as the catalyst is the same in all modules and as long as the distribution/ratio of the catalyst channels and the cooling channels are the same.

Т.е. низкая разница в перепаде давления Dp между функционирующими параллельно модулями является предпочтительной и может быть обеспечена, если высота Н охлаждающего канала и слоя катализатора параллельно функционирующих модулей является одинаковой в пределах ± 5%;Those. a low pressure difference Dp between modules operating in parallel is preferable and can be achieved if the height H of the cooling channel and the catalyst bed of the parallel modules is the same within ± 5%;

разница между охлаждающими пластинами параллельно функционирующих модулей отклоняется от постоянной не более чем на 15%. Предпочтительно отклонение приближается к 0%;the difference between the cooling plates of modules operating in parallel deviates from the constant by no more than 15%. Preferably the deviation approaches 0%;

отношение между общей площадью поперечного сечения охлаждающих пластин (Аохл) и общей площадью поперечного сечения катализатора (А_кат) параллельно функционирующих модулей предпочтительно является одинаковым в пределах ± 10%.the ratio between the total cross-sectional area of the cooling plates (Aohl) and the total cross-sectional area of the catalyst (A _cat ) of the modules operating in parallel is preferably the same within ±10%.

Как правило, корпус реактора имеет дно, а также верхнюю сферическую или эллипсоидальную секцию с уменьшенным диаметром. Важным признаком настоящего изобретения является то, что модули могут иметь разные диаметры также при их параллельном функционировании, что может быть достигнуто при соблюдении вышеуказанных требований к модулю, так как при этом все равно будет достигаться равномерное распределение газа на площадь катализатора и охлаждающего канала.As a rule, the reactor vessel has a bottom, as well as an upper spherical or ellipsoidal section with a reduced diameter. An important feature of the present invention is that the modules can have different diameters also when they operate in parallel, which can be achieved by meeting the above requirements for the module, since this will still achieve a uniform distribution of gas over the area of the catalyst and the cooling channel.

В других предпочтительных вариантах осуществления изобретения поток в охлаждающих каналах поступает в том же направлении, что и направление потока в канале катализатора (прямоточная конструкция), или поступает в направлении, противоположном направлению потока в канале катализатора (противоточная конструкция), в зависимости от характеристик катализатора и термодинамики реакции. При противоточной конструкции обеспечивается оптимальное охлаждение и самая простая конструкция механического модуля. Однако противоточная конструкция в некоторых случаях может привести к слишком сильному охлаждению в месте, где это не является желательным, что, в частности, может происходить при малой производительности, например при производительности от 30 до 70%. Эта проблема решается прямоточной конструкцией, однако из-за дополнительного канала такая конструкция является более сложной механически и занимает пространство в реакторе, что требует дополнительных издержек.In other preferred embodiments of the invention, the flow in the cooling channels flows in the same direction as the direction of flow in the catalyst channel (co-current design), or flows in the opposite direction of flow in the catalyst channel (counter-current design), depending on the characteristics of the catalyst and reaction thermodynamics. The counterflow design provides optimal cooling and the simplest mechanical module design. However, the counterflow design can in some cases lead to too much cooling at a point where this is not desirable, which can in particular occur at low throughputs, for example between 30% and 70% throughput. This problem is solved by a once-through design, however, due to the additional channel, this design is mechanically more complex and takes up space in the reactor, which requires additional costs.

Все или некоторые модули могут быть снабжены устройствами, позволяющими извлекать модуль из реактора и/или вставлять модуль в реактор, чтобы обеспечить возможность загрузки катализатора/выгрузки катализатора/ обслуживания модуля вне реактора.All or some of the modules may be provided with devices to allow removal of the module from the reactor and/or insertion of the module into the reactor to allow catalyst loading/catalyst unloading/module maintenance outside of the reactor.

Модуль/модули предпочтительно имеет/имеют диаметр, который меньше внутреннего диаметра корпуса конвертера/реакционной емкости, оставляя внешнее кольцевое пространство, в котором поступающий неочищенный газ может распределяться в соответствующие модули. Каждый модуль предпочтительно дополнительно имеет внутреннюю центральную трубу, в которой газообразный продукт собирается перед выходом из модуля.The module/modules preferably has/have a diameter that is smaller than the inside diameter of the converter/reaction vessel body, leaving an outer annulus in which incoming raw gas can be distributed to the respective modules. Each module preferably further has an inner central tube in which the product gas is collected before exiting the module.

- 3 041640- 3 041640

Реактор может иметь две или более модульные секции, при этом каждая модульная секция содержит один или более модулей. Секции могут быть отдельными с возможностью обеспечения различных условий потока и давления.The reactor may have two or more modular sections, with each modular section containing one or more modules. Sections can be separate with the ability to provide different flow and pressure conditions.

Зона резкого охлаждения может быть выполнена с возможностью резкого охлаждения газообразного продукта по меньшей мере из одной модульной секции с получением потока охлажденного продукта, в этом случае конвертер также может содержать устройство для подачи по меньшей мере части охлажденного технологического потока в качестве исходного потока для одной или более последующих секций.The quench zone may be configured to quench a gaseous product from at least one module section to produce a chilled product stream, in which case the converter may also include a device for supplying at least a portion of the chilled process stream as a feed stream to one or more subsequent sections.

В качестве газа для резкого охлаждения может использоваться свежий технологический газ и/или газ, прошедший частичную конверсию, при необходимости, охлажденный технологический газ. Резкое охлаждение - это способ снизить реактивную способность газа и отвести тепло от экзотермической реакции.The quench gas can be fresh process gas and/or partially reformed gas, optionally cooled process gas. Rapid quenching is a way to reduce the reactivity of the gas and remove heat from the exothermic reaction.

Модули в разных модульных секциях могут отличаться друг от друга, содержать разные катализаторы и располагаться по-разному. Например, модули в первой секции, куда поступает свежий несмешанный технологический газ с высокой реакционной способностью, могут работать при более низкой температуре и содержать менее реактивный катализатор по сравнению с модулями в следующей секции, куда поступает газообразный продукт из первой секции (при необходимости, смешанный, например, с охлажденным технологическим газом), который является менее реактивным по сравнению с несмешанным, не вступавшим в реакцию технологическим газом, который поступает в модули в первой секции.Modules in different modular sections may differ from each other, contain different catalysts and be located in different ways. For example, modules in the first section, which receives highly reactive fresh, unmixed process gas, may operate at a lower temperature and contain less reactive catalyst than modules in the next section, which receives product gas from the first section (if necessary, mixed, cooled process gas), which is less reactive than the unmixed, unreacted process gas that enters the modules in the first section.

По меньшей мере две или более модульные секции могут быть выполнены с возможностью параллельного функционирования, чтобы обеспечить низкий общий перепад давления. Примером могут служить параллельные секции, каждая из которых содержит два последовательно функционирующих модуля. Такая конструкция обеспечит значительно меньший перепад давления для двойной объемной скорости.At least two or more modular sections may be configured to operate in parallel to provide a low overall pressure drop. An example would be parallel sections, each containing two modules in series. This design will provide a significantly lower pressure drop for double the space velocity.

В качестве альтернативы две или более модульные секции могут быть выполнены с возможностью последовательного функционирования с зоной резкого охлаждения между первой и второй модульными секциями. Расположение модулей в каждой секции может в этом случае меняться.Alternatively, two or more modular sections may be configured to operate in series with a quench zone between the first and second modular sections. The location of the modules in each section may change in this case.

Кроме того, также возможна комбинация параллельных и последовательных секций, если этого требует процесс реакции. Некоторые модульные секции могут быть расположены параллельно, чтобы уменьшить перепад давления, в то время как другие секции могут быть расположены последовательно, чтобы увеличить степень конверсии.In addition, a combination of parallel and serial sections is also possible, if required by the reaction process. Some modular sections may be arranged in parallel to reduce pressure drop while other sections may be arranged in series to increase conversion.

Помимо прочего, охлаждаемый конвертер с осевым потоком по настоящему изобретению может быть использован в качестве реактора синтеза аммиака, реактора синтеза метанола, реактора метанирования или реактора сдвига, и его также можно использовать в связи с другими процессами экзотермической реакции.Among other things, the cooled axial flow converter of the present invention can be used as an ammonia synthesis reactor, a methanol synthesis reactor, a methanation reactor, or a shear reactor, and it can also be used in connection with other exothermic reaction processes.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения охлаждаемый конвертер с осевым потоком может содержать дополнительное устройство для подачи предварительно нагретого (горячего) технологического газа, поступающего, например, из внутреннего или внешнего пускового нагревателя, к катализатору, загруженному во все или в определенные модули, размещенные в одной или более модульных секциях конвертера. Такое устройство, именуемое газовой системой с прямым впуском, может эффективно обеспечивать восстановление активности катализатора в ходе запуска/активации катализатора. Указанная система прямого впуска газа предназначена для обхода внешнего кольцевого пространства и охлаждающих пластин, что позволяет подавать горячий технологический газ во время восстановления активности катализатора, в противном случае была бы превышена расчетная температура корпуса высокого давления и/или охлаждающих пластин. Без отдельной системы прямого впуска газа возможный уровень температуры катализатора во многих случаях будет ограничен, что приведет к длительному и неэффективному периоду восстановления.In accordance with another embodiment of the invention, the cooled axial flow converter may include an additional device for supplying preheated (hot) process gas, coming from, for example, an internal or external start-up heater, to a catalyst loaded in all or certain modules located in one or more modular converter sections. Such a device, referred to as a direct inlet gas system, can effectively restore catalyst activity during catalyst start/activation. Said direct gas inlet system is designed to bypass the outer annulus and cooling plates, allowing hot process gas to be supplied during catalyst reactivation, otherwise the design temperature of the pressure vessel and/or cooling plates would be exceeded. Without a separate direct gas injection system, the possible temperature level of the catalyst will in many cases be limited, resulting in a long and inefficient recovery period.

В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения указанная газовая система с прямым впуском также используется для подачи свежего (холодного) технологического газа в один или более слоев катализатора в одном или более модулях, содержащихся в одной или более модульных секциях при нормальном эксплуатационном режиме конвертера, то есть после первоначального восстановления активности/активации катализатора. Поток технологического газа, который проходит 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 нагрев оставшейся части подаваемого газа, который проходит предварительный нагрев в охлаждаемых пластинах. Использование упомянутой сис- 4 041640 темы прямого впуска газа для обоих сценариев, нагревание в течение периода восстановления активности катализатора и регулирование температуры во время нормального режима эксплуатации, обеспечивает оптимальное использование доступного объема конвертера вместо проектирования конвертера с двумя отдельными устройствами/системами для подачи предварительно подогретого (горячего) и свежего (холодного) технологического газа соответственно.According to another preferred embodiment of the invention, said direct inlet gas system is also used to supply fresh (cold) process gas to one or more catalyst beds in one or more modules contained in one or more module sections during normal converter operation, that is, after the initial recovery/activation of the catalyst. The process gas flow that passes 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 being heated. the heat of the 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 heating of the remaining feed gas that is preheated in the cooled plates. Using said direct gas injection system for both scenarios, heating during the recovery period of the catalyst and controlling the temperature during normal operation, makes optimal use of the available converter volume instead of designing the converter with two separate devices/systems for supplying preheated ( hot) and fresh (cold) process gas, respectively.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предоставляется конвертер, содержащий модульный слой катализатора, обеспечивающий высокую вариативность конструкции. Модульная конструкция обеспечивает возможность использования узкоспециализированных конвертеров и слоев катализатора, которые адаптированы под требования различных процессов и ограничения реактора. Физические характеристики модулей могут варьироваться и оптимизироваться, например, таким образом, чтобы в верхней и/или нижней части реактора могли размещаться модули с меньшим радиусом, а в наиболее широкой части емкости конвертера могли размещаться модули полного диаметра. Модульная конструкция также обеспечивает возможность использования узкоспециализированного слоя катализатора с различными типами катализатора в разных секциях конвертера, а также обеспечивает возможность размещения зоны резкого охлаждения между секциями, при необходимости. В зависимости от применения конвертера, например, помимо прочего, при применении его в качестве реактора синтеза аммиака, реактора синтеза метанола, реактора метанирования, реактора сдвига и реактора для других экзотермических реакций, различные параметры конвертера могут изменяться и оптимизироваться. Например, в конвертере может варьироваться количество модулей, и конвертер может содержать одну, две, три или более секций с возможностью размещения зон резкого охлаждения между всеми секциями или лишь между некоторыми секциями.Thus, in accordance with the present invention, there is provided a converter containing a modular catalyst bed providing high design variability. The modular design allows the use of highly specialized converters and catalyst beds that are tailored to the requirements of different processes and reactor constraints. The physical characteristics of the modules can be varied and optimized, for example, so that smaller radius modules can be placed in the top and/or bottom of the reactor, and full diameter modules can be placed in the widest part of the converter vessel. The modular design also allows for the use of a highly specialized catalyst bed with different types of catalyst in different sections of the converter, as well as the ability to place a quench zone between sections if required. Depending on the application of the converter, for example, but not limited to, when used as an ammonia synthesis reactor, a methanol synthesis reactor, a methanation reactor, a shift reactor, and a reactor for other exothermic reactions, various parameters of the converter can be changed and optimized. For example, the number of modules in the converter may vary, and the converter may contain one, two, three or more sections, with the possibility of placing quench zones between all sections or only between some sections.

В модулях также могут быть использованы различные типы катализатора, поскольку каждый модуль может быть выполнен с возможностью содержания одного слоя катализатора или более слоев катализатора одного и того же типа или разных типов. В некоторых вариантах осуществления изобретения все модули содержат катализатор одного и того же типа в одной и той же конфигурации, тогда как в других вариантах осуществления, по меньшей мере, некоторые модули содержат катализатор другого типа или катализатор в другой конфигурации, то есть модули содержат различное количество слоев катализатора с различной высотой и т.д.The modules can also use different types of catalyst, since each module can be configured to contain one catalyst layer or more catalyst layers of the same type or different types. In some embodiments of the invention, all modules contain the same type of catalyst in the same configuration, while in other embodiments, at least some of the modules contain a different type of catalyst or a catalyst in a different configuration, that is, the modules contain a different amount catalyst layers with different heights, etc.

Модульное расположение слоев катализатора в конвертере позволяет осуществлять загрузку катализатора в некоторые модули или во все модули вне емкости конвертера, а затем помещать модули в емкость конвертера. Модульное расположение катализатора также может облегчить выгрузку катализатора из конвертера, поскольку модули могут подниматься из конвертера по очереди. Возможность удаления всех или некоторых модулей может быть не только преимуществом, при необходимости, замены слоя катализатора, но также может быть выгодным в ходе технического обслуживания конвертера, когда можно достать весь слой катализатора или его часть, а затем можно загрузить модули по очереди обратно в конвертер и даже повторно использовать существующий катализатор.The modular arrangement of the catalyst layers in the converter allows the catalyst to be loaded into some modules or all modules outside the converter tank, and then the modules are placed in the converter tank. The modular arrangement of the catalyst can also facilitate the unloading of the catalyst from the converter, since the modules can be lifted from the converter one by one. The ability to remove all or some of the modules can be not only an advantage to replace the catalyst bed if necessary, but can also be beneficial during converter maintenance, where you can remove all or part of the catalyst bed and then you can load the modules one by one back into the converter and even reuse an existing catalyst.

При базовой конструкции с осевым/радиальном потоком, когда технологический газ протекает в осевом направлении через слой катализатора и проходит радиально через коллекторное устройство к центральной трубе, даже с одним модулем может быть получен конвертер с низким перепадом давления. Кроме того, поток технологического газа во внешнем кольцевом пространстве снижает температурное воздействие на корпус конвертера и, таким образом, более низкую температуру наружной стенки реактора.With the basic axial/radial flow design, where the process gas flows axially through the catalyst bed and travels radially through the manifold to the center tube, even with a single module, a low pressure drop converter can be obtained. In addition, the process gas flow in the outer annulus reduces the thermal effect on the converter housing and thus the lower temperature of the outer wall of the reactor.

Благодаря более низкому перепаду давления в сочетании с возможностью иметь несколько расположенных друг над другом модулей можно использовать высокие тонкие конвертеры с малым диаметром и с большим объемом катализатора.Due to the lower pressure drop, combined with the possibility of having several stacked modules, tall thin converters with a small diameter and a large catalyst volume can be used.

Далее настоящее изобретение поясняется более подробно примерами вариантов осуществления изобретения со ссылкой на фиг. 1-5. Чертежи предоставлены для иллюстрирования признаков различных вариантов осуществления настоящего изобретения и не должны рассматриваться в качестве ограничения объема настоящего изобретения.Hereinafter, the present invention is explained in more detail by examples of embodiments of the invention with reference to FIGS. 1-5. The drawings are provided to illustrate the features of various embodiments of the present invention and should not be construed as limiting the scope of the present invention.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение конвертера 1 в разрезе в соответствии с настоящим изобретением. Конвертер содержит четыре модуля 2, каждый из которых содержит один слой 3 катализатора. Четыре модуля функционируют параллельно при прохождении технологического газа 4 от внешнего кольцевого пространства 5 к входной части 6 каждого из модулей. Технологический газ проходит в осевом направлении через каждый слой катализатора и собирается в коллекторном устройстве 7, которое связано с каждым модулем, из которого он поступает в центральную трубу 8 и покидает конвертер в виде газообразного продукта 9. Модули и, следовательно, слои катализатора различаются по диаметру, так как три модуля имеют одинаковый диаметр, а четвертый модуль, расположенный в нижней части конвертера, имеет меньший диаметр, чтобы модуль мог быть расположен в нижней части конвертера. Слой катализатора в модулях имеет одинаковую высоту Н, что означает, что если в каждом из четырех модулей используется катализатор одного типа, перепад давления на каждом модуле будет одинаковым.In FIG. 1 is a schematic sectional view of a converter 1 in accordance with the present invention. The converter contains four modules 2, each of which contains one layer 3 of the catalyst. Four modules operate in parallel with the passage of the process gas 4 from the outer annular space 5 to the inlet 6 of each of the modules. The process gas passes axially through each catalyst bed and is collected in a collector device 7 that is associated with each module, from which it enters the central tube 8 and leaves the converter as product gas 9. The modules and hence the catalyst beds vary in diameter. , since three modules have the same diameter, and the fourth module, located at the bottom of the converter, has a smaller diameter so that the module can be located at the bottom of the converter. The catalyst bed in the modules has the same height H, which means that if each of the four modules uses the same type of catalyst, the pressure drop across each module will be the same.

На фиг. 2а и b показано поперечное сечение реактора, показанного на фиг. 2, в плоскости II-II. НаIn FIG. 2a and b show a cross section of the reactor shown in FIG. 2 in plane II-II. On

--

Claims

fig. 2a shows a variant of the module with two cooling plates 10, each of which has a channel

11 cooling. The cooling plates are arranged radially and adjacent to the central tube 8 and divide the catalyst into two halves, ie into two catalytic sections. In FIG. 2b, a single cooling plate 9 is arranged concentrically around a central tube, thereby dividing the catalyst bed in the module into two concentric catalyst sections.

In FIG. 3a and b show the flow and catalyst beds in a converter with four countercurrent cooled modules. In FIG. 3a shows a converter with a simplified design and with a simplified flow diagram of process gas 4 and product gas 9. FIG. 3b shows the construction according to FIG. 3a with an enlarged section A. The process gas 4 enters the cooling channels 11 of the module 2. As the process gas passes through the cooling channels, the process gas is heated and the cooled catalyst bed 3 of the module is cooled. The heated process gas 4b then passes through the cooled catalyst bed and then through the uncooled adiabatic bed 12 in the module before it leaves the module through manifold device 7 and enters a central tube (not shown).

In FIG. 4a and b show the flow through a once-through cooled converter with four cooled modules. Each module has a single cooled catalyst bed 3 and an adiabatic catalyst bed 12 located above and below said cooled catalyst bed.

In FIG. 5 shows a schematic representation of a converter with six modules 2, which are divided into three sequential sections 13, 14, 15. The sections are separated by plates or other separating devices 16. The two modules in each section operate in parallel. Between the sections are quench zones 17 in which the hot product gas 9 meets the lower temperature quench gas 18 and then the mixture of product gas and quench gas enters the next section and two modules located in such a section.

CLAIM

1. An axial flow cooled converter in which, inside a cylindrical reactor vessel, the process gas flows from the outer annular space into the inner central tube through the catalyst bed, where the process gas is converted to obtain a product stream, characterized in that the catalyst layer contains two or more modules (2) containing at least one catalyst layer (3);

feed devices (4) are made with the possibility of parallel connection of the outer annular space (5) and the input part (6) of two or more modules (2);

collector devices (7) are located at the outlet of two or more modules (2) with the possibility of providing a flow passage for the product stream obtained as a result of process gas conversion, which passed in the axial direction through the catalyst layer (3) in two or more modules into the central pipe (8 ); and at least one of said two or more modules (2) comprises one or more cooling plates (10) cooled by process gas and located in at least one catalyst bed (3);

said two or more modules (2) have a diameter that is smaller than the inner diameter of the cylindrical reactor vessel forming an outer annular space (5) between the reactor vessel and said two or more modules (2), wherein the incoming process gas is distributed over said two or more modules (2).

2. Cooled axial flow converter according to claim 1, characterized in that the feeders (4) are at least partially contained in cooling plates (10), said cooling plates and feeders being configured to preheat the process gas in transit time through said feeders, while the heat of reaction is at least partially removed from at least one catalyst bed (3) to said two or more modules (2).

3. Cooled axial flow converter according to any one of the preceding claims, characterized in that one or more cooling plates (10) of each of the two or more modules (2) separate the modules into two or more cooled catalytic channels with a total catalyst cross-sectional area Ak _at .

4. Cooled axial flow converter according to any one of the preceding claims, characterized in that the cooling plate comprises at least one cooling channel with a width W and a height H, and the module contains a cooled catalyst bed with a height H.

5. The cooled axial flow converter according to any one of the preceding claims, characterized in that the total cross-sectional area of the cooling plates of the module is AOCL.

6. Cooled axial flow converter according to any one of the preceding claims, characterized in that the deviations of the distance between adjacent cooling plates are not more

- 6 041640 more than ± 15% of constant.

7. Cooled axial flow converter according to any one of the preceding claims, characterized in that the differential pressure Dp is the same within ± 5% in all modules operating in parallel.

8. Cooled axial flow converter according to any one of the preceding claims, characterized in that the height H of the cooling channel and the catalyst bed of the modules operating in parallel is the same within ± 5%.

9. Axial flow cooled converter according to any one of the preceding claims, characterized in that the ratio between the total cross-sectional area of the cooling plates A _cool and the total cross-sectional area of the catalyst A _{cat of} the modules operating in parallel is the same within ±10%.

10. Cooled axial flow converter according to any one of the preceding claims, characterized in that the module comprises an adiabatic bed above and/or below one or more cooled catalyst beds, said adiabatic bed having a diameter d _agu , a cross-sectional area A _adi and a height H _hell .

11. Axial flow cooled converter according to claim 4, characterized in that the height H _adi of the adiabatic catalyst layer(s) in the modules operating in parallel is the same ± 5%.

12. Refrigerated axial flow converter according to any one of the preceding claims, characterized in that the flow in the cooling channels is in the same direction or in the opposite direction to the flow in the catalyst channel.

13. Cooled axial flow converter according to any of the preceding claims, characterized in that the reactor has two or more modular sections, each modular section containing one or more modules.

14. The refrigerated axial flow converter of claim 13, comprising a quench zone configured to quench a gaseous product from at least one module section to produce a quenched product stream.

15. The refrigerated axial flow converter of claim 13 or 14, comprising means for supplying at least a portion of the refrigerated process stream as a feed stream to one or more downstream sections.

16. Refrigerated axial flow converter according to claims 13 to 15, characterized in that the quench gas is fresh process gas and/or partially reformed gas, optionally cooled process gas.

17. The cooled axial flow converter according to claims 13-16, characterized in that the modules in different sections may differ from each other, contain different catalysts and be located differently.

18. Cooled axial flow converter according to claims 13 to 15, characterized in that at least two or more sections are configured to operate in parallel.

19. Cooled axial flow converter according to claims 13 to 15, characterized in that two or more sections are configured to operate in series.

20. An axial flow cooled converter according to any one of the preceding claims, which is used as an ammonia synthesis reactor, a methanol synthesis reactor, a methanation reactor, a shear reactor, and a reactor for other exothermic reactions.

21. Cooled axial flow converter according to any of the preceding claims, characterized in that the modules have the same height of the cooling channel and the catalyst channel within ± 5%, the same ratio between the width of the cooling channel and the catalyst channel within ± 10%, the same ratio between the cross-sectional area of the cooling channel and the catalyst channel within ± 5% and contain the same type of catalyst.

22. Cooled axial flow converter according to any of the preceding claims, characterized in that the converter includes an additional device for supplying preheated process gas.

23. The refrigerated axial flow converter of claim 22, wherein the device for supplying preheated process gas is configured to bypass the outer annulus and the cooling plates.

24. A cooled axial flow converter according to any one of the preceding claims, characterized in that the converter includes a fresh process gas supply device.

25. The refrigerated axial flow converter according to claim 24, characterized in that the fresh process gas supply device is connected to at least one module containing at least one catalyst layer.

-