Выбор аппарата для получения АВС

     1 Обзор конструкций и обоснование выбора типа аппарата 

     1.1Описание конструкции аппарата 

     Начиная  с середины 50-х годов, благодаря развитию добычи природного газа, начало развиваться производство водорода или азотоводородной смеси по методу конверсии метана с помощью газообразных окислителей. По используемому окислителю и технологическому оформлению можно выделить следующие варианты процесса получения водородсодержащих газов: конверсия водяным паром, высокотемпературная кислородная конверсия, каталитическая парокислородная конверсия в шахтных реакторах, каталитическая пароуглекислотная конверсия.

     Ниже  рассмотрены основные типы  контактных аппаратов, которые могут быть использованы на стадии конверсии.   

     Полочные  реактора

     В аппаратах этого типа [1] катализатор располагают слоями на полках, размещенных в цилиндрическом корпусе. Полки могут работать по газу как последовательно, так и параллельно. В аппарате представленном на рисунке 1.1 на опорную балочную конструкцию укладывают колосниковую решетку, покрываемую металлической сеткой с размерами ячеек, несколько меньшими размера зерна катализатора. Поверх сетки насыпают слой керамической или металлической насадки, которая препятствует забиванию сетки частицами катализатора, а затем загружают катализатор. Сверху опять укладывают металлическую сетку, под которой размещают слой насадки. Последний защищает катализатор от солей, содержащихся в паре, которые преимущественно откладываются на элементах насадки. Полочный конвертор снаружи имеет теплоизоляцию. 
 

                   
 

     1 – входной штуцер; 2 - катализатор; 3 - решетка; 4 – выходной штуцер; 5 – разгрузочный штуцер; 6 – разгрузочный люк.

     Рисунок 1.1 – Полочный конвертор 

     Шахтный конвертор паровоздушной  конверсии

     Аппарат этого типа представленном на рисунок 1.2 является разновидностью полочных аппаратов, катализатор располагается в один слой, в нижней части аппарата уложены шары керамические или корундовые диаметром около 20 мм, высота слоя шаров достигает 1,5 м. На слой шаров укладывают металлическую сетку, а затем катализатор. Шарами заполняют также патрубки для выгрузки катализатора. На выходном патрубке устанавливают сетку, поверхность катализатора делают ровной, на нее укладывают металлическую сетку, а затем слой колец Рашига (высотой 250 мм) и прижимают решетку, снаружи аппарат имеет теплоизоляционный слой. Этот аппарат проще, чем полочный, он не требует установки сеток, в него легче загрузить катализатор.  Однако, чтобы избежать загрузки высокого слоя катализатора, что может привести к его  разрушению, шахтные реакторы обычно имеют большой диаметр. В промышленных агрегатах производства аммиака мощностью 1360 т/сут конвертор шахтного типа имеет высоту 12 м, диаметр 5 м, толщина слоя катализатора составляет 3 – 4 м. Это вызывает трудности в организации распределения газа по слою катализатора, которое в аппаратах аксиального типа никогда нельзя считать удовлетворительным. Серьезной проблемой для аксиальных реакторов является обеспечение равномерного распределения парогазового потока по сечению аппарата. В современных конструкциях равномерного распределения предполагается достичь за счет различных распределителей и защитно-распределительного слоя.

     Основные  требования, предъявляемые к распределителям  – это небольшие габариты и  простота конструкции. 
 

     

 

1 –   входной штуцер; 2 – термопарный  карман; 3 – металлические сетки; 4 – разгрузочный люк; 5 - выходной штуцер; 6 – керамические шары; 7 – катализатор; 8 – металлические кольца Рашига; 9 – загрузочный  люк.

      Рисунок 1.2 - Шахтный конвектор метана  

      Шахтный реактор с восходящим потоком газа

      Фирма “Кемико” [2] успешно начала применять шахтные реакторы второй ступени с восходящим потоком конвертированного газа. Основное преимущество шахтного реактора с нижней подачей реакционных потоков представленном на рисунке 1.3 состоит в том, что с применением их становится возможным создание единого конструктивного комплекса, практически исключающего дорогостоящие и малонадежные соединительные трубопроводы между трубчатой печью, шахтным реактором и котлом-утилизатором. На рисунке 1.3 изображена схема шахтного реактора с нижней подачей реакционных потоков. Горючие компоненты конвертированного газа реагируют с кислородом воздуха в выносной топке, причем температура входящего в топку конвертированного газа на 20 -40°С выше, чем в конструкциях с верхней подачей реакционной смеси. После топки газ попадает на распределительную решетку, откуда равномерным потоком поступает в слой катализатора шахтного реактора. 

      

 

      1 – катализатор; 2 – высокоглиноземистая огнеупорная футеровка; 3 – теплоизоляционная футеровка; 4 - корпус реактора; 5 – колосниковая решетка; 6 – монтажный люк; 7 – котел-утилизатор; 8 – камера сгорания; 9 – горелка; 10 – огнеупорная насадка

      Рисунок 1.3 – Шахтный реактор с восходящим потоком газа 

      Линейная  скорость газа в реакторе составляет 1 – 2 м/с, что значительно ниже скорости начала псевдоожижения слоя катализатора (около 3 м/c), но вполне достаточно для обеспечения высокой производительности аппарата. Реактор представляет собой цилиндрическую вертикально расположенную обечайку из малоуглеродистой котельной стали. Верхняя конусная часть корпуса служит основанием приваренного к нему цилиндрического корпуса смесительной камеры, или котла-утилизатора. Нижняя часть корпуса заканчивается сферической крышкой. Внутри реактора выложена цилиндрическая шахта из высокоглиноземистых огнеупорных блоков, ограниченная снизу колосниковой решеткой из жаропрочной стали. Сверху шахта заканчивается усеченным конусом с углом при основании 45°, на который опирается футеровка смесительной камеры или котла-утилизатора. 

      Горизонтальные  реакторы

      Горизонтальный  реактор представленный на рисунке 1.4 включают элементы как полочных, так и радиальных аппаратов и имеют соответственно промежуточные значения гидравлических сопротивлений и степени полезного использования объема. Преимуществом горизонтального реактора является возможность использования коротких слоев катализатора, для которых требования к прочности гранул менее жестки, вкоторых меньшее влияние оказывает усадка катализатора. Однако без принятия дополнительных мер (например, футеровки корпуса или его обдувки) горизонтальные реакторы могут работать лишь при ограниченном перепаде температур на слое катализатора, в противном случае корпус аппарата и внутренние конструкции могут быть разрушены температурными деформациями. Поэтому горизонтальные реакторы применяют чаще всего для низкотемпературной конверсии.

      Для горизонтальных реакторов характерны те же особенности движения и распределения  потоков, что и для радиальных аппаратов. 
 

        

      1 – катализатор; 2 – загрузочные люки; 3 – разгрузочные люки; 4 – распределительная решетка.

      Рисунок 1.4 – Горизонтальный каталитический аппарат  

      Радиальные  аппараты

      В радиальных аппаратах представленном на рисунке 1.5 катализатор располагают в корзинах, образованных коаксиально расположенными центральной трубой и наружной обечайкой, рабочие поверхности которых перфорированы и покрыты сеткой со стороны катализатора. Между корпусом реактора и наружной обечайкой катализаторной корзины образуется кольцевой канал, по которому либо отводят продукты реакции, либо вводят сырье. В радиальном реакторе имеет место сложное движение потока одновременно в осевом направлении (по кольцевому каналу и центральной трубе) и в радиальном – через слой катализатора. Число катализаторных корзин в реакторе обычно не превышает трех. Одним из достоинств радиального реактора является малое гидравлическое сопротивление, что позволяет использовать мелкозернистые катализаторы и достигать высоких объемных скоростей газа. Во время работы реактора уменьшается порозность слоя из-за разрушения части гранул. Все это приводит к усадке катализатора. Для компенсации усадки приходится поверх работающего слоя располагать в радиальной корзине затворные слои, в которых находится до 10 – 15% общего объема катализатора. Некоторая часть катализатора, также не участвующая в работе, заполняет днище корзины. Эти дополнительные объемы катализатора являются для реактора паразитными. Определенную часть объема реактора занимают каналы, предназначенные для подвода и отвода потока. В результате степень полезного использования объема аппарата в радиальном реакторе ниже,чем в полочном.

      

 

      1 – загрузочный люк; 2 - корпус; 3 - катализатор; 4 – центральная перфорированная труба; 5 – наружная перфорированная стенка катализаторной корзины; 6 – разгрузочный люк; 7 – катализатор для компенсации усадки.

      Рисунок 1.6 – Радиальный конвертор

          

   Реформинг-реактор с газовым обогревом

     Современные компании в области производства аммиака стремятся к повышению эффективности путем уменьшения подводимой энергии и смягчении условий проведения процесса.

     В основе LCA-технологии лежит использование реформинг-реактора с газовым обогревом (GHR) [2]. В новой технологии тепло реакции вторичного реформинга используется для обогрева реактора первичного реформинга посредством теплопередачи через трубки с катализатором. GHR занимает площадь на порядок меньше, чем камера сгорания традиционного реактора, работающая при атмосферном давлении; высота GHR в два раза меньше.

       Кроме того, здесь нет длинных,  сложных коммуникаций, связывающих  реактор с остальными частями  установки, а также газовых  бойлеров высокого давления и  пароперегревателей.

     Конструкция и размер GHR обеспечивают очень компактную и гибкую схему, позволяют значительно снизить протяженность высокотемпературных

трубопроводов в зоне реактора. В GHR нет никаких горелок, отсутствуют какие-либо требования относительно работ по графику, поэтому не нужны ни платформы, ни другие системы доступа. Отсутствие высокотемпературных сжигателей в установке первичного реформинга значительно снижает выбросы в атмосферу по сравнению с традиционными реформинг-установками. GHR собирается заранее, он незначительно отличается от установки вторичного реформинга, в противоположность установкам с традиционным обогревом, которые собираются на месте и требуют намного более сложной подготовительной работы.

     Пуск  обычной реформинг-установки –  это длительная процедура, состоящая  из нескольких стадий, многие из которых зависят от запуска системы пара. Это приводит к увеличению расхода природного газа как сырья и как топлива. В LCA-процессе блок GHR/вторичный реформинг запускается в один прием. Технологический воздух как источник тепла, технологический газ и пар подаются вместе GHR в установку вторичного реформинга.

     Отсутствие  обогрева пламенем исключает необходимость  стабилизации работы при высоких  скоростях потоков на старте, как  это приходится делать в традиционных установках для достижения хорошего распределения газа по трубкам. Перегревы из-за горелок также исключены. Поэтому нет опасности расплавления трубок. GHR может безопасно работать, даже если скорости потоков, которых составляют 10% от проектных, пока остальное оборудование готовят к работе.

       Описанный метод запуска в  сочетании со значительно сниженными  расходами (потоков) заметно сокращает  время, необходимое для приведения установки в рабочее состояние, и потери энергии из-за сбросов в атмосферу.

     Прекращение подачи углеводородного сырья в традиционном реформинге требует остановки подачи технологического воздуха и ослабления первичного нагрева. В LCA-процессе линии сырья и воздуха взаимосвязаны, при неисправности одной из них другая прекращает работу автоматически, LCA-процесса можно повторить уже через 2-4 часа, это позволяет восстановить работу установки после нарушений гораздо быстрее и безопаснее, чем в традиционном процессе.

     Использование катализатора вторичного реформинга с  низкой термической инерцией обеспечило простую конструкцию GHR. Монолитная конфигурация обеспечивает низкий общий объем катализатора и минимальный вес катализатора и носителя.

     Подробная схема GHR представлена на рисунке 1.7. Для того, чтобы уменьшить размер установки, теплоперенос через трубы был интенсифицирован с помощью "труб-оболочек", которые окружали содержащие катализатор трубки и увеличивали теплоотдачу от горячего отходящего газа вторичного реформинга. Ребра на трубах тоже усиливали теплоотдачу.

     GHR может работать при давлении, превышающем нормальное давление реформинга, благодаря этому можно использовать компрессор синтез-газа более простой конструкции. В метанаторе используется модификация стандартного катализатора метанирования ICI Katalco, активность которой выше, особенно при низких температурах. Объем катализатора в метанаторе составляет только 6 м³. Это дает объемную скорость более 10 600 час^-1, что более чем вдвое превосходит эту величину для обычной установки. 

   Рисунок 1.7 – Реформинг-установка с газовым обогревом

     Кроме высокой объемной скорости, метанатор обеспечивает достаточно низкотемпературную активность, поэтому можно при запуске подавать газ в установку при 170 °С, не опасаясь проскока СО в контур синтеза. Такая способность работать при низких температурах экономит время при запуске; малый объем необходимого катализатора способствует сокращению стоимости камеры.