Реактор для проведения каталитических процессов
Полезная модель относится к устройствам для проведения каталитических процессов в стационарном слое катализатора. Полезная модель имеет повышенную надежность работы реактора из-за простоты эксплуатации, улучшенные условия работы катализатора, вследствие равномерного распределения компонентов реакционной смеси по реакционному пространству. Наиболее эффективно применять полезную модель для реформинга природного газа продуктами его полного сгорания. Снижение капитальных затрат на производство реактора осуществляется за счет простоты изготовления и унификации узлов реактора. Реактор для проведения каталитических процессов содержит цилиндрический корпус со штуцером ввода и штуцером вывода реагирующих компонентов и штуцером для загрузки и выгрузки катализатора, имеет диаметры штуцеров ввода и вывода реагирующих компонентов равные диаметру корпуса реакционного пространства, штуцера ввода и вывода составляют одну трубу с цилиндрическим корпусом, загрузку и выгрузку катализатора осуществляют через штуцер вывода продуктов реакции, реакционное пространство заполнено катализатором в следующих пропорциях вдоль хода исходного сырья: катализатор для протекания углекислотного реформинга 30...40%, катализатор для протекания реакции парового реформинга 60...70%, подвод углеводородного сырья осуществляют в нижней части корпуса реакционного пространства.
Полезная модель относится к устройствам для проведения каталитических процессов в стационарном слое катализатора. Описанный реактор для проведения каталитических процессов может применяться в системах термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов с температурой от 700°С до 1200°С.
Известен реактор для проведения каталитических процессов, включающий цилиндрический корпус со штуцером ввода и ответным фланцем, штуцером вывода продуктов реакции и штуцерами для загрузки и выгрузки катализатора, внутри которого коаксиально установлена центральная перфорированная труба (ЦПТ), заглушенная с одного конца, а на другом конце которой имеется патрубок для ввода сырья, перфорированные желоба, расположенные по образующим корпуса, коллектор и патрубки для выгрузки катализатора и вывода продуктов реакции (патент Российской Федерации 
2102131, 6 B01J 8/02, 1998 г.).
Недостатком конструкции данного реактора являются высокие скорости входа потока окислителя и углеводородного сырья в слой катализатора из отверстий центральной перфорированной трубы, что приводит к неравномерному распределению реакционной смеси по объему катализатора и повышенному удельному расходу катализатора, а также к неблагоприятным силовым нагрузкам, обусловленным температурными напряжениями, возникающих в центральной перфорированной трубе, что вызывает преждевременный износ конструкций реактора.
Известен также принятый за прототип реактор для проведения каталитических процессов, содержащий цилиндрический корпус со штуцером ввода и ответным фланцем, штуцером вывода продуктов реакции и штуцерами для загрузки и выгрузки катализатора, внутри которого коаксиально установлена ЦПТ, снабженная ступенчатым гасителем скорости потока, включающим в себя разделительные кольца и выходную трубу с площадью перфорации не менее 20% от наружной поверхности, заглушенная с одного конца и имеющая на другом конце патрубок ввода реагирующей смеси, перфорированные желоба, расположенные по образующим корпуса, а также устройства для загрузки и выгрузки катализатора и вывода продуктов реакции (патент Российской Федерации 2217229, 7 B01J 8/02, 2003 г.).
Недостатками прототипа является то, что отверстия в выходной трубе, площадь которых, как указано выше, достигает не менее 20%, от наружной поверхности выходной трубы, может привести к попаданию катализатора в полость центральной перфорированной трубы при его загрузке, а это приводит к неравномерному распределению потока по объему катализатора и снижению эффективности его работы. Неравномерное распределение потока ведет к образованию сажистого углерода. Кроме того, в процессе эксплуатации реактора на центральной перфорированной трубе возникают высокие температурные напряжения, а, следовательно, и силовые нагрузки, что приводит к снижению срока службы центральной перфорированной трубы, остановке реактора на ремонт и к дополнительным эксплуатационным затратам.
Задачей полезной модель является повышение надежности работы реактора, улучшение условий работы катализатора, увеличение эффективности реформинга углеводородного сырья, в частности реформинга природного газа продуктами его полного сгорания, а также снижения эксплуатационных и капитальных затрат.
Поставленная задача решается тем, что реактор для проведения каталитических процессов, содержащий цилиндрический корпус со штуцером ввода и штуцером вывода реагирующих компонентов и штуцером для загрузки и выгрузки катализатора имеет диаметры штуцеров ввода и вывода реагирующих компонентов равные диаметру корпуса реакционного пространства, штуцера ввода и вывода составляют одну трубу с цилиндрическим корпусом, загрузку и выгрузку катализатора осуществляют через штуцер вывода продуктов реакции, реакционное пространство заполнено катализатором в следующих пропорциях вдоль хода исходного сырья: катализатор для протекания углекислотного реформинга 30
40%, катализатор для протекания реакции парового реформинга 6070%, подвод углеводородного сырья осуществляют в нижней части корпуса реакционного пространства.
Сущность полезной модели поясняется чертежом рис.1 - общий вид реактора.
Реактор содержит цилиндрический корпус 2, фланец на входе и на выходе реагирующих компонентов 2, опорное кольцо 3 для поддержки 6 катализатора, слой катализатора, патрубок подвода углеводородного сырья 4.
Цилиндрический корпус 2 представляет трубу постоянного диаметра, в которой штуцера ввода и вывода реагирующих компонентов конструктивно не выделены, что позволяет существенно унифицировать процесс изготовления реактора.
Движение реагирующей смеси сверху вниз согласно рис.1. Окислитель, в частности дымовые газы, подаются снизу, углеводородное сырье, в частности природный газ (метан) подводят в нижнюю часть реакционного пространства через патрубок подвода углеводородного сырья 4. В нижней части реакционного пространства происходит смешение углеводородного сырья и окислителя. После чего реагирующие компоненты попадают в реакционное пространство, заполненное катализатором 5. Катализатор укладывается слоями на поддержку катализатора 6, выполненную в виде этажерки.
Наиболее эффективным применение описанной конструкции будет соответствовать реформингу природного газа продуктами его полного горания. Компонентный состав продуктов полного сгорания природного газа равен CO2:H2O:N2
1:2:7,52. В реакционном пространстве протекают реакции парового и углекислотного реформинга метана описываемые следующими уравнениями:
СН4+СO2=2СО+2Н 2-247,1 кДж/моль (1)
СН4+Н 2O=СО+3Н2-206,6 кДж/моль (2)
Исходная смесь природного газа и продуктов его полного сгорания имеет температуру от 800 до 1200°С. Свободная энергия Гиббса для реакции углекислотного реформинга природного газа (метана) (1) имеет более высокое значение, чем свободная энергия для реакции парового реформинга метана (2), поэтому необходимо, чтобы содержащийся углекислый газ в исходной смеси прореагировал с метаном в верхней части реакционного пространства, т.к. в верхней части температурный потенциал будет недостаточен для протекания реакции (1). Для этого нижнюю часть реакционного пространства ~3040% заполняют катализаторами углекислотной конверсии метана, т.е. катализаторами, которые показывают хорошие окислительные свойства именно для реакции (1).
После прохождения нижней части реакционного пространства ~3040%, реагирующая смесь с уже меньшей концентрацией углекислого газа, но все еще с высокой концентрацией водяных паров попадает в верхнюю часть реакционного пространства ~6070%, которая заполнена катализаторами паровой конверсии метана (2), т.е. катализаторами, которые показывают хорошие окислительные свойства именно для реакции (2).
Преимущества заполнения реакционного пространства катализаторами углекислотной конверсии ~3040% и катализаторами паровой конверсии ~6070% следующие: реагирующая смесь попадает в реакционное пространство с высокой температурой 8001200°С, при высоком температурном потенциале на катализаторах углекислотной конверсии происходит окисление природного газа углекислым газом, в результате чего температура смеси снижается до температуры, при которой становится невозможным протекание реакции (1). После этого, остальная часть нелрореагировавшего природного газа и дымовых газов попадают в нижнюю часть реакционного пространства ~6070%. Температурный потенциал в нижней части все еще позволяет реакции (2) полностью завершиться на катализаторах паровой конверсии. Таким образом, на выходе из реактора имеется конвертированный газ с минимальной концентрацией негорючих компонентов (CO 2, Н2O, N2). Здесь считается, что азот дымовых газов химически нейтрален.
Загрузка и выгрузка катализатора осуществляется следующим образом: при снижении эффективности работы катализатора, через штуцер ввода продуктов реакции вынимается поддержка катализатора 6, в которой происходит замена «отравленных» катализаторов.
Низкие скорости реагирующей смеси достигаются за счет того, что по ходу движения реагирующей смеси отсутствует диффузор (расширяющееся сопло). Отсутствие центральной перфорированной трубы приводит к тому, что температурные напряжения по длине реактора распределены равномерно. Отсутствие центральной перфорированной трубы приводит к равномерному распределению реагирующих компонентов, что в свою очередь приводит к минимизации сажеобразования
Исходное положение реактора перед работой: реактор расположен вертикально, загрузку катализатора 5 на поддержке катализатора 6 осуществляют через штуцер вывода продуктов реакции.
Реактор для проведения каталитических процессов, содержащий цилиндрический корпус со штуцером ввода, штуцером вывода реагирующих компонентов и штуцером для загрузки и выгрузки катализатора, отличающийся тем, что диаметры штуцеров ввода и вывода реагирующих компонентов равны диаметру корпуса реакционного пространства, штуцера ввода и вывода составляют одну трубу с цилиндрическим корпусом, загрузку и выгрузку катализатора осуществляют через штуцер вывода продуктов реакции, реакционное пространство заполнено катализатором в следующих пропорциях вдоль хода исходного сырья: катализатор для протекания углекислотного реформинга 3040%, катализатор для протекания реакции парового реформинга 6070%, подвод углеводородного сырья осуществляют в нижней части корпуса реакционного пространства.
