RU165416U1

RU165416U1 - LAMINATED CATALYTIC REACTOR

Info

Publication number: RU165416U1
Application number: RU2016113376/05U
Authority: RU
Inventors: Денис Николаевич Пушкинский; Антон Юрьевич Потапов; Дмитрий Александрович Ильичев
Original assignee: Акционерное общество "Гипрогазоочистка"
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2016-10-20

Abstract

1. Пластинчатый каталитический реактор, содержащий корпус, встроенный в него, по меньшей мере, один пластинчатый теплообменник с загруженным между пластинами катализатором, опорную решетку, верхнее и нижнее днища, штуцера подвода и отвода технологического газа, отличающийся тем, что штуцер отвода технологического газа выполнен Г-образным и имеет радиально входящее в корпус колено, конец которого, размещенный внутри реактора, расположен по оси реактора и оснащен устройством отбоя капель, при этом расстояние от нижнего края опорной решетки до нижнего края штуцера составляет от 0,3 до 0,45 от внутреннего диаметра реактора.2. Каталитический реактор по п. 1, отличающийся тем, что устройство отбоя капель выполнено в виде блока гофрированных просечных панелей из тонколистовой стали.1. A plate catalytic reactor containing a housing, at least one plate heat exchanger with a catalyst loaded between the plates, a support grid, upper and lower bottoms, a process gas inlet and outlet fitting, characterized in that the process gas outlet is made L-shaped and has a knee radially entering the body, the end of which, located inside the reactor, is located along the axis of the reactor and is equipped with a drop drop device, while the distance from the lower edge of the support grid fitting to the lower edge is from 0.3 to 0.45 of the internal diameter reaktora.2. The catalytic reactor according to claim 1, characterized in that the dropping device is made in the form of a block of corrugated perforated panels of sheet steel.

Description

Пластинчатый каталитический реактор относится к устройствам для проведения физических и химических процессов и, более конкретно, к каталитическим реакторам, используемым в процессах Клауса для переработки сероводородсодержащего газа в серу.The plate-type catalytic reactor relates to devices for carrying out physical and chemical processes, and more particularly, to the catalytic reactors used in Claus processes for processing hydrogen sulfide-containing gas into sulfur.

В химических технологических процессах известен целый ряд реакций, которые проводятся в присутствии катализатора. Такие реакции, главным образом, являются экзотермическими, часто с сильно выраженным экзотермическим эффектом. В промышленных условиях такие реакции преимущественно проводятся в реакторах, снабженных внутренним теплообменником, позволяющим поддерживать температуру реакции в интервале, соответствующем максимальной эффективности.In chemical processes, a number of reactions are known which are carried out in the presence of a catalyst. Such reactions are mainly exothermic, often with a pronounced exothermic effect. Under industrial conditions, such reactions are mainly carried out in reactors equipped with an internal heat exchanger, which allows maintaining the reaction temperature in the range corresponding to maximum efficiency.

К таким реакторам относятся, например, трубчатые реакторы, содержащие трубы, заполненные катализатором, через которые проходит текучая среда. При этом вырабатываемое в ходе реакции тепло отводится при помощи теплоносителя, циркулирующего в межтрубном пространстве (А.с. СССР №1713640, МПК B01J 8/04). Однако эти типы реакторов имеют особенности, которые не способствуют работе. В первую очередь, геометрия теплообменников такова, что во избежание чрезмерной тепловой нагрузки на трубные пучки реакторы должны быть спроектированы с длинными теплообменными трубками малого диаметра, что приводит к высокому перепаду давления, высокой линейной скорости газа и механическим напряжениям на нижних гранулах катализатора.Such reactors include, for example, tube reactors containing pipes filled with catalyst through which a fluid passes. In this case, the heat generated during the reaction is removed using a heat carrier circulating in the annulus (AS USSR No. 1713640, IPC B01J 8/04). However, these types of reactors have features that do not facilitate operation. First of all, the geometry of the heat exchangers is such that, in order to avoid excessive heat load on the tube bundles, the reactors must be designed with long heat exchangers of small diameter, which leads to a high pressure drop, high linear gas velocity and mechanical stresses on the lower granules of the catalyst.

Спиральные трубчатые реакторы в некоторой степени не имеют этих недостатков, но требуют многих технологических операций и точности при изготовлении. К тому же, они, как правило, дороже.Spiral tubular reactors to some extent do not have these drawbacks, but require many technological operations and manufacturing accuracy. In addition, they are usually more expensive.

Оба типа этих реакторов не могут быть смонтированы по месту и неудобны для транспортировки.Both types of these reactors cannot be mounted locally and are inconvenient for transportation.

Все эти особенности реакторов делают убыточным извлечение серы.All of these reactor features make sulfur recovery unprofitable.

Все более популярными становятся пластинчатые реакторы благодаря многим своим преимуществам, например, эффективному теплоотводу, модульной конструкции, удобству обслуживания и т.д. Термин «пластинчатый реактор» в настоящем описании относится к реактору, оборудованному внутренним пластинчатым теплообменником, между пластинами которого засыпан катализатор. Известны теплообменные пластины различных конструкций, включая пластины, образованные двумя плоскими металлическими листами, соединенными по периметру и в других точках сваркой, которые раздувают воздействием высокого гидравлического давления для формирования внутренней камеры между двумя листами. Теплообменник оборудуется средствами для подвода и отвода теплоносителя (патент США №6460614, МПК F28D 9/00).Plate reactors are becoming increasingly popular due to many of their advantages, such as efficient heat dissipation, modular design, ease of maintenance, etc. The term "plate reactor" in the present description refers to a reactor equipped with an internal plate heat exchanger, between the plates of which the catalyst is filled. Heat transfer plates of various designs are known, including plates formed by two flat metal sheets joined around the perimeter and at other points by welding, which are inflated by high hydraulic pressure to form an inner chamber between the two sheets. The heat exchanger is equipped with means for supplying and removing the coolant (US patent No. 6460614, IPC F28D 9/00).

Концепция использования каталитических реакторов с внутренним охлаждением с целью достижения высокого извлечения серы на двухступенчатой установке Клауса была первоначально разработана компанией LINDE под именем ClinSulf®. Специфические рабочие условия процесса требовали использования, как минимум, двух каталитических реакторов, работающих поочередно, чтобы получить и накопить серу во время реакционной фазы адсорбции, а затем высвободить серу во время фазы регенерации. Такая схема была описана в заявке на изобретение РФ №94036443, МПК В01J 8/04, С01В 17/04.The concept of using internal-cooled catalytic reactors to achieve high sulfur recovery in a two-stage Claus plant was originally developed by LINDE under the name ClinSulf®. The specific operating conditions of the process required the use of at least two catalytic reactors operating in turn to produce and store sulfur during the adsorption reaction phase and then release sulfur during the regeneration phase. Such a scheme was described in the application for the invention of the Russian Federation No. 94036443, IPC B01J 8/04, C01B 17/04.

Для этих целей был разработан ряд пластинчатых реакторов с различными усовершенствованиями, среди которых реактора по Европейским патентам № ЕР 1002571, МПК B01J 8/02, № ЕР 1234612, МПК В01J 19/24, реактор для каталитической обработки газовых потоков по международной заявке WO 93/22544, МПК F01N 3/20, 3/28.For these purposes, a number of plate reactors have been developed with various improvements, including European Patent Reactors No. EP 1002571, IPC B01J 8/02, No. EP 1234612, IPC B01J 19/24, a reactor for catalytic processing of gas flows according to international application WO 93 / 22544, IPC F01N 3/20, 3/28.

Как правило, каталитические реакторы, упомянутые выше, имеют либо радиальный, либо коаксиальный отвод технологического газа. И в том, и в другом случае при регенерации катализатора неизбежен вынос серы с технологическим газом.Typically, the catalytic reactors mentioned above have either a radial or coaxial process gas outlet. In both cases, during the regeneration of the catalyst, the removal of sulfur with the process gas is inevitable.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является пластинчатый каталитический реактор, представленный на сайте компании DEG Engineering GmbH, Германия (http://www.deg-engineering.de/en/company.php#main_content). Пластинчатый реактор содержит корпус, встроенный в него, по меньшей мере, один пластинчатый теплообменник с загруженным между пластинами катализатором, опорную решетку, верхнее и нижнее днища, штуцер подвода и штуцер отвода технологического газа с радиальным выходом газа.The closest in technical essence and the achieved result is a plate catalytic reactor, presented on the website of DEG Engineering GmbH, Germany (http://www.deg-engineering.de/en/company.php#main_content). The plate reactor comprises a housing, at least one plate heat exchanger with a catalyst loaded between the plates, a support grid, upper and lower bottoms, a supply nozzle and a process gas outlet fitting with a radial gas outlet integrated therein.

Процесс Клауса включает две стадии - термическую и каталитическую. Реакция Клауса, протекающая на катализаторе, нуждается в низкой температуре для достижения благоприятного химического равновесия и, следовательно, максимальных конверсии и извлечения серы, поэтому секция в каталитическом реакторе охлаждается за счет отвода тепла. После того, как поры катализатора насытятся серой, необходима регенерация катализатора.The Klaus process includes two stages - thermal and catalytic. The Klaus reaction that proceeds on the catalyst needs a low temperature to achieve favorable chemical equilibrium and, therefore, maximum conversion and sulfur recovery, so the section in the catalytic reactor is cooled by heat removal. After the pores of the catalyst are saturated with sulfur, regeneration of the catalyst is necessary.

Однако, во время фазы регенерации происходит выход жидкой серы из пор катализатора и унос ее с потоком технологического газа через штуцер отвода технологического газа.However, during the regeneration phase, liquid sulfur escapes from the pores of the catalyst and is carried away with the process gas stream through the process gas outlet fitting.

Кроме того, проведенные исследования методом математического моделирования течения потоков газа внутри реактора с использованием с использованием средств вычислительной гидродинамики позволили выявить неравномерность распределения потока газа в слое катализатора.In addition, studies using the method of mathematical modeling of the flow of gas flows inside the reactor using computational fluid dynamics have revealed the uneven distribution of the gas flow in the catalyst bed.

Все это в целом снижает эффективность извлечения серы.All of this generally reduces the efficiency of sulfur recovery.

Технической задачей, которую решает заявленное устройство, является повышение эффективности извлечения серы за счет равномерности распределения технологического газа по слою катализатора и исключения уноса серы с потоком технологического газа.The technical problem that the claimed device solves is to increase the efficiency of sulfur recovery due to the uniform distribution of the process gas over the catalyst bed and to eliminate sulfur entrainment from the process gas stream.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в пластинчатом каталитическом реакторе, содержащем корпус, встроенный в него, по меньшей мере, один пластинчатый теплообменник с загруженным между пластинами катализатором, опорную решетку, верхнее и нижнее днища, штуцер вывода жидкой серы, штуцера подвода и штуцер отвода технологического газа, последний выполнен Г-образным и имеет радиально входящее в корпус колено, конец которого, размещенный внутри реактора, расположен по оси реактора и оснащен устройством для отбоя капель. При этом расстояние от нижнего края опорной решетки до нижнего края штуцера отвода технологического газа составляет от 0,3 до 0,45 от внутреннего диаметра реактора. Устройство отбоя капель представляет собой блок гофрированных просечных панелей из тонколистовой стали.The problem is solved due to the fact that in a plate-type catalytic reactor containing a housing, at least one plate-type heat exchanger with a catalyst loaded between the plates, a support grate, upper and lower bottoms, a liquid sulfur outlet fitting, a supply fitting and a discharge fitting are integrated in it process gas, the latter is made L-shaped and has a knee radially entering the body, the end of which, located inside the reactor, is located along the axis of the reactor and is equipped with a device for dropping drops. In this case, the distance from the lower edge of the support lattice to the lower edge of the process gas outlet fitting is from 0.3 to 0.45 of the inner diameter of the reactor. Drop drop device is a block of corrugated perforated panels of sheet steel.

На фиг. 1 представлены поля скоростей технологического газа на выходе из реактора в соответствии с прототипом, где в слое катализатора между пластинами заметна достаточно большая область более темного цвета, в которой скорость потока газа выше. Известно, что наличие областей с существенно различающимися скоростями газовых потоков приводит к различной интенсивности процессов, протекающих в различных областях реактора. Возрастание объемной скорости газового потока в одной части реактора и снижение ее в другой приводит к изменению времени и соответствующему изменению конверсии в этих частях аппарата. При этом снижается потенциал катализатора и эффективность процесса. Возможными путями частичного устранения этого явления является установка специальных распределительных и выравнивающих устройств, в том числе на выходе газа из слоя катализатора. Для этих целей используют слои инертной насадки в верхней и нижней частях слоя катализатора, различные конструктивные приемы или их сочетание.In FIG. 1 shows the velocity fields of the process gas at the outlet of the reactor in accordance with the prototype, where in the catalyst layer between the plates a sufficiently large region of a darker color is visible, in which the gas flow rate is higher. It is known that the presence of regions with significantly different gas flow rates leads to different intensities of the processes occurring in different regions of the reactor. An increase in the space velocity of the gas flow in one part of the reactor and its decrease in the other leads to a change in time and a corresponding change in the conversion in these parts of the apparatus. This reduces the potential of the catalyst and the efficiency of the process. Possible ways to partially eliminate this phenomenon is to install special distribution and leveling devices, including at the gas outlet from the catalyst bed. For these purposes, layers of inert packing are used in the upper and lower parts of the catalyst layer, various design techniques, or a combination thereof.

Проведенное исследование работы пластинчатого реактора с использованием средств вычислительной гидродинамики показало, что возможным решением для выравнивания полей скоростей является изменение конструкции штуцера отвода технологического газа. Наиболее удачным с точки зрения выравнивания полей скоростей является коаксиальный выход технологического газа. Однако, в силу конструктивных соображений, а также в связи с тем, что при этом увеличивается унос серы с технологическим газом, был рассмотрен вариант Г-образного штуцера с радиально входящим в реактор коленом, расположенным по оси реактора. Как видно из фиг. 2, на которой представлено распределение полей скоростей в слое катализатора в соответствии с заявляемым техническим решением, такой вариант расположения штуцера позволил существенно выровнять поля скоростей. Кроме того, такая конструкция штуцера заметно снижает количество унесенной с технологическим газом серы. Чтобы максимально исключить унос серы предложено оснастить штуцер устройством отбоя капель, которое может быть установлено как в его радиальной части, так и в его колене.A study of the operation of a plate reactor using computational fluid dynamics has shown that a possible solution for leveling velocity fields is to change the design of the process gas outlet fitting. The most successful from the point of view of leveling the velocity fields is the coaxial output of the process gas. However, due to design considerations, and also due to the fact that this increases the entrainment of sulfur with the process gas, an L-shaped fitting with a bend radially entering the reactor located along the axis of the reactor was considered. As can be seen from FIG. 2, which shows the distribution of velocity fields in the catalyst bed in accordance with the claimed technical solution, this embodiment of the location of the fitting allowed to significantly equalize the velocity field. In addition, such a nozzle design significantly reduces the amount of sulfur carried out with the process gas. In order to maximally eliminate the entrainment of sulfur, it is proposed to equip the fitting with a drop release device, which can be installed both in its radial part and in its elbow.

Устройство отбоя капель может иметь различную конструкцию, однако из опыта эксплуатации наиболее приемлемым для этих целей является устройство, выполненное в виде блока гофрированных просечных панелей из тонколистовой стали.The drop rebound device may have a different design, however, from the operating experience the most suitable for these purposes is a device made in the form of a block of corrugated perforated panels of sheet steel.

Расстояние от нижнего края опорной решетки до нижнего края штуцера выбирается из расчета от 0,3D до 0,45D, где D - внутренний диаметр реактора. Как показали исследования, 0,3D - минимальное расстояние, при котором распределение полей скоростей в катализаторе остается равномерным. Расстояние более 0,45D - опасно из-за возможного застывания жидкой серы на корпусе реактора и штуцере, что потребует дополнительного обогрева нижней части реактора.The distance from the lower edge of the support grid to the lower edge of the nozzle is selected from the calculation of 0.3D to 0.45D, where D is the inner diameter of the reactor. Studies have shown that 0.3D is the minimum distance at which the distribution of velocity fields in the catalyst remains uniform. A distance of more than 0.45D is dangerous due to the possible solidification of liquid sulfur on the reactor vessel and fitting, which will require additional heating of the lower part of the reactor.

Предлагаемое техническое решение будет лучше понятно при ознакомлении с нижеприведенным описанием устройства, схема которого показана на прилагаемой фиг. 3.The proposed technical solution will be better understood when reading the description of the device below, a diagram of which is shown in the attached FIG. 3.

Пластинчатый реактор содержит корпус 1, встроенный в него, по меньшей мере, один пластинчатый теплообменник 2 с загруженным между пластинами катализатором 3, опорную решетку 4, верхнее 5 и нижнее 6 днища, штуцер входа технологического газа 7 и штуцер выхода технологического газа 8, штуцер отвода жидкой серы 9, штуцера подвода 10 и отвода 11 теплоносителя. Штуцер выхода технологического газа оснащен устройством отбоя капель жидкой серы 12.The plate reactor comprises a housing 1, at least one plate heat exchanger 2 with a catalyst 3 loaded between the plates, a support grid 4, an upper 5 and a lower 6 bottom, a process gas inlet fitting 7 and a process gas outlet fitting 8, an outlet fitting liquid sulfur 9, the inlet fitting 10 and the outlet 11 of the coolant. The outlet of the process gas is equipped with a device for rejecting drops of liquid sulfur 12.

Каталитический реактор работает следующим образом. Поток технологического газа с термической стадии, содержащий вредные соединения серы, среди которых H₂S, SO₂, COS, CS₂, через штуцер входа 7 поступает в реактор, заполненный катализатором 3, где происходит химическая реакция между компонентами, сопровождающаяся выделением (поглощением) тепла. Съем (подвод) тепла осуществляется за счет циркулирующего теплоносителя в пластинчатом теплообменнике 2. Для регенерации катализатора реактор переключают в режим нагрева, при этом технологический газ, в состав которого входят вредные соединения серы, в частности COS и CS₂, гидролиз которых происходит при высокой температуре, продолжает течь через слой катализатора и выходить через штуцер выхода технологического газа 8. Одновременно с этим сера, находящаяся в порах и на поверхности катализатора, начинает стекать в нижнюю часть реактора и выходить через штуцер 9. Часть капель жидкой серы, уносимая потоком технологического газа, оседает на устройстве отбоя капель 12 и сливается в нижнюю часть реактора.The catalytic reactor operates as follows. The process gas stream from the thermal stage, containing harmful sulfur compounds, including H ₂ S, SO ₂ , COS, CS ₂ , through the inlet fitting 7 enters the reactor filled with catalyst 3, where a chemical reaction between the components occurs, accompanied by evolution (absorption) heat. The removal (supply) of heat is carried out due to the circulating coolant in the plate heat exchanger 2. For the regeneration of the catalyst, the reactor is switched to heating mode, while the process gas, which includes harmful sulfur compounds, in particular COS and CS ₂ , which hydrolysis occurs at high temperature continues to flow through the catalyst bed and exit through the process gas outlet 8. 8. At the same time, the sulfur located in the pores and on the surface of the catalyst begins to flow into the lower part of the reactor and walk through the nozzle 9. A part of the liquid sulfur droplets carried away by the process gas stream settles on the dropping device 12 and merges into the lower part of the reactor.

Таким образом, предложенная конструкция пластинчатого каталитического реактора позволяет достичь более высокой эффективности извлечения серы путем исключения потерь, которые могут достигать 0,2-0,3% от общего извлечения серы.Thus, the proposed design of the plate catalytic reactor allows to achieve a higher sulfur recovery efficiency by eliminating losses that can reach 0.2-0.3% of the total sulfur recovery.

Claims

1. A plate catalytic reactor containing a housing, at least one plate heat exchanger with a catalyst loaded between the plates, a support grid, upper and lower bottoms, a process gas inlet and outlet fitting, characterized in that the process gas outlet is made L-shaped and has a knee radially entering the body, the end of which, located inside the reactor, is located along the axis of the reactor and is equipped with a drop drop device, while the distance from the lower edge of the support grid fitting to the lower edge is from 0.3 to 0.45 of the internal diameter of the reactor.

2. The catalytic reactor according to claim 1, characterized in that the dropping device of the droplets is made in the form of a block of corrugated slotted panels of sheet steel.