RU239938U1 - Конвертор для получения аммиака - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к химическому оборудованию и технологиям получения аммиака. Конвертор содержит корпус (1) с входным отверстием (2) для введения исходной газовой смеси и выходным отверстием (3) для выведения продуктов реакции. Конвертер содержит по меньшей мере одну каталитическую зону (4), в центральной части которой установлен теплообменник (5), имеющий впускные (6) и выпускные (7) трубы охладителя. Конвертер содержит внутреннюю стенку (8), образующую кольцевое пространство (9), соединённое с входным отверстием (2). Каталитическая зона включает первый (10) и второй (11) объёмы каталитического материала, образующие слои катализатора и имеющие перфорированные боковые стенки (12) и (13). Объёмы (10) и (11) образуют две радиальные катализаторные полки - внешнюю и внутреннюю. Технический результат: повышение производительности.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к химическому оборудованию, более конкретно к аммиачным конверторам для каталитического взаимодействия подаваемого газообразного потока, содержащего водород, азот с целью получения аммиака.

Уровень техники

Из уровня техники известен способ получения аммиака и конвертор, содержащий корпус с входным отверстием для введения исходной газовой смеси и выходное отверстие для выведения продуктов реакции, по меньшей мере, одну каталитическую зону, в центральной части которой установлен теплообменник (патент РФ № 2344077, опубликован 20.01.2005 г.). Данный известный конвертор требует увеличения габаритов для увеличения производительности получения аммиака. Данный известный конвертор не обеспечивает оптимального отношения газового потока и объёма катализатора.

Сущность полезной модели

Полезная модель решает задачу повышения эффективности конверсии исходного газового сырья в аммиак за счёт оптимального соотношения величины газового потока и количества катализатора.

Достигаемый технический результат заключается в повышении производительности за счёт увеличения эффективной площади каталитической зоны в результате расположения двух объёмов каталитического материала один внутри другого и механического разделения входного потока на два для их последующей независимой подачи на первый и второй объёмы катализатора.

Указанный технический результат достигается тем, что конвертор для получения аммиака, содержащий корпус с входным отверстием для введения исходной газовой смеси и выходным отверстием для выведения продуктов реакции, каталитическую зону, в центральной части которой установлен теплообменник, упомянутая каталитическая зона включает первый и второй объёмы каталитического материала, имеющие металлические перфорированные боковые стенки и расположенные таким образом, что часть входного потока направляется через перфорированную боковую стенку на упомянутый первый объём каталитического материала, а другая часть входного потока направляется через перфорированную боковую стенку на упомянутый второй объём каталитического материала, при этом потоки, прошедшие упомянутые объёмы каталитического материала, объединяются и направляются в упомянутый теплообменник.

Каждый объём содержит катализаторы с одинаковыми свойствами, а входной поток разделяется пропорционально массе катализатора, находящегося в первом и втором объёмах, таким образом, что обеспечивается равенство объёмных скоростей потоков в обоих объёмах.

Перечень фигур чертежей

На фиг. 1 показана структура конвертора.

На фиг. 2 показана структура катализаторной зоны.

Осуществление полезной модели

Основной технологией получения аммиака является конвертирование азота и водорода в газовой фазе в неподвижном слое катализатора. Эффективность технологий получения аммиака и соответствующего оборудования определяется эффективностью использования катализатора при производстве аммиака. Одной из задач при проектировании оборудования в этой области является оптимизация величины газового потока к количеству катализатора в конверторе. Для уменьшения стоимости оборудования необходимо уменьшить размер реактора при сохранении его мощности.

Синтез аммиака из газообразных азота и водорода в аммиачных реакторах, известных также, как конвертеры, является экзотермическим, и реакции протекают при высоких температурах и давлениях. Для поддержания кинетических и равновесных условий конверсии между рядами каталитических зон используется межстадийное охлаждение.

Большое распространение получили схемы вертикальных конвертеров с радиальным или смешанным радиально-осевым потоком.

Однако такие конструкции обычно требуют повышенного объёма катализатора, что снижает эффективность производства.

Увеличение индивидуальной мощности линий производства аммиака связано с увеличением размеров реакторов и массы загружаемого катализатора. При этом с увеличением толщины слоя катализатора вне зависимости от направления потока (осевой, радиальный или смешанный) возрастает сопротивление слоя катализатора и нагрузка на компрессор синтез-газа. Для уменьшения толщины слоя при сохранении его массы необходимо увеличить площадь слоя, что в случае реакторов со смешанным и радиальным потоком можно достичь либо за счёт увеличения высоты радиального слоя и соответствующего уменьшения его диаметра, либо, в случае конвертера с осевым потоком, за счёт увеличения диаметра аппарата. Таким образом нарушается оптимальное соотношение высоты и диаметра аппарата, затрудняющее его транспортировку, монтаж и обслуживание и повышающее материалоёмкость.

Полезная модель относится к вертикальному аммиачному конвертеру с неподвижным слоем радиально-осевым потоком. В конвертере каталитическая зона неподвижного слоя расположена в двух механически разделённых объёмах катализатора и двух газовых потоках, которые работают параллельно. Полезная модель обеспечивает уменьшение размера реактора, так как два объёма могут быть оптимально размещены в корпусе реактора один внутри другого. Объёмы катализатора и пути газового потока размещены так, что газовый поток идёт через каждый объём катализатора оптимальной толщины через перфорированную боковую стенку, при этом не требуется дополнительного количества катализатора и исключается возможность псевдоожижения.

Каждая каталитическая зона неподвижного слоя содержит два объёма катализатора в кольцевых пространствах, образованных вокруг центрального теплообменника. Два каталитических объёма в составе каждой каталитической зоны расположены один внутри другого по поперечному сечению конвертера. Радиальные потоки создаются через перфорированные боковые стенки объёмов катализатора.

Полезная модель иллюстрируется фиг. 1, на которой показан конвертор для получения аммиака, содержащий корпус 1 с входным отверстием 2 для введения исходной газовой смеси и выходным отверстием 3 для выведения продуктов реакции. Конвертер содержит по меньшей мере одну каталитическую зону 4, в центральной части которой установлен теплообменник 5, имеющий впускные 6 и выпускные 7 трубы охладителя. Конвертер содержит внутреннюю стенку 8, образующую кольцевое пространство 9, соединённое с входным отверстием 2.

Конструкция левой части каталитической зоны показана на фиг. 2. Правая сторона имеет симметричную конструкцию.

Каталитическая зона включает первый 10 и второй 11 объёмы каталитического материала, образующие слои катализатора и имеющие перфорированные боковые стенки 12 и 13. Объёмы 10 и 11 образуют две радиальные катализаторные полки - внешнюю и внутреннюю.

Объёмы 10 и 11 имеют кольцевую форму и концентрически расположены один в другом вокруг теплообменника 5. Входной поток, проходящий по кольцевому пространству 9, разделяется на две части. Первая часть входного потока направляется через перфорированную боковую стенку 12 на первый объём 10 каталитического материала, а другая часть входного потока направляется через перфорированную боковую стенку 13 на второй объём 11 каталитического материала. Потоки, прошедшие объёмы 10 и 11 каталитического материала, объединяются и направляются в теплообменник 5.

В каждом объёме 10, 11 поток газа движется радиально или аксиально-радиально. После прохождения теплообменника 5 газовый поток направляется на следующую катализаторную зону для дальнейшей конверсии. Количество последовательных каталитических зон 4 определяется свойствами сырьевого потока, тепловыми режимами, свойствами применяемого катализатора и требуемыми характеристиками продукта.

Каждый объём каталитического материала имеет оптимальные значения внешнего и внутреннего диаметров, высоты и толщины слоя катализатора. Общий входящий каталитическую зону 4 поток газа механически разделяется на параллельные потоки пропорционально массе катализатора, находящегося в каждом из объёмов 10, 11. Для усиления эффекта целесообразно обеспечить равенство объёмных скоростей газового потока (при условии одинаковости свойств катализатора в каждом объёме 10, 11). Все каталитические зоны 4 в полезной модели расположены вокруг коаксиальных корпусу 1 теплообменников 5 той или иной конструкции, охлаждающих общий поток газа.

Пример осуществления полезной модели.

Через входное отверстие 2 в кольцевой зазор 9 корпуса 1 конвертера подаётся поток исходного синтез-газа. В качестве катализатора используется пористое железо с примесями оксидов алюминия и калия.

Производилось сравнение двух вариантов организации радиальной каталитической полки высотой 5000 мм в оболочке с внутренним диаметром 2650 и центральной перфорированной стенкой с внешним диаметром 1000 мм.

Исходный синтез-газ двигался в обоих сравниваемых вариантах от периферии к центру реактора в радиальном направлении. Температура на входе в полку 360°С и давление 20 МПа. Состав исходного синтез-газа в мольных долях: N₂ - 0,2156, Н₂ - 0,6297, NH₃ - 0,0248, СН₄ - 0,0861, Ar - 0,0438.

Во всех вариантах использовался катализатор с одинаковыми характеристиками синтеза аммиака по активности, фракционному составу и плотности загрузки. Плотность загрузки катализатора составляла 2300 кг/м³. Фракционный состав катализатора: 1,5-3 мм.

В первом варианте катализатор занимает весь цилиндрический объём за исключением объёма газораспределительных устройств, расположенных по периметру оболочки. При этом объем полки равен 21,65 м³, а масса катализатора составляет 49796 кг.

Во втором варианте, согласно полезной модели, аналогичный исходный объём разделён вертикальной стенкой диаметром 1925 мм на два коаксиальных объёма 10 и 11, образующего две радиальные полки - внешнюю и внутреннюю. Объем внешней полки составляет 10,80 м³, внутренней - 7,74 м³, что составляет в сумме 18,54 м³ (против 21,65 м³ в первом варианте). Соответственно уменьшается масса катализатора: во внешней полке 24851 кг и 17812 - во внутренней, что в сумме составляет 42663 кг (против 49796 кг в первом варианте).

За счёт увеличения площади сечения потока и уменьшения толщины слоёв обеспечено снижение потерь на преодоления сопротивления и потребляемую мощность компрессора.

При расходе 498 кг/с в варианте разделённой полкой перепад давления на слое катализатора составляет 9570 Па. Расход газа через внешнюю полку составляет 323 кг/с, а через внутреннюю 175 кг/с. Суммарная производительность полок составляет 2980 т аммиака в сутки (MTPD).

При перепаде давления 9570 Па расход газа через полку в первом (неразделённом) варианте составляет 143 кг/с, а производительность полки 1380 т аммиака в сутки (MTPD), т.е. полка работает не в оптимальном режиме. При оптимальной нагрузке в первом варианте производительность может быть увеличена до 4212 т аммиака в сутки, но при этом перепад давления на полке составит 156639 Па.

При увеличении производительности в 4212/2978=1,42 раза, перепад давления, и приблизительно пропорциональные ему затраты энергии на преодоления этого сопротивления, возрастают в 156639/9570=16,37 раза, что соответствует увеличению себестоимости продукта.

При равной производительности 2978,6, в первом варианте с неразделённой полкой перепад давления составляет 43120 Па (43120/9570=4,5).

Кроме того, перепад давления прямо связан с металлоёмкостью оборудования. Соответственно возрастает стоимость оборудования, изготавливаемого из нержавеющей стали и сплавов.

Таким образом, полезная модель позволяет уменьшить размеры реактора и количество катализатора. При этом уменьшение высоты слоя обеспечивает условие для сокращения разности плотности катализатора по высоте объёма. Также обеспечивается более равномерные скорости потока на входе в слои катализатора, связанные с потерями давления в узких длинных каналах в случае объёмов катализатора большой высоты и относительно небольшого диаметра.

Claims (2)

1. Конвертор для получения аммиака, содержащий корпус с входным отверстием для введения исходной газовой смеси и выходным отверстием для выведения продуктов реакции, каталитическую зону, в центральной части которой установлен теплообменник, отличающийся тем, что упомянутая каталитическая зона включает первый и второй объёмы каталитического материала, имеющие металлические перфорированные боковые стенки и расположенные таким образом, что часть входного потока направляется через перфорированную боковую стенку на упомянутый первый объём каталитического материала, а другая часть входного потока направляется через перфорированную боковую стенку на упомянутый второй объём каталитического материала, при этом потоки, прошедшие упомянутые объёмы каталитического материала, объединяются и направляются в упомянутый теплообменник.

2. Конвертор по п. 1, отличающийся тем, что каждый объём содержит катализаторы с одинаковыми свойствами, а входной поток разделяется пропорционально массе катализатора, находящегося в первом и втором объёмах, таким образом, что обеспечивается равенство объёмных скоростей потоков в обоих объёмах.