Конвертерная система с максимальной скоростью реакции для экзотермических реакций

Конвертерная система с максимальной скоростью реакции для экзотермических реакций

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Известный уровень техники

Настоящее изобретение относится к конвертеру для экзотермических реакций и, в частности, к конвертеру и способу конверсии азота и водорода в аммиак, в результате которых достигается снижение расхода катализатора и/или более высокие выходы продукта.

Аммиак обычно получают посредством реакции между азотом и водородом в контуре синтеза, который может включать в себя компрессор, реактор синтеза аммиака и стадию конденсации и извлечения аммиака. Непрореагировавший синтез-газ из реакции синтеза обычно рециркулирует от сепаратора для отделения аммиака обратно к компрессору и реактору. Синтез-газ может содержать аргон, метан и другие инертные компоненты, которые обычно удаляют как продувочный поток, тем самым предотвращая накопление инертных газов в контуре синтеза. Продувочный газ затем может быть обработан в аппарате для извлечения водорода или, с другой стороны, непосредственно подан в топливную систему с дополнительной обработкой или извлечением водорода, либо без них.

Многие установки для производства аммиака работают с контуром синтеза, в котором в аммиачных конвертерах используют магнетитовый катализатор на основе железа. В число значительных достижений в производстве аммиака входит использование высокоактивных катализаторов синтеза, которые содержат металл платиновой группы, осажденный на графитосодержащем углероде, и которые используют в отдельности или в сочетании менее активными катализаторами на основе железа, как это описано в патентах США №№ 4568530, 4568531 и 4568532. Желательным металлом платиновой групп является рутений, как это более подробно описано в патентах США №№ 4122040 и 4250057. Высокоактивные катализаторы обычно позволяют увеличить производство аммиака и/или использовать катализатор в меньших объемах.

В общем, контакт реагентов с катализатором при подходящих условиях температуры и давления влияет на экзотермическую реакцию. Нагрев, связанный с экзотермическими реакциями, может иметь различные положительные и отрицательные влияния на реакцию. К числу отрицательных влияний могут относиться: плохая производительность, дезактивация катализатора, производство нежелательных побочных продуктов и повреждение реактора и трубопроводов. Чаще всего чрезмерное повышение температуры в зоне реакции либо ограничивает избирательность, либо снижает выход продукта.

Процессы с экзотермическими реакциями могут проводиться с большим числом исходных материалов и продуктов. Примерами умеренно экзотермических процессов могут быть синтез метанола, синтез аммиака и конверсия метанола в олефины. Примерами высокоэкзотермических реакций могут быть реакции окисления вообще, производство фталевого ангидрида посредством окисления нафталина или ортоксилола, производство акрилонитрила из пропана или пропилена, синтез акриловой кислоты из акролеина, конверсия н-бутана в малеиновый ангидрид, производство уксусной кислоты посредством карбонилирования метанола и конверсия метанола в формальдегид.

Эффективность обратимых экзотермических реакций часто зависит от способности отводить тепло, выделяющееся при процессе. Скорость реакции и равновесие обычно сдвигаются противоположно с повышением температуры. Так более высокие температуры реакции обычно приводят к более быстрым скоростям реакции и меньшей общей конверсии, в то время как более низкие температуры реакции обычно приводят к более медленным скоростям реакции и более высокой общей конверсии. Для увеличенной конверсии при стадийных обратимых экзотермических реакциях высокая температура применяется на ранних стадиях реакции в тех случаях, когда кинетика реакции является более благоприятной. По мере того как протекает реакция, температуру на более поздних стадиях снижают, чтобы воспользоваться более благоприятными равновесными условиями. Однако так как реакцию проводят стадиями с междустадийным охлаждением, то равновесие и кинетика редко или только очень кратко уравновешиваются для максимально возможной скорости реакции. В соответствии с настоящим изобретением применяются условия, приближающиеся к кривой оптимальной работы реактора (или прогрессии температуры), что максимально увеличивает скорость реакции на пути, соответствующем локусу максимальных скоростей на графике “температура-конверсия". Этот тип графика, в общем, следует профилю уменьшающейся температуры от входа реактора к его выходу.

Некоторые реакторы, известные из предшествующего уровня техники, основаны на том, что реакции проводятся в по существу адиабатических зонах реактора, что обеспечивает косвенный контакт с охлаждающей средой между стадиями. Конструкция реакторов с промежуточным охлаждением обуславливает необходимость в использовании больших реакторов и обширных поверхностей для достижения высоких коэффициентов теплопередачи. В патенте США № 4696799 на имя Noe описывается конвертер для синтеза аммиака, имеющий кожухотрубные теплообменники для охлаждения входящими газами-реагентами потоков газов-реагентов, покидающих слои катализатора. В патенте США № 5869011 на имя Lee описывается реактор с неподвижным слоем, в котором одноступенчатый слой катализатора разделен на многочисленные ступени с промежуточным теплообменом в одном корпусе.

В патенте США № 6171570 на имя Czuppon описывается поддержание кипящей водой по существу изотермического состояния в межтрубном пространстве кожухотрубного реактора с трубками, заполненными катализатором. В число описанных преимуществ входят меньшее энергопотребление, меньшие размеры продувки и более высокая производительность по аммиаку. Хотя общая эффективность катализатора и может быть лучше, чем та, которая обнаруживается в реакторах, работающих при адиабатических условиях, изотермическое состояние, конечно, означает, что по направлению к выходу реактора состав реакционной смеси, однако, может приближаться к равновесным концентрациям продукта, таким образом, ограничивая дальнейшую реакцию. При экзотермической реакции, как, например, при производстве аммиака из водорода и азота, концентрация получаемого аммиака на выходном конце изотермического реактора может быть выше, чем концентрация продукта на выходе адиабатического реактора при данном достаточном времени реакции. Это справедливо потому, что в адиабатическом реакторе, в котором проводится экзотермическая реакция, как, например, для производства аммиака из водорода и азота, температуры увеличиваются по длине реактора, а равновесная концентрация получаемого аммиака меньше при более высоких температурах.

Адиабатические реакторы с неподвижным слоем и промежуточным охлаждением, известные из уровня техники, используют для обеспечения последовательной конверсии при все более низких температурах с целью улучшения эффективности катализатора и улучшения выходов. На практике реакционные процессы, известные из уровня техники, ограничены двумя-четырьмя ступенями в одном общем корпусе реактора, при этом основным ограничением являются капитальные затраты, связанные с межступенчатым теплообменным оборудованием и многочисленными ступенями и/или корпусами реакторов. Кроме того, в каждом слое температура на входе непременно ниже, чем температура на выходе, которая ближе к равновесной температуре. Например, в патенте США № 6015537 на имя Gam описывается реактор для получения аммиака из синтез-газа, который отличается присутствием многочисленных слоев катализатора с промежуточным охлаждением частично конвертированного синтез-газа между отдельными слоями катализатора.

При одном промышленном способе получения аммиака, известном из уровня техники, используют четыре слоя катализатора с промежуточным охлаждением между слоями. Первый слой и иногда второй слой могут содержать магнетитовый катализатор на основе железа, а последующие два или три слоя - катализатор на основе рутения. Реактор имеет низкую температуру на входе каждого слоя катализатора вследствие увеличивающихся температурных профилей в зонах адиабатической экзотермической реакции синтеза аммиака. Экзотермический характер реакции наряду с компоновкой слоев в адиабатическом реакторе не позволяет температурному профилю максимально увеличивать конверсию аммиака за один проход, что, в свою очередь, приводит к неэффективному использованию катализатора. В такой системе для достижения большей конверсии аммиака за один проход требуются большие количества катализатора.

Подобным же образом изотермические реакторы имеют ограничения при производстве аммиака. Синтез аммиака с использованием изотермического реактора обычно требует отдельного внешнего подогрева подаваемого газа. Кроме того, как и многоступенчатые адиабатические реакторы, обычные изотермические реакторы имеют сравнительно высокие потребности в катализаторе для получения эквивалентных скоростей конверсии.

Таким образом, в технике существует потребность в конструкции реактора, в которой регулируют температуру экзотермических реакций по длине реактора, чтобы эффективно использовать рабочую кривую "температура:конверсия", которая следует равновесной кривой с отрицательным температурным сдвигом, и, таким образом, поддерживать высокую скорость реакции и эффективность катализатора по всему объему слоя катализатора.

Краткое изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение относится к способу конверсии и устройству, например, для синтеза аммиака, в котором можно регулировать температуру по длине реактора, что приводит к уменьшенным объемам катализатора и увеличенной конверсии. Температуру реакции можно понижать по длине реактора, следуя кривой равновесия для желаемого продукта, так что концентрация продукта увеличивается по длине реактора, но никогда не достигает равновесной концентрации продукта при текущей температуре реакционной смеси.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения предлагается способ конверсии, применимый для синтеза аммиака и содержащий: (а) введение газообразного, обогащенного реагентами потока при температуре подачи в теплообменный канал теплообменной реакционной зоны для предварительного подогрева обогащенного реагентами потока до температуры на входе; (б) введение предварительного подогретого, обогащенного реагентами потока при температуре на входе в противоточный, содержащий катализатор реакционный канал для экзотермической конверсии газа-реагента в получаемый газ с образованием обогащенной продуктом смеси из газа-реагента и получаемого газа; (в) косвенную передачу тепла от реакционного канала к теплообменному каналу со скоростью, эффективной для поддержания температуры смеси газов ниже равновесной температуры; и (г) отвод выходящего потока, обогащенного получаемым газом, от выхода из реакционного канала при температуре выпуска.

Обогащенная продуктом смесь может иметь равновесную концентрацию продукта, которая увеличивается с уменьшением температуры, и коэффициент скорости реакции, который увеличивается с увеличением температуры. Скорость теплопередачи в части реакционного канала, имеющей уменьшающуюся температуру, может превысить скорость выделения теплоты реакции для снижения температуры газовой смеси до температуры выпуска. Газ-реагент может содержать смесь азота и водорода, а получаемый газ может содержать аммиак. Катализатор может содержать переходный металл, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать металл платиновой группы. Катализатор может содержать рутений на углеродном носителе, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать активированный рутений на термостабилизированном графитовом носителе. Теплообменная реакционная зона может содержать кожухотрубный теплообменник, теплообменный канал может представлять собой межтрубный канал через теплообменник, и реакционный канал может содержать множество трубок, содержащих в себе катализатор. Реакционный канал может содержать множество последовательных чередующихся, содержащих катализатор зон и зон, ограничивающих реакцию. В части реакционного канала можно поддерживать температуру в пределах 30°С от равновесной температуры газовой смеси. Реакционный канал может содержать адиабатическую первоначальную зону, которая примыкает к входу реакционного канала и в которой скорость выделения теплоты реакции превышает скорость теплопередачи, посредством чего повышается температура газовой смеси. Зоны, ограничивающие реакцию, могут быть нереакционными или могут быть свободны от катализатора.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предлагается способ конверсии для синтеза аммиака, содержащий: (а) введение обогащенного реагентами потока, содержащего водород и азот, при температуре подачи в межтрубный канал кожухотрубного реактора с теплообменником для предварительного подогрева обогащенного потока до температуры на входе; (б) введение предварительно подогретого, обогащенного реагентами потока из межтрубного канала при температуре на входе в реакционную зону, содержащую множество содержащих катализатор трубок, для конверсии водорода и азота в аммиак с образованием обогащенной аммиаком смеси водорода, азота и аммиака; (в) косвенную передачу тепла от трубок к обогащенному реагентами потоку со скоростью, эффективной для поддержания температуры смеси в трубках ниже равновесной температуры, при этом скорость теплопередачи в части реакционной зоны, имеющей уменьшающуюся температуру, превышает скорость выделения теплоты реакции для снижения температуры смеси до температуры выпуска; и (г) отвод выходящего потока, обогащенного аммиаком и обедненного азотом и водородом, из выходных концов трубок при температуре выпуска.

Катализатор может содержать переходный металл, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать металл платиновой группы. Катализатор может содержать рутений на углеродном носителе, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать активированный рутений на термостабилизированном графитовом носителе. Трубки могут содержать первоначальную зону с увеличивающейся температурой, которая примыкает к входу реакционного канала и в которой скорость выделения теплоты реакции превышает скорость теплопередачи и увеличивается температура газовой смеси. Трубки могут содержать ряд чередующихся, содержащих катализатор зон и зон с ограниченной реакцией. В части с уменьшающейся температурой можно поддерживать температуру смеси в пределах 30°С от равновесной температуры для реакции. Кроме того, этот способ может содержать подачу обогащенного реагентами потока через реактор, расположенный выше по потоку и содержащий магнетитовый катализатор, и последующую подачу потока, выходящего из реактора с магнетитовым катализатором, в качестве обогащенного реагентами потока, вводимого в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменивающего реактора. В одном варианте осуществления изобретения обогащенный реагентами поток, вводимый в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменивающего реактора, может быть потоком продувочного газа из контура синтеза аммиака. Катализаторные трубки могут быть вертикальными, а газовая смесь может течь вниз через трубки. Трубки могут содержать первоначальную зону с увеличивающейся температурой, которая примыкает к выходу реакционного канала и в которой скорость выделения теплоты реакции превышает скорость теплопередачи и увеличивается температура газовой смеси. Зоны с ограниченной реакцией могут быть нереакционными и могут быть свободными от катализатора. Часть с уменьшающейся температурой можно поддерживать в интервале температур, которые следуют равновесной кривой "концентрация аммиака:температура" для данного давления в реакторе, посредством чего поддерживаются высокая скорость реакции и высокая эффективность катализатора по всему реактору.

Согласно другому варианту осуществления изобретения предлагается конвертер для синтеза аммиака, содержащий: (а) средства для ввода газообразного, обогащенного реагентами потока при температуре подачи в теплообменный канал теплообменивающей реакционной зоны для предварительного подогрева обогащенного реагентами потока до температуры на входе; (б) средства для ввода предварительно подогретого, обогащенного реагентами потока при температуре на входе в содержащий катализатор реакционный канал для экзотермической конверсии газа-реагента в получаемый газ с образованием обогащенной продуктом смеси газа-реагента и поучаемого газа, имеющего равновесную концентрацию продукта, которая увеличивается с уменьшением температуры, и коэффициент скорости реакции, который увеличивается с увеличением температуры, (в) средства для косвенной передачи тепла от реакционного канала к теплообменному каналу со скоростью, эффективной для поддержания температуры смеси газов ниже равновесной температуры, при этом скорость теплопередачи в части реакционного канала, имеющей уменьшающуюся температуру, превышает скорость выделения теплоты реакции для снижения температуры смеси газов до температуры выпуска, и (г) выпускные средства для отвода выходящего потока, обогащенного полученным газом, из реакционного канала при температуре выпуска.

Конвертер может содержать средства для ограничения теплопередачи от реакционного канала к теплообменному каналу вблизи выходной части катализаторной трубки. Газ-реагент может содержать смесь азота и водорода, а получаемый газ может содержать аммиак. Катализатор может содержать переходный металл, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать металл платиновой группы. Катализатор может содержать рутений на углеродном носителе, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать активированный рутений на термостабилизированном графитовом носителе. Теплообменная реакционная зона может содержать кожухотрубный теплообменник. Теплообменный канал может быть межтрубным каналом через теплообменник, а содержащий катализатор канал может быть внутритрубным каналом через множество вертикальных параллельных трубок, содержащих катализатор. Реакционный канал может содержать по существу адиабатическую первоначальную зону, которая примыкает к входу реакционного канала и в которой скорость выделения теплоты реакции превышает скорость теплопередачи и повышается температура газовой смеси. Кроме того, реакционный канал может содержать множество чередующихся, содержащих катализатор зон и зон, ограничивающих реакцию. Зоны, ограничивающие реакцию, могут быть нереакционными и могут быть свободны от катализатора. Кроме того, конвертер может содержать средства для поддержания температуры газовой смеси в трубках в пределах 30°С от равновесной температуры для данной концентрации аммиака, когда газовая смесь проходит через трубки.

Согласно другому варианту осуществления изобретения предлагается конвертер для синтеза аммиака, содержащий: (а) реактор с кожухотрубным теплообменником, содержащий межтрубный теплообменный канал и реакционный канал, содержащий множество содержащих катализатор трубок; (б) впускное отверстие для ввода обогащенного реагентами потока, содержащего водород и азот, при температуре подачи в теплообменный канал для предварительного подогрева обогащенного реагентами потока; (в) впускное отверстие для ввода предварительно подогретого потока в реакционный канал; (г) ряд чередующихся, содержащих катализатор зон и зон, ограничивающих реакцию в трубках для конверсии водорода и азота в аммиак с образованием обогащенной аммиаком смеси водорода, азота и аммиака; и (д) выпускное отверстие из реактора для отвода выходящего потока, обогащенного аммиаком и обедненного азотом и водородом, из трубок при температуре выпуска.

Межтрубный канал может содержать множество перегородок для направления обогащенного реагентами потока через реакционные трубки. Расстояния между перегородками в межтрубном канале могут быть изменяющимися, например, с меньшим расстоянием между перегородками вблизи входного конца реакционных трубок и с увеличенным расстоянием между соседними перегородками вблизи выходного конца реакционных трубок. Реакционные трубки могут содержать ряд чередующихся, содержащих катализатор зон и зон с ограниченной реакцией. Катализатор может содержать переходный металл, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать металл платиновой группы. Катализатор может содержать рутений на углеродном носителе, а в одном варианте осуществления изобретения катализатор может содержать активированный рутении на термостабилизированном гранитовом носителе. Закладные устройства могут быть выбраны из группы, состоящей из сеток и стержня; сеток и проволочной сетки, сеток и скрученной ленты; металлической или керамической структурированной насадки; металлических или керамических сетчатых набивок; металлического или керамического пористого материала и структурированной металлической насадки. Кроме того, конвертер может содержать реактор, расположенный выше по потоку и содержащий магнетитовый катализатор и выпускное отверстие, функционально соединенное с впускным отверстием конвертера. Кроме того, конвертер может содержать множество реакторов с кожухотрубным теплообменником, при этом впускные отверстия конвертера соединены с выпускным отверстием реактора с магнетитовым катализатором при параллельным потоке. Обогащенный реагентами поток может быть введен в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника, а в одном варианте осуществления изобретения обогащенный реагентами поток может быть потоком продувочного газа из контура синтеза аммиака. Конвертер может содержать трубчатые экраны для ограничения теплопередачи от реакционного канала к теплообменному каналу вблизи выходной части трубок. Трубки могут быть вертикальными, и газовая смесь может течь вниз через трубки. Трубки могут содержать адиабатическую часть, которая примыкает к входу реакционного канала и в которой скорость выделения теплоты реакции превышает скорость теплопередачи, посредством чего повышается температура газовой смеси.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематический вид сбоку в разрезе конвертера для синтеза аммиака согласно одному варианту осуществления изобретения,

Фиг.1А - увеличенный схематический вид сбоку в разрезе другого варианта выполнения нижней части конвертера для синтеза аммиака на фиг.1,

Фиг.2 - схематический вид сбоку в разрезе катализаторной трубки в конвертере на фиг.1,

Фиг.3 - схематический вид одного варианта выполнения закладного устройства, используемого в катализаторной трубке на Фиг.1,

Фиг.4 - схематический вид другого варианта выполнения закладного устройства, используемого в катализаторной трубке на фиг.2,

Фиг.5 - схематический вид другого варианта выполнения закладного устройства, используемого в катализаторной трубке на Фиг.2,

Фиг. 6 - схематический вид другого варианта выполнения закладного устройства, используемого в катализаторной трубке на фиг.2,

фиг.7 - схематический вид конструкции многослойного конвертера согласно другому варианту осуществления изобретения,

фиг.8 - технологическая схема контура синтеза аммиака с конвертером согласно другому варианту осуществления изобретения,

фиг.9 - графики, на которых сравниваются конверсия аммиака и температуры для многоступенчатых адиабатических (с промежуточным охлаждением) конвертеров для синтеза аммиака, изотермических конвертеров для синтеза аммиака согласно предшествующему уровню техники и конвертера согласно варианту осуществления настоящего изобретения,

Фиг.10 - нагрузочный лист для конвертера, иллюстрирующий тепловую нагрузку, температуры межтрубного пространства и внутритрубного пространства как пункции совокупного объема катализатора для варианта выполнения конвертера для синтеза аммиака согласно настоящему изобретению,

Фиг.11 показывает кривые охлаждения/нагревания, иллюстрирующие температуры межтрубного пространства и внутритрубного пространства как функции совокупного тепла, обмененного согласно варианту осуществления изобретения на фиг.10,

Фиг.12 - нагрузочный лист для конвертера, иллюстрирующий концентрацию аммиака как функцию температуры внутритрубного пространства относительно равновесной кривой согласно варианту осуществления изобретения на Фиг.10-11,

Фиг.13 - график общего коэффициента теплопередачи как функций совокупного объема катализатора согласно варианту осуществления изобретения на Фиг.10-12.

Описание изобретения

Изобретение будет описано посредством примеров со ссылкой на фиг.1-13, которые не следует истолковывать как ограничение, накладываемое на элементы устройства и стадии способа согласно изобретению. Настоящее изобретение направлено на реактор синтеза для экзотермических реакций, которые могут лучше приближаться к равновесной кривой температура/концентрация для конверсии реагирующих веществ в продукты. Использование катализатора и выходы реакции могут быть улучшены по сравнению с существующими способами с изотермическими и многоступенчатыми адиабатическими реакторами. Преимущества настоящего изобретения достигаются посредством отвода тепла от наполненных катализатором трубок конвертера для поддержания близкой к оптимальной температуры реакции на большей части длины наполненных катализатором трубок. В пределах этой заявки термины “реактор” и “конвертер” могут использоваться как взаимозаменяемые.

Примерами осуществляемых в промышленности экзотермических газофазных каталитических реакций, которые могут быть проведены в реакторе 100, изображенном на фиг.1, являются: реакции синтеза для производства аммиака, реакция синтеза для производства метанола, реакция конверсии для производства СО и H₂, конверсия окиси углерода и двуокиси углерода водородом в метан, окисление углеводородов для синтеза малеинового ангидрида, другие вышеупомянутые экзотермические реакции и т.п. Реактор согласно настоящему изобретению особенно хорошо подходит для синтеза аммиака, который используется далее в качестве примера с целью иллюстраций. Использование катализатора, скорости реакции и общая конверсия аммиака могут быть улучшены по сравнению с существующей технологией, в которой применяются множественные адиабатические слои катализатора и теплообменники между слоями для охлаждения подаваемого газа.

Для поддержания равновесия, благоприятствующего синтезу продуктов при экзотермических реакциях, обычно отводят тепло по мере того, как развивается реакция. В общем, в начале реакции отводится больше тепла, чем в конце реакции. Можно поддерживать температурный профиль катализаторной трубки, посредством чего создаются наибольшие температуры на входе катализаторной трубки (т.е. вблизи верхнего конца трубки при нисходящем потоке газа), а температуры на выходе катализаторной трубки можно поддерживать при минимальной эффективной температуре катализатора, чтобы обеспечить высокие скорости конверсии. Скорость конверсии может быть больше вблизи входного конца катализаторной трубки, так как концентрация аммиака может быть низкой в этой точке реакции, и высокая температура обеспечивает благоприятную кинетику. Скорость конверсии может быть ниже вблизи выходного конца катализаторной трубки, и потребуется больший объем катализатора на единицу массы производимого продукта. Скорость выделения тепла может быть сравнительно низкой по сравнению с теплопередающим потенциалом вследствие большой площади поверхности, которая становится доступной с увеличенной загрузкой катализатора на нижнем конце катализаторной трубки. Для предотвращения переохлаждения газа-реагента часть площади теплообменной поверхности может быть блокированной так, чтобы препятствовать теплопередаче на блокированной площади.

Отсылаем к фиг.1 и 2, на которых представлен реактор 100, состоящий из корпуса 101, перегородок 106, внутренних катализаторных трубок 109 и защитных устройств 116 для трубок. Как показано на фиг.1А, по всему реактору может быть предусмотрен ряд защитных устройств (116) для преграждения потока. Высота защитного устройства 116 по вертикали может быть выбрана таким образом, чтобы температурный профиль катализатора был по возможности близко приближен к профилю максимальной скорости реакции посредством уменьшения площади поверхности катализаторной трубки, открытой для входящего подаваемого потока и охлаждаемого им. Защитное устройство может быть образовано посредством использования двух последовательных ограничителей или перегородок в межтрубном пространстве. Подаваемый поток входит в реактор 100 через впускное отверстие 102, расположенное вблизи дна корпуса реактора, и течет вверх к ряду горизонтальных перегородок 106. Подаваемый поток может быть подогрет посредством косвенного теплообмена с катализаторными трубками 109, вертикально расположенными внутри корпуса 101 реактора. По выбору подаваемый поток может быть подогрет до впускного отверстия 102 реактора. При желании к корпусу 101 реактора могут быть добавлены дополнительные впускные отверстия, показанные как 102А, 102B и 102C. Температуру исходного материала можно регулировать, установив байпас после подогревателя (не показан), посредством чего холодный газ может быть смешан с частью подогретого газа для получения оптимальной температуры на входе. При желании перегородки могут быть установлены с переменными расстояниями между соседними отдельными перегородками для способствования постепенному увеличению теплопередачи с приближением к входному концу 110 катализаторной трубки 109. Например, расстояние между соседними перегородками может быть меньше вблизи верха реактора, чем у днища реактора. Катализаторные трубки желательно поддерживать на трубной решетке 104 обычным образом, например, приваркой труб 109 к трубной решетке 104 или любым другим способом, известным из уровня техники. Трубная решетка 104 отделяет внутритрубное пространство (для продукта реакции) от межтрубного пространства (для подаваемого потока) реактора 100.

Для обеспечения надлежащего перемешивания подаваемых газов реактор 100 может содержать распределительную пластину (не показана), расположенную в верхней части реактора вблизи входа в катализаторные трубки. Наверху реактора 100 может быть расположено байпасное впускное отверстие 111, чтобы при желании можно было вводить подогретый подаваемый поток. Байпасное впускное отверстие 111 может быть использовано для регулирования температуры подаваемого газа на входе в катализаторные трубки 109. Распределительная пластина (не показана) может быть расположена вблизи байпасного впускного отверстия 111 для обеспечения надлежащего перемешивания подогретого подаваемого потока с потоком, подаваемым во впускное отверстие 102. Подаваемый поток входит в катализаторные трубки 109 через входные отверстия 110 этих трубок, расположенные в самой верхней части вертикальных катализаторных трубок 109. В общем, подаваемый поток течет противоположно направлению потока через катализаторные трубки 109, т.е. газ-реагент течет вверх в межтрубном пространстве реактора и вниз через катализаторные трубки. Конвертированный выходящий поток выходит из катализаторных трубок 109 через выходные отверстия 113 этих трубок, расположенные в самой нижней части катализаторных трубок 109 и в нижней части реактора 100. Сетка 114, расположенная под трубной решеткой 104, предотвращает потерю катализатора в выпускную зону реактора. Получаемый выходящий поток может выходить из реактора 100 через выпускное отверстие 112 реактора.

Отсылаем теперь к фиг.2, на которой показан подробный вид в разрезе катализаторной трубки 109, расположенной в реакторе. Катализаторная трубка желательно имеет диаметр от 25 до 75 мм, а более желательно - от 38 до 63 мм. Катализаторная трубка желательно имеет длину от 3 до 8 мм, а более желательно - от 4 до 6 мм. Трубка состоит из чередующихся реакционных зон 122 и зон с ограниченной реакцией 124. Реакционные зоны 122 могут содержать высокоактивный катализатор, а зоны с ограниченной реакцией 124 могут содержать нереакционные распорные закладные устройства, предназначенные для разделения катализаторных зон и передачи части теплоты реакции в межтрубное пространство реактора. Зоны с ограниченной реакцией могут быть нереакционными, а в одном варианте осуществления изобретения зоны с ограниченной реакцией могут быть свободны от катализатора. Перегородки 106 могут быть расположены внутри корпуса 101 реактора для направления потока текучей среды и способствования теплопередаче между подаваемым потоком и катализаторными трубками 109. Катализаторная трубка 109 в основании может поддерживаться трубной решеткой 104. Сетка 114, расположенная внизу катализаторной трубки, способствует удержанию катализатора в нижней части трубки 109. Кроме того, катализаторная трубка может содержать сетку или колпачок 110, установленный на самой верхней часта вертикальной трубки.

Размеры и конструкция конвертера обычно могут быть выбраны на основе условий работы катализатора, так как активность катализатора снижается. Для достижения хороших эксплуатационных качеств на всем периоде эксплуатации, включая запуск в эксплуатацию, когда активность катализатора является высокой, может быть сведено к минимуму или исключено охлаждение в нижней части конвертера. Для байпаса охлаждающей части в соответствующей нижней части катализаторных трубок 109 могут быть использованы одно или большее число байпасных впускных отверстий 102A, 102В и 102C (см. фиг.1). Байпас может быть использован в зависимости от условий работы и активности катализатора и может быть применен для предотвращения переохлаждения катализатора, когда условия работы отличаются от тех, которые учитывались при выборе размеров конвертера. Переохлаждение катализатора может вызвать то, что температура, при которой протекает реакция, будет слишком низкой для того, чтобы достигнуть оптимальной конверсии реагирующих веществ на выходном конце катализаторной трубки.

Так как катализаторные трубки могут быть установлены в вертикальном положении, то сетка 114, расположенная внизу, играет важную роль в удержании частиц катализатора в трубке 109. Сетки, как, например, сетки Johnson Vee-Wire, поставляемые UOP, могут вполне подходить для использования в конвертерной системе. Закладные устройства 24 могут быть разных видов, как это показано на фиг.3-6. С другой стороны, в качестве закладного устройства 124 для нереакционной зоны или зоны с пониженной активностью могут быть использованы скрученные ленточные вставки, как, например, турбулизаторы, изготавливаемые Brown Fintube, элементы HiTRAN® Matrix Element, изготавливаемые CalGavin Co., или статические смесители, доступные от различных изготовителей и привариваемые к сетке Johnson. Закладные устройства 124 могут быть изготовлены из различных материалов, выбираемых с учетом теплопередающих свойств выбранного материала. Закладные устройства 124 могут быть закреплены на месте внутри катализаторов трубки 109 или, по выбору, они могут быть помещены между слоями катализатора 122, посредством чего закладные устройства 124 могут двигаться совместно с катализатором 124, так как во время нормальной работы может происходить оседание катализатора. В зависимости от типа закладного устройства 124 может оказаться желательной приварка закладных устройств к стержню, чтобы поддерживать реакционные зоны с определенным объемом катализатора и в определенном месте, посредством чего предотвращается передвижение катализаторных зон 122 внутри трубки 109. Как полагают, с начала реакции и до ее конца объем катализатора в данной реакционной зоне может изменяться вплоть до 10%, так как во время работы реактора может происходить оседание катализатора.

Для реакционных зон или зон с пониженной активностью в катализаторной трубке 109 в качестве закладных устройств 124 могут быть использованы различные материалы, как, например, закладные