PL217503B1

PL217503B1 - Reactor for the catalytic semi-combustion of natural gas

Info

Publication number: PL217503B1
Application number: PL392447A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Gołębiowski; Wacław Hennel; Waldemar Wróbel
Original assignee: Inst Nawozów Sztucznych
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2010-09-20
Publication date: 2014-07-31
Also published as: PL392447A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest reaktor do katalitycznego półspalania gazu ziemnego mający zastosowanie w instalacjach otrzymywania gazów syntezowych, głównie w wytwórniach amoniaku, metanolu i paliw syntetycznych.The subject of the invention is a reactor for catalytic semi-combustion of natural gas used in synthesis gas production installations, mainly in ammonia, methanol and synthetic fuel plants.

Dotychczas najczęściej stosowaną technologią wytwarzania gazów syntezowych jest parowy reforming gazu ziemnego w reaktorze rurowym uzupełniony ewentualnie katalitycznym procesem półspalania z dodatkiem tlenu, powietrza lub mieszaniny tlenu i powietrza, prowadzony w reaktorze autotermicznym.So far, the most commonly used technology for the production of synthesis gases is steam reforming of natural gas in a tubular reactor, possibly supplemented by a catalytic semi-combustion process with the addition of oxygen, air or a mixture of oxygen and air, carried out in an autothermal reactor.

W niektórych nowoczesnych instalacjach otrzymywania gazów syntezowych ciepło gazu po półspalaniu wykorzystywane jest w procesie parowego reformingu. Najczęściej stosowany jest układ równoległy, w którym część gazu ziemnego z parą wodną jest półspalana katalitycznie w reaktorze autotermicznym - ATR (Autothermal Reformer), a pozostała część gazu reaguje z parą wodną w reformerze płaszczowo-rurowym - GHR (Gas Heated Reformer) ogrzewanym mieszaniną połączonych strumieni gazów. Proces prowadzony jest w dwóch aparatach.In some modern synthesis gas production installations, the post-combustion gas heat is used in the steam reforming process. The most commonly used system is a parallel system, in which part of the natural gas with steam is catalytically semi-combusted in an autothermal reactor - ATR (Autothermal Reformer), and the rest of the gas reacts with water vapor in a shell and tube reformer - GHR (Gas Heated Reformer) heated by a mixture of connected gas streams. The process is carried out in two apparatuses.

Rurociąg łączący reaktory ATR i GHR pracuje w bardzo wysokich temperaturach, więc musi być grubo wymurowany od środka kruchą ceramiką ognioodporną i jest narażony na przegrzanie, gdy w przypadku ewentualnych, nawet niewielkich ruchów podpór tego rurociągu lub ruchów dylatacyjnych samego rurociągu, wystąpią pęknięcia izolacji ceramicznej. Także naprężenia w złączach kołnierzowych tego szczególnie ciężkiego (gruba wymurówka) rurociągu z króćcami aparatów mogą powodować nieszczelności.The pipeline connecting the ATR and GHR reactors operates at very high temperatures, so it must be thickly lined from the inside with brittle fireproof ceramics and is exposed to overheating if, in the event of possible, even slight movements of the supports of this pipeline or expansion movements of the pipeline itself, cracks in the ceramic insulation occur. Stresses in the flange joints of this particularly heavy (thick lining) pipeline with the apparatus nozzles may also cause leaks.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie tego rurociągu oraz uproszczenie konstrukcji aparatów poprzez umieszczenie wszystkich elementów instalacji konwersji gazu ziemnego z parą wodną w jednym reaktorze posiadającym jedno naczynie ciśnieniowe.The aim of the invention is to eliminate this pipeline and simplify the construction of the apparatus by placing all the elements of the natural gas-steam conversion plant in one reactor having one pressure vessel.

Reaktor do katalitycznego półspalania gazu ziemnego według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera dno sitowe przedzielające go w górnej jego części, a umocowane w tym dnie rury wypełnione drobnoziarnistym katalizatorem zwisają swobodnie. Pod nimi, w odległości nie mniejszej ₁ niż ¹/5 średnicy reaktora, znajduje się warstwa gruboziarnistego katalizatora spoczywająca na przepuszczalnym dla gazu sklepieniu ceramicznym, korzystnie o wypukłym kształcie. Dolna część reaktora ma kształt stożkowy i stanowi wolną przestrzeń, przy czym w dolnej części reaktora, w odległości od ₁ sklepienia nie mniejszej niż ¹/4 średnicy reaktora umieszczony jest palnik z dwoma króćcami doprowadzającymi surowce. Reaktor wyposażony jest jeszcze w dwa króćce, jeden, doprowadzający surowiec do jego części nad dnem sitowym, a drugi, poniżej tego dna, odprowadzający gaz z reaktora.The reactor for catalytic semi-combustion of natural gas according to the invention is characterized in that it has a tube plate separating it in its upper part, and the pipes attached to the bottom, filled with fine-grained catalyst, hang freely. Below them, at a distance not less than _one ^fifth of the reactor diameter, there is a layer of coarse catalyst resting on the vault of the gas-permeable ceramic, preferably of a convex shape. The lower part of the reactor has a conical shape and constitutes a free space, while in the lower part of the reactor, at a distance from ₁ roof not less than ^{1/4 of the} reactor diameter, there is a burner with two feed pipes. The reactor is equipped with two nozzles, one supplying the raw material to its part above the tube sheet, and the other, below this bottom, discharging gas from the reactor.

Dla zintensyfikowania przepływu ciepła w reaktorze korzystne jest, gdy:In order to intensify the heat flow in the reactor, it is advantageous if:

• średnica reaktora w części górnej, w której znajdują się rury z katalizatorem, jest mniejsza niż w pozostałej jego części;• the diameter of the reactor in the upper part with the catalyst tubes is smaller than in the rest of the reactor;

• rury umocowane w dnie sitowym mają mniejszą średnicę niż w części wypełnionej katalizatorem.• the pipes fixed in the tube sheet have a smaller diameter than in the part filled with the catalyst.

Dla zapewnienia równomiernego przepływu gazu przez warstwę katalizatora korzystne jest, gdy:In order to ensure an even gas flow through the catalyst layer, it is advantageous if:

• na sklepieniu znajduje się warstwa materiału inertnego o dużej granulacji;• there is a layer of inert material with large granulation on the vault;

• w dolnej części warstwy znajduje się katalizator o większych wymiarach niż w górnej części.• in the lower part of the layer there is a catalyst with larger dimensions than in the upper part.

Analizując możliwość umieszczenia reaktorów ATR i GHR w jednym naczyniu ustalono, że prostą konstrukcję ma jedynie aparat w którym gaz przez warstwę katalizatora przepływa od dołu do góry. Rozwiązanie takie nie było dotąd stosowane.When analyzing the possibility of placing the ATR and GHR reactors in one vessel, it was found that only the apparatus in which gas flows through the catalyst layer from the bottom upwards has a simple structure. Such a solution has not been used so far.

Nieoczekiwanie okazało się, na podstawie modelowych badań hydrodynamiki przepływu gazu przez reaktor, że zmiana kierunku przepływu praktycznie nie zmienia parametrów pracy katalizatora, jeżeli elementy reaktora są zaprojektowane według naszego rozwiązania.Unexpectedly, it turned out, based on model studies of the gas flow hydrodynamics through the reactor, that the change of the flow direction practically does not change the catalyst operation parameters, if the reactor elements are designed according to our solution.

Przykład rozwiązania wg wynalazku przedstawiono schematycznie na rysunku. Reaktor zawiera w pionowo ustawionym naczyniu ciśnieniowym (1) wymurowanym od środka ceramiką izolacyjną (2) dno sitowe (3) przedzielające to naczynie w górnej jego części. W dnie umocowane są rury z drobnym katalizatorem (4), zwisające swobodnie w dół do jednego poziomu. Nieco poniżej umieszczone jest złoże gruboziarnistego katalizatora (5), które spoczywa na wypukłym sklepieniu ceramicznym (6) przepuszczalnym dla gazu. Dolna część reaktora (1) ma kształt stożkowy i stanowi wolną przestrzeń. W dolnej części reaktora (1), w odległości nie mniejszej niż /₄ średnicy reaktora umieszczony jest palnik (8), z dwoma króćcami (9) i (10), doprowadzającymi surowce. Reaktor (1) wyposażony jest jeszcze w dwa króćce, jeden (11) doprowadzający surowiec do jego części nad dnem sitowym (3), a drugi (12), poniżej tego dna, odprowadzający gaz z reaktora.An example of a solution according to the invention is shown schematically in the drawing. The reactor contains, in a vertically positioned pressure vessel (1) lined from the inside with insulating ceramics (2), a tube plate (3) separating the vessel in its upper part. At the bottom there are pipes with fine catalyst (4) hanging freely down to one level. Slightly below there is a bed of coarse-grained catalyst (5), which rests on a convex ceramic vault (6) permeable to gas. The lower part of the reactor (1) has a conical shape and constitutes a free space. In the lower part of the reactor (1), at a distance of not less than / ₄ of the reactor diameter, there is a burner (8) with two connectors (9) and (10), supplying raw materials. The reactor (1) is equipped with two nozzles, one (11) for feeding the raw material to its part above the tube sheet (3), and the other (12), below this bottom, discharging gas from the reactor.

PL 217 503 B1PL 217 503 B1

Większa część gazu ziemnego zmieszana z pewną ilością pary wodnej i podgrzana do temperatury około 550°C podawana jest do reaktora przez króciec (10) i reaguje z tlenem ze strumienia doprowadzanego przez króciec (9) w komorze spalania (7), którą stanowi wolna przestrzeń między końcówką palnika (8) i sklepieniem ceramicznym (6). Tlen doprowadzany jest w takiej proporcji w stosunku do węglowodorów i pary wodnej, że w komorze spalania (7) temperatura osiąga dostatecznie wysoką wartość, by zapewniać duży stopień przemiany w reakcjach konwersji węglowodorów. Gaz procesowy opuszczający komorę spalania przepuszczany jest przez warstwę katalizatora (5) w celu usunięcia prekursorów sadzy i doprowadzenia składu gazu do stanu bliskiego równowagi.Most of the natural gas, mixed with a certain amount of steam and heated to a temperature of about 550 ° C, is fed to the reactor through the connector (10) and reacts with oxygen from the stream supplied through the connector (9) in the combustion chamber (7), which is free space between the burner tip (8) and the ceramic arch (6). Oxygen is supplied in such a proportion to the hydrocarbons and water vapor that the temperature in the combustion chamber (7) is high enough to ensure a high degree of conversion in the hydrocarbon conversion reactions. The process gas leaving the combustion chamber is passed through the catalyst layer (5) in order to remove the soot precursors and bring the gas composition close to equilibrium.

Pozostała część gazu ziemnego zmieszana z pozostałą ilością pary wodnej i podgrzana do temperatury również około 550°C wprowadzana jest przez króciec (11) do rur z katalizatorem (4), gdzie biegnie reakcja konwersji węglowodorów z parą wodną. Utrzymywanie wewnątrz rur z katalizatorem (4) temperatury wystarczająco wysokiej dla osiągnięcia odpowiedniego stopnia przemiany metanu zapewniane jest dzięki dopływowi przez ścianki tych rur ciepła od gorącego strumienia gazu przepływającego w przestrzeni międzyrurowej, który to strumień powstaje w efekcie wymieszania się w przestrzeni (13) nad złożem katalizatora (5) gazu procesowego opuszczającego to złoże oraz gazu wypływającego dolnymi końcami rur wypełnionych katalizatorem (4). Strumień ten po schłodzeniu się do temperatury około 600°C opuszcza reaktor króćcem (12) jako gaz syntezowy.The remaining part of the natural gas, mixed with the remaining amount of water vapor and heated to a temperature also of about 550 ° C, is introduced through the port (11) into the pipes with the catalyst (4), where the hydrocarbon-steam conversion reaction takes place. Maintaining the temperature inside the pipes with the catalyst (4) high enough to achieve the appropriate degree of methane conversion is ensured by the inflow of heat through the walls of these pipes from the hot gas stream flowing in the inter-pipe space, which stream is created as a result of mixing in the space (13) above the bed. the catalyst (5), the process gas leaving the bed and the gas flowing out of the lower ends of the tubes filled with the catalyst (4). This stream, after cooling to a temperature of about 600 ° C, leaves the reactor via the stub pipe (12) as synthesis gas.

Claims

Patent claims

1. A reactor for catalytic semi-combustion of natural gas constituting a vertically arranged pressure vessel, lined from the inside with insulating ceramics, characterized by the fact that it contains a tube sheet (3) separating it in its upper part, and pipes fixed at the bottom (3) filled with fine-grained catalyst ( 4) hang freely and below them, at a distance of not less than / _{5th of the} diameter of the reactor (1), there is a layer of coarse-grained catalyst (5) resting on a gas-permeable ceramic vault (6), preferably of convex shape, and the lower part of the reactor ( 1 has a conical shape and constitutes a free space, while in the lower part of the reactor (1), at a distance of not less than / ₄ of the reactor diameter, a burner (8) with two connectors (9) and (10) supplying raw materials is located, and the reactor (1) is equipped with two nozzles, one (11) bringing the raw material to its part above the tube sheet (3), and the other (12), below this bottom, discharging gas from the reactor.

2. The reactor according to claim A process as claimed in claim 1, characterized in that its diameter in the upper part where the catalyst tubes are located is smaller than in the rest of it.

3. The reactor according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that the roof is provided with a layer of granular inert material (14).

4. The reactor according to claim 1 A catalyst according to claim 1, characterized in that in the lower part of the layer (5) there is a catalyst of larger dimensions than in the upper part.

5. The reactor according to claim 1 A method according to claim 1, characterized in that the pipes fixed in the tube sheet have a smaller diameter than in the part filled with the catalyst (4).