1.2.4. Реактор синтеза этанола

Реактор синтеза этанола по величине рабочего давления относится к переходной группе от среднего к высокому давлению, так как рабочее давление в колонне синтеза этанола может колебаться в пределах от 8,5 до 10 Мпа. Синтез этанола осуществляется по следующей реакции:

С₂Н₄ + Н₂О → С₂Н₅ОН + q

Реакция является экзотермической и проводится при температуре 300⁰С с использованием в качестве катализатора Н₃РО₄ – фосфорной кислоты. Поэтому для хорошего перемешивания этилена с жидким катализатором колонна синтеза заполнена гранулированным силикагелем 5 (см.рис.1.22).

Предварительно сжатый этилен смешивается в водяных парах с Н₃РО₄ и подается в штуцер 1. Силикагель 5 находится в тонкослойном корпусе 3 из биметалла Fe-Cu. Температура реакционного слоя измеряется тремя термопарами, погруженными в слой силикагеля, и поддерживается расходами реагентов.

Этанол выводится по штуцеру 10, а выгрузка силикагеля осуществляется через штуцер 1. Для интенсификации процесса выгрузки силикагеля по оси цилиндрической колонны располагают штангу 6.

Примером каталитических реакторов высокого давления в системе газ-газ являются реакторы синтеза аммиака.

Рис. 1.22. Реактор синтеза этанола:

1 – медный входной штуцер; 2 – центрирующий патрубок; 3 – кожуха термопар; 4 – тонкостенная вставка из Fe-Cu; 5 – силикогель; 6 – устройство для выгрузки катализатора; 7 – корпус реактора; 8 – уплотнитель асбестовый; 9 – разъемное днище; 10 – выгрузочный конус; 11 – выгрузка катализатора.

Реакторы высокого давления

1.2.5. Реакторы синтеза аммиака

В настоящее время в азотной промышленности используется более десяти типов колонн, отличающихся устройством насадки (устройство для размещения катализатора). Разнообразие конструкций насадок обусловлено стремлением конструкторов создать колонну, в наибольшей мере удовлетворяющую предъявляемым к ней требованиям. Конструкция колонны должна обеспечивать:

1. максимальную производительность аппарата за счет создания оптимального температурного режима в катализаторной коробке и рационального использования внутреннего объема колонны, обеспечивающего размещение наибольшего количества катализатора; автотермичность работы колонны и стабильность температурного режима;

2. надежность работы насадки в течение длительного времени, что обеспечивается рациональной конструкцией ее узлов и правильным выбором материалов;

3. удобство и простоту монтажа насадки (т.е. соединения отдельных ее частей), загрузки катализатора и установки насадки в корпус колонны.

Основное назначение насадки в колонне синтеза – получение аммиака.

Существующие насадки можно разделить на трубчатые, полочные и радиальные.

Трубчатые насадки снабжаются простыми или двойными теплообменными трубками, расположенными в слое катализатора. По трубкам газ движется параллельно или противотоком к направлению движения газа в слое катализатора. Насадки данного типа имеют один или два байпаса для регулировки температурного режима. Теплообменные трубки позволяют поддерживать температуру в слое катализатора в оптимальных пределах, но в то же время они усложняют конструкцию насадки, загрузку и выгрузку катализатора и уменьшают количество загружаемого катализатора (рис. 1.23, а).

Трубчатая насадка (рис. 1.23, а) снабжена двойными противоточными трубками (трубками Фильда). Благодаря относительной простоте конструкции и надежности этот тип насадки получил широкое распространение в России.

Основной поток газа – азотоводородная смесь (АВС) – вводится через центральное отверстие крышки. Через это же отверстие подводится электрический ток к пусковому подогревателю 9 по стержню 8. Газ, обтекая насадку по кольцевому зазору между корпусом и насадкой, поступает в межтрубное пространство теплообменника 3.

Температуру газа на входе в слой катализатора регулируют подачей части холодной АВС по байпасу 12, минуя теплообменник. Катализаторная коробка центральной трубой 10 опирается на теплообменник. Обечайки катализаторной коробки и теплообменника соединены линзовым или дисковым компенсатором 4.

Рис. 1.23. Колонны синтеза аммиака:

а – с двойными теплообменными трубами; б – полочная с котлом-утилизатором

1 – днище; 2 – корпус; 3 – теплообменник; 4 – компенсатор; 5 – катализатор; 6 – трубка Фильда; 7 – изоляция; 8 – электроввод; 9 – электроподогреватель; 10 – центральная труба; 11 – опорная труба; 12 – байпас; 13 – противоточные трубки; 14 – пакеты труб котла; 15 – стояк; 16 – слой катализатора.

В трубчатых насадках основной поток холодной АВС проходит в пространстве между корпусом 2 и обечайкой катализаторной коробки. Катализаторная коробка покрыта слоем изоляции 7, благодаря чему температура корпуса колонны не превышает 80⁰С. Нагрузку насадки воспринимает опорная труба 11; труба 10 соединена с теплообменником безболтовым шарниром, в котором сочленены две притертые сферические поверхности, уплотняемые под действием массы катализаторной коробки. Реакция синтеза аммиака сопровождается значительным выделением тепла (44,5 кДж/моль или 2617,6 кДж/кг). При полном использовании этого тепла можно получить около 1 т водяного пара на тонну аммиака.

Известно несколько конструкций колонн, насадка которых снабжена внутренними котлами-утилизаторами змеевикового или трубчатого типа. Котлы-утилизаторы располагаются на выходе из катализаторной коробки (по ходу газа) между катализаторной коробкой и теплообменником, между слоями катализатора или вне колонны. Например, в полочной колонне (рис.1.23, б) между слоями катализатора размещены пакеты 14 змеевикового котла-утилизатора, а последний по ходу газа слой 16 снабжен простыми противоточными трубками 13. В данном случае котел служит не только для использования тепла реакции, но и позволяет регулировать температурный режим насадки.

Реактор работает следующим образом. Свежая азотоводородная смесь подается через отверстие в днище 1 корпуса колонны 2 и попадает в трубки теплообменника 3, где подогревается газом, выходящим из колонны, затем проходит противоточные трубки 13, расположенные в слое катализатора 16. Далее она поступает в кольцевой зазор между корпусом колонны и обечайкой насадки. В отличие от колонн других типов в данной конструкции насадку обтекает горячий газ с температурой 420-480⁰С, поэтому катализаторная коробка не изолирована, а корпус колонны и крышка изнутри защищены слоем изоляции от действия высоких температур. Три слоя катализатора насадки не имеют теплообменных устройств и работают в адиабатическом режиме – температура газовой смеси увеличивается по мере образования аммиака за счет тепла реакции.

Газ после первого слоя катализатора обтекает пакеты котла-утилизатора и охлаждается с 520 до 440⁰С. Вода в секции котла-утилизатора подводится и выводится по стоякам 15, которые проходят через крышку колонны. Регулируя расход воды, можно изменять температуру газа, поступающего на второй слой катализатора. Аналогичные секции котла-утилизатора размещены после второго и третьего слоев катализатора. Насадка указанной конструкции позволяет регулировать температурный режим в колонне и получать до 0,8 т пара на 1 т аммиака. Недостаток ее – сложность монтажа из-за большого количества коммуникаций и вследствие этого длительные остановки для ремонта и смены катализатора.

Уплотнение между корпусом и крышкой колонны достигается за счет использования затворов с пластической деформацией: типа ГИАП (см. рис.1.24) или самоуплотняющегося двухконусного (см. рис. 1.25). Обечайка катализаторной коробки полочной колонны работает при температуре 400-560⁰С и внешнем давлении, так как из-за значительного сопротивления проходу газа давление на выходе из колонны на 0,5-3,0 Мпа ниже, чем на входе. Как правило, все детали катализаторной коробки и теплообменника изготавливают из легированных сталей типа Х18Н10Т.

Рис. 1.24.

В теплообменных устройствах обычно используют трубки диаметром 12-38 мм и длиной 3-8 м. Наиболее нагруженной деталью насадки является центральная труба, которая воспринимает значительную осевую нагрузку, обусловленную массой теплообменника и катализаторной коробки.

Рис. 1.25.

Штуцера для газов присоединяются к крышке, днищу или корпусу колонны шпильками и уплотняются линзами (см. рис. 1.26) штуцера малого диаметра для термопар или подачи воды могут уплотняться плоской пластичной прокладкой.

Намного проще устройство полочной колонны без теплообменников (между слоями катализатора и выносным котлом-утилизатором (рис. 1.27, а). Температурный режим в ней регулируется за счет подачи холодного газа по байпасам перед каждым слоем катализатора.

АВС вводится в колонну по патрубку 1, расположенному в полушаровом днище 2, проходит по кольцевому зазору между корпусом колонны 3 и обечайкой катализаторной коробки 6. Далее она поступает в межтрубное пространство теплообменника 7. Температуру АВС перед первым слоем катализатора 9 регулируют подачей холодного газа по байпасу 8. После первого слоя газ выходит с температурой 520⁰С и охлаждается до 450⁰С за счет смешения с холодной АВС, поступающей по байпасу 5. Аналогичным образом регулируют температуру газа при входе на третий и четвертый слои.

Рис. 1.27. Колонны синтеза аммиака большой производительности:

а – вертикальная; б – горизонтальная:

1 – ввод АВС; 2 – сферическое днище; 3 – корпус реактора; 4, 9 – катализатор; 5 – ввод байпасного (холодного) газа; 6 – внутренний корпус катализаторной коробки; 7 – кожухотрубчатый теплообменник; 8 – байпас (холодный); 10 – распределитель холодного газа; 11 – конус; 12 – решетка; 13 – центральная труба вывода продуктов реакции; 14 – перегородка; 15 – распределитель реагентов.

После прохождения четвертого слоя катализатора 4 газ по центральной трубе 13 входит в трубки теплообменника и с температурой 330⁰С выходит из колонны в наружный котел-утилизатор.

Большой объем катализатора (36-43 м³) обеспечивает высокую производительность колонны – 1360 – 1600 т аммиака в сутки.

Температурный режим в полочных колоннах значительно отличается от оптимального, так как каждый слой работает без отвода тепла. Однако высокая степень заполнения колонны катализатором компенсирует недостатки температурного режима, поэтому колонны данного типа получили широкое распространение.

Корпуса аппаратов высокого давления диаметром более 1 м изготавливают рулонированными, а днища и крышки – 45ельноковаными. Корпус полочной колонны большой мощности работает при повышенной температуре (до 250⁰С); для уменьшения потерь тепла он снаружи изолирован слоем шлаковаты толщиной 90-120 мм. Основной вход газа 1 и байпаса 5, 8 присоединяются к корпусу на сварке. Катализаторная коробка неразъемная, при ремонте из колонны извлекают только теплообменник. Обечайка катализаторной коробки работает под наружным давлением, так как разность давлений на входе в колонну (в кольцевом зазоре) и на выходе из теплообменника достигает 1,2 Мпа, и под растягивающим усилием от массы катализатора. Центральная труба 13 не только служит для отвода газа, но и является конструктивным элементом, увеличивающим жесткость и устойчивость обечайки. Снаружи обечайка катализаторной коробки усилена продольными ребрами.

Для уплотнения стыка между горловиной корпуса колонны и корпусом теплообменника применяют затворы с упругой деформацией, чаще затвор с восьмигранной прокладкой.

Перед каждым слоем катализатора расположено устройство для смешения основного потока газа с холодным байпасным, состоящее из кольцевого коллектора 10, на поверхности которого расположено 180 отверстий диаметром 9,5 мм, конуса 11 с отверстием для прохода газа диаметром 1200 мм и распределительной плиты 12 диаметром 1475 мм, на которой размещены отверстия диаметров 16 мм с шагом 32 мм.

Горизонтальная колонна фирмы Келлог (рис. 1.27, б) обладает следующими достоинствами: ремонт колонны можно выполнять без использования кранов большой грузоподъемности, облегчена смена катализатора, так как насадка полностью выкатывается из неподвижного корпуса в сторону теплообменника, для чего на насадке предусмотрены ролики.

АВС входит по штуцеру 1, приваренному к днищу 2, проходит в кольцевой зазор между корпусом 3 и обечайкой катализаторной коробки 6 и нагревается в теплообменнике 7. Затем по трубе 15 она поступает на первый слой катализатора 9. Температура АВС перед первым слоем регулируют подачей холодного газа по байпасу 8. температуру газов перед вторым и третьим слоями катализатора регулируют подачей холодной АВС по байпасам 5. Газ после выхода из последнего слоя катализатора 4 поступает в трубки теплообменника 7 и выводится из колонны.

Газы проходят через катализатор сверху вниз, перпендикулярно оси колонны и направляются перегородками 14 в верхнюю часть следующего слоя. Равномерное распределение газа обеспечивают два перфорированных листа, отверстия в которых не совпадают. В данной колонне высота слоя катализатора меньше, чем в вертикальной колонне, что позволяет использовать более мелкий катализатор и повысить производительность колонны при сохранении гидравлического сопротивления.

Значительный интерес представляют реакторы с радиальным ходом газа, для которых характерно уменьшение перепада давления в колонне, высоты и массы реактора, количества необходимого катализатора благодаря использованию мелкозернистого катализатора с размером частиц 2-4 мм. Например, обычная колонна с аксиальным (осевым) движением газа и колонна с радиальным потоком газа производительностью 1360 т NH₃ в сутки и диаметром 2,4 м при объемной скорости 25000 ч^-1 имеют следующие показатели:

Колонны	Перепад давления, Мпа		Расход энергии на циркуляцию,	Объем катализа-	Высота реактора,	Масса реактора,
	общий	в катализа-торной коробке	кВтч/тNH3	тора, м3	м	т
Аксиальная	3,0	1,2	100	40	20	700
Радиальная	1,82	0,02	60	30	16,5	580

Из этих данных следует, что использование радиальной колонны позволяет снизить расход энергии и использовать колонну синтеза меньшего размера. В то же время в радиальных колоннах трудно компенсировать усадку катализатора, необходимо предусматривать устройства для равномерного распределения газа по слою катализатора, сложно отводить тепло реакции от катализатора. Для устранения указанных недостатков предложены другие конструкции колонн с радиальным движением газа.

Первый радиальный реактор для синтеза аммиака, предложенный П.А. Гинзбургом, был изготовлен и испытан на Новомосковском АТЗ в 1939 г., а промышленный реактор эксплуатировался на Чирчикском заводе. В настоящее время в мире работает несколько десятков реакторов радиального типа, мощность которых составляет 1360-1600 т NH₃ в сутки. Конструкции колонны данного типа разрабатываются в ряде стран. Так, промышленные реакторы радиального типа выпускают ЧССР, Дания (фирма Топсе) и другие страны.

Двухслойный радиальный реактор (рис. 1.28) снабжен встроенным теплообменником и двумя байпасами для регулирования температурного режима, каждый слой катализатора работает в адиабатическом режиме.

Рис. 1.28. Радиальная колонна синтеза аммиака:

1 – ввод байпасного АВС; 2 – штуцер вывода продуктов; 3 – корпус; 4 – трубки теплообменника; 5 – внутренний корпус; 7 – решетка; 8 – наружная решетка; 9 – ввод на вторую катализаторную коробку; 10, 14 – слой катализатора; 11 – ввод холодного газа; 12 – вход основного реакционного газа; 13 – перегородка; 15 – штуцер вывода продуктов.

Основной поток АВС вводят по штуцеру 12. АВС обтекает катализаторную коробку и по зазору между корпусом 3 и обечайкой катализаторной коробки 5 поступает в межтрубное пространство теплообменника 4. Подогретая АВС по трубе 6 поступает в центральную часть первого слоя катализатора 10. Температуру после теплообменника регулируют подачей АВС по байпасу 1. Катализатор загружен между перфорированными обечайками 7 и 8. Цилиндрическая перегородка 9 снабжена соплами для равномерного распределения газа по высоте слоя. Слои катализатора разделены перегородкой 13, устраняющей осевое движение газа. Для охлаждения газа после первого слоя катализатора по байпасу 11 подают АВС, которая поступает в кольцевой зазор между обечайкой 5 и распределительной перегородкой 9. Во втором слое катализатора 14 газы движутся от периферии к центру и далее горячий газ поступает в трубки теплообменника. Охлажденная смесь, содержащая 16,2 % NH₃, выводится из колонны по штуцеру 15. В данной колонне нагрузку насадки воспринимает опорная труба 2.

В патентной литературе описано несколько конструкций реакторов смешанного типа, в которых первый или первый и второй слои работают при аксиальном движении газа, а последующие – при радиальном. Опыт эксплуатации радиальных колонн свидетельствует о том, что в этих реакторах производительность на 10-30 % выше, а сопротивление проходу газа ниже, расход энергии на циркуляцию снижается примерно на 30-50 % по сравнению с аксиальными колоннами.