способ измерения высоких температур перерабатываемого потока и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения высоких температур перерабатываемого потока посредством термопары, установленной в термокармане, отличающийся тем, что термокарман, по меньшей мере, частично покрыт слоем каталитического материала, который активен в, по меньшей мере, одной эндотермической реакции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что конец термокармана покрыт каталитическим материалом с толщиной слоя 0,2-5 мм, предпочтительно 0,5-2,0 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что термокарман установлен в реакторе путем внедрения термокармана через отверстие, проникающее через стенку реактора, так, чтобы конец термокармана находился в контакте с перерабатываемым потоком.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что конец термокармана находится в 20-50 мм позади внутренней поверхности стенки реактора.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру измеряют в перерабатываемом потоке, подвергающемся реакции реформинга с водяным паром в каталитическом слое.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что температуру измеряют выше слоя катализатора по ходу потока.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что реакцию реформинга с водяным паром проводят в установке автотермического реформинга.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что каталитический материал активен в катализе реакций реформинга с водяным паром.

9. Способ по п.1, или 3, или 5, отличающийся тем, что измеряемый перерабатываемый поток имеет температуру 1000-1500°С.

10. Устройство для измерения температуры, включающее термопару, отличающееся тем, что термопару вставляют в термокарман, который, по меньшей мере, частично покрыт слоем каталитического материала, активного в, по меньшей мере, одной эндотермической реакции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерению высоких температур в химических реакторах. В особенности оно направлено на измерение температур в каталитических реакторах, где эндотермические реакции проводят при высоких температурах. В нефтехимической промышленности установки автотермического реформинга работают при этих условиях.

В установках автотермического реформинга или газогенераторах перерабатываемый газ, входящий в слой катализатора, обычно имеет температуру 1000-1500°С, и перерабатываемый газ содержит углеводороды, водород, оксид углерода, пары воды и иногда азот. При этих жестких условиях температуру чаще всего не удается измерить.

В международной заявке PCT/US 91/05432 описано измерение высокой температуры. Термопару защищают посредством слоев керамической изоляции и керамической оболочки.

Другая установка измерения температуры, которую можно рассматривать как наиболее близкую предшествующую технологию, раскрыта в патенте США 6302578, показывающем термокарман, установленный в толстой стенке реактора. Это сделано таким способом, что имеется слой жаростойкого кирпича между внутренней частью реактора и концом термокармана с термопарой, которая тем самым защищена от высоких температур.

Однако эти устройства ограждены от газов реакции и не будут давать достоверных показаний изменений температуры газов. Это особенно важно для температуры газов, входящих в слой катализатора в установках автотермического реформинга, поскольку эта температура чрезвычайно чувствительна к изменениям в отношении потока между подаваемым углеводородом и источником кислорода.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить улучшенный способ измерения высоких температур перерабатываемого потока, способный непосредственно показывать изменения температуры.

Цель достигается способом измерения высоких температур перерабатываемого потока посредством термопары, установленной в термокармане, где термокарман, по меньшей мере, частично покрыт слоем каталитического материала, активного в, по меньшей мере, одной эндотермической реакции.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения термокарман устанавливают в реакторе, внедряя термокарман через отверстие в стенке реактора так, чтобы конец термокармана находился в контакте с перерабатываемым потоком.

Тем самым возможно позволять потоку горячего газа быть в контакте с термокарманом, поскольку эндотермическая реакция в катализаторе поддерживает температуру металлической поверхности конца термокармана существенно ниже, чем температура газа. Таким образом, изменения температуры газа могут быть немедленно определены.

Следующей целью настоящего изобретения является обеспечить улучшенное устройство измерения температуры, способное непосредственно указывать изменения температуры.

Указанную цель достигают устройством для измерения температуры, включающим термопару, вставляемую в термокарман, который, по меньшей мере, частично покрыт слоем каталитического материала, активного в, по меньшей мере, одной эндотермической реакции.

В особенности изобретение направлено на измерение температуры в установках автотермического реформинга, где углеводороды подвергают сначала частичному окислению, а затем процессу реформинга.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения температуру измеряют в перерабатываемом потоке, подвергающемся реакции реформинга с водяным паром в каталитическом слое, причем указанную реакцию реформинга с водяным паром предпочтительно проводят в установке автотермического реформинга. Температуру предпочтительно измеряют выше слоя катализатора по ходу потока.

Частичное окисление является экзотермической реакцией, в то время как процесс реформинга представляет собой эндотермический процесс, в силу чего первая реакция поставляет тепло для второго процесса.

При частичном окислении некоторые из углеводородов реагируют с образованием оксида углерода и водяного пара:

СН_х+1/2О₂ СО+х/2Н₂+тепло

Образующийся перерабатываемый газ затем подвергают реакции реформинга:

C_nH_m+Н ₂О C_n-1H_m-2+СО+2Н ₂-тепло

СН₄+Н ₂О СО+3Н₂-тепло

СО+Н ₂О СО₂+Н₂+тепло

В целом реформинг является эндотермической реакцией.

Подаваемый углеводородный газ и газ, содержащий кислород, смешивают при входе в реактор.

Подаваемый углеводородный газ обычно содержит водяной пар, углеводород, водород и оксиды углерода и его подают в установку реформинга при температурах между 100 и 900°С. Источником кислорода является чистый кислород, воздух или любая смесь из них при температуре между температурой окружающей среды и 700°С.

Давление в реакторе может быть 2-8 МПа, наиболее часто оно составляет 2,5-5 МПа и когда подаваемые потоки смешивают, начинается экзотермический процесс окисления.

Хотя содержание кислорода соответствует только частичному сгоранию углеводородов, рост температуры очень высок.

В пространстве между входом в реактор и слоем катализатора эндотермическая реакция реформинга начинается вследствие высокой температуры и заканчивается при 1000-1500°С. При соотношениях водяной пар/углерод 1,5 эта реакция заканчивается при приблизительно 1250°С, а при соотношении водяной пар/углерод 0,6 - при приблизительно 1335°С.

Реакция продолжается в слое катализатора до почти полной конверсии углеводородов, и температуры прореагировавшего, подвергнутого реформингу перерабатываемого газа обычно составляют 900-1100°С.

По способу изобретения температуру газа, входящего в слой катализатора, измеряют термопарой в термокармане, обеспечиваемом слоем катализатора, активного в катализируемых эндотермических реакциях. Хотя это относительно тонкий слой и реакция не может полностью завершиться, эндотермическая реакция будет значительно охлаждать поверхность термокармана.

В то же самое время сигнал от устройства измерения температуры в соответствии с изобретением сильнее, чем таковой от измерения предшествующими технологиями. Это объясняется ниже.

В случае если содержащий кислород поток, подаваемый в установку автотермического реформинга, увеличивается в ходе нормальной работы, окисляется повышенное количество углеводорода. Это имеет следствием как то, что температуры увеличиваются, так и то, что уменьшается остающееся количество углеводорода, подлежащего реформингу.

При этой более высокой начальной температуре эндотермической реакции конверсия увеличивается в пространстве без катализатора. Тем самым намного меньше эндотермической реакции происходит в катализаторе.

Это означает, что уменьшается общее падение температуры в реакторе, а падение температуры в пустом пространстве увеличивается, и падение температуры в катализаторе уменьшается даже больше, чем общее уменьшение падения температуры.

При этом изменении рабочей ситуации обычное устройство измерения температуры, установленное как раз выше катализатора по ходу потока, регистрирует соответствующее повышение температуры, которое ниже, чем увеличение температуры на входе реактора. Напротив, устройство измерения температуры в соответствии с изобретением регистрирует увеличение температуры, соответствующее температуре на выходе из катализатора, и это увеличение температуры даже выше чем, увеличение температуры на входе реактора.

То же самое различие в изменении температуры также происходит, когда уменьшается относительное количество кислорода.

Указанное выше иллюстрирует, что изобретение имеет преимущества измерения температуры с намного меньшей температурой поверхности металла, создавая более сильный сигнал и измеряя газ непосредственно на входе в слой катализатора. Измерение газа на выходе из катализатора или измерение позади экрана создавало бы значительное запаздывание.

Температура частично сжигаемого перерабатываемого газа очень чувствительна к отношению между потоком углеводорода и потоком источника кислорода.

Следовательно, очень желательно регистрировать изменение этой температуры настолько быстро, насколько возможно. Это возможно при измерении температуры в соответствии с изобретением.

Варианты осуществления настоящего изобретения будут теперь описаны посредством примера в отношении сопутствующих фигур, в которых:

Фиг.1 представляет собой вид поперечного сечения устройства измерения температуры в соответствии со специфическим вариантом осуществления изобретения;

Фиг.2 представляет собой вид спереди фиг.1;

Фиг.3 показывает типичную установку измерительного устройства, показанного в предыдущих фигурах.

Один предпочтительный вариант осуществления изобретения показан на Фиг.1. Измерительный контакт 1 термопары 2 устанавливают в конце термокармана 3 и конец термокармана закрывают слоем катализатора 4. Он находится в контакте с перерабатываемым газом в камере реактора 5. Внутренняя поверхность стенки реактора покрыта плитками 10, которые способны выдерживать высокие температуры реакции. Внешняя поверхность стенки реактора представляет собой оболочку реактора 11, которая разработана для полного рабочего давления. Между 10 и 11 установлены три слоя из изолирующего огнеупорного материала 12, 13 и 14. Конец термокармана слегка углублен во внутренней поверхности стенки реактора, чтобы предохранить его от излучения от пламени в верхней части реактора. Конец термокармана находится в 20-50 мм от внутренней поверхности стенки.

Поскольку термическое расширение плиток и огнеупора отличается от такового прочной металлической оболочки, с которой соединен термокарман, высота отверстия в плитках и наружном огнеупорном слое будет больше, чем ширина отверстия. Размеры приспосабливают к термическому расширению, они в промышленных установках автотермического реформинга обычно составляют: высота 80-100 мм и ширина 35-40 мм. Это далее иллюстрируется на Фиг.2.

На термокармане толщина слоя катализатора 4 составляет от 0,2 до 0,5 мм. В другом варианте осуществления изобретения конец термокармана вставляют в таблетку катализатора и тогда "слой катализатора" составляет 0,5-5 мм, наиболее часто 0,5-2 мм.

20-200 мм конца термокармана может быть покрыто каталитическим материалом, наиболее часто покрыто 40-80 мм.

Катализатор 4 может быть любым катализатором, активным в реакции реформинга. Особенно пригодны катализаторы с благородными металлами.

Фиг.3 показывает, где термокарман в соответствии с изобретением может быть установлен в установке автотермического реформинга. Подаваемый углеводород 1 смешивают с подаваемым газом 2, содержащим кислородом, и частичное сгорание происходит в горелке 3. Температуру перерабатываемого газа измеряют термопарой 4 перед входом в слой катализатора 5, где перерабатываемый газ полностью подвергается реформингу в газообразный продукт 6.

В промышленности изобретение полезно в газогенераторах, таких как установки автотермического реформинга, производящие синтез-газ на заводах производства аммиака, заводах производства водорода, заводах производства метанола и заводах производства газа Н₂/СО. Во всех этих реакторах очень важно полностью контролировать их функционирование и особенно температуры, чтобы добиваться стабильной и безопасной работы.

Пример

В испытательной пилотной установке, имеющей адиабатический реактор, проводили два эксперимента в условиях автотермического реформинга.

В обоих экспериментах избыточное давление было 28 кг/см² (2,8 МПа). Подача углеводорода составляла 97,4 м³ при н.у. в час природного газа с 2 м³ при н.у. в час водорода при 562°С.

Мольное соотношение водяного пара к углероду было 0,38.

Кислород подавали при 219°С.

Были установлены две термопары TI-1 и TI-2, измеряя газ, входящий в слой катализатора.

TI-3 измеряла газ, выходящий из слоя катализатора.

Были получены следующие результаты:

Измеренные данные	1-й эксперимент	2-й эксперимент
О2/природный газ по объему	0,519	0,576
TI-1, °С	1163	1201
TI-2, °С	1184	1221
TI-3, °С	991	1068
Расчетные данные
Т, вход, средняя	1174	1211
Т, вход-выход	183	143
Повышение Т, вход, среднее с 1-го по 2-й эксперимент	37
Повышение Т, выход, с 1-го по 2-й эксперимент	77

Это демонстрирует, что когда содержание кислорода увеличивается, реакция и падение температуры в слое катализатора уменьшаются. Также увеличение температуры на входе в катализатор в экспериментах с 1 по 2 меньше, чем увеличение температуры на выходе из катализатора. Из этого видно, что катализатор, покрывающий термокарман с установленной термопарой, дает более сильный сигнал и с более низкой температурой металлической поверхности.