專利名稱：固定床吸熱反應內(nèi)燃交換反應器的制作方法
固定床吸熱反應內(nèi)燃交換反應器
本發(fā)明涉及反應器領域，fflil碳氫填充物進行蒸汽重整反應，獲得稱為合 成氣的氫氣和一氧化碳混合物。
準確地說，本發(fā)明是關于運用吸熱反應特別是蒸汽重整反應的熱交換最佳 控制設備的反應器技術。
蒸汽重整是氫氣或通過碳氫填充物和水蒸氣，產(chǎn)生氫氣或由氫氣和一氧化 碳構(gòu)成的合成氣的主要工序。
碳氫填充物包括輕質(zhì)烴如天然氣、精煉氣、液化石油氣和輕自ij，特別是 甲烷，與水蒸汽混合。在j柳甲烷的情況下，蒸汽重整反應式如下-CH^+H20"CO3H2
蒸汽重整反應是一種強吸熱化學反應(AH。29^206kJ/md)，所以需要提供 巨大的外部熱量。
背景技術：
在現(xiàn)有技術中，眾所周知這些^ffi吸熱催化反應皿碳氫填充物制備氫氣 的反應器。
美國專利文獻US 4692306描述一種蒸汽重整交換反應器，該反應器包括一 個處于小型環(huán)形催化區(qū)中心的加熱設備。明確指出該反應器是用于小型設備的。 所以對于大容量工業(yè)應用來說不采用該交換反應器技術。
美國專利文獻US5565009描述一種ffi31隱藏在實m^燒的床下面的雙管加 熱的固定床蒸汽重整交換反應器。填充物通過反應器外端迸入由于通過輻射傳 輸?shù)椒磻橘|(zhì)的燃燒熱量發(fā)生M重整反應的催化床。
該反應器不l緣本發(fā)明那樣在不同流體之間有最佳的熱交換。
美國專利文獻US3909299描述在其中進行蒸汽重整反應的反應器，該反應 是通過燃料和氫氣燃燒器提供的熱量實現(xiàn)的，并且該燃燒器裝有使燃燒室中產(chǎn) 生的熱空氣蒸汽通過的噴嘴，燃燒室圍繞裝有催化床的反應器的分室。按照美 國專利文獻US3909299的反應器可 ^燒室中產(chǎn)生熱量，并將其分布在含有催 化床的反應器的分室周圍。該結(jié)構(gòu)不能在催化區(qū)內(nèi)部均勻地分布熱量。歐洲專利文獻EP1505036描述一種制備氫氣的反應器。反應器裝有單個浸 入圓柱形催化區(qū)中的燃燒器，燃燒氣體被排入4A4B環(huán)形空間。在由燃燒器加 熱圓柱形催化區(qū)中反應后，反應出的氣體排放物被收集并排入催化區(qū)的夕卜部環(huán) 形空間。
歐洲專利文獻EP1516663描述在其中填充物已汽化的反應器，通過燃料和 i4A反應默卜殼的氣體的燃燒釋放的熱量使填充物汽化，燃燒區(qū)在催^彼外部。 燃燒氣體同樣用于加熱催化床。
美國專利文獻US4504447描述裝有催化區(qū)外部燃燒器的重整反應器，該催 化區(qū)處于插栓式管內(nèi)部，這樣放置燃燒器是為了使燃燒氣體在圍繞催化區(qū)的管 道中流動。該結(jié)構(gòu)不能在催化區(qū)內(nèi)部均勻分布熱量。
本發(fā)明目的是克服了現(xiàn)有技術中的缺陷，提供一種反應器的新技術，特別 是一種具有特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反應器，在反應器中吸熱反應需要的熱量是在反應 器內(nèi)部通過一系列輻射和/^t流的熱交換提供的。
在強吸熱蒸汽重整反應情況下，需要向填充物(,化合物和水蒸汽)以 及裝有催化區(qū)的反應區(qū)傳輸反應所需要的熱能。
所以必須有與催化劑接觸的基本熱交換表面現(xiàn)有技術描述的常用解決方 案包括將催化區(qū)分成特征為低催化量和大熱交換表面的狹小空間。典型地，催 化劑力認管形體中(單管或同心雙管(被稱為卡口管))或放在相鄰的隔板之間， 催化區(qū)的典型的間隔約十幾公分。
在這種結(jié)構(gòu)中，其空間允許轉(zhuǎn)換的容量是有限的。企圖改變設備的規(guī)模來 制造反應器是不明智的。所以只有增加裝配在同一外殼中的相同但分離的催化 區(qū)的數(shù)量，才能提高這些裝置的容量。將指出的是在這種情況下，這些反應器 通常是外部加熱的基礎反應器的集合。
相反，劍門的研究使劍門找到一種不同設備的替代品，允許保持單個連續(xù) 催化區(qū)，也就是同時裝料禾咄料的區(qū)域。
按照本發(fā)明的交換反應器具有單個連續(xù)催化區(qū)，在該催化區(qū)由加熱裝置和 分布在所述催化區(qū)的不同的排放物收集設備產(chǎn)生熱量，并且熱量在最好是唯一 的催化區(qū)中產(chǎn)生和分布。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種交換反應器1包括-外殼2，
-穿過固定床催化區(qū)10的填充物分配設備，
-催化區(qū)10排放物收集設備6， -催化區(qū)10加熱設備，
其中，所述收集設備6包括貫穿整個催化區(qū)10的 ，所述管道分布在催 化區(qū)中并插入加熱設備之間，并且其中，催化區(qū)加熱設備被包裹在部分浸入催 化區(qū)10的套管8中，套管8的一端開放，另一端封閉，開放端被固定在限定處 于催化區(qū)10之上的收集室19的上管板21上，所述加熱設備包括至少一個與催 化區(qū)相鄰的燃燒區(qū)13，所述燃燒區(qū)13的氧化氣體混合物15和氣體燃料17供給 設備以及燃燒氣體排放物排放設備14。
至少兩個收集設備6被分布在單獨的固定床催化區(qū)中，并插在至少兩個加 熱設備之間。
填充物分配設備可包括一個穿孔下管板，其穿孔被稱為填充物管道的管件 延伸。
艦固定床催化區(qū)10填充物分配設備可由截平的水平穿孔板24禾向纖平 的上穿孔板26構(gòu)成，穿孔允許通向排放物收集設備6。
截平的水平穿孔板24和非截平的上穿孔板26可被安裝在下部惰性區(qū)10c， 以便形成擋板系統(tǒng)。
下穿孔管板可由惰性珠床支撐。
催化區(qū)可包括至少一個處于所述下管板上的下部惰性區(qū)。 下部惰性區(qū)域可具有與所述填充物管道的長度基本對應的厚度。 催化區(qū)排放物收集管道可處于催化區(qū)下游的收集室和所述排放物排放設備 之間。
催化區(qū)排放物收集，可橫穿在填充物mi內(nèi)部空間中的所述下管板。
催化區(qū)排放物收集管道包括在其外壁上的肋，以便增加與催化區(qū)的接觸的 表面區(qū)域。
套管包括在其外壁上的肋，以便增加與催化區(qū)的接觸表面區(qū)域。 加熱設備可由以下同軸部件構(gòu)成
-氧化氣體混合物供給管道，基本在催化區(qū)上部與套管連通，
-被稱為燃料f^的燃料分配設備， 一端與燃料供給設備相連，并處于氧化氣體混合物供給1^內(nèi)，基本在同一高度iSl。 燃燒區(qū)可處于催化區(qū)10上端的套管8中。
在這種情況下，加熱設備可包括一個兩端開放的、并處于燃燒區(qū)下游的套 管中的燃燒氣體排放物回流管道。
加熱設備也可由以下同軸部件構(gòu)成
-氧化氣體混合物供給管道，基本在套管底部與所述套管 ，
- 一端與燃料供給設備連接的并處于氧化氣體混合物供給管道內(nèi)部，并基本
上延伸至套管底部的被稱為燃料管道的燃料分配設備，所述燃料管道包括至少
一個多孔壁部。
iSM燒管道112壁上的穿孔可限定沿著浸入催化區(qū)110的燃燒管道112的 壁分布的多^M燒區(qū)113。
氧化氣體混合物供給管道可在其整個高度，直至催化區(qū)上端，被填充氧化 催化劑。
加熱設備也可由以下部件構(gòu)成
-氧化氣體混合物供給管道，基本在套管的底部通入所述套管，
-在垂直于催化區(qū)并設置燃料分配tit的下游的氧化氣體混合物供給，內(nèi)
部和在其至少一部分高度上的氧化催化劑。
^i卩液可被注入到催化區(qū)排放物收集室。 上穿孔管板可由，壁構(gòu)成，以使冷卻液在內(nèi)部空間流動。
燃燒區(qū)13可處于催化區(qū)10之內(nèi)。
交換反應器可在蒸汽重整反應中應用。


圖1是根據(jù)圖2示出的交換反應器沿軸線BB，的剖面圖。
圖2是沿著根據(jù)本發(fā)明交換反應器基礎版本的軸線AA'的縱向剖面圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明^J奐反應器的一種變化形式的縱向剖面圖，其中，燃料
注射可分布在套管的整個高度。
圖4是根據(jù)本發(fā)明交換反應器的一種變化形式的縱向剖面圖，其中，套管
中的燃燒是用氧化催化劑實現(xiàn)的。
圖5a和5b是交換反應器上部分的變化形式的縱向剖面圖，其中，使用冷
卻系統(tǒng)。
8圖6是根據(jù)本發(fā)明交換反應器一種變化形式的軸線AA'的縱向剖面圖，在 該變化中，下部環(huán)形穿孔板是由一個隋性的珠床支撐的。
圖7是根據(jù)本發(fā)明交換反應器的軸線AA'的縱向剖面圖， 一種穿過固定床 催化區(qū)的填充物分配設備的變化形式。
圖8是圖7說明的交換反應器的穿過固定床催化區(qū)的填充物分配設備的BB' 剖面圖。
具體實施例方式
圖1是圖2示出的本發(fā)明反應器的沿軸線BB，的咅靦圖。制備的合成氣收 集設備406被分布在催化區(qū)410中，并被插入加熱設備之間，以使在±真充物和 制備的合成氣之間熱交換均勻。本發(fā)明反應器的結(jié)構(gòu)可在催化區(qū)中均勻分配熱 量。套管408裝有燃燒氣體排放物回流管道409。
交換反應器l示意性示于圖2中。它包括具有軸線AA'的圓柱形外殼2，其 內(nèi)表面完全由隔熱耐火材料覆蓋(圖中未示出)。
在其外殼2中，交換反應器1包括位于穿孔下管板4上的交換反應器下部 中的催化區(qū)IO，穿孔下管板4固定并密封于反應器外殼。
該催化區(qū)10由三層相互排列組成
-上催化區(qū)10a
-中催化區(qū)10b
-下部隋性區(qū)10c
該外殼包括
-碳氫填充物供給設備3，
-穿孔下管板4可使碳氫填充物i!31催化區(qū)，SA處于穿孔延長部分并與所 述板表面連接的管件中。被稱為填充物管道5的管件，其長度基本與下部惰性 區(qū)的厚度相同。穿孔下管板4和管件構(gòu) 過催化區(qū)的填充物分配設備。
-處于催化區(qū)上部的催化區(qū)排放物收集室19，所述收集室19由固定和封閉 于反應器外殼的上管板21堵塞。
-催化區(qū)排放物收集設備6貫穿旨催化區(qū)10，所述收集設備6由位于與催 化區(qū)排放物排放設備18連通的收集室19的，構(gòu)成。
-堵塞催化區(qū)排放物收集室19的上管板21具有一些孔，在孔中固定和密封 套管8,所述套管8浸入到催化區(qū)10，特別是浸入到上活躍催化區(qū)10a。套管8一端開放， 一端封閉，開放端固定在管板21上并通向與處于管板21和管板20 之間的空間，封閉端浸入到活躍催化區(qū)。處于管板21和管板20之間的空間可 收集燃燒氣體排放物并且通過排放設備14排方j^f述排放物。
-在所述套管8內(nèi)部為各種變化形式的催化區(qū)加熱設備，所述加熱設備由氧 化氣體混合物供給設備15和氣體燃料供給設備17供應。
根據(jù)圖2示出的第一實施例，催化區(qū)10加熱設備由以下同軸部件構(gòu)成 -氧化氣體混合物供給管道11，管的兩端開放， 一賴發(fā)端固定在管板20 上并通向氧化氣體混合物收集空間22，另一開放端臥至隨管8中，錢催化 區(qū)10上端。
-燃料分配設備由被稱為燃料管道12的管構(gòu)成， 一端與燃料供給設備17相 連，并處于氧化氣體混合物供給管道ll內(nèi)部，并基本上與氧化氣體混合物供給 管道1]的尺寸相同。氧化氣體混合物供給管道11下端和燃料管道12的下端開 放于燃燒區(qū)13，既開放道產(chǎn)生燃燒反應的區(qū)域。燃燒區(qū)13處于催化區(qū)10上端 的套管8中。
-燃燒氣體排放物回流管道9，兩端開放，處于燃燒區(qū)13下游套管8中。
圖3是加熱設備的另一種變化形式，其中，氧化氣體混合物供給髓111 中裝有同樣尺寸并兩端封閉延伸至接管108底部的燃料管道112。
燃料管道112上部具有未浸入催化區(qū)110中的密封壁板，下部具有浸入催 化區(qū)110中的穿孔壁板。多孔性的獲得一般Mil在燃料管道112壁板上穿孔， 或者直接使用一種焙燒型，金屬泡沬型或陶瓷泡沬型多孔材料制作管道。在燃 料管道112壁中制作的穿孔限定多個燃燒區(qū)113，該燃燒區(qū)113沿著浸入催化區(qū) 110的燃料管道U2的壁分布。
多個燃燒區(qū)可獲得更好的局部稀釋，因此獲得較i氏的燃燒'溫度。
圖4是與前述變化形式相同的加熱設備的變化形式，不同的是在這些加熱 設備中進行催化燃燒。
根據(jù)圖4 223c處示出的具體實施例中，將氧化催化劑放在浸入催化區(qū)210 的氧化氣體混合物供給t^ 211的內(nèi)部和整個高度以產(chǎn)生無焰催化燃燒。
根據(jù)223b,出的一種具體實施例中，氧化氣體混合物供給管道211延伸 到套管208底部，并裝有短于223c録出的變化形式且其下開放端與氧化催化 床223上端連通的燃料管道212。根據(jù)該變化形式，氧化催化床被放置在氧化氣體混合物供給管道211內(nèi)部，在催化區(qū)210上端，并占據(jù)整個截面。
223a處示出的具體實施例與223b處示出的具體實施例一樣，不同的是氧化 催化床223分布在氧化氣體混合物供給管道211的^浸入高度上，并占據(jù)整 個截面。
圖5示出的是向交換反應器301上部實施冷卻液的噴射。該噴射的目的主 要是^4,來堵塞催化區(qū)排放物收集室319的管板321，在這種情況下，在燃燒 的氣體排放物和沿^M燒管道311壁的氧化氣體混合物之間的熱交換將不足以 將燃燒排放氣體的、鵬降到管板321可接受的纟鵬。
圖5a示出一種變化形式，其中，冷卻tt接噴射在管板321下面。冷卻液 與催化區(qū)310排放物混合，并通過構(gòu)成催化區(qū)排放物收集設備306的管從交換 反應器外殼排出。
圖5b示出另一種變化形式，其中，穿孔管板321是由允許套管308M的 鵬321， 326構(gòu)成。M321和326的下穿孔管板形^^閉空間，包括冷卻液 噴射設備324和熱交換后^i卩液排出設備325。
圖6說明本發(fā)明反應器的一種特殊實施方式，在該實施方式中，穿孔下管 板(4)由一個隋性珠床支撐，充滿碳氫填充物和水蒸汽混合物收集器(23)空 間。收集器(23)空間由一個導向裝置(25)封閉，該導向裝置的作用是，向 收集器(23)空間內(nèi)均勻分配碳氫填充物和水蒸汽，并將隋性珠床固定在該收 集器(23)內(nèi)。
所以穿孔下管板(4)的作用是促使填充物在填充管道(5)中圍繞收集設 備(6)流動，而不是固定填充管道(5)和固定床的催化區(qū)(10)。
例如穿孔下管板(4)可放置在被固定在外殼內(nèi)壁的支撐環(huán)上，圖中未示出。
穿孔下管板(4)也可簡單地由填充收集器(23)空間和上面裝載固定床的 催化區(qū)(10)的惰性珠進行位置固定。
填充管道(5)可固定在穿孔下管板(4)上，其在穿孔下管板(4)上垂直 位置的固定是由固定床催化區(qū)(10)來保證的。
收充滿集器(23)空間的惰性珠床形成一個便于均勻分配收集器(23)空 間填充物的區(qū)域(10b).
形成區(qū)域(10b)的惰性珠床可由如氧化鋁珠構(gòu)成。
收充滿集器(23)空間的惰性珠床形成一個區(qū)域(10b)，不僅僅在圖6中示出，而且同樣可在圖2至圖5中示出。
圖7是一種Mil固定床催化區(qū)(10)填充物分配設備的變化形式。 在該變化形式中，固定床催化區(qū)(10)填充物分配設備包括截面水平穿孔
板(24)和一個非截面上穿孔板(26)，這些孔可使散發(fā)氣體駄收集設備(6)。 截面水平穿孔板(24)被放置在惰性下部區(qū)域(10c)中，以便形成一種檔
板系統(tǒng)，并可使'z字型'填充物在tm氣體收集設備(6)之間i)M。
被稱為分配板的一纖面上部穿孑L板(26)，包括在催化區(qū)(10)并首先在惰 性區(qū)域(10c)的碳氫±真充物和水蒸汽混合物均勻分配設備，以便使液體分布在
擋板系統(tǒng)可使碳氫填充物和水蒸汽混^/從左向右比較長的流通。 圖8是根據(jù)圖7擋板系統(tǒng)軸心BB'的剖面圖。涉及的是截面水平穿孔板(24)， 穿孔使散發(fā)氣體SA收集設備(406)。這些截面水平穿 L板(424)可使碳氫填 充物和水蒸汽混合物從左向右流通。為了保護上管板21免受收集室19高溫， 也可用圖1中示出的隔熱屏27覆蓋與催化區(qū)排放物接觸的所^i:管板21的表 面。隔熱屏是用如耐火混凝土或陶瓷的隔熱材料制作。該隔熱屏27僅在圖1中 示出，但也可以在所有圖中示出。
盡管在圖2至圖5中是M所有燃料管道12共用的唯一的燃料供給設備17 保證燃料的分配，本發(fā)明并不局限于該特殊供給方式，同樣可向每4^燃料管道 12用單獨的供給設備供給。
圖中未示出可單獨控制針加熱設備中的燃燒的特殊實施例。 盡管在上述變化形式中是垂直定位，本發(fā)明并不局限于該特殊定位方式。 交換反應器外殼在上述變化形式中是圓柱形，但本發(fā)明的反應器并不局限 于這種形狀。交換反應默卜殼可以具有不同的剖面。
管板4、 20和21被密封固定在腔的內(nèi)壁上，最好是焊接在腔上或用密封圈 螺栓固定。
穿孔下管板4可被密封固定在腔的內(nèi)壁上，最好是焊接在腔上或用密封圈 螺栓固定。
填充物管道5可在穿 L延伸部分上焊接到穿孔下管板4上。 穿孔下管板4也可被固定在腔的內(nèi)壁上的支撐環(huán)內(nèi)。 填充物管道5也可被固定到穿孔下管板4上。穿孔下管板4可同樣通過填充收集空間23盼隋性珠和在上面裝料的固定床 催化區(qū)10簡單的固定到位。
上述交換反應器技術適用于任何類型的吸熱反應。特別適用于本發(fā)明范圍 內(nèi)的蒸汽重整反應。 歉魏腿設備的細
在交換反應器用于實現(xiàn)蒸汽重整反應的情況下，碳氫填充物包括輕質(zhì)烴混 合物如天然氣、精煉氣、液化石油氣、輕溶劑和例如來源于廢料或生物質(zhì)發(fā)酵 的生物氣體， 一起或作為混合物，與水蒸氣混合，其中，在吸熱反應是甲烷蒸 氣重整反應的情況下最好是甲烷和水蒸汽混合物。
在這種情況下，至少部分填充交換反應器外殼的固定床催化區(qū)分成三個相
互排列的催化區(qū)
-與管板接觸的下部惰性區(qū)，由惰性粒子床組成
-預重整中催化區(qū)，包括相同^同于用于蒸汽重整活躍催化區(qū)的催化劑， -蒸汽重整上催化區(qū)，包括傳統(tǒng)蒸汽重整催化劑。
在蒸汽重整上催化區(qū)和預重整中催化區(qū)由同樣催化劑組成的情況下，為傳
統(tǒng)的蒸汽重整催化劑，包括8-25%比重的第Vm族元素，最好是鎳，14%比重 的氧化鋁載體上的鉀。
在蒸汽重整上催化區(qū)和預重整中催化區(qū)包括不同催化劑的情況下，用于蒸 汽重整上催化區(qū)的催化劑是上述催化劑，用于預重整中催化區(qū)的催化劑是專門 的預重整催化劑，包括1-20%比重的第Vm族元素，最好是鎳，0.4-5%比重的 氧化鋁載體上的鉀或鋁酸鈣載體上的鉀。
構(gòu)成隋性催化區(qū)的惰性粒子通常是由珠狀氧化鋁構(gòu)成。
在交換反應器上部，碳氫填充物和7K蒸汽混合物翻:供給設備3進入外殼，
橫穿下管板4，進入下部惰性區(qū)域，并i4A橫穿所述區(qū)域的填充物管道5?；旌?物在方爐制備的合成氣收集設備6周圍的填充物魏5中流動的同時，M與 收集設備內(nèi)流動的合成氣的熱交換被加熱。
該下部惰性區(qū)，未通過加熱設備加熱，構(gòu)成第一熱交換區(qū)。可使碳氫填充 物蒸汽和制備的逆流流動的合成氣蒸汽之間進行對流熱交換。
這樣預熱混合物進入由惰性區(qū)上端和套管封閉端限定的預重整中催化區(qū)。 該預重整區(qū)是碳氫填充物在進入反應區(qū)之前的預處理區(qū)，可至少使部分碳氫填充物轉(zhuǎn)化成合成氣。該反應所需能量是由本身在填充物管道中的下部惰性區(qū)預 熱的填充物提供，但同樣通過與合成氣管道內(nèi)流動的合成氣在預重整中催化區(qū) 中的熱交換來提供能量。
該預重整區(qū)，不通過加熱設備加熱，構(gòu)成第二熱交換區(qū)。第二熱交換區(qū)可 預熱在預重整中催化區(qū)中流動的碳氫填充物蒸汽，并當冷卻在橫穿催化區(qū)的合 成氣收集設備中逆流流動的合成氣蒸汽時，可提供預重整反應所需能量。 在本發(fā)明范圍內(nèi)，實施預重整反應具有明顯益處
-制備的合成氣中的熱量被最佳利用，因為熱交換不僅預熱填充物，而且 還可對其進行轉(zhuǎn)換。這樣可P蹄U主重整器的i辯斗，及主重整器達到的較高的 溫度而出現(xiàn)的同樣生焦風險。
-預重整也可轉(zhuǎn)換最重的填充物元件，它保留主重整器的催化劑，并使填 充物性質(zhì)處理設備具有更多的靈活性。 中預重整部區(qū)中產(chǎn)生的排放物然后進入包括蒸汽重整催化劑的上催化區(qū) 中，在產(chǎn)生合成氣的同時沿著該區(qū)域上升。該反應所需能量主要是通過輻射和
與加熱設備對流熱交換提供，也可fflil與橫穿催化區(qū)的合成氣收集設備內(nèi)流動
的合成氣的對流熱交換提供。
該蒸汽重整區(qū)構(gòu)成第三熱交換區(qū)，處于上部催化區(qū)，也就是說在蒸汽重整 反應發(fā)生的區(qū)域，該區(qū)域由處于套管下封閉端和催化區(qū)上端之間的空間限定。 第三區(qū)可迸行輻射和對流熱交換。
在蒸汽重整上催化區(qū)中產(chǎn)生的合成氣從催化區(qū)排出并被處于催化區(qū)上面的 收集室19收集，所述收集室由上管板21堵塞。
制備的合成氣收集設備6被分布在催化區(qū)，并被插入加熱設備之間，以便
在填充物和制備的合成氣之間均勻熱交換。
貫穿齢催化區(qū)的制備合成氣收集設備6的出現(xiàn)，可在催化區(qū)的齡高度
上在填充物和由這兩種蒸汽的逆流流動所產(chǎn)生的合成氣之間進行對流熱交換 從蒸汽重整上催化區(qū)排出，制備合成氣進入貫穿整個催化區(qū)的合成氣收集設備6 中，并流入交換反應器下部，通過與上催化區(qū)中流動然后在預重整中催化區(qū)流 動的排放物進行熱交換，然后再與在下部惰性區(qū)中的填充物管道中流動的填充
物進行熱交換而)t4卩整個催化區(qū)長度。制備的合成氣然后通過排放設備18從交
換反應器中被排出。在交換反應器上部，氧化氣體混合物艦供給設備15進入外殼，橫穿管板
20并ilii氧化氣混合物供給設備11 iiA加熱設備。
氣體燃料也艦相應的供給設備17駄外殼，然后再駄處于氧化氣體混 合物供給管道11內(nèi)的燃料管道12中。
氧化氣體混合物是含有0.1-21%的氧氣，最好包括空氣，氧氣和二氧化碳或 最好是發(fā)電燃氣輪機的蒸汽的混合物的氣體。在這種情況下，氧化氣體混合物 由來自輪機的氧化蒸汽構(gòu)成。
氣體燃料包括氣體形式的天然氣或精煉氣種類等或液體形式的汽油、粗柴 油或重油的碳氫化合物，在進入反應器之前預汽化，最好的方式是，使用反應 器自身產(chǎn)生氫氣并在分離處理之后凈化。
根據(jù)圖1示出的加熱設備的第一變化形式， 料管道12出口，氣體燃料 在燃燒區(qū)與氧化氣體混合物混合，并通過在催化區(qū)上端產(chǎn)生高溫蒸汽的燃燒反 應進行反應。
這些蒸汽m回流節(jié)宣，被導引至套管8底部，并在回流管道9和套管8 之間形成的環(huán)形空間中上升。
在齡回流髓9高度上，流到回流魏的蒸na過熱交換加熱在回流管
道和套管內(nèi)壁之間形成的環(huán)形空間中上升的蒸汽。這些蒸汽M31穿過套管8的
壁的熱交換加熱上催化區(qū)中的反應排放物。
這些逆流熱交換的目的是最大程度減少套管高度上的熱梯度。在這種方式 中，燃燒產(chǎn)生的蒸汽向催化區(qū)傳輸?shù)臒崃吭诮氪呋瘏^(qū)的套管的整個高度上相 對均勻。
在回流管道9上部，在回流管和套管之間形成的環(huán)形空間的一部分上升蒸 汽由燃燒區(qū)13產(chǎn)生的蒸汽攜帶并且再循環(huán)進入回流管道。這種配置可稀釋和部 分攪拌燃燒反應物，所以可降低由于燃燒產(chǎn)生火焰的溫度，這樣保護材料不受 高溫，并M^、損壞環(huán)境的氧化氮的形成。
來自燃燒的不在回流管道中回流的熱蒸汽，在氧化氣體混合物供給管道11 和套管8之間形成的環(huán)形空間中上升，并fflil與氧化氣體混合物熱交換進行冷 卻，氧化氣體混合物流到氧化氣體混合物供給管道ll的同時自身被再加熱。
這個處于催化區(qū)一端和管板20之間的區(qū)域，構(gòu)成第四熱交換區(qū)。該第四區(qū) 可在燃燒蒸汽流排出外殼之前和進入加熱設備的氧化氣體混合物之間進行對流熱交換。
第四熱交換區(qū)是極為重要的，因為它可充分的降低來自燃燒的蒸汽溫度， 以便育,使用傳統(tǒng)焊接管板型技術，也就是說用普通金屬合金制作管板。在橫 穿所述管板之后，燃燒蒸糊過排放設備14從婦奐反應默卜殼排出。
根據(jù)圖2，加熱設備將燃料噴射分布在氧化氣體混合物流中，這樣可獲得較
寬廣的i^燒區(qū)113。氣體燃料 料管道112中流動，直至管道的穿孔部分，在
此氣體燃料穿過管壁，以便與在氧化氣體混合物供給管道111中流動的氧化氣
體混合物接觸燃燒。燃燒蒸汽隨后流到套管108底部，并在氧化氣體混合物供 給Wit 111和套管108之間形成的環(huán)形空間中上升，并與反應區(qū)和在氧化氣體 混合物供給 中的燃燒蒸汽進行熱交換。
在這種方式中，燃燒將作為選擇的孔隙率的函數(shù)被分布在燃料管道的旨 帶孔的高度上。所以如果要實施熱分布圖，可通過調(diào)制孔隙率，在管道高度上 均勻地或者不均勻地分布熱量。例如，可在管道下部增加孔隙率，這樣可提高 該區(qū)中燃料的流率，因此提高燃燒^Jt。在這種情況下，在套管下部的燃燒蒸 汽的溫度比在上部的高。
根據(jù)圖3，加熱設備借助分布在氧化氣體混合物供給管道211內(nèi)的氧化催化
劑223， ^^ 述供給mi中實現(xiàn)無焰燃燒。氧化氣體混合物SA交換反應器中， 橫穿管板220并流進氧化氣體混合物供給管道211直至氧化催化劑223 。氧化氣 體混合物和燃料在氧化催化劑附近混合并在氧化催化劑上通過無焰燃燒進行反 應，以便產(chǎn)生熱蒸汽。這些燃燒蒸汽從氧化氣體混合物供給管道的底部排出， 并在套管208中上升，在其被排出外殼之前M31熱交換向催化區(qū)提供能量。
使用氧化催化劑的無焰燃燒具有防止損耗材料的局部過熱的出現(xiàn)和改善燃 燒，M4、蒸汽中出現(xiàn)沒有全部燃燒成分的現(xiàn)象的優(yōu)勢。
氧化催化劑包括1-10%的元素周期表中的第vm族惰性元素，最好是在氧
化鋁或氧化鋯載體上的鈀和/或鈾。氧化催化齊提以在由高溫耐火合金型金屬材 料或陶瓷材料如堇青石制成的整體料或泡沫上放置的以表面沉淀或修補基面涂 層的形式實現(xiàn)的。
根據(jù)圖4a和圖4b示出的具體實施方式
，可iiUl管板321下面直接噴射冷 卻液到催化區(qū)排放物收集室中(根據(jù)圖4a)以^4P所述管板，以便使用傳統(tǒng)的 焊接管板型技術，也就是說，使用普通金屬合金制作管板。冷卻液與帝喊的合成氣混合并S31與排放設備連通的合成氣收集設備從反應^卜殼中排出。
也可向處于上管板雙壁321/326之間的空間中噴射冷卻液，所述板被穿孔并 可根據(jù)圖4b所示的iftA套管。
321， 326構(gòu)成的所述穿孔板密封固定在交換反應器的外殼上。穿過管 板的套管是通過如焊接或機械組裝密封固定來實現(xiàn)的。機械組裝可是一種通過 包裝箱或金屬膜盒壓縮的密封圈，這種聯(lián)接的原理是當很熱時，允許套管通過 穿孔板移動時始終保持密封狀態(tài)。
噴射7賴卩液可通過熱交J射賴口由雙壁321， 326構(gòu)成的上管板和套管，7賴口 液然后通過也處于上管板XXH之間的排放設備從交換反應器外殼中排出。
冷卻液可以是任何天然的，蒸汽形式的，最好是7jC蒸汽。填充物也可作為 冷卻液使用，它在被引入交換反應器之前將被預熱。可使用氧化氣體混合物和 其他熱交換流體。
實施交換反應^^令卻液單點噴射并不是唯一的?？梢栽诮粨Q反應器外殼的 圓周上進行多點定位噴射來實現(xiàn)，以便覆蓋齡管板表面。
在交換反應器的另一個實施例中，燃料混合物/氧化氣體混合物的化學計量 可被改變，以便只實現(xiàn)燃料的部分氧化并因此產(chǎn)生合成氣。例如，如果燃料是 甲烷，缺乏氧氣導致如下反應CH4+1/202—CO+2H2
這種高放熱反應出現(xiàn)在120(TC和150(TC之間的高溫，所產(chǎn)生的熱量可用于 如，基本瞎況中的蒸汽重整反應。
該實施例可提高交換反應器的產(chǎn)出率，因為在這種情況下，燃燒蒸汽是由 合成氣構(gòu)成。
根據(jù)采用交換反應器的其他實施方式的變化形式，S31改，料/氧化氣體 混合物的化學計量，可使用部分氧化催化劑，以ilii催化部分氧化作用產(chǎn)生合 成氣。該反應是高放熱反應，產(chǎn)生的熱量可用于如上述基本情況中的蒸汽重整 反應。
在這種情況下，氧化催化劑包括5-30%的元素周期表中的第vm族惰性元
素，最好是鈀，鈾或最好是銠，沉積在一個陶瓷氧化鋁、堇青石、氧化鋯類的
載體上，最好是一種阿爾法多 L鋁載體。 操作劍牛
蒸汽重整反應在催化區(qū)進口和出口之間變化的高溫條件下操作是有利的-在催化區(qū)的進口，溫度是在50(TC到75(TC之間
-在催化區(qū)的出口，、鵬是在75(TC到950。C之間，最好是在850。C到900。C 之間。
蒸汽重整反應有利的進行壓力是在0.5到5Mpa之間，最好是在1到4Mpa 之間，最理想是在2到2.5Mpa之間。
在交換反應器進口，碳氫填充物由碳氫化合物和7jC蒸汽以一定比例的組成 的混合物構(gòu)成這樣有利的7k蒸^/ W爾比率是在2到5之間，最好在2.3到2.7 之間。
在交換反應器進口，有禾啲麟填充物的》鵬是在35(TC到75(rC之間，最 好是在55(TC到65(TC之間，碳氫填充物在基本與上述反應壓力相同的壓力下進 入交換反應^卜殼中。
在蒸汽重整反應之后，制備的合成氣從催化區(qū)排出并在溫度75(TC到95CTC 之間，最好是850。C到90(TC之間jSA合成氣收集設備中是有利的。
在交換反應器外殼出口 ，制備的合成氣纟鵬有利的是在30(TC到500'C之間， 最好是在35(TC到45(TC之間，制備的合成氣在一種基本與，反應壓力相同的 壓力下，從交換反應器外殼中排出。
在交換反應器進口，氧化氣體混合頓驢有利的是在300'C到80(TC之間， 在氧化氣體混合物是由從渦輪機出口排出的蒸汽構(gòu)成的情況下最好是在650°C 到75(TC之間，在氧化氣體混合物是由從壓縮器出口排出的蒸汽構(gòu)成的情況下最 好是在35(TC到45(TC之間。
氧化氣體混合物在0.05到4 MPA之間最好是在0.3到0.5MPA之間的壓力
下SA交換反應默卜殼中是有利的。
在燃燒結(jié)束后，燃燒氣體混合物^S有利的、鵬是在90(TC到150(TC之間， 最好是在90(TC到IOO(TC之間。
在交換反應器外殼出口，在通過與氧化氣體混合物熱交換冷卻之后，燃燒 氣體混合物' 被降至到70(TC到90(TC的、驗之間，最好是70(TC到75(TC的 溫度之間。
有利的是，燃料在常溫到40(TC之間，最好是在常溫到15(TC之間，在0.05 到4MPA之間最好是在0.3到0.5MPA之間的壓力下，被引入到交換反應器外殼 中。有利的是，^t4卩液在10(TC到40(TC之間的溫度下，最好是在25(TC到35(TC 之間的溫度下，被引入到交換反應器外殼內(nèi)。
權利要求
1、交換反應器(1)包括-外殼(2)-穿過固定床催化區(qū)(10)的填充物分配設備，-催化區(qū)(10)排放物收集設備(6)，-催化區(qū)(10)加熱設備，其中，所述收集設備(6)包括貫穿整個催化區(qū)(10)的管道，所述管道分布在催化區(qū)中并插入加熱設備之間，并且其中，催化區(qū)加熱設備被包裹在部分浸入催化區(qū)(10)的套管(8)中，套管(8)的一端開放，另一端封閉，開放端被固定在限定處于催化區(qū)(10)上面的收集室(19)的上管板(21)上，所述加熱設備包括至少一個與催化區(qū)相鄰的燃燒區(qū)(13)，所述燃燒區(qū)(13)的氧化氣體混合物(15)和氣體燃料(17)供給設備和燃燒氣體排放物排放設備(14)。
2、 根據(jù)權利要求1所述的交換反應器(1)，其中，至少兩個收集設備(6) 被分布在單獨的固定床催化區(qū)中，并插在至少兩個加熱設備之間。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的交換反應器(1)，其中，填充物分配設備包 括穿孔下管板(4)，其穿孔被稱為填充物管道(5)的管件延伸。
4、 根據(jù)權禾腰求1-3之一所述的交換反應器(1)，其中，穿過固定床催化 區(qū)(10)的填充物分配設備是由截平的水平穿 L板(24)和非截平的上穿孔板 (26)構(gòu)成，穿孔允許通向排放物收集設備(6)。
5、 根據(jù)權利要求4所述的交換反應器(1)，其中，截平的水平穿孔板(24) 禾口非截平的上穿孑L板(26)被方j^g在下部惰性區(qū)(10c),以便形成擋板。
6、 根據(jù)權利要求1-5之一所述的交換反應器(1)，其中，下穿孔管板(4) 由惰性珠床支撐。
7、 根據(jù)權利要求14所述的交換反應器(1)，其中，催化區(qū)(10)包括至 少一個處于所述下管板(4)上的下部隋性區(qū)(10c)。
8、 根據(jù)權利要求1-7之一所述的交換反應器(1)，其中，下部惰性區(qū)(10c) 的厚度基本對應于所述填充物管道(5)的長度。
9、 根據(jù)上述權利要求之一所述的交換反應器(1)，其中，催化區(qū)(10)排 放物收集管道(6)處于催化區(qū)(10)下游的收集室(19)和所述排放物排放設備(18)之間。
10、 根據(jù)上述權利要求之一所述的交換反應器(1)，其中，催化區(qū)(10) 排放物收集 (6)橫穿在±真充物管道(5)內(nèi)部空間中的所述下管板(4)。
11、 根據(jù)J^權利要求之一所述的交換反應器(1)，其中，催化區(qū)(10) 排放物收集管道(6)包括在其外壁上的肋，以便增加與催化區(qū)(10)接觸的表 面區(qū)域。
12、 根據(jù)，權利要求之一所述的交換反應器(1)，其中，套管(8)包括 在其外壁上的肋，以便增加與催化區(qū)(10)接觸的表面區(qū)域。
13、 根據(jù)上述權利要求之一所述的交換反應器(1)，其中，加熱設備由以 下同軸部件構(gòu)成-氧化氣體混合物供給管道(11)，基tt催化區(qū)(10)上部與套管(8)連通，-被稱為燃料魏(12)的燃料分配設備， 一端與燃料供給設備(17)相連， 并處于氧化氣體混合物供給管道(11)內(nèi)，基;tt同一高度M。
14、 根據(jù)權利要求13所述的交換反應器(1)，其中，燃燒區(qū)處于催化區(qū)(IO) 上端的套管(8)中。
15、 根據(jù)權利要求13所述的交換反應器(1)，其中，加熱設備包括燃燒區(qū) 氣體排放物回流管道(9)，該管道兩端開放，并處于燃燒區(qū)(13)下游的套管 (8)中。
16、 根據(jù)權禾腰求1-12之一所述的交換反應器(101)，其中，加熱設備由 以下同軸部件構(gòu)成-氧化氣體混合物供給 (111)，基本在套管(108)底部與所述套管連通，- 一端與燃料供給設備(117)連接的被稱為燃料t^ (112)的燃料分配設 備，處于氧化氣體混合物供給魏(111)內(nèi)，并基本延伸至套管(108)底部， 所述燃料管道(112)包括至少一個多孔壁部。
17、 根據(jù)權利要求16中所述的交換反應器(101)，其中，鄉(xiāng)料M (112) 壁中的穿孔限定沿著浸入催化區(qū)(110)中的燃料管道(112)壁分布的多個jt 燒區(qū)(113)。
18、 根據(jù)權禾腰求16中所述的交換反應器(201)，其中，氧化氣體混合物供給管道(211)在其，高度，直至催化區(qū)上端，被填充氧化催化劑(223)。
19、 根據(jù)權利要求1-12之一所述的交換反應器(201)，其中，加熱設備由 以下部件構(gòu)成-氧化氣體混合物供給管道(211)，基本4ff述套管(208)的底部31A所述 套管，-在垂直于催化區(qū)(210)并設置在燃料分配管道(212)下游的氧化氣體混 合物供給管道(211)內(nèi)部和在其至少一部分高度上的氧化催化劑(223)。
20、 根據(jù)上述權利要求之一所述的交換反應器(301)，其中，冷卻液被注 入到催化區(qū)(310)排放物收集室(319)。
21、 根據(jù)權利要求l-20之一所述的交換反應器(301)，其中，上穿孔管板 (321)由) XII (321)， (326)構(gòu)成，以使冷卻、液在內(nèi)部空間流動。
22、 根據(jù)權禾腰求1-21之一所述的交換反應器(301)，其中，燃燒區(qū)(13) 處于催化區(qū)(10)之內(nèi)。
23、 根據(jù)權利要求1-22之一的交換反應器在蒸汽重整反應中的應用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種交換反應器(1)，包括外殼(2)，穿過固定床催化區(qū)(10)的填充物分配設備，催化區(qū)(10)排放物收集設備(6)，催化區(qū)(10)加熱設備，其中所述收集設備(6)包括貫穿整個催化區(qū)(10)的管道，所述管道分布在催化區(qū)并被插入加熱設備中，所述催化區(qū)加熱設備被包裹在部分浸入催化區(qū)(10)中的套管(8)中，套管(8)一端開放，另一端封閉，開放的一端被固定在限定處于催化區(qū)(10)上面的收集室(19)的上管板(21)上，所述加熱設備包括至少一個鄰近催化區(qū)的燃燒區(qū)(13)，所述燃燒區(qū)(13)的氧化氣體混合物(15)和氣體燃料(17)供給設備，以及燃燒排放物的排放設備(14)。
文檔編號C01B3/26GK101432065SQ200780009431
公開日2009年5月13日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權日2006年3月17日
發(fā)明者B·費希爾, F·基勞迪爾, J·科林, S·伯索林 申請人:Ifp公司