專利名稱：進行一非絕熱處理的反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一用于在非絕熱條件下進行處理的反應(yīng)器。這些處理通常是在熱交換器和反應(yīng)器內(nèi)進行，其中出現(xiàn)產(chǎn)生熱或消耗熱的反應(yīng)。
在非絕熱條件下運作的反應(yīng)器中，由反應(yīng)而供熱和除熱的速率通常是一限制因素。提高速率將導(dǎo)致反應(yīng)器性能的顯著改善，從而增大在一給定反應(yīng)器尺寸下的生產(chǎn)量或?qū)τ谝唤o定的生產(chǎn)量可降低反應(yīng)器的尺寸或較長的反應(yīng)器使用壽命和/或有選擇地增加所希望的產(chǎn)物。
由下面的反應(yīng)式(1)和(2)來使一烴原料蒸汽重整為含有氫和一氧化碳的氣體是一非絕熱處理的重要例子。
(-ΔH＜0)(1)(-ΔH＝9.84千卡/摩爾)(2)總的反應(yīng)式(1)+(2)是吸熱性的，即為進行反應(yīng)必須提供熱。
用于蒸汽重整一烴原料的現(xiàn)有技術(shù)之初級蒸汽重整器包括一爐子，在爐內(nèi)設(shè)置許多重整器導(dǎo)管。主要包括烴和蒸汽的，可能還帶有少量H2、CO、CO2、N2和/或各種雜質(zhì)的輸送氣體被引入重整器導(dǎo)管內(nèi)。重整器爐子設(shè)有多個燃燒器，其中燃料進行燃燒，以給上述重整反應(yīng)供給所需熱量。
為保持重整反應(yīng)，熱量必須被傳輸給在反應(yīng)器管內(nèi)的氣體。熱量首先通過輻射和對流被傳輸給外管壁，然后通過熱傳導(dǎo)而經(jīng)導(dǎo)管壁傳輸，最后通過輻射和對流從內(nèi)導(dǎo)管壁傳輸給氣體和催化劑。
每單位時間和面積內(nèi)經(jīng)導(dǎo)管壁能傳導(dǎo)的熱量，即熱通量，取決于三個因素。這些因素是導(dǎo)管材料的傳熱率，內(nèi)、外導(dǎo)管壁之間的溫度差，和內(nèi)、外導(dǎo)管直徑之比。后一因素也可被表述為在給定導(dǎo)管直徑下的導(dǎo)管壁厚。
熱通量沿導(dǎo)管的軸向變化。熱通量的變化曲線取決于重整器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于頂部點火型和側(cè)部點火型重整器，其典型的熱通量變化曲線表示在于1997/98年12月/1月出版的《碳氫化合物工程》的第56～65頁的圖5中，論文的題目是“用于產(chǎn)生氫的先進的重整技術(shù)”，作者是I.Dybkj□r和S.W.Madsen。在本申請的附圖中，上面的圖被表示為

圖1。
經(jīng)導(dǎo)管壁的熱通量由燃燒器的點火模式控制。
對于一重整器導(dǎo)管的設(shè)計，下面的參數(shù)是基本的導(dǎo)管壁必須足夠厚，以給導(dǎo)管的整個使用壽命提供足夠的強度，并且橫過導(dǎo)管壁的溫度差必須被保持在一臨界值下，以避免過高的熱應(yīng)力，否則這種過高的熱應(yīng)力會導(dǎo)致導(dǎo)管斷裂。
上面的要求是彼此對立的。導(dǎo)管的使用壽命要求一較低限度的導(dǎo)管壁厚，而溫度差的限制卻要求一較高限度的導(dǎo)管壁厚。因此，在選擇導(dǎo)管壁厚時必須尋求一折衷方案。
圖1表示導(dǎo)管壁溫度的變化曲線和熱通量的變化曲線。從圖1可清楚地看出，最大的導(dǎo)管壁溫度和最大的熱通量沒有出現(xiàn)在導(dǎo)管的同一軸向位置，尤其是對于點火重整器的類型。
基于上述事實，導(dǎo)管壁溫度與熱通量的最大值出現(xiàn)在不同的軸向位置，本發(fā)明通過沿壁的軸向改變反應(yīng)器的壁厚來提供一具有改善的熱通量和使用壽命的反應(yīng)器。因此，可以在熱通量高但壁的溫度低的位置采用一相對薄的壁。而在熱通量低但導(dǎo)管壁的溫度高的區(qū)域使用一厚的壁。
對于反應(yīng)器的一給定壽命，在反應(yīng)器壁之最熱部分的溫度決定(dictate)最小的壁厚。最大的壁厚則由在溫度差最大區(qū)域處橫過反應(yīng)器壁的溫度差來決定。
采用本發(fā)明，通過沿一非絕熱反應(yīng)介質(zhì)的流動方向改變傳熱壁的厚度，改善了反應(yīng)器的性能。最大的壁厚用在最高溫度的位置處，而最薄的導(dǎo)管壁用在最高的熱通量位置處。此外，當沿軸向改變導(dǎo)管直徑和/或?qū)Ч懿牧蠒r，可獲得一進一步的改善。
根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器可具有利于一具體應(yīng)用的任何形狀。反應(yīng)器可以是包括多邊形的管狀或板狀形的結(jié)構(gòu)。熱交換和反應(yīng)介質(zhì)可以是氣態(tài)的、液態(tài)的和/或固態(tài)的。
例1測試兩種不同的壁設(shè)計方案。設(shè)計方案1的導(dǎo)管具有沿其整個長度同樣的壁厚，即與已知的反應(yīng)器設(shè)計方案相同。設(shè)計方案2的導(dǎo)管在根據(jù)本發(fā)明之反應(yīng)器的入口部分具有較薄的壁。用于這兩種設(shè)計方案的導(dǎo)管尺寸給出在下面的表2中。
被引入到兩種不同的管狀反應(yīng)器設(shè)計方案中的供給氣體的條件歸納在下面的表1中。
在設(shè)計方案1和設(shè)計方案2中進行的反應(yīng)為上述的吸熱催化蒸汽重整反應(yīng)。
表3歸納了在上述設(shè)計方案的出口處產(chǎn)生氣體的組份。在設(shè)計方案1和設(shè)計方案2中產(chǎn)生的氣體是等同的。設(shè)計方案2中的出口壓力高于設(shè)計方案1中的相應(yīng)壓力，這是一優(yōu)點。
圖2表示這兩種設(shè)計方案的外壁溫度與熱通量。在所有的位置處外壁溫度都低于最大運作溫度。
圖3表示這兩種設(shè)計方案橫過導(dǎo)管壁的溫度差。設(shè)計方案中的最大溫度差略高于設(shè)計方案1中的相應(yīng)溫度差。在兩種設(shè)計方案中的溫度差都低于最大的允許溫度差。但是，導(dǎo)管長度以及進而反應(yīng)器的尺寸在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計中可被縮
<p>表2重整器導(dǎo)管的尺寸
表3產(chǎn)生的氣體
權(quán)利要求
1.用于進行非絕熱反應(yīng)的反應(yīng)器，其具有至少一個傳熱壁，該傳熱壁具有沿一非絕熱反應(yīng)介質(zhì)的流動方向上降低的或增大的壁厚和/或變化的壁材料。
2.如權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其特征在于該非絕熱反應(yīng)產(chǎn)生或消耗熱。
3.如權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其特征在于傳熱壁為一導(dǎo)管形式。
4.如權(quán)利要求2的反應(yīng)器，其特征在于該非絕熱反應(yīng)為蒸汽重整反應(yīng)。
5.如權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其特征在于傳熱壁限定一催化劑床。
6.如權(quán)利要求5的反應(yīng)器，其特征在于催化劑床為固定的形式。
全文摘要
用于進行非絕熱反應(yīng)的反應(yīng)器,其具有至少一個傳熱壁,該傳熱壁具有沿一非絕熱反應(yīng)介質(zhì)的流動方向上降低的或增大的壁厚和/或變化的壁材料。
文檔編號B01J19/24GK1275433SQ00108719
公開日2000年12月6日 申請日期2000年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月28日
發(fā)明者P·S·克里斯滕森 申請人:赫多特普索化工設(shè)備公司