專利名稱：具有射流沖擊熱傳遞的管式反應器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于由反應物混合物生產(chǎn)產(chǎn)物混合物的管式反應器。更具體地，本發(fā)明涉及改進管式反應器中的熱傳遞。
背景技術(shù)：
包含具有催化劑的填料的反應器已經(jīng)有記載，例如，用于蒸汽甲烷重整的管式反應器。填料可以是散堆填料，例如催化劑小球或所謂結(jié)構(gòu)化的填料。與散堆填料相比，結(jié)構(gòu)化的填料可產(chǎn)生更低的壓降，不容易流化，并且不易于沉積或粉碎。由于管式反應器通常從外部加熱或冷卻，這種反應器的另一個重要特征涉及外部熱源/散熱器與反應器內(nèi)的工藝流體之間的熱傳遞。管式反應器可包含散堆填料或結(jié)構(gòu)化的填料，其中填料包括用于所需要的反應的催化劑。據(jù)信與散堆填料相比，結(jié)構(gòu)化的填料具有更低的壓降。人們已經(jīng)認識到管式反應器中的熱傳遞的重要性。已有記載有關(guān)改進管式反應器中熱傳遞的努力。Davidson在第4，340，501號美國專利中描述了反應器容器中的結(jié)構(gòu)，其中使流體間歇地但可控制地與容器壁接觸。其結(jié)果，Davidson聲稱這可以得到具有顆粒床熱傳遞特性的蜂窩結(jié)構(gòu)的平滑流動特性。在Davidson的發(fā)明中，用于使流體與容器壁接觸的工藝的特征在于,使流體交替流過(a)容器內(nèi)的結(jié)構(gòu)和(b)所述結(jié)構(gòu)與容器壁之間的空間。Davidson還描述了用于實現(xiàn)該工藝的設(shè)備，其包括容器和容器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。Repasky等人的第7，761，994號美國專利公開了用于增加具有結(jié)構(gòu)化的填料的管式反應器中熱傳遞的方法和通過該方法所制得的反應器。該方法是在構(gòu)造過程中使結(jié)構(gòu)向著管式反應器的壁膨脹，從而減小壁與填料之間的間隙。流體被擠壓在填料和管壁之間。減小的間隙增加流體的速度，從而增加熱傳遞。這種方法和熱傳遞依賴于結(jié)構(gòu)與管壁之間間隙的任何方法所具有的問題在于，在高溫高壓下的長期操作之后，管會經(jīng)歷時間依賴性的，通常被稱為“蠕變(creep) ”的塑性變形，導致管徑增加以及管壁與結(jié)構(gòu)化的填料之間的間隙相應增加。由于熱傳遞的機制依賴于該間隙中流體的速度，因此當間隙變大時速度降低，當管蠕變時熱傳遞降低。當熱傳遞降低時反應器性能降低。盡管當管蠕變時散堆填料能夠隨著管壁移動并因此熱傳遞不依賴于填料和管壁之間的間隙時，散堆填料可因如上所述的大的壓降而受到損害。需要的是在管式反應器的整個壽命期內(nèi)，尤其是在管發(fā)生蠕變時保持管式反應器中的熱傳遞效率。本發(fā)明解決了在管式反應器中由管的蠕變導致的熱傳遞降低的問題。需要改進管式反應器中的熱傳遞。本發(fā)明公開了用于提供管式反應器中改進的熱傳遞的其它特征。發(fā)明概述本發(fā)明涉及具有改進的熱傳遞特性的管式反應器。有如下所列的本發(fā)明的幾個方面。第一方面。一種管式反應器，其具有管式反應器入口和在該管式反應器入口下游的管式反應器出口，所述管式反應器包括具有管壁和管的縱向方向軸的管，和 設(shè)置在所述管內(nèi)的插入物，其中所述插入物包括在所述管的縱向方向相繼排列的多個杯形結(jié)構(gòu)，所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個具有上游端、下游端和圍繞上游端與下游端之間的中央空間的側(cè)壁，其中，負載的催化劑設(shè)置于所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的中央空間內(nèi)，其中所述上游端限定通向所述中央空間的入口，其中所述中央空間在所述下游端處至少部分被封閉，其中所述側(cè)壁限定多個適合形成從所述中央空間向所述管壁方向的流體射流的孔，其中對于所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個，在所述側(cè)壁和所述管壁之間形成外部空間，所述外部空間從所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的上游端延伸至下游端，所述外部空間與相鄰的下游杯形結(jié)構(gòu)的入口和/或所述管式反應器出口流體連通；和其中所述外部空間在垂直于所述管的軸且穿過所述多個杯形結(jié)構(gòu)的第一杯形結(jié)構(gòu)下游端的第一平面的橫截面積大于所述外部空間在垂直于所述管的軸且穿過與所述第一杯形結(jié)構(gòu)上游端相鄰的孔的第二平面的橫截面積，所述孔屬于由所述第一杯形結(jié)構(gòu)的側(cè)壁限定的多個孔。第二方面。第一方面的管式反應器還包括設(shè)置于所述多個杯形結(jié)構(gòu)的第一杯形結(jié)構(gòu)上游端的串珠導流器(beaded flowdeflector)，所述串珠導流器包括多個珠粒，其中所述多個珠粒的每一個與所述管壁接觸。第三方面。一種管式反應器，其具有管式反應器入口和在該管式反應器入口下游的管式反應器出口，所述管式反應器包括具有管壁和管的縱向方向軸的管，和設(shè)置在所述管內(nèi)的插入物，其中所述插入物包括在所述管的縱向方向相繼排列的多個杯形結(jié)構(gòu)，所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個具有上游端、下游端和圍繞上游端與下游端之間的中央空間的側(cè)壁，其中，負載的催化劑設(shè)置于所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的中央空間內(nèi)，其中所述上游端限定通向所述中央空間的入口，其中所述中央空間在所述下游端處至少部分被封閉，其中所述側(cè)壁限定多個適合形成從所述中央空間向所述管壁方向的流體射流的孔，和其中對于所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個，在所述側(cè)壁和所述管壁之間形成外部空間，所述外部空間從所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的上游端延伸至下游端，所述外部空間與相鄰的下游杯形結(jié)構(gòu)的入口和/或所述管式反應器出口流體連通；和設(shè)置于所述多個杯形結(jié)構(gòu)的第一杯形結(jié)構(gòu)上游端的串珠導流器，所述串珠導流器包括多個珠粒，其中所述多個珠粒的每一個與所述管壁接觸。第四方面。第三方面的管式反應器，其中所述外部空間在垂直于所述管的軸且穿過所述多個杯形結(jié)構(gòu)的第一杯形結(jié)構(gòu)下游端的第一平面的橫截面積大于所述外部空間在垂直于所述管的軸且穿過與所述第一杯形結(jié)構(gòu)上游端相鄰的孔的第二平面的橫截面積，所述孔屬于由所述第一杯形結(jié)構(gòu)的側(cè)壁限定的多個孔。第五方面。第一、二或四方面中任一·項的管式反應器，其中與所述第一杯形結(jié)構(gòu)相鄰并在其上游設(shè)置所述多個杯形結(jié)構(gòu)的第二杯形結(jié)構(gòu)，其中所述第二杯形結(jié)構(gòu)的下游端與所述第一杯形結(jié)構(gòu)的上游端分隔開小于15mm的距離。第六方面。第一方面至第五方面中任一項的管式反應器，其中所述中央空間在所述下游端處至少部分被板狀結(jié)構(gòu)封閉。第七方面。第二方面至第六方面中任一項的管式反應器，其中所述多個珠粒的每一個具有限定在其中的洞，其中所述多個珠粒被串在穿過各個洞的線上，各個洞的尺寸大于所述線的尺寸，從而當所述管壁直徑變化時允許所述多個珠粒移動以與管壁保持接觸。第八方面。第二方面至第七方面中任一項的管式反應器，其中所述珠粒導流板由所述第一杯形結(jié)構(gòu)的側(cè)壁支撐。第九方面。第二方面至第七方面中任一項的管式反應器，其中所述第一杯形結(jié)構(gòu)在所述上游端處包括擋板，其中所述擋板限定所述第一杯形結(jié)構(gòu)的入口，和其中所述串珠導流器由所述擋板支撐。第十方面。第二方面至第九方面中任一項的管式反應器，其中所述多個珠粒各自為球形。第十一方面。第二方面至第九方面中任一項的管式反應器，其中所述多個珠粒各自為圓柱形。第十二方面。第二方面至第九方面中任一項的管式反應器，其中所述多個珠粒各自為環(huán)形(toroid)的一部分。第十三方面。第一方面至第十二方面中任一項的管式反應器，其中所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個具有圓形橫截面。第十四方面。第一方面至第十三方面中任一項的管式反應器，其中所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的側(cè)壁是錐形的，在上游端直徑大于下游端直徑。第十五方面。第一方面至第十三方面中任一項的管式反應器，其中所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的側(cè)壁具有圓柱形部分和與所述圓柱形部分鄰接的錐形部分，其中所述圓柱形部分在所述錐形部分的上游，且其中所述錐形部分在其與所述圓柱形部分鄰接的一端具有較大的直徑。第十六方面。第一方面至第十五方面中任一項的管式反應器，其中所述多個孔的至少一部分是開有槽(slotted)的。第十七方面。第一方面至第十六方面中任一項的管式反應器，其中所述多個孔的特征在于水力直徑d和與管壁的間隔h，其中對于所述多個孔來說，h/d的范圍為0.5到20。
第十八方面。第一方面至第十七方面中任一項的管式反應器，其中所述第一杯形結(jié)構(gòu)在縱向方向具有長度L，且所述管具有與縱向方向垂直的直徑D，其中0. 3 ^ L/D ^ 3，或 0. 3 彡 L/D 彡 I. 3。第十九方面。第一方面至第十八方面中任一項的管式反應器，其中在所述第一杯形結(jié)構(gòu)的中央空間的上游端處設(shè)置網(wǎng)和/或穿孔板以約束所述負載的催化劑。


圖I是表示具有用于在管壁上形成射流沖擊的杯形結(jié)構(gòu)的管式反應器的一部分的示意圖。圖2是表示具有用于在管壁上形成射流沖擊的杯形結(jié)構(gòu)和串珠導流器的管式反應器的一部分的不意圖。
圖3是熱傳遞系數(shù)對管式反應器中壓力梯度所作的圖，對比了實驗數(shù)據(jù)與計算的流體動力學模擬結(jié)果。圖4是熱傳遞系數(shù)對壓力梯度所作的圖，對比了杯形結(jié)構(gòu)幾何形狀。圖5是熱傳遞系數(shù)對壓力梯度所作的圖，說明了串珠導流器的效果。發(fā)明詳述當應用于在說明書和權(quán)利要求書中描述的本發(fā)明的實施方式中的任何特征時，在本文中使用的冠詞“一”和“一種”指的是一個或多個。除非具體指明，“一”和“一種”的使用并不是將其意思限定為單個特征。在單數(shù)或復數(shù)名詞或名詞短語前面的冠詞“所述”表示一個或多個具體指定的特征，并且根據(jù)其被使用的上下文可具有單數(shù)或者復數(shù)含義。形容詞“任何”指的是一個、一些或者所有不加區(qū)別的任何數(shù)量。在第一實體和第二實體之間的術(shù)語“和/或”指的是(I)第一實體、(2)第二實體和(3)第一實體和第二實體中的一種。在列出的3個或更多個實體的最后兩個實體之間的術(shù)語“和/或”指的是在所列實體中的至少一個。如本文中所使用的，術(shù)語“多個”指的是兩個或更多個。如本文中所使用的，術(shù)語“負載的催化劑”是指在適當?shù)妮d體上的催化劑。所述載體可以包含添加劑以改進所述催化劑載體的性能。上游和下游是指傳遞的工藝流體的預定流動方向。如果工藝流體的預定流動方向是從第一裝置至第二裝置，則第二裝置在第一裝置的下游與第一裝置流體連通。為了本發(fā)明的目的，提及的術(shù)語“直徑”對于非圓形橫截面指的是水力直徑。水力直徑定義為Dh = 4X液體體積/被液體浸濕的表面。本發(fā)明涉及具有改進的熱傳遞的管式反應器。改進的熱傳遞由工藝流體在所述管式反應器的管壁上的射流沖擊提供。射流沖擊熱傳遞強度可通過保證沖擊之后工藝氣體并不沖走另一射流，而是具有不與另一射流相互影響的清晰流路來保持。通常增加的熱傳遞可通過增加的動量傳遞(對應于增加的壓降)獲得，因為兩者是類似的過程。本發(fā)明的管式反應器通過改進的幾何形狀在沒有高壓降的情況下提供增加的熱傳遞。管式反應器特別適合氫和/或合成(煤)氣(合成氣)的生產(chǎn)，其中產(chǎn)物混合物可包括H2和CO。管式反應器還可用于其它反應過程，例如水煤氣轉(zhuǎn)換、部分氧化、氫化、哈柏(Haber)制氨法、甲烷化、氣體脫硫、脫氫、催化氧化和氨氧化。
管式反應器在化學和石化工業(yè)中是公知的。管式反應器包括圍繞載體上的催化劑的管。催化劑可負載在催化劑球或所謂的結(jié)構(gòu)化的填料上。適合用于所需反應的催化劑在本領(lǐng)域中是已知的。在生產(chǎn)氫和/或合成(煤)氣的情況下，催化劑可以是蒸汽重整催化齊U。適合用于蒸汽甲烷(碳氫化合物)重整的催化劑在本領(lǐng)域中是已知的?？蛇x擇任何合適的催化劑并用于所述反應器中。本發(fā)明涉及非絕熱管式反應器，其中熱量可通過管壁向管式反應器提供或通過管壁從管式反應器移出。以下描述了本發(fā)明的示例性實施方式。雖然本發(fā)明易于多種改變和替代形式，但其具體實施方式
通過附圖中的實例顯示并在此進行詳細描述。然而，應當理解此處對于具體實施方式
的描述并不是旨在將本發(fā)明限制在公開的特定形式，相反，本發(fā)明覆蓋了如所附權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的范圍。當然應認識到在任何這些實際實施方式的開發(fā)中，必須做出多個實施的具體決定 以達到開發(fā)者的具體目標，例如按照系統(tǒng)相關(guān)或商業(yè)相關(guān)的約束，其可從一種實施向另一種實施變化。此外，應認識到這樣的開發(fā)努力可能是復雜和費時的，但是對于那些得益于本發(fā)明的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說將是常規(guī)的任務(wù)。參考圖I和2，管式反應器101具有管式反應器入口 110和在管式反應器入口 110的下游的管式反應器出口 120。所述管式反應器101包括管103，其具有管壁105和管103縱向方向的軸106。所述管式反應器還包括設(shè)置或位于管103內(nèi)的插入物130。此處將管定義為用于在管內(nèi)傳導或運送流體的任何流體密封的空心體。所述管可以具有圓形橫截面、方形橫截面或其它需要的形狀。所述管具有沿縱向并且位于所述管的橫截面的幾何中心的縱向軸。所述縱向方向?qū)趶乃龇磻鞯娜肟诘匠隹诘姆较?。所述?03可以由任何適合于所需應用的材料制造。對于適合用于氫和/或合成氣生產(chǎn)的管式反應器的材料是本領(lǐng)域中已知的。所述插入物130包括在管103的縱向方向相繼排列的多個杯形結(jié)構(gòu)132、133。多個杯形結(jié)構(gòu)132、133的每一個具有上游端134、下游端136和圍繞上游端134和下游端136之間的中央空間的側(cè)壁138。上游端134限定通向所述中央空間的入口。所述杯形結(jié)構(gòu)可由金屬、陶瓷材料或任何其它適合的材料構(gòu)成?？梢赃x擇適合用于特定應用的構(gòu)成材料。適合用于氫和/或合成氣生產(chǎn)的適合的構(gòu)成材料是本領(lǐng)域中已知的。金屬杯形結(jié)構(gòu)可以通過常規(guī)的金屬加工方法制造。陶瓷杯形結(jié)構(gòu)可以通過常規(guī)的陶瓷制造技術(shù)澆鑄。所述杯形結(jié)構(gòu)可以具有圓形橫截面，與同樣具有圓形橫截面的管橫截面互補。所述杯形結(jié)構(gòu)的側(cè)壁可以是錐形的，其上游端的直徑大于下游端的直徑。如在此所使用的，術(shù)語“錐形”指的是朝一端逐漸變得更小，以逐漸縮小。錐形的側(cè)壁是有用的，因為其在不限制杯形結(jié)構(gòu)之間的流動的情況下允許相鄰杯形結(jié)構(gòu)之間的距離變得更小。在直側(cè)壁杯形結(jié)構(gòu)之間的流動限制導致壓降增加。如圖2中所示的實施方式中所表示的，多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的側(cè)壁可以具有圓柱形部分和與所述圓柱形部分鄰接的錐形部分，其中所述圓柱形部分在所述錐形部分的上游，且其中所述錐形部分在其與所述圓柱形部分鄰接的一端具有較大的直徑。所述杯形結(jié)構(gòu)在具有從上游端134貫穿至下游端136的縱向方向的長度L。所述管具有與縱向方向垂直的直徑D。所述杯形結(jié)構(gòu)的長度可以構(gòu)成為0. 3 < L/D < 3或0. 3 < L/D < I. 3?？v橫比L/D影響管式反應器中的管壁溫度均勻性和壓降。優(yōu)選較低的L與D之t匕，以改進管壁溫度均勻性，同時不顯著增加壓降。負載的催化劑144設(shè)置或位于多個杯形結(jié)構(gòu)132、133的每一個的中央空間內(nèi)。所述負載的催化劑可以是負載在通常用于負載催化劑的種類的多孔陶瓷球上的催化劑。所述負載的催化劑可以是負載在結(jié)構(gòu)化載體上的催化劑。所述催化劑可以是蒸汽重整催化劑。適合的蒸汽重整催化劑是本領(lǐng)域中已知的。在所述杯形結(jié)構(gòu)的中央空間的上游端處可設(shè)置有網(wǎng)和/或穿孔板以限制所述負載的催化劑。所述網(wǎng)和/或穿孔板對于處理催化劑球的流化是有用的。所述中央空間在下游端136處至少部分被封閉。如圖I和2中所示，所述中央空間可在下游端136處至少部分被平的板狀結(jié)構(gòu)154封閉?；蛘?，所述杯形結(jié)構(gòu)的下游端136或底部可以是凹面、凸面或任何適合的形狀。
所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的側(cè)壁138限定多個適合形成從所述中央空間向管壁105方向的流體射流的孔170、171。如在此所使用的，孔是某物可以通過的開口(例如洞)。開口可以是圓形洞或可以具有其它需要的形狀例如狹縫或槽。在此所使用的術(shù)語“槽”定義為其中任何槽的橫截面是非圓形的且特征在于長軸和短軸的開口。長軸比短軸長，并且兩個軸通常是垂直的。所述槽可以具有任何非圓形形狀的橫截面，且每個橫截面的特征在于中心點或質(zhì)心，其中質(zhì)心具有常用的幾何定義。所述孔的特征可在于水力直徑d和與管壁的間隔h，其中所述孔的h/d范圍為0. 5到20。為了本發(fā)明的目的，間隔h是孔的幾何中心與管壁上最接近孔的幾何中心的點之間的距離。間隔h和水力直徑d是參數(shù)，而非具體值。對于所述多個孔的每一個，間隔h和水力直徑d的值不需要相同。該值可以從插入物部分到插入物部分之間或甚至在一個插入物部分內(nèi)有目的地變化。間隔h的范圍可以是0. 5mm到IOmm,或可以是Imm到10mm。本發(fā)明的管式反應器的特定優(yōu)點在于，熱傳遞不會由于長期操作之后管壁發(fā)生蠕變而降低。在依賴于流體在插入物和管壁之間擠壓的現(xiàn)有方法中，由于當管壁直徑增加時，插入物和管壁之間的間隙增加，因此導致較低的流體速度，從而使熱傳遞降低。所述較低的速度導致降低的熱傳遞。相反，本發(fā)明的管式反應器有目的地不依賴于插入物與管壁之間的間隙來提供有效的熱傳遞，而是依賴于射流速度。由于孔的水力直徑在管式反應器的長期操作之后不發(fā)生變化，對于給定的流速來說，流體速度也不發(fā)生變化，因此熱傳遞效率得到保持。工藝流體射流沖擊管壁，從而在流體射流和管壁之間傳遞熱量。射流沖擊通過減小其他方法可沿著管壁建立的邊界層來提高管壁與工藝流體之間的熱傳遞。射流的方向可與管壁表面基本垂直或者與管壁成一角度。該角度可在與管壁垂直的±45°范圍之內(nèi)。熱量在管與工藝流體之間傳遞意味著熱量可從管傳遞到工藝流體或者從工藝流體傳遞到管。在工藝流體沖擊管壁之后，工藝氣體不得不沿杯形結(jié)構(gòu)與管壁之間的環(huán)帶向下流走，進入相鄰的下游杯形結(jié)構(gòu)中。如果工藝氣體累積了足夠的速度，則工藝氣體可以沖走射流從而使熱傳遞降低。由于，越來越多的工藝氣體從孔離開，因此從杯形結(jié)構(gòu)的頂部至杯形結(jié)構(gòu)的底部，沖擊后工藝氣體的量增加。通過使杯形結(jié)構(gòu)側(cè)壁適當?shù)爻慑F形，可降低工藝氣體的流阻，保持熱傳遞，同時降低壓降。對于多個杯形結(jié)構(gòu)132、133的每一個，在側(cè)壁138和管壁105之間形成外部空間160。所述外部空間從多個杯形結(jié)構(gòu)132、133的每一個的上游端134延伸至下游端136。所述杯形結(jié)構(gòu)的每一個具有其分別的外部空間160。外部空間160與相鄰的下游杯形結(jié)構(gòu)的入口流體連通，或在最下游杯形結(jié)構(gòu)的情況中，與管式反應器出口 120流體連通。外部空間160用于在流體沖擊管壁105之后收集流體并使流體流到相鄰的下游杯形結(jié)構(gòu)的入口。與相鄰的下游杯形結(jié)構(gòu)流體連通的外部空間意味著至少一部分流經(jīng)外部空間的流體進入相鄰的下游杯形結(jié)構(gòu)的入口中。最下游杯形結(jié)構(gòu)的外部空間將與管式反應器出口流體流動連通并因此可使流體流到管式反應器出口。術(shù)語“相鄰”指的是附近的，且可以包括或可以不包括接觸，但要求二者之間沒有相同種類的任何物質(zhì)。如圖I和圖2的實施方式中所示，外部空間160在垂直于管103的軸106且穿過杯形結(jié)構(gòu)133下游端136的第一平面157的橫截面積大于外部空間160在垂直于管103的軸106且穿過與杯形結(jié)構(gòu)133上游端134相鄰的孔171的第二平面158的橫截面積。所述 孔171屬于由杯形結(jié)構(gòu)133的側(cè)壁138限定的多個孔170、171。孔171與杯形結(jié)構(gòu)133的上游端134相鄰，意味著在該孔和該上游端之間沒有其它的孔。另一杯形結(jié)構(gòu)132可以設(shè)置為與杯形結(jié)構(gòu)133相鄰并在其上游，其中杯形結(jié)構(gòu)132的下游端136與杯形結(jié)構(gòu)133的上游端134分隔開小于15mm的距離。這相對于其中間隔較大的結(jié)構(gòu)來說是一個改進，因為結(jié)構(gòu)之間的間隙不具有射流沖擊熱傳遞，導致局部熱點。杯形結(jié)構(gòu)的錐形幾何形狀便于使杯形結(jié)構(gòu)之間的間隔更近，同時在工藝氣體從杯形結(jié)構(gòu)流動至相鄰的下游杯形結(jié)構(gòu)時降低流阻。杯形結(jié)構(gòu)之間的間隔可以由隔離物提供，或者所述杯形結(jié)構(gòu)的每一個可結(jié)合到與所述杯形結(jié)構(gòu)的每一個連接并且沿所述管長度的中心桿上。在圖2中所示的實施方式中，管式反應器101還包括設(shè)置于杯形結(jié)構(gòu)133的上游端134的串珠導流器180。串珠導流器180包括多個珠粒，其中所述多個珠粒的每一個與管壁105接觸。所述串珠導流器的功能是至少部分阻擋流體在所述杯形結(jié)構(gòu)上游端處進入外部空間，并引導所述流體進入各個杯形結(jié)構(gòu)的入口。所述珠?？梢杂商沾刹牧希缗c用于所述催化劑球的相同陶瓷材料制成。所述珠?？梢允乔蛐蔚摹A柱形的、環(huán)形的一部分或任何其它合適的形狀。所述珠粒具有防止其通過側(cè)壁或擋板與上游端的管壁之間的間隙的外部尺寸。串珠導流器180可以由杯形結(jié)構(gòu)133的側(cè)壁138支撐。串珠導流器180可以由防止所述珠粒向內(nèi)移動的唇形物(IiP)約束。該唇形物可允許所述珠粒對于管內(nèi)的熱生長作出響應在窄的范圍內(nèi)移動，但是防止明顯的位移。該唇形物可以是所述杯形結(jié)構(gòu)側(cè)壁的延長部分或是單獨的組件。在圖2中所示的實施方式中，杯形結(jié)構(gòu)133在上游端134處包括擋板188，其中擋板188限定杯形結(jié)構(gòu)133的入口，以及串珠導流器180由擋板188支撐。擋板是使流體的流動轉(zhuǎn)向的任何裝置，例如板、壁或隔板(screen)。串珠導流器與擋板之間的區(qū)別特征是當管壁直徑增加/減小時串珠導流器與管壁保持接觸，從而甚至當管直徑增加/減小時提供工藝氣體的轉(zhuǎn)向使其進入杯形結(jié)構(gòu)入口。相反，擋板直徑僅由于其熱膨脹變化而改變，因此不像導流板防止工藝流體繞開杯形結(jié)構(gòu)的入口而直接流至杯形結(jié)構(gòu)側(cè)壁和管壁之間的外部空間那樣有效。如圖2的實施方式所示，所述珠?？梢愿髯跃哂邢薅ㄔ谒鲋榱１旧碇械亩?，且所述珠粒可以串在穿過每個洞的線182上。每個洞的尺寸(例如，水力直徑)可大于所述線的尺寸(例如，直徑)，從而當所述管壁直徑變化時允許所述珠粒移動以使所述珠粒與管壁保持接觸。所述線可以由高溫合金例如SS347、Incoloy 800H或其它適合的材料制成。所述珠?？梢源┰诶K(由聚合物材料制成)上，其中在所述管式反應器起動期間，所述繩被燒掉或蒸汽氣化掉。或者，當所述插入物設(shè)置于管內(nèi)時，所述珠?？梢酝ㄟ^粘合劑固定。在所述管式反應器起動期間，所述粘合劑可以被燒掉。所述珠?？梢酝ㄟ^任何適合的技術(shù)或機制固定。在包括串珠導流器180的可選實施方式中，外部空間160在垂直于管103的軸106 且穿過杯形結(jié)構(gòu)133下游端136的第一平面157的橫截面積可與外部空間160在垂直于管103的軸106且穿過與杯形結(jié)構(gòu)133上游端134相鄰的孔171的第二平面158的橫截面積相同，所述孔171屬于由杯形結(jié)構(gòu)133的側(cè)壁138限定的多個孔170、171。在此所述的管式反應器可以與其它用于各自化學處理需要的管式反應器類似的方式使用。在此所述的管式反應器的用途是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的，特別是考慮到第2010/0038593號美國專利公開申請。
具體實施例方式實施例使用計算流體動力學(CFD)模型研究了所述多個孔對于射流沖擊熱傳遞的技術(shù)效果。也研究了所述錐形的杯形結(jié)構(gòu)的技術(shù)效果以及所述串珠導流器的技術(shù)效果。對照熱傳遞實驗驗證了 CFD模型。對于多種填料進行了熱傳遞實驗。測量了作為管中壓降的函數(shù)的熱傳遞系數(shù)。使用空氣作為流體并且將管電加熱進行所述實驗。在約大氣壓和環(huán)境溫度下進行所述實驗。由多個流速的壁溫測量來計算熱傳遞系數(shù)。將CFD模擬的結(jié)果與圖3中的實驗數(shù)據(jù)對比。對于“直壁杯設(shè)計”，除了杯的側(cè)壁是直形，而不是如圖I中所示的錐形外，其與圖I中所示的結(jié)構(gòu)類似。在“直壁杯設(shè)計”中，開孔與管壁之間的間隔為約3mm。所述杯形結(jié)構(gòu)具有約33mm的長度，相鄰杯形結(jié)構(gòu)之間的距離為18mm。所述杯形結(jié)構(gòu)具有開放的頂部和密封的底部。側(cè)壁直徑為約96mm。側(cè)壁總計有60個槽，每個槽的寬為約1mm。所述杯形結(jié)構(gòu)的上游端各自具有擋板以阻擋金屬結(jié)構(gòu)壁和管壁之間的流體通道。對于所述CFD模擬，在所述擋板的外部直徑和管之間的間隙為Imm0CFD模型結(jié)果和熱傳遞實驗之間的基本一致表示CFD模型的適當?shù)目煽啃?。圖4表示與“直壁杯設(shè)計”相比較的兩個“錐形杯設(shè)計”的CFD模擬結(jié)果。對于所述錐形杯設(shè)計和所述直壁杯設(shè)計，側(cè)壁均總計有28個槽，每個槽的寬為約1mm。錐形杯設(shè)計和直壁杯設(shè)計均有長度約為66mm的杯形結(jié)構(gòu)，相鄰杯形結(jié)構(gòu)之間的距離為7. 6mm。在所述兩個錐形杯設(shè)計之間的區(qū)別是杯側(cè)壁的形狀，以及因此開孔與管壁之間的間隔。錐形的杯I的側(cè)壁具有圓柱形部分和錐形部分，如圖2中所示。更精確地，所述杯形結(jié)構(gòu)的上半部分(上部50% )是圓柱形的，且下半部分是錐形的。對于所述杯形結(jié)構(gòu)的上半部分在開孔和管壁之間的間隔約為3_，以及從所述杯形結(jié)構(gòu)中部的3_變化至所述杯形結(jié)構(gòu)底部的9mm。錐形的杯II是在其整個長度上都是錐形的，如圖I中所示。開孔之間的間隔從所述杯形結(jié)構(gòu)頂部的3_線性增加至所述杯形結(jié)構(gòu)底部的9_。對于所述直壁杯，開孔和管壁之間的間隔為6mm，對應于錐形杯II的平均間隔。如圖4中所示，對于相同的壓降，與所述直杯設(shè)計相比，所述錐形杯設(shè)計的每一個提供約25%更高的熱傳遞?；蛘呖梢哉f，對于相同的熱傳遞，所述錐形杯形結(jié)構(gòu)設(shè)計可以顯著降低壓降。圖5表示在杯形結(jié)構(gòu)的上游端處有間隙和沒有間隙的直杯設(shè)計的對比。有間隙的情形代表了在上游端處不具有串珠導流器或擋板的杯形結(jié)構(gòu)，其中在所述杯形結(jié)構(gòu)側(cè)壁與 管壁之間的間隔為3mm。沒有間隙的情形代表了具有串珠導流器的情形。所述管的直徑為102mm。所述杯形結(jié)構(gòu)的長度和直徑分別為約33mm和約96mm。杯形結(jié)構(gòu)之間的距離為約17.8mm。所述側(cè)壁總計有56個槽，每個槽的寬為約1mm。對于這兩種情形，所述杯形結(jié)構(gòu)的側(cè)壁與管壁之間的距離為3mm。結(jié)果清楚地表示沒有間隙(有串珠導流器)的情形下熱傳遞的顯著改進，其對應于無工藝流體繞過所述杯形結(jié)構(gòu)的入口。除了熱傳遞的改進之外，也預期了改進的轉(zhuǎn)化，因為迫使全部工藝流體通過所述杯形結(jié)構(gòu)包含催化劑的空間。雖然根據(jù)具體實施方式
或?qū)嵤├枋隽吮景l(fā)明，但并不限于此，在不背離如所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以改變或修改為任何多種其它形式。
權(quán)利要求
1.一種管式反應器，其具有管式反應器入口和在該管式反應器入口下游的管式反應器出口，所述管式反應器包括 管，其具有管壁和管的縱向方向的軸，和 插入物，其設(shè)置在所述管內(nèi)，其中所述插入物包括 在所述管的縱向方向相繼排列的多個杯形結(jié)構(gòu)，所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個具有上游端、下游端和圍繞上游端和下游端之間的中央空間的側(cè)壁， 其中，負載的催化劑設(shè)置于所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的中央空間內(nèi)， 其中所述上游端限定了通向所述中央空間的入口， 其中所述中央空間在所述下游端處至少部分被封閉， 其中所述側(cè)壁限定了多個適合形成從所述中央空間向所述管壁方向的流體射流的孔， 其中對于所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個，在所述側(cè)壁和所述管壁之間形成外部空間，所述外部空間從所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的上游端延伸至下游端，所述外部空間與相鄰的下游杯形結(jié)構(gòu)的入口和/或所述管式反應器出口流體連通；和 其中所述外部空間在垂直于所述管的軸且穿過所述多個杯形結(jié)構(gòu)的第一杯形結(jié)構(gòu)下游端的第一平面中的橫截面積大于所述外部空間在垂直于所述管的軸且穿過與所述第一杯形結(jié)構(gòu)上游端相鄰的孔的第二平面中的橫截面積，所述孔屬于由所述第一杯形結(jié)構(gòu)的側(cè)壁限定的多個孔。
2.權(quán)利要求I的管式反應器，其還包括 設(shè)置于所述多個杯形結(jié)構(gòu)的第一杯形結(jié)構(gòu)上游端的串珠導流器，所述串珠導流器包括多個珠粒，其中所述多個珠粒的每一個與所述管壁接觸。
3.一種管式反應器，其具有管式反應器入口和在該管式反應器入口下游的管式反應器出口，所述管式反應器包括 管，其具有管壁和管的縱向方向的軸，和 插入物，其設(shè)置在所述管內(nèi)，其中所述插入物包括 在所述管的縱向方向相繼排列的多個杯形結(jié)構(gòu)，所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個具有上游端、下游端和圍繞上游端和下游端之間的中央空間的側(cè)壁， 其中，負載的催化劑設(shè)置于所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的中央空間內(nèi)， 其中所述上游端限定通向所述中央空間的入口， 其中所述中央空間在所述下游端處至少部分被封閉， 其中所述側(cè)壁限定多個適合形成從所述中央空間向所述管壁方向的流體射流的孔，和其中對于所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個，在所述側(cè)壁和所述管壁之間形成外部空間，所述外部空間從所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的上游端延伸至下游端，所述外部空間與相鄰的下游杯形結(jié)構(gòu)的入口和/或所述管式反應器出口流體連通；和 設(shè)置于所述多個杯形結(jié)構(gòu)的第一杯形結(jié)構(gòu)上游端的串珠導流器，所述串珠導流器包括多個珠粒，其中所述多個珠粒的每一個與所述管壁接觸。
4.前述權(quán)利要求任一項的管式反應器，其中與所述第一杯形結(jié)構(gòu)相鄰并在其上游設(shè)置所述多個杯形結(jié)構(gòu)的第二杯形結(jié)構(gòu)，其中所述第二杯形結(jié)構(gòu)的下游端與所述第一杯形結(jié)構(gòu)的上游端分隔開小于15mm的距離。
5.前述權(quán)利要求任一項的管式反應器，其中所述中央空間在所述下游端處至少部分被板狀結(jié)構(gòu)封閉。
6.權(quán)利要求2-5任一項的管式反應器,其中所述多個珠粒的每一個具有限定在其中的洞，其中所述多個珠粒串在穿過各個洞的線上，各個洞的尺寸大于所述線的尺寸。
7.權(quán)利要求2-6任一項的管式反應器，其中所述串珠導流器由所述第一杯形結(jié)構(gòu)的側(cè)壁支撐。
8.權(quán)利要求2-7任一項的管式反應器，其中所述第一杯形結(jié)構(gòu)在所述上游端處包括擋板，其中所述擋板限定了所述第一杯形結(jié)構(gòu)的入口，和其中所述串珠導流器由所述擋板支撐。
9.前述權(quán)利要求任一項的管式反應器，其中所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的側(cè)壁是錐形的，其上游端的直徑大于其下游端的直徑。
10.前述權(quán)利要求任一項的管式反應器，其中所述多個杯形結(jié)構(gòu)的每一個的側(cè)壁具有圓柱形部分和與所述圓柱形部分鄰接的錐形部分，其中所述圓柱形部分在所述錐形部分的上游，且其中所述錐形部分在其與所述圓柱形部分鄰接的一端具有較大的直徑。
11.前述權(quán)利要求任一項的管式反應器，其中所述多個孔的至少一部分是開有槽的。
12.前述權(quán)利要求任一項的管式反應器，其中所述第一杯形結(jié)構(gòu)在縱向方向具有長度L，且所述管具有與縱向方向垂直的直徑D，其中0. 3 ^ L/D ^ 3。
13.前述權(quán)利要求任一項的管式反應器，其中在所述第一杯形結(jié)構(gòu)的中央空間的上游端處設(shè)置有網(wǎng)和/或穿孔板以約束所述負載的催化劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在管式反應器中生產(chǎn)產(chǎn)物混合物的管式反應器，其中所述管式反應器包括具有杯形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部催化插入物，所述杯形結(jié)構(gòu)具有用于形成使流體沖擊管壁的流體射流的孔。在非絕熱反應器中，射流沖擊用于提高管內(nèi)流體與管壁之間的熱傳遞。該管式反應器和方法可用于吸熱反應，例如蒸汽甲烷重整以及放熱反應，例如甲烷化。
文檔編號B01J8/06GK102744017SQ201210116520
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月22日
發(fā)明者D·加格, R·R·布羅克休斯, S·納塔拉杰, W·R·利希特, 何筱毅, 金波 申請人:氣體產(chǎn)品與化學公司