CN100574859C - 催化反应器 - Google Patents

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Abstract

一种催化反应器(1)设有一个或更多个分别由包含用于促进供给流内化学反应的催化剂(27，35)的反应管(26，34)组形成的反应区。所述反应管(26，34)具有螺旋形构造并且大体上按照同轴关系进行布置以形成盘管状结构。可以利用相似的管布置形成换热器和蒸汽发生器。按照这种方式，反应区和由此的反应器(1)是紧凑的并且通过所述部件的压力降被最小化。所得到的紧凑构型具有得到改进的传热特征并且进行热绝缘远比现有技术的紧凑型反应器设计更容易。预期在这种盘管状结构内进行多种化学反应，如甲烷蒸汽重整反应以及接下来的水煤气变换反应。所述盘管状结构可被容纳在圆筒状外壳(2)的环形室(90，92，94)内，同时提供了多种热交换流体的流动路径用以对部件进行加热和冷却。

Description

催化反应器
美国政府的权利
本发明在美国能源部给与的合作协定No.DE-FC36-01GO11004的框架下受到美国政府的支持。美国政府对于本发明享有一定的权利。
技术领域
本发明涉及一种具有一个或更多个反应区的催化反应器，所述反应区中包含催化剂以使供给流进行催化反应并且由此产生产物流，其中每一个反应区由呈同轴布置的多根螺旋形反应管形成，从而形成紧凑型盘管状结构。特别是，本发明涉及这样一种催化反应器，其中催化反应中包括甲烷蒸汽重整反应，接下来是水煤气变换反应，从而产生富氢的合成气体产物流。
背景技术
对于在多种工业和商业环境中所使用的紧凑型化学反应器存在多种需求。例如，对经济性地生产少量的氢以用于潜在可能的氢燃料电池体系的需求快速增大。为此，所希望的是：采用已公知的催化反应例如甲烷蒸汽重整反应，接下来进行水煤气变换反应从而生产氢，且所述反应器在物理尺寸方面尽可能地小。反应器为紧凑型的这一要求对于允许将所述反应器设置在通常非常需要空间的现有汽车加油站处而言是十分必要的。
在现有技术中，已提出了多种紧凑型的催化反应器设计。例如，美国专利4,737,161中披露了一种紧凑型氢气发生器，其中用作反应区的螺旋管位于具有轴向燃烧器的外壳内。在美国专利3,357,916中披露了另一种类似的装置。在该专利中披露了一种化学反应器。在一个实施例中，反应器壳体或外壳包含一定长度的螺旋形管路以用作反应区。该螺旋管具有埋置在其内表面上用以促进化学反应的催化剂。烃供给可通过螺旋管从而在存在埋置催化剂的条件下发生裂化。部分发生裂化的烃供给可在反应器壳体内进行燃烧，从而生成热量而支持吸热的裂化反应。
其它一些紧凑型反应器利用一系列同心壳体，其中使用盘管进行热交换。例如，在美国专利6,254,839中，设置一种具有部分氧化区的重整装置容器，所述部分氧化区位于蒸汽重整区下面并且包含蒸汽重整催化剂。所述两个区居中地且轴向地位于重整装置容器内。该部分氧化区和催化反应区被螺旋管环绕，且含氧源流或另一种可选方式是，燃料和蒸汽可被引入到螺旋管中以进行预热。环绕螺旋管的是包含变换催化剂的变换区域。可为螺旋形管路的冷却区位于所述变换区域内以接收冷却水从而提供利于进行所述变换反应的更低的反应温度。
如上面所述的反应器设计提供了一种用于使供给原料进行催化反应的紧凑型布置。然而，虽然允许制造出紧凑型反应器，但是该盘管设计同时在反应器内进行的装置运行或操作方面自身具有一定的设计局限性。在这点上，所述管的长度限制了在所述反应器内所发生的反应量。当管长度增加时，所述管内的压力降也增大，且因此，必须在供给端处消耗掉能量从而克服这种不可逆的损耗。另外，当螺线更长以适应更长的管路时，由于提供传热和/或热绝缘的长度更长，因此即便是传热和热绝缘也可能出现问题。
如将要进行讨论的，本发明提供了一种紧凑型反应器，所述紧凑型反应器采用螺旋管状构型用于进行反应，且优选地还用于进行传热，而所述紧凑型反应器在其压降和热交换特征方面优于上面所讨论的现有技术。
发明内容
本发明提供一种用于使供给流进行催化反应且由此产生产物流的催化反应器。所述催化反应器设有外壳和位于所述外壳内的至少一个反应区。所述至少一个反应区中包括一组反应管，从而为由所述供给流形成的分支供给流进行流动提供平行的流动路径。所述反应管中包含促进所述分支供给流内的化学反应由此产生分支产物流的催化剂。所述反应管具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴布置进行定位以形成盘管状结构。至少一个反应供给进口被设置与所述至少一个反应区相连通，从而将所述供给流引入第一反应区。同时，至少一个产物出口被设置与所述至少一个反应区相连通，从而排出所述产物流。所述至少一个产物出口被构造用以接收所述分支产物流并且由此排出所述产物流。
由于所述盘管状结构由一组管而不是由单根管构成，因此可以制造出压力降低于现有技术设计的紧凑型反应器，而在现有技术设计中使用了具有等于通过在本发明中所使用的一组管所提供的总长的长度的单根螺旋管。此外，由于本发明的反应器比具有单根盘管的等效反应器更加紧凑，因此与紧凑型现有技术设计相比，本发明中需要进行传热和/或热绝缘的长度更短。
所述供给流可以是含有烃和蒸汽的供给流，并且所述至少一个反应区可以是具有反应管的第一反应区和第二反应区，所述反应管被设定尺寸和被定位，以使得第一和第二盘管状结构分别由第一反应区和第二反应区中的反应管形成。在这种情况下，重整催化剂被设置在第一反应区中的反应管内以对所述含有烃和蒸汽的供给流进行重整，由此形成包含氢和一氧化碳的分支中间产物流。水煤气变换反应催化剂被设置在第二反应区中的反应管内以增大产物流中的氢含量使其超过所述分支中间产物流中的氢含量。一组换热管在第一反应区和第二反应区中的反应管之间形成连通，从而通过与冷却流体进行的间接热交换冷却所述分支中间产物流，由此促使第二反应区内的温度有利于通过进行水煤气变换反应生成氢。所述换热管具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴布置进行定位以形成第三盘管状结构。所述第一盘管状结构、第二盘管状结构和第三盘管状结构呈同轴关系被定位在所述外壳内。
通过提供以包含同轴环形室的圆筒形式存在的外壳以包含这些结构，所述第一盘管状结构、第二盘管状结构和第三盘管状结构的同轴布置可被设定在一个特别紧凑的结构中。所述第一反应区位于所述环形室中的一个中且所述换热管组和所述第二反应区位于环绕着所述环形室中的一个的另一个环形室中。在这种情况下，所述第三盘管状结构环绕所述第二盘管状结构。可设置热绝缘材料用以将所述环形室中的一个与所述环形室中的另一个热绝缘开。加热器将热量供应至第一反应区从而驱动对所述供给流进行重整。
所述环形室是同轴的并且优选包括第一环形室和第二环形室。所述加热器由向第一环形室中进行点火的燃烧器形成并且所述第一反应区位于所述第一环形室内。所述换热管组和所述第二反应区位于第二环形室中。所述第一环形室和第二环形室流动连通，从而使得作为换热流体的空气气流被预热且能够从所述第二环形室流至所述第一环形室，从而支持燃烧器中的燃烧。所述外壳设有用于排放燃烧产物的排气口。
可以设置用于接收烃供给的烃供给进口。可设置由多组位于外管内的成对的内管形成的管式换热器中的管。内管与外管之间的环形空间与第二组反应管相连，从而相对于加热流过内管的烃供给而言冷却分支产物流。所述成对的内管和外管具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴布置进行定位，从而形成第四盘管状结构。所述第四盘管状结构位于第二环形室中，由第一组换热管形成的第三盘管状结构与由第二反应区中的反应管形成的第二盘管状结构之间。
管式换热器中的所述管可沿其部分长度并且朝向第二反应区中的反应管与外管的连接部进行绝缘，从而增强了对所述烃供给的加热。
设置至少一个用于接收锅炉给水的给水进口。设置第三环形室。该室被第一环形室所环绕并且与第一环形室形成流动连通，以便接收由燃烧器产生的燃烧产物。蒸汽发生器与至少一个给水进口相连并且由一组具有螺旋形构造的锅炉给水管形成。所述锅炉给水管至少大体上按照同轴布置进行定位，从而形成位于第三环形室内的第五盘管状结构用于接收锅炉给水，且由此通过与燃烧产物进行间接热交换而产生蒸汽。管式换热器中的管的内管和锅炉给水管与所述至少一个反应供给进口相连通，从而同时将蒸汽和烃供给引至该处且由此形成包含烃和蒸汽的供给输送至至第一反应区。
优选地，所述锅炉给水管设有内部嵌套排放物管，所述内部嵌套排放物管位于所述锅炉给水管内并且沿所述锅炉给水管的部分长度进行延伸，从而允许液体连同溶解的污染物一起排出，由此防止污染物发生固化且阻塞流动。
可设置中心轴向室。该室被第三环形室所环绕。所述中心轴向室一端与第三环形室流动连通，用于接收已通过蒸汽发生器的第五盘管状结构之后的燃烧产物，且所述中心轴向室另一端敞开，用于形成用于排放燃烧产物的所述外壳的排气口。在一个优选实施例中，可以使用多组换热管。同样地，上述换热管组可以是第一组换热管。在该实施例中，具有螺旋形构造的第二组换热管至少大体上按照同轴布置进行定位，从而形成位于中心轴向室内的第六盘管状结构。第二组换热管与燃烧器相连从而对输送至燃烧器的燃料进行预热。
优选地，硫处理罐可被设置在中心轴向热绝缘室内，从而降低烃供给中的硫含量。如将要讨论地，所述硫处理罐可以是具有加氢催化剂和化学吸附剂的多层系统，所述硫处理罐可被定位以便被第二组换热管所环绕且与第二组换热管热绝缘开。所述硫处理罐被插置在至少一个反应供给进口与管式换热器中的管的内管之间，从而使得通过将硫转化为硫化氢，所述硫化氢在被引入到第一反应区中之前进而被转化成硫化锌和水，从而对烃供给进行处理。
所述外壳可设有约束第一、第二和第三环形室的相对端部的第一和第二集管室。所述第一集管室具有空气流进口和内部受到所述中心轴向室约束的环形构造。所述第一集管室与所述第二环形室流动连通，从而将空气流引入到其中。所述第一环形室与第二环形室之间的流动连通由第二集管室提供。
一组圆柱形空气感应挡板可位于第二环形室内，从而形成被构造用以引导空气流动从而使得引入的空气被分成第一和第二分支空气流的次室。所述第一分支空气流在第一组换热管上面流过，而所述第二分支空气流在管式换热器中的管上面流过。在已经在管式换热器中的管上面流过之后，所述第二分支空气流反转方向，在第二组反应管上面流过，然后进一步反转方向与所述第一分支空气流一起通过第二集管室进入第一环形室。
所述第一环形室在与燃烧器相对的一端可设有第一组开口，用于将燃烧产物排放至所述第三环形室。所述第三环形室可设有与所述第一组开口相对的第二组开口，用以将燃烧产物排放至所述中心轴向室用于对所述第二组换热管进行间接加热且使得燃烧产物在所述中心轴向室中的流动与在所述第三环形室内的流动方向相反。
可设置冷却器以冷却合成气体产物流。所述冷却器包括具有螺旋形构造的第三组换热管，所述第三组换热管至少大体上按照同轴布置进行定位，从而形成环绕第二环形室且被连接到所述第四盘管状结构的外管与所述至少一个产物出口之间的第七盘管状结构。第四(forth)环形室环绕第二环形室并且包括所述第三组换热管。所述第四环形室具有进口和出口，用以使冷却流体在所述第三组换热管上面进行循环，从而冷却在流至所述至少一个产物出口之前的分支合成气体产物流。
附图说明
尽管说明书以清楚地指出申请人所认为的本发明的主题的权利要求书为结束，但是结合附图，本发明可得到更好地理解，其中：
图1是被设计用以产生富氢合成气体产物的本发明的催化反应器的剖视示意图；
图2是图1所示的催化反应器的经过简化的工艺流程示意图；
图3是本发明的盘管状结构的透视图，其中所述盘管状结构中的各匝圈(turns)由多条管形成；
图4是在形成图3所示的盘管状结构中所使用的管的透视图；
图5是图1所示的催化反应器的局部视图；和
图6是图1所示的催化反应器的局部视图。
具体实施方式
参见图1和图2，如图中所示的本发明的催化反应器1专门设计用于生产具有较高的氢浓度的合成气体产物。如下面所要进行讨论地，通过甲烷蒸汽重整反应从而产生中间产物流，接下来使中间产物流进行水煤气变换反应从而产生合成气体产物，由此可以实现上面所述的生产具有较高的氢浓度的合成气体产物的目标。应当理解：该特定类型的催化反应器仅为本发明的一个应用实例。
如本技术领域已公知地，甲烷蒸汽重整反应为：
CH4+H2O→CO+3H2
下面的反应式给出了允许一氧化碳和水进行转化从而生成附加的氢的水煤气变换反应：
CO+H2O→CO2+H2
待进行重整的天然气气流10被引入到烃供给进口(feed inlet)11中，所述烃供给进口可以是一条进入外壳2中并且通向歧管从而将烃气气流10再分成一系列分支供给流的管道。另一种可选方式是，烃供给进口11可简单地为多条进口管道。该分支供给流在管式换热器12中的管内受到加热，所述管式换热器包括多根管以接收分支供给流并且由此产生受到加热的天然气气流13。该受到加热的天然气气流13被引入到天然气硫处理罐14中，从而产生净化的天然气气流16。硫处理罐14优选为一种已公知的系统，所述系统中包含加氢催化剂和化学吸附剂，从而分别将硫转化为硫化氢且将得到的硫化氢转化为硫化锌和水。典型的加氢催化剂是钴钼且化学吸附剂可以是氧化锌。为此，氢、优选为再循环产物被引入到天然气中并且被包含在天然气气流10内。这样的系统中的化学吸附剂被定期更换。
如将要更详细地进行讨论地，锅炉给水流18被引入到锅炉给水进口19中，所述锅炉给水进口可以是一系列进口管道或进口管道和歧管，从而使得锅炉给水流18作为一系列分支流被引入到由一组锅炉给水管20形成的蒸汽发生器中从而产生蒸汽流22。
蒸汽流22可通过歧管被合并到单条蒸汽流中，然后进一步与净化的天然气气流16合并在一起。所得到的合并流随后被引入到反应供给进口23中，从而形成包含烃和蒸汽的供给流，所述反应供给进口可以是具有进口49的集管48，所述供给流被所述集管48再分为分支供给流24。分支供给流24被供给至由第一组反应管26形成的第一反应区，所述第一组反应管中包含甲烷蒸汽重整催化剂27，典型地为镍基材料，用于利用这种分支供给流24促进甲烷蒸汽重整反应。
在第一组反应管26内进行的甲烷蒸汽重整反应产生了包含氢和一氧化碳的分支中间产物流28，所述分支中间产物流被供给至一组第一换热管30，从而将分支中间产物流28冷却到适于促进在分支中间产物流28内进行水煤气变换反应的温度。例如，分支中间产物流28的温度在约1500°F与约1700°F之间的范围内。典型地，进行水煤气变换反应的温度在约400°F与约800°F之间的范围内。
所得到的部分冷却的分支中间产物流29被供给至由第二组反应管34形成的第二反应区，所述第二组反应管中包含水煤气变换反应催化剂35例如铜或铁基材料，从而促进在所述部分冷却的分支中间产物流29内进行水煤气变换反应并且由此形成氢含量高于所述分支中间产物流29中的氢含量的热的分支产物流36。
如图中所示，将分支中间产物流28传送至换热管30和将部分冷却的分支中间产物流29传送至第二组反应管是基于管对管的。在适当的实施例中，可以使用歧管或类似装置。
热的分支产物流36通过一系列歧管或类似装置作为成对流沿与包括天然气气流10的天然气引入流呈反向流动的方向被引入到管式换热器12内的管中，从而部分冷却热的分支产物流36。所得到的部分冷却的分支产物流40被供给至与可以是歧管或类似结构的产物出口43相连的冷却器42(在下文中将对此进行更为详细地描述)，并且作为含氢的合成气产物流44被排出。
另外参见图3，第一组反应管26分别具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴布置进行定位以形成第一盘管状结构。一个一个单独地被标记为以下附图标号26a、26b、26c、26d、26e、26f、26g和26h的第一组反应管26提供了用于天然气气流10和其它含烃气体的平行流动路径。反应管26通过具有进口49的集管48进行供给并且产生分支中间产物流28。在这一方面，如在此所提到的和在权利要求书中所述，反应管26a、26b、26c、26d、26e、26f、26g和26h“至少大体上”按照同轴关系进行布置。使用该术语的原因在于：反应管26a、26b、26c、26d、26e、26f、26g和26h中的每一根反应管的轴线可产生非常微小的变化，而依然会形成所述第一盘管状结构。然而，对于最紧凑的结构而言，反应管26a、26b、26c、26d、26e、26f、26g和26h关于一条公共轴线如图1中所示出的轴线“X”按照同轴关系进行布置。此外，虽然反应管26a、26b、26c、26d、26e、26f、26g和26h中的每一根反应管的各匝圈的直径优选相等，但是根据本发明有可能存在直径偏差。另外，反应管26a、26b、26c、26d、26e、26f、26g和26h中的每一根反应管的直径也有可能存在偏差。
另外参见图4，图中示出一根这样的反应管26a中具有匝圈62，63和64、用于接收要在反应管26a内进行反应的分支供给流24之一的进口66和排出在如图中所示的反应管26a内产生的分支中间产物流28之一的出口68。
第二反应区以类似于第一反应区的方式形成，并且同样地，其第二组反应管34分别具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴关系进行布置以形成环绕第一组反应管26的第一盘管状结构的第二盘管状结构。
再一次，第一组换热管30分别具有螺旋形构造并且以上述类似于反应管26的方式形成环绕第二组反应管34的第二盘管状结构的第三盘管状结构。
如图中所示，第一组反应管26中包括八根管且如上面所述，第一组反应管26、第一组换热管30和第二组反应管34之间的连接是基于管对管的。同样地，也是八根管形成了第二组反应管34和第一组换热管30。然而，所述管的数量可根据特定反应器的尺寸而变化。在这方面，这些管组中的管的个数优选为2-20根。如将要进行讨论地，催化反应器1中的其它部件也是类似地设计出的。正是这种盘管状结构允许这些部件和由此的催化反应器1具有紧凑和低压降特征。
有可能以类似于第一组反应管26的方式形成任何催化反应器。例如，可以这样形成催化反应器，使得利用催化剂促进催化部分氧化反应的进行，从而产生合成气体产物流。在这样的情况下，仅使用单个反应区。
如结合第一组反应管26和对催化反应器1的概述已经进行讨论地，由此形成的通向反应区的反应供给进口可以是以集管48的形式存在用以向反应管26分配供给流如分支流的歧管型结构。类似地，产物出口可由这样一种歧管型结构形成。其它可能性包括在相对端部与具有用以接收供给的反应进口和用以排放产物的产物出口的管相连的室。所述供给可独立地被供给通过分别仅与管的一部分相关联的一组进口和出口。任何反应供给进口和/或产物出口或是可位于反应区的外壳内，或是可位于所述外壳外部，以将供给引入反应区或者将产物从其中排出。如果烃流进行了预混合，那么根据本发明所述的催化反应器将会仅设有这样的反应供给进口和产物出口。
此外，部件例如反应区之间的连接可通过直接的管对管连接而被实施，或者可通过中间歧管型结构而实现，所述中间歧管型结构用以收集来自一个部件的多股流和将这些流重新分配给另一个部件。所有的这些可能性全部被所附权利要求书所覆盖。
管式换热器12中的管具有与形成第一反应区的反应管26相同的构造，换句话说，管式换热器12中的管由同轴布置的管状通道70形成，从而形成第四(forth)盘管状结构。这种第四盘管状结构与第二组反应管34的第二盘管状结构和第一组换热管30的第三盘管状结构同轴，并且被插入到第二组反应管34的第二盘管状结构与第一组换热管30的第三盘管状结构之间。
管式换热器12中的管的每一条管状通道70由外管72和内管74形成。天然气气流10作为分支天然气气流被供给进入到内管74中，从而通过与被引入到内管74与外管72之间的环形空间内的热的分支产物流36进行间接热交换而受到加热。管式换热器12中的管的每一条管状通道70部分地沿所得到的第四盘管状结构的高度被热绝缘材料76热绝缘。这样致使热量得到保持且因此向空气中发生更少的传热，由此与上部未受热绝缘的部分相比，增强了对管式换热器12中的管受到热绝缘的那部分的加热。结果是，由天然气供给气流10形成的分支天然气供给气流回收来自热的产物流36的附加热量。这样还降低了管式换热器中的管外部上面的冷却流体的温度，从而允许该流体对第二反应区提供更强的冷却效应。
蒸汽发生器由锅炉给水管20形成。每一根锅炉给水管20均具有螺旋形构造并且以上述类似于第一反应区的第一组反应管26的方式进行布置，从而形成被第一反应区的第一盘管状结构环绕的第五盘管状结构。
锅炉给水管20沿其部分长度具有设置在外管80内的内部嵌套管78。当外管80与内部嵌套管78之间的环形空间内的锅炉给水升高时，水发生汽化从而形成液汽两相流。锅炉给水流18内包含的挥发性更强的污染物趋向于析出并且堵塞锅炉给水管20。为了防止发生这种现象，含有溶解污染物的水将进入到内部嵌套管78中，所述内部嵌套管78用作排放物管，用以将这样的水作为排放物流82从内部嵌套管78中排出。这样就从蒸汽中除去了不挥发的污染物。
应该注意到：这样的蒸汽发生器可与需要蒸汽的任何类型的反应器结合在一起使用。例如，由这种锅炉给水管形成的蒸汽发生器可被包含在外壳中，用于使加热流体通过以在这种锅炉给水管中生成蒸汽。
甲烷蒸汽重整是需要热量的吸热反应。该热量由具有在由反应管26提供的第一盘管状结构的内部和外部上点火(firing)的多对燃烧器的燃烧器84的布置提供。在本发明中大致使用了两个环式燃烧器。燃烧器84点火进入到第一盘管状结构中以便维持所述反应。可获得且作为分支流的再一次优选为天然气和/或其它燃料气体的燃烧器燃料流83被引入到第二组换热管86内。第二组换热管86中的每一根管具有螺旋形构造并且同轴进行布置以形成位于硫处理罐14与由锅炉给水管20提供的第五盘管状结构之间的第六盘管状结构。燃烧器燃料流83在第六盘管状结构内受到加热，从而形成被引入到燃烧器84中的加热的燃料流88。
冷却器42上设有第三组换热管89，所述第三组换热管具有螺旋形构造并且同轴进行布置以形成第七盘管状结构，用于充分冷却受到部分冷却的分支合成气体产物流40并且由此产生合成气产物流44。如图中所示，这种第七盘管状结构环绕第一组换热管30。应该注意到：术语“充分受到冷却的”意味着去除产物和/或例如通过净化对产物进一步进行处理的温度。该温度可以为环境温度之上约20°F。这样的合成气产物流44中包含有氢、水蒸汽和液态水、一氧化碳、二氧化碳、氮和甲烷。优选地，合成气产物流44中具有的干燥氢的含量应在约60％与约85％之间。还应该注意到：所述热的中间产物流28中具有的干燥氢的含量为约25％。
如前所述的管路网被保持在具有第一环形室90、第二环形室92和第三环形室94的圆筒状外壳2内。第一环形室90、第二环形室92和第三环形室94通过热绝缘材料96、98、100和102的圆筒状布置进行热绝缘。在这方面，设置在第一环形室90和第二环形室92中的热绝缘材料允许通过燃烧器84对由第一组反应管26提供的第一反应区进行加热且同时对第一组换热管30内的中间产物流28进行冷却并且在由第二组反应管34提供的第二反应区内维持更低的工作温度。另外，设置中心轴向室104以保持住天然气硫处理罐14和第二组换热管86。热绝缘材料96和100允许保持住热量用于分别在锅炉给水管20内的燃烧产物、锅炉给水和燃烧器燃料与第二组换热管86之间进行传热。可以意识到：可去掉这些热绝缘材料。然而，热效率和产量可能会受到损失。
第一环形室90形成在圆筒状室的侧壁106与108之间。第二环形室92形成在圆筒状室的侧壁106与110之间。中心轴向室104为顶部开口以提供燃烧产物废气的管。该室得到热绝缘从而允许在不受到燃烧器84加热的情况下，在第一组重整器管26内产生的中间产物流在换热管30内得到冷却。
外壳2上设有第一集管室112，所述第一集管室具有用于使在第二环形室92内用作冷却流体的空气流116进入的空气进口114。集管室112具有环形构造并且被中心轴向室104约束在内部。另外参见附图5，由附图标记“A”表示且由空气气流116提供的空气流通过设置在第一集管室112的底壁120上的开口118进入第二环形室92中。空气流“A”借助将第二环形室92分为次室的圆柱形挡板121最初被引导朝向管式换热器12中的管和第一组换热管30。另一块圆柱形挡板122进一步将空气流分为第一和第二分支空气流“B”和“C”。在第一组换热管30上面通过第一分支空气流“B”。在管式换热器12中的管上面通过第二分支空气流“C”。
进一步参见图6，图中示出：外壳2的底部受到具有上面设有开口128、130和132的底壁126的第二集管室124的约束。第一分支空气流“B”通过开口128进入第二集管室124，然后通过开口130进入第一环形室90，从而支持燃烧器84内的燃烧。第二分支空气流“C”在圆柱形挡板121下面流过并且反转方向从而在第二组反应管34上面流过。这样就提供了对第二组反应管34的主动冷却，从而使得能够进一步增大氢的产量。
另外再一次参见图5，图中示出：第二组反应管34内部受到将第二环形室92分为另一个次室的圆柱形挡板134的约束。圆柱形挡板134在其顶部具有开口136，从而允许第二分支空气流“C”再一次反转方向并且在约束第二环形室92的圆筒状壁106与圆柱形挡板134之间通过。在该次室中的空气流自身作为对第二环形室92的热绝缘手段。空气流随后从设置在第二集管室124的底壁126上的开口132中流出，流入第一环形室90并且支持燃烧器84内的燃烧。
约束第三环形室94的圆筒状室壁108上设有开口140，从而允许燃烧产物流“D”进入第三环形室94。形成中心轴向室104且约束第三环形室94的圆筒状室壁142引导燃烧气体流动通过锅炉给水管20。位于圆柱形挡板142底部内的开口144致使燃烧产物反转方向，然后在第二组换热管86上面流过，并且流入由中心轴向室104的开口端提供的废气中。
冷却器42形成在外部圆筒状壁148内的外壳2中，所述外壳封闭位于外部圆筒状壁148与圆筒状室壁102之间的第三组换热管89。冷却流体流150，例如水乙二醇的混合物，被引入进入冷却器42的进口151并且在流过第三组换热管89之后，作为受热的冷却流体流152从出口153中被排出。
为了进行启动，燃烧器燃料流154可被引至在第一集管室112的底壁120内的开口118处向第二环形室92内进行点火的燃烧器156。燃烧器156为分段的弧状燃烧器的形式。燃烧器156在启动时可受到致动，从而使得催化反应器的各部件达到工作温度。
通过以上讨论明显的是，用于在催化反应器1内进行热交换的所有流动都是反向流。例如，由空气流116提供的空气流动沿一个方向(即如图中所示从顶部到底部)流过第一组换热管30和管式换热器12中的管，并且换热管30和12内部的流动沿相反方向进行流动(即如图中所示从底部到顶部)。尽管热效率可能会受到损失，但是这些流动中所有或一些流动可以是并流，也就是说沿同一方向。
如本领域的技术人员可以意识到地，对于根据本发明所述的催化反应器而言可能存在许多变型，所述变型被设计用以利用中间冷却进行重整反应和变换反应。例如，反应器可被构造以具有由第一组反应管26和第二组反应管34以及第一组换热管30形成的第一和第二反应区。在这样的实施例中，可能在外壳2的外部进行脱硫。此外，在可通过与重整反应同时进行的工艺中获得蒸汽和加热的天然气且所述蒸汽和加热的天然气可被引入适当的被设计用于分配分支包含烃和蒸汽的供给流至由第一组反应管26形成的第一反应区的进口等方面中存在潜在的工业应用。如果这种受到加热的天然气源是不可获得的，那么可以设置单独的外部加热器。在这样的实施例中，所述外壳可设有两个环形室。所得到的热的产物可在后续工艺中得到利用或者可以根据需要单独进行冷却。
在本发明的任何实施例中，第一组换热管30可被定位以与第二组反应管34成一直线。这将不是优选的，这是因为这样会使得由图示实施例所提供的紧凑程度受到损失。另一种可能的变型是在单个盘管状结构内组合多种功能。例如，通过用催化剂仅部分地填充第二组换热管30，有可能将由第二组换热管30提供的中间阶段冷却结合在第二组反应管内。在其它一些潜在的实施例中，根据所需的传热负荷，一些盘管状热交换部件可被多通道换热器或单根盘管所替换。
虽然已结合优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员应该意识到：可在不偏离本发明的精神和范围的条件下对本发明作出多种改变、添加和省略。

Claims (15)

1、一种用于使供给流进行催化反应且由此产生产物流的催化反应器，所述催化反应器包括：
外壳；
至少一个反应区；
所述至少一个反应区位于所述外壳内且具有一组独立的反应管，从而为由所述供给流形成的分支供给流提供平行的流动路径，所述反应管中包含促进所述分支供给流内的化学反应的催化剂，以从形成于所述反应管内的分支产物流中产生所述产物流；
所述独立的反应管组具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴布置进行定位以形成盘管状结构；
至少一个反应供给进口被设置与所述至少一个反应区相连通，并且构造成使得所述独立的反应管组中的供给流作为所述分支供给流，从而将所述供给流引入所述至少一个反应区；以及
至少一个产物出口被设置与所述至少一个反应区相连通，并且构造成用于接收所述产物供给流，从而排放出所述产物流。
2、根据权利要求1所述的催化反应器，其中：
所述供给流是含有烃和蒸汽的供给流；
所述至少一个反应区是具有反应管的第一反应区和第二反应区，所述反应管被设定尺寸和被定位，以使得所述第一反应区中的管盘状结构是第一盘管状结构，而所述第二反应区中的管盘状结构是第二盘管状结构第一和第二盘管状结构分别由第一反应区和第二反应区中的反应管形成；
所述催化剂是重整反应催化剂，所述重整反应催化剂被设置在第一反应区中以促进对所述含有烃和蒸汽的供给流进行重整，由此形成包含氢和一氧化碳的分支中间产物流；和水煤气变换反应催化剂，所述水煤气变换反应催化剂被设置在第二反应区中以增大产物流中的氢含量使其超过所述分支中间产物流中的氢含量；
一组换热管在第一反应区和第二反应区中的反应管之间形成连通，从而通过与冷却流体进行的间接热交换冷却所述分支中间产物流，由此促使第二反应区内的温度有利于通过进行水煤气变换反应生成氢；
所述换热管具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴布置进行定位以形成第三盘管状结构；并且
所述第一盘管状结构、第二盘管状结构和第三盘管状结构呈同轴关系被定位在所述外壳内。
3、根据权利要求2所述的催化反应器，其中：
所述外壳是圆筒状的且具有同轴的环形室；
所述第一反应区位于所述环形室中的一个中；
所述换热管组和所述第二反应区位于环绕着所述环形室中的一个的另一个环形室中，且所述第三盘管状结构环绕所述第二盘管状结构；
热绝缘材料将所述环形室中的一个与所述环形室中的另一个热绝缘开；并且
加热器将热量供应至第一反应区从而驱动对所述供给流进行重整。
4、根据权利要求3所述的催化反应器，其中：
所述同轴的环形室包括第一环形室和第二环形室；
所述加热器由向第一环形室中进行点火的燃烧器形成；
所述第一反应区位于所述第一环形室内；
所述换热管组和所述第二反应区位于第二环形室中；
所述第一环形室和第二环形室流动连通，从而使得作为换热流体的空气气流被预热且能够从所述第二环形室流至所述第一环形室，从而支持燃烧，由此产生燃烧产物；并且
所述外壳设有用于排放燃烧产物的排气口。
5、根据权利要求4所述的催化反应器，进一步包括：
用于接收烃供给的烃供给进口；
由多组位于外管内的成对的内管形成的管式换热器中的管，所述外管与第二组反应管相连，从而冷却分支产物流，且所述内管与所述烃供给进口相连，从而与冷却分支产物流相对地对烃供给进行加热；
所述成对的内管和外管具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴布置进行定位，从而形成第四盘管状结构，所述第四盘管状结构位于第二环形室内，由第一组换热管形成的第三盘管状结构与由第二反应区中的反应管形成的第二盘管状结构之间；
被第一环形室所环绕并且与第一环形室形成流动连通以便接收由燃烧器产生的燃烧产物的第三环形室；
至少一个用于接收锅炉给水的给水进口；
与至少一个给水进口相连并且由一组锅炉给水管形成的蒸汽发生器，所述锅炉给水管具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴布置进行定位，从而形成位于第三环形室内的第五盘管状结构用于接收锅炉给水，且由此通过与燃烧产物进行间接热交换而产生蒸汽；并且
管式换热器中的管的内管和锅炉给水管与所述至少一个反应供给进口相连通，从而同时将蒸汽和烃供给引至该处且由此形成输送至第一反应区的包含烃和蒸汽的供给。
6、根据权利要求5所述的催化反应器，进一步包括内部嵌套排放物管，所述内部嵌套排放物管位于所述锅炉给水管内并且沿所述锅炉给水管的部分长度进行延伸，从而允许液体连同溶解的污染物一起排出，由此防止污染物发生固化且阻塞流动。
7、根据权利要求5所述的催化反应器，其中管式换热器中的所述管沿其部分长度并且朝向第二反应区中的反应管与外管的连接部进行绝缘，从而增强了对所述烃供给的加热。
8、根据权利要求5所述的催化反应器，进一步包括：
被第三环形室所环绕的中心轴向室，所述中心轴向室一端与第三环形室流动连通，用于接收已通过蒸汽发生器的第五盘管状结构之后的燃烧产物，且所述中心轴向室另一端敞开，用于形成排气口；
所述换热管组是第一组换热管；且
具有螺旋形构造的第二组换热管至少大体上按照同轴布置进行定位，从而形成位于中心轴向室内的第六盘管状结构；和
与燃烧器相连从而对输送至燃烧器的燃料进行预热的第二组换热管。
9、根据权利要求8所述的催化反应器，进一步包括：
硫处理罐，所述硫处理罐被设置在中心轴向室内，被第二组换热管环绕和绝缘，从而降低烃供给中的硫含量；
所述硫处理罐被插置在至少一个反应供给进口与管式换热器中的管的内管之间，从而使得在被引入到第一反应区中之前对烃供给进行处理。
10、根据权利要求9所述的催化反应器，进一步包括：
外壳，所述外壳具有约束第一、第二和第三环形室的相对端部的第一和第二集管室；
所述第一集管室具有空气流进口和内部受到所述中心轴向室约束的环形构造，所述第一集管室与所述第二环形室流动连通，从而将空气流引入到其中；且
所述第一环形室与第二环形室之间的流动连通由第二集管室提供。
11、根据权利要求10所述的催化反应器，进一步包括一组圆柱形空气感应挡板，所述圆柱形空气感应挡板位于第二环形室内并且形成被构造用以引导空气流动从而使得引入的空气被分成第一和第二分支空气流的次室，所述第一分支空气流在第一组换热管上面流过，而所述第二分支空气流在管式换热器中的管上面流过，反转方向在第二组反应管上面流过，然后进一步反转方向与所述第一分支空气流一起通过第二集管室进入第一环形室。
12、根据权利要求11所述的催化反应器，其中：
所述第一环形室在与燃烧器相对的一端设有第一组开口，用于将燃烧产物排放至所述第三环形室，且所述第三环形室设有与所述第一组开口相对的第二组开口，用以将燃烧产物排放至所述中心轴向室用于对所述第二组换热管进行间接加热且使得燃烧产物在所述中心轴向室中的流动与在所述第三环形室内的流动方向相反。
13、根据权利要求8或权利要求11所述的催化反应器，进一步包括：
用于冷却分支合成气体产物流的冷却器，所述冷却器包括：
第三组换热管，所述第三组换热管具有螺旋形构造且至少大体上按照同轴布置进行定位，从而形成环绕第二环形室且被连接到所述管式换热器中的管的外管与所述至少一个产物出口之间的第七盘管状结构，从而进一步冷却分支合成气体产物流；和
环绕第二环形室并且包括所述第三组换热管的第四环形室；
所述第四环形室具有进口和出口，用以使冷却流体循环通过所述第四组换热管，从而冷却在流至所述至少一个产物出口之前的分支合成气体产物流。
14、根据权利要求13所述的催化反应器，进一步包括内部嵌套排放物管，所述内部嵌套排放物管位于所述锅炉给水管内并且沿所述锅炉给水管的部分长度进行延伸，从而允许液体连同溶解的污染物一起排出，由此防止污染物发生固化且阻塞流动。
15、根据权利要求14所述的催化反应器，其中管式换热器中的所述管沿其部分长度并且朝向内管与第二反应区中的反应管的连接部进行绝缘，从而增强了对所述烃供给的加热。
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