CN102274706B - 带有插管和从反应器上圆顶悬挂的罩筒的交换器反应器 - Google Patents

带有插管和从反应器上圆顶悬挂的罩筒的交换器反应器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带有插管和从反应器上圆顶悬挂的罩筒的交换器反应器。具体地，本发明描述了一种用于进行吸热反应的垂直圆柱交换器反应器，其包括封入了多个管的壳，反应流体在所述多个管内移动，所述管是插管类型的，在该情况中是热气的传热流体在环绕所述插管的罩筒内被输送。所述插管和所述罩筒从所述反应器的上圆顶悬挂。该反应器可以操作于管侧与壳之间的高达100巴的压差。热气在高达1300℃的温度下进入所述反应器。

Description

带有插管和从反应器上圆顶悬挂的罩筒的交换器反应器
技术领域
本发明涉及一种由圆柱壳组成的交换器反应器，该圆柱壳由上圆顶和下底部封闭，该壳封入了多个被称为反应管的插管，在所述反应管内发生化学反应，所述交换器反应器允许进行高度吸热反应，例如天然气、在管内移动的流体试剂、以及在环绕插管的罩筒内输送的在该情况中是热气的传热流体的蒸汽重整。
本发明的交换器反应器是指反应器直径超过4米，或超过10米，以及甚至可以使用18米，其中反应管的内部和外部之间的压力差高达30巴到100巴，热气可能在1300℃温度下进入交换器反应器中。
本发明的交换器反应器不采用管板来支撑反应管或罩筒。由于这个原因，不再使用通过法兰安装在壳上的系统，即，可以使用超过10米甚至高达18米的直径。
本发明的反应器采用用于输送热气的特定装置，所述热气在罩筒内移动，每一个罩筒环绕反应管。
背景技术
在用于执行诸如蒸汽重整碳氢化合物段的反应的高吸热反应的交换器反应器的领域的现有技术，一般通过具有用于借助第一管板分发反应流体的系统和用于借助第二管板收集流出物的系统的交换器反应器类型来表示。
管板系统已被予以分析，并且它的局限性通过专利FR 2918904中描述的解决方案被予以消除，专利FR 2918904开发了一种带有插管的装置，该插管具有用于反应流体或反应器壳外流体的入口和出口。
在该专利FR 2918904中，可以在环绕插管并被称为“罩筒（chimneys）”的管内输送一般由燃烧产生的热气，该燃烧在交换器反应器外进行并产生烟气。
这种罩筒由位于反应器的上部并且不易受反应器每一侧的大压力差影响的管板支撑。不过，该管支撑板有多种缺点，将在下段讨论。
该管支撑板以及与之相关联的加固梁易受高温（700℃）影响，其会达到材料强度的极限。
用于罩筒的管支撑板必须具有足够的刚性而不变形太多。通常，避免大于直径除以300的变形。举例来说，对于直径10米的反应器，中心处的最大允许变形为33毫米。该种刚性在所考虑的情况中是非常重要，因为板充当对罩筒的支撑，但那些管是垂直位移的（由于环形空间中烟气的流动造成的压降，所以大致向下），并且重要的是限制这种位移，这种位移带来促使插管偏心或造成罩筒自身变形的风险。
为了满足这种对刚性的需要，本领域技术人员使用各排罩筒之间布置的加固梁。对于内径10米的反应器，这些梁相对较大（例如对于位于反应器直径上的梁高约500毫米）。
此外，定位这些加固梁需要反应器壳上的固定装置。这种类型的安装也很昂贵。
管状支撑板，比如梁，通常对于10米直径的反应器的扩展约8厘米，造成从上圆顶悬挂的插管之间的对齐问题。
现有技术的另一问题是易受来自非常高温烟气（其可以达到1300℃）放射影响的罩筒的使用寿命，这使得昂贵和/或长度长（约15米）时脆弱的材料成为必须。
可被视为对专利FR 2918904的改进的本发明可以克服这种支撑板的缺点，并且还增加了在输送热气中所涉及的插管的长度比例。
总之，热气和反应流体之间的传热效率得到改进。
在来自Haldor Topsoe的所谓HTCR反应器中，有支撑罩筒的管板，该板在本发明的交换器反应器中不存在。
发明内容
本发明的交换器反应器包括壳（1），所述壳具有由上圆顶（2）和下底部（3）封闭的圆柱形状，热气在该壳内移动，所述壳封入了多个平行反应管，所述反应管具有基本垂直轴线，反应流体在反应管内移动，反应管（4）是插管式的并且具有在每平方米反应器截面中2至12个管范围内的密度，每一个插管（4）的入口和出口设置在上圆顶（2）外的反应器外部。
插管（4）被限定为内部中心管（5）和同轴外部管（6）的组件，内部管（5）公开在其下端处是打开的以便允许反应流体从所述内部管（5）向内部管（5）和外部管（6）之间包括的环形区（7）移动，或反之亦然，从所述环形区向所述内部管。
在根据本发明的反应器交换器中，每一个插管的入口和出口都在反应器的外部，正如图2、图3和图4中所示。
本发明的交换器反应器的整个内部，即壳（1）的内壁、上圆顶（2）和下底部（3），涂覆有耐火绝缘涂层。
每一个插管（4）被与插管同轴并且称为罩筒的圆柱管（10）所环绕，该罩筒在插管的整个长度上延伸，热气在插管（4）的外壁和罩筒（10）之间包括的环形空间（11）内以40m/s至75m/s范围内的速度移动。
在本发明的上下文中，热气由在交换器反应器外部发生的并且产生用于提供化学反应所需的热量的热流体的燃烧产生，此处被称为热气（偶尔也被称为烟气）。
热气从罩筒（10）的上部借助所述罩筒的壁中穿透的一定数量的排出孔（21）排出。在本发明的变化中，热气借助一定数量的孔（23）进入优选地由陶瓷制成的罩筒（10）的下部。这些孔（23）可以交错设置，以便热气逐渐进入罩筒（10）的内部。插管（4）优选地被组装成三角形图案。每一个插管之间的间距或中心到中心的距离，一般在外部管（6）的内径的2至5倍的范围内。
正方形图案间距也完全在本发明范围内。根据本发明的一个实施例，每一个插管（4）的内部中心管（5）在位于反应器外部的点处经过外部管（6），与交换器反应器的上圆顶（2）距离至少1米，并且相对于垂直线成30°至60°范围的角。这种设置可以将每一个插管（4）的入口和出口整齐分开，以便促进用于分配反应流体的装置以及用于收集反应流出物的装置的定位，如图1中可以看出的。
在本发明的上下文中，有几种用于插管的上圆顶（2）的出口配置是可行的。图4中示出三种可能性：
-类型A对应于刚刚描述的：插管（4）的内部中心管（5）经过外部管（6）。用于进料的入口E经由外部管（6）的盖子法兰31，出口S经由用于中心管（5）的侧向出口。罩筒的盖子法兰（30）被连接到外部管（6）；
-在本发明的由图4中的类型B表示的另一实施例中，外部管（6）由法兰（31）封闭，内部管（5）通过法兰（31）。用于进料的入口E因而是侧向的经由被连接到外部管（6）的管（35），用于流出物的出口S经由被连接到法兰（31）的中心的管（5）的管（34）。内部管（5）和管（36）之间允许反应流出物存在的密封由torric（托里拆利）结合处（34）提供；
-最后，在本发明的第三实施例中，如图4的类型C所示，必要时可以补充法兰32以允许插管（4）的中心管（5）被完全去除，而无需首先拆除插管。
优选地，反应流体是经由外部管（6）和中心内部管（5）之间包括的环形区7的入口端引入的，所述环形区（7）至少部分地填充有催化剂。
反应流出物经由中心内部管（5）的出口端被回收。
入口管道A可以共用于几个插管（4），用于反应液的出口管道S可以共用于几个插管（4）。
一般地，热气由燃烧烟气构成，所述燃烧在不同于本发明的交换器反应器的车间中发生。
热气一般经由位于所述反应器的下部中的入口管道F被引入到交换器反应器的壳（1）中。
热气由环绕每一个插管（4）的罩筒（10）输送，并且经由每一个罩筒的上部中设置的排出孔（21）离开所述罩筒。
热气经由位于反应器的上部中的管道G（或收集器）的组件离开反应器。
罩筒（10）和插管（4）被固定到反应器的上圆顶（2）。
形成插管（4）的内部管（5）和外部管（6）的同心度通过被固定到内部管（5）并且允许催化剂被装料时通过的多重柔性中心装置保证。
在详细描述中给出本发明的交换器反应器的其他特征。
本发明还包括使用本发明的交换器反应器蒸汽重整碳氢化合物段的工艺。
一般地，用于使用本发明的交换器反应器蒸汽重整碳氢化合物段的工艺在反应管和罩筒之间1至10巴绝对值范围内的压力以及在插管（4）中25至100巴绝对值范围内的压力下进行。
反应管内的温度一般都在700℃到950℃的范围内。
进入交换器反应器的热气的温度可以达到1300℃。
本发明还涉及一种用于安装交换器反应器的方法，其在详细描述中予以描述。
附图说明
图1表示现有技术的交换器反应器，即，具有支撑罩筒的管板，罩筒不在交换器反应器的整个长度上延伸，热气从在反应器外部发生的燃烧中产生；
图2表示本发明的交换器反应器，即，没有支撑罩筒的管板，罩筒在插管的整个长度上延伸并且被固定到反应器的上圆顶；
图3表示与图2相同的本发明的交换器反应器，另外具有可以支撑罩筒的下陶瓷部分的下圆顶；
图4表示用于在反应器的外部固定反应管和罩筒的被标示为A、B和C的三个实施例。
具体实施方式
本发明的交换器反应器旨在在高达950℃的温度下进行高吸热反应。典型地，鉴于产生氢，它可用于蒸汽重整碳氢化合物段，特别是石脑油或天然气。
参考图2、3和4作出以下的描述。
本发明的交换器反应器由壳（1）构成，壳（1）大致是圆柱形状的并且在它的上部由上圆顶（2）而在它的下部由圆顶底部（3）封闭，上圆顶（2）基本是环形球形形状以便所述上圆顶的截面可以是环形部分和球形部分的组合，圆顶底部（3）具有基本椭圆的形状。
圆柱壳（1）封入了多个长度为L并且在壳（1）和上圆顶（2）的整个上延伸的垂直插管（4）。
在罩筒（10）的下端和下底壁之间留出打开的空间，以方便操纵所述管。
管（4）是插管式的，即，它们由外部管（6）内包含的内部中心管（5）构成，内部中心管（5）和外部管（6）基本同轴。形成插管（4）的内部管（5）和外部管（6）的同心度通过被固定到内部管（5）的柔性中心装置来保证，该柔性中心装置允许催化剂在装料时通过它。
内部中心管（5）和外部管（6）之间包括的环形空间（7）一般被填充催化剂，所述催化剂一般具有圆柱形或球形颗粒的形状，所述颗粒在蒸汽重整反应的情况中一般长几毫米，直径几毫米。
催化剂颗粒的形状不是本发明的特征元素，它与具有允许其被引入垂直管（4）的环形部分（7）中的尺寸的催化剂颗粒的任何形状兼容。
反应流体优选地经由催化环形区（7）引入到插管（4）中，催化环形区（7）的入口端位于反应器外部。蒸汽重整反应发生在催化环形区中，流出物在中心管（5）的出口处回收，所述出口也位于反应器外部。 
反应流体经由中心管（5）引入并且流出物从环形区（7）的出口回收的另一种配置也是可能的。
因此，首先通过减小管的环形区（7）的长度，然后增加中心管（5）的长度，反应流体优选地在插管（4）内移动，所述管（4）具有的入口/出口端位于交换器反应器的外部，并且所述管（4）被在环绕每一个插管（4）的罩筒（10）内移动的热气加热。
热气可以由交换器反应器外部发生的燃烧产生的烟气构成。典型地，燃料可以是包含在1到20个碳原子范围的碳氢化合物段或氢或这些燃料的混合物。 
燃料可以包括比例不同的CO和CO2，可能高达30％摩尔。
反应器的高度H和它的直径D之间的H/D比一般都在1至10的范围内，优选地在1至8的范围内，更优选地在1至4的范围内。
插管（4）被罩筒（10）环绕，罩筒（10）基本与所述插管同轴，这可以在罩筒（10）内以在40m/s至75m/s范围优选地在50m/s至70m/s范围的速度输送围绕插管（4）的热气。
插管的数量，以及因而每平方米反应器截面的罩筒的数量，一般在2到12范围内，优选地在3至8的范围内。术语反应器的“截面”是指反应器没有任何内部装置时的几何截面。
插管（4）通常形成三角形图案，其具有在外部管（6）的内径的2至5倍优选地在2至3倍的范围内的中心到中心距离。
本发明包括在反应器的上圆顶（2）上悬挂插管（4）和罩筒（10）。因此，可以导致现有技术的插管（4）和罩筒（10）之间缺乏同心度的膨胀问题被克服了。
当上圆顶（2）的温度上来时，各种插管（4）之间的轴间距离可以变化，但基本不造成同心度的问题，因为罩筒（10）与插管（4）悬挂在相同水平面，即，在上圆顶（2）处；在一个变化中，它们使用相同的法兰固定装置如插管（4）。
通过法兰的这种连接在图4a、4b和4c中更详细地予以示出，图4a、4b和4c对应于反应器外部的插管（4）和罩筒（10）的出口的几个实施例。
由于法兰安装对于技术人员来说是众所周知的，这将不进一步详细描述。
为了让热气从罩筒（10）排出到壳（1），排出孔（21）被设置在罩筒（10）的上部分中。这些排出孔可以具有各种形状，矩形的或曲线的，特别是圆形的，并且在不同高度处沿罩筒（10）交错，以便它们不削弱所述罩筒（10）。
该装置由使用罩筒（10）来连接的“密封”板（12）完成。该密封板（12）可以由多个元件构成，以便能够容纳由于热膨胀造成的变形，而不会对罩筒（10）有后果。
这种密封板由罩筒（10）自身支撑，这意味着与自支撑密封板或由梁支撑的密封板相比成本可以降低。
膨胀容差例如被生产为皱褶（13），皱褶（13）有利地面向上方，以防止杂物进入皱褶并且防止热膨胀。
为了延长罩筒（10）的使用寿命以及减少生产它们所需的材料的成本，在本发明的变化中，设想优选使用根据烟气的本地温度选择的两种不同材料，用于生产它们。
在这种变化中，罩筒（10）的上部分是金属的，而所述罩筒（10）的下部分则是由陶瓷形成的。术语“上部分”是指从上圆顶（2）向与下陶瓷部分的结合处延伸的管的部分。
根据本发明，上金属部分悬挂在上圆顶（2）的水平面，而下陶瓷部分被固定到位于反应器的下部中的砖圆顶（14）。该下部分（14）在图3中可以看出。
优选地，罩筒（10）的陶瓷部分的内径略大于所述管（10）的金属部分的外径，以使金属部分在陶瓷部分内滑动，从而允许两部分之间的“柔性”结合，这还可以克服金属和陶瓷部分的差量膨胀的问题。
优选地，下圆顶（14）由耐火砖元件构成，为罩筒（10）的下陶瓷部分留出必要的通道，其将悬挂在圆顶的下方，优选地低于所述圆顶2米至5米，更有选地2米至4米。
通过这种方式，在反应器的底部来自非常热的烟气的辐射受阻于耐火圆顶（14）和完全环绕插管的陶瓷罩筒（10）。
位于圆顶（14）上方的罩筒（10）的陶瓷部分因而经历更低的温度，这意味着对于所示金属部分可以使用更便宜的金属。
在图3所示的优选组件模式中，下圆顶（14）的上部是平的，并且放置在该圆顶上的是由自锁形式的陶瓷形成的方形颈部（15），自锁形式意味着陶瓷管可以在向下滑动并转动它们一小部分后锁定到位。由陶瓷形成的这些罩筒（10）可以有利地由几个部分组成，以便于定位它们。
本发明的范围还覆盖用耐火混凝土生产下圆顶（14）。
圆顶（14）不是必须对烟气严格气密，因为烟气的移动受阻于设置于交换器反应器的上部中的密封板（12）。因此，所有烟气经由进入孔（23）进入罩筒（10）。
陶瓷罩筒配备了各种形状例如矩形或圆形的沿罩筒（10）设置在不同水平面处的进入孔（23）。这些烟气进入孔（23）设置在圆顶（14）的水平面的下方。
罩筒（10）还配备了设置在所述管（10）的上部因而金属部分中用于排出烟气的孔（21）。这些排出孔（21）位于密封板（12）上方。
当热气的温度下降到低于800℃时，罩筒可以配备一般被固定到外部反应管（6）的壁的肋条或管脚。这些肋条的作用是增加在罩筒（10）内移动的热气和在插管（4）内移动的反应流体之间的传热系数。
总之，传热系数的这种增加可以具有增加插管（4）和罩筒（10）长度的结果，并且因而使反应器更为紧凑，只要降低它的H/D比（高度直径比）。
本发明的交换器反应器优选地按照以下主要步骤组装： 
1）传送完整的反应器，即，壳+下底部+上圆顶+用于绝缘器的键控；
2）传送准备组装的插管（4）；
3）用砖生产下圆顶（14）；
4）在所述壳（1）的内壁、所述上圆顶（2）和所述下底部（3）的组件上设置热绝缘；
5）生产密封板（12），为罩筒（10）留出打开通道；
6）定位所述罩筒（10）的下陶瓷部分；
7）从顶部组装所述罩筒（10）的上金属部分，啮合已经到位的所述陶瓷部分内的下端，以及连接所述密封板（12）；
8）将所述插管（4）引入所述罩筒（10）并把所述管（4）和（10）固定到所述上圆顶（2）；
9）安装连接收集器（A）和（S）；
10）将催化剂装料到所述插管（4）中。
比较性实例
以下的比较性实例示出将罩筒（10）向上圆顶延伸的优势，因为热交换被改进了，并且出于这个原因，可以使用稍微更凉的烟气，即，与现有技术比较比15°到20°更低。
在第一种情况中，使用如图1所示的现有技术反应器，在第二种情况中，修改如图2所示的本发明的反应器。
在根据本发明的情况中，罩筒（10）向反应器的顶部延伸高达上圆顶（3）。
交换器反应器的目的是通过蒸汽重整天然气来产生94000 Nm3/hour的H2。
-在壳侧上，来自交换器反应器外燃烧的烟气具有以下％摩尔的组分：
H2O    12.72％
O2     6.91％
CO2    13.42％
N2     66.16％
Ar     0.79％
烟气的入口温度在两种情况（现有技术和根据本发明）中都是1286℃，以获得插管下端（催化剂出口）处的900℃。
烟气在入口处的压力：4.3×105帕；
总烟气流速为13470 kmole/h（k是千的缩写，即103）；
-在管侧上，被处理的装料的%摩尔的组分如下： 
H2O    69.23％ 
CH4    28.53％ 
C2H6   2.24％ 
在入口出对插管的压力是30巴，温度是432℃；
本发明的交换器反应器的主要尺寸如下：
反应器直径：10.4米；
插管的总高度：18.1米；
插管4和罩筒10内加速的烟气之间发生的热交换的长度：
案例1（现有技术）：15.5米；
案例2（根据本发明）：17米；
插管（和罩筒）的数量：328；
罩筒内的烟气的循环速率：75到45m/s；
插管和罩筒经由法兰系统从反应器的上圆顶悬挂，如图3所示。
下表比较案例1（现有技术）与案例2（根据本发明）的热性能。
烟气的出口温度与在现有技术中是680℃相比，在本发明的案例中被降低到661℃，这导致更好的传热效率。这种效应是延伸罩筒长度的直接结果。本发明还可以使用稍微更凉的烟气，从而通过降低其表皮温度来降低插管的金属制品的上的张力。这种影响在经济上对于可以包含高达400个插管的反应器来说是重要的。
  案例1（现有技术） 案例2（根据本发明）
温度，烟气入口 1286℃ 1286℃
温度，烟气出口 680℃ 661℃
温度，进料入口 432℃ 432℃
温度，催化剂出口 900℃ 900℃
温度，产品出口 571℃ 579℃
最高温度，金属 1051℃ 1043℃
表1。 

Claims (14)

1.一种交换器反应器，所述交换器反应器包括壳（1），所述壳具有由上圆顶（2）和下底部（3）封闭的圆柱形状，所述壳、下底部和上圆顶的组件涂覆有耐火绝缘涂层，所述壳（1）封入了多个平行插管（4），所述插管具有从所述壳（1）的下部延伸到所述上圆顶（2）的垂直轴线，反应流体在所述插管（4）内移动，每一个插管（4）在其整个长度上被罩筒（10）环绕，每一个插管的入口和出口在所述上圆顶（2）外的所述反应器的外部，热气在所述反应器的外部产生并且经由位于所述下底部（3）中的开口（F）被引入到所述壳（1）中，然后经由所述罩筒的壁中穿透的进入孔（23）进入所述罩筒（10），并且经由设置在每一个罩筒的上部中的排出孔（21）离开所述罩筒（10），所述热气经由侧向开口（G）从所述交换器反应器排出，每一个插管（4）和环绕它的所述罩筒（10）从所述交换器反应器的上圆顶（2）悬挂。
2.根据权利要求1所述的交换器反应器，其中，每一个插管（4）和环绕它的罩筒（10）经由法兰（30、31、32）系统固定到所述上圆顶（2）。
3.根据权利要求1或2所述的交换器反应器，其中，每一个插管（4）之间的间距或中心到中心距离在外部管（6）内径的2至5倍的范围内。
4.根据权利要求1所述的交换器反应器，其中，每一个罩筒（10）被划分为上金属部和由陶瓷形成的下部。
5.根据权利要求4所述的交换器反应器，其中，覆盖所述交换器反应器的整个截面的、由耐火砖形成的下圆顶（14）位于所述罩筒（10）的陶瓷部分和金属部分之间的结合处，允许所述罩筒通过。
6.根据权利要求5所述的交换器反应器，其中，位于所述交换器反应器的上部中的密封板（12）被固定到所述罩筒（10）。
7.根据权利要求6所述的交换器反应器，其中，所述罩筒（10）在其下部中具有位于所述下圆顶（14）的水平面之下的进入孔（23），在其上部中具有位于所述密封板（12）的水平面之上的排出孔（21）。
8.根据权利要求1所述的交换器反应器，其中，所述插管的密度在每平方米反应器截面2至12个管的范围内。
9.根据权利要求6所述的交换器反应器，其中，所述密封板（12）具有特定数量的皱褶（13）以允许其热膨胀。
10.一种用于使用根据权利要求1至9中任一项所述的交换器反应器来蒸汽重整碳氢化合物段的工艺，其中，传热流体由燃烧烟气组成，燃烧是在所述交换器反应器外部使用燃料进行的，所述燃料由包含1到20个碳原子范围内的碳氢化合物段构成。
11.一种用于使用根据权利要求1至9中任一项所述的交换器反应器来蒸汽重整碳氢化合物段的工艺，其中，插管(4)和罩筒(10)之间的压力在1至10巴绝对值的范围内，并且插管内的压力在25至100巴绝对值的范围内。
12.一种用于使用根据权利要求1至9中任一项所述的交换器反应器来蒸汽重整碳氢化合物段的工艺，其中，热气在罩筒（10）内的循环率在40m/s至75m/s的范围内。
13.根据权利要求12所述的工艺，其中热气在罩筒（10）内的循环率在50至70m/s的范围内。
14.一种用于组装根据权利要求1所述的交换器反应器的方法，其包括下列主要步骤：
1）传送完整的反应器，即，壳+下底部+上圆顶+用于绝缘器的键控；
2）传送准备组装的插管（4）；
3）用砖生产下圆顶（14）；
4）在所述壳（1）的内壁、所述上圆顶（2）和所述下底部（3）的组件上设置热绝缘；
5）生产密封板（12），为罩筒（10）留出打开通道；
6）定位所述罩筒（10）的下陶瓷部分；
7）从顶部组装所述罩筒（10）的上金属部分，啮合已经到位的所述陶瓷部分内的下端，以及连接所述密封板（12）；
8）将所述插管（4）引入所述罩筒（10）并把所述插管（4）和所述罩筒（10）固定到所述上圆顶（2）；
9）安装连接收集器；
10）将催化剂装料到所述插管（4）中。
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