CN104736231A - 使用用于引入固体粒子的辅助管将催化剂致密装填到蒸汽重整反应器-交换器的嵌套管中的气动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将催化剂致密和均匀装填到蒸汽重整反应器中所用的由外管6和内管5划定的嵌套管的环形空间4中的装置和方法，所述装置使用刚性辅助管7将固体粒子引入所述环形区4。

Description

使用用于引入固体粒子的辅助管将催化剂致密装填到蒸汽重整反应器-交换器的嵌套管中的气动系统
发明领域
本发明涉及装填使用高度吸热或高度放热反应的管式反应器中所用的催化管的领域。因此，本发明特别适用于天然气或各种烃馏分的蒸汽重整反应器以生产被称作合成气的CO+H2混合物。
可以区分两大类蒸汽重整反应器：
由位于反应器内的一系列燃烧器供热的反应器，和通过传热流体，通常燃烧烟气供热的那些，所述燃烧在蒸汽重整反应器本身外进行。
这种后一类型的某些反应器（下文中称作交换器-反应器）使用简单管。另一些使用双壁同心管，其也被称作嵌套管（bayonet tubes）。嵌套管可以被定义为内管被与该内管同轴的外管包围，内管和外管之间的环形空间通常被催化剂填充。在下文中，术语“环形空间”或“催化区”用于指示由嵌套管划定的所述环形空间。
在本发明中，经由该环形区以自顶向下的流向引入天然气或更通常烃进料，并以自底向上的流向将反应流出物收集在内管的中心部分中。
用于制氢的天然气的蒸汽重整反应是高度吸热的并因此通常在炉中或在如上定义的交换器-反应器中进行。
该反应在通常900℃的极高温度下和在通常20至30巴的压力下进行。在这些条件下，由于材料的机械性能，该反应如果在管内则只能在可行的经济条件下进行。
催化交换器-反应器因此由许多管构成，在每小时生产100000 Nm3氢气的装置中通常为大约200至350个管，这一系列的管封装在接收热流体的壳体中，这意味着可以供应蒸汽重整反应所需的热。
这种热流体或传热流体通常由来自在交换器-反应器外进行的燃烧的烟气构成。
因此，催化剂必须以从一个管到另一个管规则的方式安装在所有蒸汽重整管中，以在管之间具有相同的压降。
这一条件对确保试剂在这一系列催化管中的良好分布和防止某一个管供给不足（例如这会造成构成该管的材料的严重过热，这种过热显著降低该管的使用寿命）是非常重要的。
类似地，重要的是在管内不存在空隙，即无催化剂或催化剂不足的区域，因为该管在其内不存在催化反应的情况下会局部过热。此外，催化剂在反应区中的分布的任何不均匀都可能造成反应流体的流动失衡。
因此，本发明的装置的目标是在构成交换器-反应器的一部分的各嵌套管中实现致密和均匀的装填。
现有技术调查
这一调查仅限于气动型装填装置。
申请人的专利FR 2 950 822描述了用3个装填管装填嵌套管的解决方案，存在机械制动或气动制动。这种装填方法可用于实现嵌套管的致密均匀装填。其是“逐粒”法并经证实太慢且不适用于包含几百个管的工业反应器规模。
专利EP 1 374 985描述了具有用于对流引入空气流（其阻止粒子下落）的可拆卸管的装填系统。这一系统适用于传统的天然气蒸汽重整管，但其无法适应嵌套管的特殊要求。
这些文献无一适用于嵌套管——装填环形区。
本发明的装置因此可以被定义为用于将催化剂致密装填到蒸汽重整交换器-反应器中所带的嵌套管的环形区中的气动装置，该装置用于在与工业规模启动的要求相容的时期内实现交换器-反应器的各管中的均匀装填密度。
此外，在某些情况下，本发明的装置必须能够适应由沿管变化的机械和热应力造成的外管6的内径变化并因此适应环形区的尺寸变化。现有技术的装置无一考虑这种补充的限制。
附图简述
图1代表本发明的装置并显示可用于将固体粒子引入环形区4的分段刚性辅助管7以及用于将其卷起的系统。
发明简述
本发明可以被定义为用于将催化剂致密装填到由封装在壳体中的多个嵌套管构成的蒸汽重整交换器-反应器中的气动装置，各嵌套管包含至少部分装有催化剂的环形区。所述催化剂由占据位于内管5与外管6之间的至少一部分环形空间4的固体粒子构成，这两个管的组装件构成嵌套管，所述环形空间的宽度为30毫米至80毫米，且其高度为10至20米。
催化剂粒子通常为具有10毫米至20毫米的大致高度和5毫米至20毫米的大致直径的圆柱体形式。
在其基础版本中，本发明的装置由如下构成：
·刚性辅助管7，其被分成多段，穿入环形区4内并与形成中的床的表面保持50毫米至150毫米的距离，所述管与经由内管5引入的减速气流反向地向环形区4供应固体粒子，
·所述刚性辅助管7能够拆解成长度为50厘米至200厘米的片段，且催化剂粒子装在：
·中央进料斗1中，其用于将粒子递送到向辅助管7供料的传送带或振动输送机2上，所述供料经由
·漏斗3，粒子经其流入辅助管7的内部。
根据要装填的固体粒子的流速，可以使用并行操作的两个或三个相同的刚性管7。在下文中，术语“刚性辅助管7”因此应被理解为是指一个或多个刚性辅助管7。
可经由单一进料斗向这组并行操作的刚性管7供料。
本发明还涉及使用上述装置装填催化剂的方法，所述方法可通过下述一系列步骤描述：
·刚性辅助管7最初拆解成片段并在嵌套管外，进料斗1装有固体；
·通过增加片段将刚性辅助管7经环形区4的上部逐渐引入环形区4直至其底端距离管底部50厘米至100厘米；
·经由中心管5引入恒定气流，进入环形空间并在辅助管内上升，气体流速使其在辅助管内生成8米/秒至14米/秒的速度；
·启动传送带或振动输送机2以提供150千克/小时至500千克/小时，优选250千克/小时至500千克/小时的固体流速，所述固体流经由漏斗3引入辅助管4；
·固体颗粒在辅助管内减速并落到装填环形区4的形成中的床的表面上；
·随着和在装填环形区4时，通过移除片段，在环形区4中上提刚性辅助管7以使与逐渐形成的床的表面的距离保持恒定，所述距离始终为50厘米至150厘米；
·刚性辅助管7以 0.1米/分钟至0.4米/分钟，优选0.2米/分钟至0.4米/分钟的等于管装填速度的速度取出；
·一旦所述嵌套管已装满且所述装填系统已取出，移动所述装填系统以装填下一个管。
当使用并行操作的一组刚性管7时，移动这组管7以供应另一组嵌套管。
通常，用于进行本发明的方法的气体是空气或氮气。
发明详述
本发明可以被定义为用于将催化剂致密装填到嵌套管的环形空间4中的装置，各嵌套管具有10米至20米的高度、250毫米至150毫米的外管6的直径和10至40毫米的内管5的外径。
容纳催化剂的环形空间4因此具有大约50毫米的特征宽度。在实践中，根据情况，环形空间4的特征宽度可以为30毫米至80毫米不等。
此外，在一些情况下，外管6具有从上到下分段递减的直径，这意味着环形空间4的特征宽度也从上到下递减。
本发明的装置非常容易适应特征宽度的变化，同时在整组片段中保持其性能。
催化剂颗粒通常为大约10毫米至20毫米高和5毫米至20毫米直径的圆柱体形式。
将它们装填到长度大于10米的管中面临的主要问题之一是如果不采取任何预防措施地让它们简单自由下落（这是用于产生致密装填的现有技术的解决方案之一），这些颗粒有破碎的风险。通常，在落差超过1米时颗粒破碎风险高。
另一些问题与环形催化空间本身的几何结构有关，其阻碍传统装填系统的通过。
在本发明上下文中的一种常见情况中，必须应对在环形区4的上部穿过外管6以提供完全通畅的反应流出物出口的内管5。
最后，如现有技术中所示，当管的直径与粒子的主要尺寸之间的比率小于8（这是本发明上下文中的常见情况）时，因为环形空间的典型宽度（50毫米）等于催化剂粒子的特征直径的大约4倍，拱起（arching over）的风险加重。
装填装置还必须适应的一个主要限制在于，逐管进行装填，因此其对工业应用而言必须足够快，因为旨在每小时生产大约100000 Nm3 H2的蒸汽重整反应器具有大约200至350个嵌套管。
本发明描述了借助与粒子下落反向的气流，通常空气流装填嵌套管的系统，所述气流因此减慢所述粒子的下落，由此防止它们破碎，并实现无堵塞的均匀装填。
所涉颗粒下落的终极速度为大约14米/秒。为防止颗粒破碎，颗粒必须以小于3米/秒，优选小于2米/秒的速度下落。
与粒子下落反向的气体速度必须在11米/秒至13米/秒的范围内以减缓粒子下落。在环形空间4的各处获得这样的速度需要极高的气体流速。经由通常具有30毫米至50毫米直径的内管5引入这样的流速会在这种管内生成极高的速度，这甚至会造成声速流。
在本发明中，经由内管5以整体方式（integral manne）引入合适地减慢粒子所需的气流，但固体粒子经由直径为环形空间4的宽度（更确切地，在外管6的内径变化的管中，为环形空间4的最小宽度）的0.5至0.9倍的刚性辅助管7供入环形区4。这种刚性辅助管7分成数段以便在装填开始时使其下降到环形区4的底部，然后在所述环形区4的装填过程中将其逐渐取出。
内管5内的气流使得：
·一方面，在刚性辅助管7中生成的速度为8米/秒至14米/秒，优选11米/秒至13米/秒；
·另一方面，在环形区中生成的上行速度小于固体粒子的最小流化速度（3米/秒至4米/秒）以使形成中的粒子床保持固定床状态，但又带走在装填过程中可能生成的细粒。
借助装填进料斗1和振动输送机或传送带2经由辅助管的上部开口松散地进行装填。
在振动输送机2和刚性辅助管7之间，使用弹性联轴器3传送催化剂粒子，同时防止振动传递到刚性辅助管。
离开刚性辅助管7的载有细粒的气流经过过滤器9，其留下粉尘并排出洁净气体12。密封系统8确保该气体只经过固体装填系统和过滤器9。
环形区4横截面的变化对经由内管5引入的空气的流速没有更多影响，该流速在装填全程保持恒定，这意味着本装置特别适用于环形区4的尺寸变化的管的几何形状。
本发明的实施例
用安置在由外径42毫米且内径32.2毫米的内管5和内径128.1毫米的外管6构成的实验用的1米高的柱中的本发明的气动装置进行装填试验。
待装填的固体粒子为1.5厘米高和0.8厘米直径的小圆柱体形状。
辅助管7的总长度为6.2米且直径为5厘米。
刚性辅助管7的下端与形成中的床的表面之间的距离在装填过程中保持等于50厘米。
经由该嵌套管的内管引入76.3立方米/小时的空气流速，这在刚性辅助管7内生成10.8米/秒的装填速度。
嵌套管的内管5内的速度为26米/秒。
经过固体粒子床的上行速度为2米/秒，即低于最小流化速度。
该气动装置以0.2米/分钟的速度不断上提。
一旦该床已装填好，以130 Nm3/h的空气流速测量ΔP。
在卸料后，从批料中分离出破碎的粒子。破碎量非常低，大约0.7%。
装填结果显示在下表1中。
用这种系统获得的装填非常令人满意，在压降方面具有优异的可再现性（标准偏差大约± 3%）。
装填时间为5至6分钟/米，这相当于12米管大约66分钟的装填时间（在大约180千克/小时的固体流速下）。
装填密度为大约970千克/立方米，这在所有装填中相当可再现。
表1: 在1米模型上用具有辅助装填管的气动系统装填的结果

Claims (3)

1.用于将催化剂致密装填到由封装在壳体中的多个嵌套管构成的蒸汽重整交换器-反应器中的气动装置，所述催化剂由占据位于内管(5)与外管(6)之间的至少一部分环形空间(4)的粒子构成，这两个管的组装件构成嵌套管，所述环形空间的宽度为30毫米至80毫米，且其高度为10至20米，所述催化剂粒子为具有10毫米至20毫米的大致高度和5毫米至20毫米的大致直径的圆柱体形式，所述装置由如下构成：
·至少一个刚性辅助管(7)，其穿入环形区(4)内并与形成中的床的表面保持50毫米至150毫米的距离，其直径为环形空间(4)的宽度的0.5至0.9倍，所述刚性辅助管(7)能将待装填的固体粒子引入环形区(4)并被经由内管(5)引入的反向气流横穿；
·所述刚性辅助管(7)被分成许多长度为50厘米至200厘米的片段，它们在装填开始时首尾相连，然后随着和在粒子床形成时逐渐取出以保持与床表面的所需距离，且催化剂粒子装在：
·中央进料斗(1)中，其用于将粒子递送到向辅助管(7)供料的振动输送机或传送带(2)上，所述供料经由：
·漏斗(3)，粒子经其流入环形空间(4)的内部。
2.使用根据权利要求1的装置装填催化剂的方法，其特征在于下述一系列步骤：
·刚性辅助管(7)最初拆解成片段并在嵌套管外, 进料斗(1)装有固体；
·通过将必要数量的片段首尾相连，将刚性辅助管(7)逐渐引入环形区(4)以使其底端距离环形区(4)的底部50厘米至100厘米；
·将合适的气流整体引入内管(5)；
·启动传送带或振动输送机(2)以提供150千克/小时至500千克/小时，优选250千克/小时至500千克/小时的固体流速，所述固体粒子经由刚性辅助管(7)引入环形区(4)；
随着和在装填环形区(4)时，通过借助外部卷取系统(10)移除片段，从环形区(4)中上提刚性辅助管(7)以使与逐渐形成的床的表面的距离保持恒定，所述距离始终为50厘米至150厘米；
·刚性辅助管(7)以 0.1米/分钟至0.4米/分钟，优选0.2米/分钟至0.4米/分钟的等于管装填速度的速度取出；
·一旦所述嵌套管已装满且所述装填系统已取出，移动刚性辅助管(7)以装填下一个管。
3.根据权利要求2的催化剂装填方法，其中所用气体是空气或氮气。
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