CN104755160B - 使用可移除螺旋元件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嵌套管的环形空间中的装置和方法,所述装置由可拆除螺旋元件构成。

Description

使用可移除螺旋元件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。
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。也可以经由内管引入进料并经由环形区4排出反应流出物。本发明不依赖于流体在嵌套管内的流向。
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,以使各管中的压降相同。
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
在传统重整炉中,传统上使用装有催化剂的袋子(其在床表面上方打开)装填通常具有10厘米内径的管。这一装填模式被技术人员称作“套袜装填(sock loading)”并已知不会带来高装填密度。
然后通过用锤子或机械振动系统敲打而手动振动该管,以促使催化剂颗粒适当就位并使空隙最小化和因此提高装填密度。但是,过度振动可能造成催化剂颗粒破裂和压降的显著提高。
但是,借助这种方法难以产生优质装填并且通常必须重复振动操作数次才能获得在管之间类似的压降。
已经以技术术语UnidenseTM(最先由Norsk Hydro开发)或以技术术语SpiraloadTM(由Haldor Topsøe开发)提出其它改进的程序和设备。这些技术适用于单管,但不适用于嵌套管。
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。
一般而言,可以说在蒸汽重整管的催化剂装填领域中有许多文献。其中大多使用挠性减速工具(flexible slowing means)或斜面形式的刚性障碍物。
但是,这些文献无一适用于嵌套管——装填环形区,避开中心管。
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的内径变化并因此适应环形区的尺寸变化。现有技术文献无一可适应这种补充的限制。
附图简述
图1代表在各嵌套管的环形区被分成3个等表面积的装填扇区(其由在催化管的上部固定中心管用的系统形成)的情况中的本发明的装置。
图2代表在内管5横穿环形区上部的情况中的本发明的装置。
发明简述
本发明可以被定义为尤其适用于由封装在壳体中的多个嵌套管构成的蒸汽重整交换器-反应器的用于致密装填催化剂的装置,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:
·经由在两个相继螺旋元件的外缘和内缘之间延伸的垂直线或链条以弹性方式连接在一起的一系列“无轴”螺旋元件。
螺旋元件由其相对于垂线的倾斜角——在30°至60°,优选30°至50°的范围内、其高度——在1个螺距至1.5个螺距,优选1个螺距至1.3个螺距的范围内、及其随外管6的内径而变(以在该装置完全布置好时,各螺旋元件占据整个环形截面4)的外径规定。
分隔两个相继螺旋元件的垂直距离为50厘米至150厘米。
由于没有刚性管占据各螺旋元件的内部空间,各螺旋元件被说成是“无轴”的。
螺旋的“螺距”概念应被理解为在其对应于螺旋的一转的垂直距离的常规定义内。
在其基础版本中,各嵌套管的环形空间4形成连续空间,只有其上部具有由横穿外管6的内管5构成的障碍。这种障碍不对本发明的装置的布置带来任何问题。通过在该装置的布置过程中正确接合各种螺旋元件,其容易绕过。
在借助定心器使内管5居中的版本中,本发明的装置也容易绕过这一障碍。
如果外管6的内径改变以划定出具有嵌套管的从上到下递减的直径的外管6的区段,螺旋元件7的系统通过使用在外周具有较小直径的螺旋元件以及固定在该较小直径螺旋元件的外缘上的例如由橡胶形成的挠性边缘而适应这种横截面变化。
在将该装置就位时,挠性周缘压住外管6的壁,然后随着和在该装置上提时,该挠性边缘展开以与外管6的内壁保持接触,甚至覆盖直径较大的上部横截面。
然后可以在链条底部增加压载物以驱使该系统下降到直径更小的区段中。
本发明还涉及使用上述装置装填催化剂的方法,所述方法可分解成下述一系列步骤:
·所述装填系统最初盘绕在外部收线机10上,进料斗1装有固体;
·然后将所述装填系统经环形区4的上部逐渐引入环形区4直至第一螺旋元件7距离管底部50厘米至100厘米;
·启动传送带或振动输送机2以提供250至500千克/小时的固体流速,所述固体粒子经由漏斗3引入环形区4;
·随着和在装填管时,以一种方式借助外部收线机10在环形区4中上提所述装填系统以保持第一螺旋元件7与逐渐构成的床的表面之间的恒定距离,所述距离为50厘米至100厘米;
·所述系统以0.2米/分钟至0.4米/分钟的等于管装填速度的速度卷起;
·一旦所述管已装满且所述装填系统已卷起,移动所述系统以装填下一个管。
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至20米的高度、250毫米至150毫米的外径和10至40毫米的内管5的外径。
容纳催化剂的环形空间因此具有大约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80至30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,这因此意味着环形空间4的特征宽度也从上到下递减。本发明的装置因此必须自行适应特征宽度的这些变化并在整个系列的区段中保持其性能。
催化剂颗粒通常为大约10毫米至20毫米高和0.5厘米至2厘米直径的圆柱体形式。
它们装填到长度大于15米的管中面临的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。
另一些问题与环形催化空间的几何结构本身有关,其阻碍传统装填系统的通过。
在本发明中的一种常见情况中,在环形区4的上部必须为横穿外管6的内管5提供空间以便反应流出物以完全不受阻碍的方式离开。
简单地通过将螺旋元件接合在该障碍下方并使所述元件转至其完全经过至该障碍下方,可以利用螺旋元件7在该装置的安置过程中自然地绕过这一障碍。
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。
本发明的装置显著降低拱起的形成风险,因为固体粒子会与螺旋元件接触着逐渐流动并且最后横穿最多1米的与形成中的床的落差。
最后,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的蒸汽重整反应器通常包括大约200至350个嵌套管。
通过本发明的致密装填装置满足这组限制,所述装置可以规定如下:
本发明描述了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反应器中的装置,所述催化剂由占据位于内管与外管之间的至少一部分环形空间的固体颗粒构成,这两个管的组装件构成嵌套管。本发明适用的蒸汽重整交换器-反应器由大约300个相同的具有12至20米高度的嵌套管构成,这一系列嵌套管封装在直径可达10米的壳体中。
位于嵌套管的内管与外管之间的环形空间的宽度为30毫米至80毫米,其高度为12至20米。催化剂粒子通常为具有大约5毫米至20毫米的高度和大约10毫米至20毫米的直径的圆柱体形式。
由此方式划定的环形空间可以是一体的或使用被称作“定心器”的系统(其可用于最初将内管5固定在外管6的中心)分成几个基本相等的扇区。因此,扇区是指与环形截面的清楚划定的部分对应并贯穿所述环形空间的整个高度的一部分环形空间。
本发明的装填装置由如下构成:
·以规则方式沿环形空间4的长度垂直分布的一系列螺旋元件7,各螺旋元件7具有1至1.5个螺距,优选1至1.3个螺距的长度,且元件7间隔50厘米至150厘米的垂直距离;
·所述螺旋元件7经由链条8连接在一起,链条8盘绕在位于要装填的管外的收线机10周围,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环形空间4供料的传送带2上,所述供料借助:
○漏斗3,粒子经其流入环形空间4的内部。
各螺旋元件7为相对于垂线以30°至60°,优选30°至50°的角度α向下倾斜的平面形状。在本发明的装置的一个变体中,螺旋元件可以交替并可以根据倾斜平面的旋转方向为“左旋”和“右旋”类型的。
当由于外管6的区段具有从上到下递减的内径而改变环形空间4的壁的直径时,提供在其最接近环形空间4的壁的末端带有由橡胶形成的唇缘的螺旋元件7的系统,这可用于调节倾斜平面的宽度以实现与环形空间4的内壁的接触。
为了促进该装置在环形区内下降,可以为第一螺旋元件配备重物,其可用于克服橡胶唇缘在外管6的壁上的摩擦。第一螺旋元件7是始终最靠近形成中的催化床的表面的螺旋元件。
关于使用上述装置的装填方法,其可以由下列步骤描述:
·所述装填系统最初盘绕在外部收线机10上,进料斗1装有固体;
·然后将所述装填系统经环形区4的上部逐渐引入环形区4直至螺旋元件7距离管底部50厘米至100厘米;
·启动传送带2以提供250千克/小时至500千克/小时的固体流速;
·随着和在装填管时,以一种方式借助外部收线机10从环形区4中上提所述装填系统以保持最后一个导向板与逐渐构成的床的表面之间的恒定距离。这一距离为50厘米至100厘米。所述系统因此以0.2米/分钟至0.4米/分钟的等于管装填速度的速度卷起;
·在装填过程中,如果其体积小于管的体积,进料斗1可以再加料。可以在停止或不停止装填的情况下进行这一操作;
·一旦所述管已装满且所述装填系统已卷起,移动所述系统以装填下一个管;
·借助嵌套管的两个点之间的压降测量检查装填的操作伴随着该装填操作,但在本文中未作描述,因为它们被视为技术人员熟悉的。
本发明的实施例
在由外径42毫米的内管和内径128.1毫米的外管构成的实验用的2米高的柱上用由两个具有相同旋转方向的螺旋元件构成的本发明的装置进行装填试验。
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。
将两个具有200毫米高度且相对于垂线的倾斜角为50°的螺旋元件彼此相距60厘米引入该柱中。
第一螺旋元件与形成中的床表面之间的距离在装填过程中保持在50厘米。因此,该装置以0.2米/分钟的速度不断上提。
一旦该床已装填好,以116 Nm3/h的空气流速测量ΔP。
在卸料后,分离出破碎的粒子。观察破碎百分比并且非常低,大约1%。
装填结果显示在下表1中。
用本发明的装置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± 1%)。
最大装填时间为5分钟/米,这相当于12米管大约1小时的时间(在大约200千克/小时的固体流速下)。
装填密度为959千克/小时,这在进行的所有装填操作中可再现。
表1: 在1米高的柱上用螺旋系统装填的结果. 用于压降测量的空气流速 = 116Nm3/h.
装填时间(min) 卸料时间(min) 振动输送机速度 固体高度 (cm) 装填密度(kg/m3) 压降(mm H2O) 标准偏差
4'40" 7'20" 4 102 959 208 -0.97%
4'30" 7'00" 4 102 959 206 0.00%
5'00" 9'19" 4 102 959 204 0.97%
4'50" 7'55" 4 102 959 206 0.00%
4'20" 8'10" 4 102 959 206 0.00%

Claims (8)

1.适用于由封装在壳体中的多个嵌套管构成的蒸汽重整交换器-反应器的用于致密装填催化剂的装置,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,所述内管与所述外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毫米的高度和10毫米至20毫米的直径的圆柱体形式,所述装置由如下构成:
·以规则方式沿环形空间(4)的长度垂直分布的一系列无轴螺旋元件(7),其具有1至1.5个螺距的长度,所述元件以50厘米至150厘米的垂直距离隔开;
·所述螺旋元件(7)经由链条(8)连接在一起,链条(8)盘绕在位于要装填的管外的收线机(10)周围,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环形空间(4)供料的传送带(2)上,所述供料借助:
○漏斗(3),粒子经其流入环形空间(4)的内部。
2.根据权利要求1所述的用于致密装填催化剂的装置,其中各螺旋元件具有1个螺距至1.3个螺距的长度。
3.根据权利要求1所述的用于致密装填催化剂的装置,其中各螺旋元件(7)为相对于垂线以30°至50°的角度α向下倾斜的平面形式。
4.根据权利要求1所述的用于致密装填催化剂的装置,其中两个相继螺旋元件(7)具有相反旋转方向,一个为“左旋”,另一个为“右旋”。
5.根据权利要求1所述的用于致密装填催化剂的装置,其中当环形空间(4)的壁的直径由于外管(6)的区段的内径而改变时,提供在其最接近环形空间(4)的壁的末端带有由橡胶形成的唇缘的螺旋元件(7)系统,这能用于以一种方式调节倾斜平面的宽度以实现与环形空间(4)的内壁的接触。
6.根据权利要求5所述的用于致密装填催化剂的装置,其中为最靠近粒子床的第一螺旋元件配备重物,其能够用于克服橡胶唇缘在外管(6)的壁上的摩擦。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的用于致密装填催化剂的装置,其中所述螺旋元件(7)具有1至1.3个螺距的长度。
8.使用根据权利要求1所述的用于致密装填催化剂的装置装填催化剂的方法,其特征在于下述一系列步骤:
·所述装置最初盘绕在外部收线机(10)上,进料斗(1)装有固体;
·然后将所述装置经环形空间(4)的上部逐渐引入环形空间(4)直至第一螺旋元件(7)距离管底部50厘米至100厘米;
·启动传送带(2)以提供250千克/小时至500千克/小时的固体流速,所述粒子经由漏斗(3)引入环形空间(4)中;
·随着环形空间(4)被装填,以一种方式借助外部收线机(10)在环形空间(4)中上提所述装置以保持第一螺旋元件与逐渐构成的床的表面之间的恒定距离,所述距离为50厘米至100厘米;
·所述装置以0.2米/分钟至0.4米/分钟的等于管装填速度的速度卷起;
·一旦所述管已装满且所述装置已卷起,移动所述装置以装填下一个管。
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