CN106132532B - 组合了良好的机械强度和良好的流体分配的催化反应器的几何结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种紧凑型催化反应器，该反应器包含至少三个板，在每个板上，具有至少一个促进热交换的毫米通道区域以及至少一个在该毫米通道区域的上游和/或下游的分配区域，这些通道通过壁隔开。这些分配区域的特征在于：在气体流的流入侧上或在其流出侧上沿着该分配区域的壁的不连续性；以及在气体流的流入侧上或在其流出侧上沿着该分配区域的壁的宽度的增加。

Description

组合了良好的机械强度和良好的流体分配的催化反应器的几 何结构
本发明涉及用于生产合成气的催化反应器的几何结构。
用于生产合成气的最常见方法是甲烷的蒸汽重整。该反应是催化的并且吸热的。在工业上，该反应在固定床中在催化剂填充的管内进行。为了提供该反应所必需的热量，这些管被放置在炉中。该反应所必需的能量因此通过燃烧获得并且主要通过辐射被输送到这些管中。因此，该合成气在高温下、总体上在750℃与950℃之间获得。一种已经非常常见的优化提出在紧凑型反应器内进行该反应以便降低通过燃烧所消耗的热能。一种紧凑型反应器是其中物质和热量的交换由于几何结构而被加强的反应器，在该几何结构中特征尺寸如水力直径是毫米的量级。被提出用于生产合成气的紧凑型反应器由大量毫米通路(称为“通道”)构成，这些通路借助于“壁”形成。随后，术语“壁”将被理解为是指在两个连贯通道之间的分隔物。这些通道分布在板上。然后组装这些板以便形成微型反应器。因此，这些壁还使得有可能将该反应器的两个板连接在一起并且因此对该设备的机械强度具有直接影响。使用这种类型的设备的问题之一是流体在该反应器的入口处的分配。确实，为了处理工业流体流动，需要大量的毫米通路。这些流体在入口处的较差分配对热交换、对催化剂的沉积的均匀性(涂覆沉积法)、对转化等具有不利影响。该分配区域的创建因此是在这种类型的交换反应器的设计中的关键步骤；它必须即确保这些流体在全部通道中的均匀分配，同时又具有保持与由该设备所经受的显著的机械应力相容的结构。最终，重要的是指出差的分配加强使该交换器-反应器上的热梯度，由此增加其上的机械应力，这可能降低其使用寿命。
为了具有在这些通道的取向上的最好的流体分配均匀性的解决方案包括无壁的分配区域。然而，这种分配区域的组件的机械强度不强。关于用于生产合成气的方法的应用，每个板之间的压力差可以是大于15巴并且在该分配区域中的温度是最多650℃。用于增强在该分配区域中整个组件的机械强度的“最简单的”解决方案在于添加与毫米通道区域中相同尺寸的简单的壁并且与这些通道形成角度(如在来自图1的实例中：具有“直”壁的分配室的构造的实例)。
尽管分配器的这种几何结构使得有可能增强在该分配区域中的交换器-反应器的机械强度，但在流体分配方面的性能是有争议的：
-过度严重的变窄导致在这些通道之间存在压力梯度，
-由于这些壁在该分配区域与这些通道之间是连续的，这些通道的压力不能重新平衡，
-这导致这些通道中的流体速度的显著差异以及因此这些流体在这些通道中的不均匀分配。
这两个实例已经使得有可能说明与交换器-反应器的分配区域的设计相关的挑战和难度。由此，该分配区域必须允许这些流体在这些通道中的均匀分配，同时提供高的接触面积，以便确保整个结构化区块的机械强度。最后，必须优化这些腔室相对于这些板的相对长度，以便最小化其尺寸并且最大化这些直通道的长度，这使得有可能优化该反应器的生产成本。
从这里开始，面临的一个问题是提供一种具有良好的机械强度和流体的均匀分配二者的催化反应器。
本发明的解决方案是一种紧凑型催化反应器，该反应器包含至少3个板，在每个板上，具有至少一个促进热交换的毫米通道区域以及至少一个在该毫米通道区域的上游和/或下游的分配区域，这些通道通过壁隔开，这些分配区域的特征在于：
-在气体流入口侧或出口侧上沿着该分配区域的壁的不连续性；以及
-在该气体流入口侧或出口侧上沿着该分配区域的壁的宽度的增加。
本发明具体地涉及该紧凑型催化反应器的分配区域。这些分配室的构造是基于“扇形的”逐渐分枝的树枝状结构(见图2)。
应该注意：
-在该气体流入口侧或出口侧上沿着该分配区域的壁的不连续性使得实现在这些通道之间的压力重新平衡，并且
-在接近这些气体流的入口或出口时沿着该分配区域的壁的宽度的增加使得有可能增加在这些板之间的接触面积并且因此增加机械强度。
视情况而定，根据本发明的反应器可以具有以下特征中的一项或多项：
-在这些气体流的入口或出口附近的壁具有椭圆形形状并且在该毫米通道区域的方向上具有其宽度的增加；应该注意，这种椭圆形形状使得有可能局部地避免存在高速度的气体流；
-具有椭圆形形状的壁的壁宽度与通道宽度的比率大于或等于毫米通道区域的壁的壁宽度与通道宽度的比率；
-该分配区域的长度占该板的最多1/3；
-所述反应器包含至少一个第一板，该第一板包含至少一个分配区域和至少一个毫米通道区域以便使气体流在至少高于700℃的温度下循环，使得该气体流提供催化反应所必需的一部分热量；至少一个第二板，该第二板包含至少一个分配区域和至少一个毫米通道区域以便使反应性气体流在该催化剂覆盖的毫米通道的长度方向上循环以便使该气体流进行反应；至少一个第三板，该第三板包含至少一个分配区域和至少一个毫米通道区域以便使在该第二板上产生的气体流循环，使得该气体流提供催化反应所必需的一部分热量；其中在该第二板和该第三板上有系统，使得所产生的气体流可以从该第二板循环到该第三板。
该催化反应可以是甲烷蒸汽重整反应。
应该注意，在接近毫米通道区域时这些通道之间的壁的数量的增加使得能够既很好地循环该流体，同时出于装配要求还保证与上部板的良好的接触面积。
本发明的另一个主题是一种使用根据本发明的催化反应器用于生产合成气的方法。
在以下描述根据本发明的紧凑型催化反应器的一个实例。
基本模块由两个第一板构成，在这些板中热气循环以便提供反应所必需的热量。置于这两个第一板之间的是两个第二板，这两个第二板覆盖有催化剂并且在其中反应发生。置于这两个第二板之间的是一个第三板，在该第三板中产生的合成气循环，同时为反应提供热量。多个孔被置于该最后一个板的末端并且置于这些反应性板中最高的末端，以便使所产生的合成气从这些“反应性”板传递到该第三板。提供反应所必需的热量的热气是通过燃烧产生的。
在该微型反应器的入口处的反应物和燃烧气体的均匀分配对于增加在这些反应物与这些燃烧气体之间的热传递是重要的。因此，所描述的基本模块的这些板的几何结构的特征在于：
-毫米通道在该气体流分配侧上的板的至少1/4长度内合并成有限数量的通道，
-在这些毫米通道合并的该板的1/4长度内，在达到该进料气体流入口之前，将毫米通道的数量第一次除以2，然后第二次除以2，
-在该板的至少3/4长度内，这些毫米通道是直线的并且平行的，
-在该气体流分配侧上的板的至少1/4长度内，这些壁具有椭圆形形状，同时在该气体流入口或出口侧的末端是更窄的，
-在该气体流分配侧上的板的至少1/4长度内，这些壁的宽度/这些通道的宽度的比率大于或等于在该第二板上的剩余3/4上测量的这些壁的宽度/这些通道的宽度的比率。
本发明提出了这些板的分配区域的一种构造，该构造使得有可能：
-确保这些流体在该交换器-反应器的全部通道中的均匀分配，
-在该涂覆阶段期间使得催化剂能够在这些反应性板上均匀沉积，
-加强热交换，
-获得高压和高温操作条件所必需的机械强度。
这些反应性气体的分配的均匀性通过这些壁的不连续性保证，该不连续性形成用于在这些通道之间混合气体并且使这些驱动压力重新平衡的区域。将同一构造施加在该入口和出口上并且这种对称性还改进了该流动的均匀性。
在这些气体的入口和出口处这些壁的宽度的增加以及沿着该壁随着该壁的宽度增加的椭圆形形状增加保证了机械强度的均匀性。该壁中的拉伸应力由该通道(在两个相邻的壁之间的空间)中的压力引起。由于该壁/通道宽度的比率保持大于或等于这些直通道区域的壁/通道宽度的比率，所以保证了机械强度的均匀性。此外，这些壁的椭圆形形状增加了在两个板之间的接触面积，这使得有可能改进这些板的组装以及整个组件的机械强度。
由此，确定以上陈述的这些分配区域的创新性构造以便保证这些流体在这些通道中的均匀分配以及还有该交换器-反应器的良好的机械强度。有可能通过具有直壁的构造以及根据本发明的具有“扇形的”逐渐分枝的树枝状结构的构造的这些“反应性”板的数值流体力学模拟的结果来说明这种特定构造的性能。
在图3(具有直壁的分配室的实例；压力场(在顶部)和流体速度(在底部))中，有可能看到在各种通道之间的压力梯度的存在以及还有在这些通道中的流体流动速度的差异。这导致了在这些通道中的流体的较差分配，这将降低该设备的性能。在图4(根据本发明的分配室的实例；压力场(在顶部)和流体速度(在底部))中，其中该分配室是根据本发明设计的，有可能观察到流体流动速率在这些通道中实际上均匀的分配。

Claims (6)

1.一种紧凑型催化反应器，该反应器包含至少3个板，在每个板上，具有至少一个促进热交换的毫米通道区域以及至少一个在该毫米通道区域的上游和/或下游的分配区域，这些通道通过壁隔开，这些分配区域的特征在于：
-在该分配区域与该促进热交换的毫米通道区域之间的通道的连续性；
-在气体流入口侧或出口侧上沿着该分配区域的壁的不连续性；以及-在该气体流入口侧或出口侧上沿着该分配区域的壁的宽度的增加。
2.如权利要求1所述的紧凑型催化反应器，其特征在于，在这些气体流的入口或出口附近的壁具有椭圆形形状并且在该毫米通道区域的方向上具有其宽度的增加。
3.如权利要求2所述的紧凑型催化反应器，其特征在于，具有椭圆形形状的壁的壁宽度与通道宽度的比率大于或等于该毫米通道区域的壁的壁宽度与通道宽度的比率。
4.如权利要求1至3之一所述的紧凑型催化反应器，其特征在于，该分配区域的长度占该板的最多1/3。
5.如权利要求1至3之一所述的紧凑型催化反应器，包含：
-至少一个第一板，该第一板包含至少一个分配区域和至少一个毫米通道区域以便使气体流在高于700℃的温度下循环，使得该气体流提供催化反应所必需的一部分热量，
-至少一个第二板，该第二板包含至少一个分配区域和至少一个毫米通道区域以便使反应性气体流在该催化剂覆盖的毫米通道的长度方向上循环以便使该气体流进行反应，
-至少一个第三板，该第三板包含至少一个分配区域和至少一个毫米通道区域以便使在该第二板上产生的气体流循环，使得该气体流提供催化反应所必需的一部分热量；其中在该第二板和该第三板上有系统，使得所产生的气体流可以从该第二板循环到该第三板。
6.一种使用如权利要求1至5之一所述的催化反应器来生产合成气的方法。
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