CN108187590B - 一种重整反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种重整反应器，其包括重整反应腔体，其特征在于，所述重整反应腔体包括：反应物入口；反应产物出口；催化反应通道，设置为与所述反应物入口和所述反应产物出口连通；以及加热通道，所述加热通道为多个，其围绕所述催化反应通道设置，以对所述催化反应通道的至少两侧加热。本发明的重整反应器通过对催化反应通道的多侧加热，使催化反应通道中的催化剂受热更均匀，进而催化剂的性能更加稳定，延长了催化剂的使用寿命。

Description

一种重整反应器

技术领域

本发明涉及反应器的技术领域，具体而言，涉及需要提供热量进行反应的重整反应器。

背景技术

目前，在需要热量进行反应的列管式重整反应器中，通过燃料燃烧或通入热流体的方式对反应器加热，为重整反应提供热量。然而，无论传统的列管式反应器采用环形还是矩形等形式，均采用集中供热的方式向重整反应器供热。但是，这种方式会导致接触热源的一侧温度高，远离热源的一侧的温度偏低，从而导致难以将反应器控制在合适的反应温度，严重缩短了催化剂的寿命。例如，图6示出了现有技术的环形列管式重整反应器，多个催化反应通道31设置在重整反应器的外圆周，并且燃烧加热通道32设置在重整反应器的中心，以对催化反应通道31的内侧加热。虽然重整反应器的主体采用导热性能较好的材质制成，但是催化反应通道31内的催化剂仍不能被均匀加热。

鉴于上述技术问题，期望提供一种重整反应器，使列管式重整反应器内部的催化受热更加均匀，提高催化剂的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种重整反应器，以克服现有技术的问题。

为此，本发明提供了一种重整反应器，其包括重整反应腔体，其中，所述重整反应腔体包括：

反应物入口；

反应产物出口；

催化反应通道，设置为与所述反应物入口和所述反应产物出口连通；以及

加热通道，所述加热通道为多个，其围绕所述催化反应通道设置，以对所述催化反应通道的至少两侧加热。

本发明的重整反应器的优点是，通过对催化反应通道的至少两侧加热，使催化反应通道均匀受热，从而使重整反应器内的热量分布基本均匀，保证了催化剂在稳定的温度条件下工作，延长了催化剂的使用寿命。此外，本发明的重整反应器反应稳定，低噪音，可广泛应用于各类重整反应。

附图说明

现将参照附图详细地描述本发明的优点、特征，在附图中，各部件未必按比例绘制，其中：

图1例示了根据本发明的重整反应器的一个实施方案的立体视图；

图2和图3例示了图1中的重整反应器的俯视横截面图；

图4例示了根据本发明的重整反应器的一个实施方案的立体视图；

图5例示了图4中的重整反应器的竖向剖面视图；

图6例示了现有技术的重整反应器的横截面的热量分布图；

图7例示了图1中的重整反应器的透视热量分布图；

图8例示了图4中的重整反应器的内圈的一个实施例的立体视图；

图9例示了图4中的重整反应器的内圈的另一个实施例的立体视图；以及

图10(a)-图10(d)分别例示了图4中的重整反应器在内圈螺纹线上(a)没有设置开孔、(b)设置有5mm的竖直开孔、(c)设置有7mm的竖直开孔和(d)设置有5mm的斜开孔的情况下催化反应通道中的气体流速的曲线分布图。

具体实施方式

通过下面的具体实施方式，在此描述的这些装置和/或方法和/或其他发明主题的其他方面、特征和优点将变得显而易见。

在本发明中，重整反应器的形状例如可为矩形(长方体)、环形(圆柱形)或其他适用形状。在描述本发明时，各个部件的位置按照其在实际使用时的定位确定上下方向、方位以及侧面。

在本发明的一个实施方案中，提供了一种重整反应器，其可以包括重整反应腔体，其中所述重整反应腔体可以包括：反应物入口，反应产物出口，催化反应通道，以及加热通道，所述催化反应通道可以设置为与所述反应物入口和所述反应产物出口连通，所述加热通道为多个，其围绕所述催化反应通道设置，以对所述催化反应通道的至少两侧加热。

这样，所述催化反应通道中的催化剂受热更均匀。

根据本发明的一个优选实施方案，其中，所述反应物入口可以设置在所述重整反应腔体侧面的下部；所述反应产物出口可以设置在所述重整反应腔体侧面的上部；其中反应物从所述反应物入口进入所述催化反应通道进行重整反应，产生的反应产物从反应产物出口输出。优选地，所述反应物是甲醇和水蒸汽。

根据本发明的一个优选实施方案，所述重整反应器还可以包括气体预混腔体，所述气体预混腔体可以设置在所述重整反应腔体的底部并且与所述加热通道连通，其中所述气体预混腔体的底端设置有空气入口，所述气体预混腔体的侧面设置有燃料入口。从所述空气入口输入的空气和从所述燃料入口输入的燃烧介质在所述气体预混腔体中混合燃烧，从而产生高温热气流，产生的热气流进入所述加热通道对相邻的催化反应通道加热，并且进入所述加热通道的热气流在其中继续燃烧，以保证催化反应通道中催化剂的催化反应温度。

根据本发明的一个优选实施方案，所述重整反应器还可以包括气体排放腔体，所述气体排放腔体可以设置在所述重整反应腔体的顶部并且与所述加热通道连通，其中所述气体排放腔体的顶部设置有气体排放出口。所述加热通道中的热气流从所述加热通道的顶部离开，进入所述气体排放腔体，最终通过所述气体排放出口排放出(离开)所述重整反应器。

根据本发明的一个优选实施方案，其中，所述催化反应通道可以设置为并联的多个长孔，所述多个长孔的中部互相连通。

根据本发明的一个优选实施方案，其中，在相邻长孔之间所形成的空间中设置多个加热通道以对长孔的侧面加热。

根据本发明的另一个优选实施方案，其中，所述催化反应通道可以设置为由外侧套管和具有突出螺纹线的内圈形成的单个螺旋通道。通过螺旋单通道的设置，反应物与每一段催化反应通道中的催化剂充分接触，从而使得催化剂的性能得到充分地利用。

根据本发明的一个优选实施方案，在所述催化反应通道外侧的所述外侧套管中可以设置多个外侧加热通道，并且在所述催化反应通道内侧的所述内圈中设置多个内侧加热通道。

根据本发明的一个优选实施方案，其中，所述多个外侧加热通道和所述多个内侧加热通道可以设置为沿着与所述催化反应通道的螺旋同心的大小两个同心圆布置的多个圆孔。

根据本发明的一个优选实施方案，其中，所述重整反应器的主体可以采用铝合金材料。

根据本发明的一个优选实施方案，其中，所述外侧套管和所述内圈之间的配合关系为间隙配合D102H7/g6。D102H7/g6表示孔的直径是102mm，孔的公差为H7(其下偏差为0，上偏差为+0.035)，轴的公差为g6(其下偏差为-0.034，上偏差为-0.012)。如果间隙过大，可能使所述外侧加热通道和所述内侧加热通道中的热量传递到所述催化反应通道中的相对远端更加困难，从而导致受热不均。如果间隙过小，可能使安装、加工以及催化剂装填更加困难。

根据本发明的一个优选实施方案，其中，所述突出螺纹线之间的间距与所述突出螺纹线的突出高度之比在2比1至6比1之间，优选地是4比1。如果所述间距和所述突出高度之比过大，可能导致反应物不按照螺旋路径行径，从而未能充分接触和利用螺旋通道中的所有催化剂。如果所述间距与所述突出高度之比过小，则使得单位体积装填的催化剂更少，从而影响催化产量。

虽然单个螺旋通道的实施方案保证了反应物与催化剂充分接触，从而充分利用了催化剂的性能；但是与催化反应通道设置为并联的多个长孔的实施方案相比，反应物入口和反应产物出口之间的压降更大，使得催化反应条件更不稳定。

根据本发明的一个优选实施方案，其中，所述突出螺纹线上设置有开孔。通过设置的开孔，可以使反应物入口和反应产物出口之间的压降减小。优选地，所述开孔是竖直孔。更优选地，所述开孔是顺从于所述单个螺旋通道的螺旋上升方向的斜开孔。与所述竖直孔相比，所述斜开孔可以使反应物入口和反应产物出口之间的压降更低，并且所述催化反应通道中的流速波动更小。

根据本发明的一个优选实施方案，其中，所述开孔的直径小于等于5mm。开孔的直径更大可能会导致流速波动更大，从而不能充分地利用每一段催化反应通道中的催化剂。

本发明的重整反应器可以适用于多种重整反应，优选地，适用于甲醇重整制氢反应。

以下结合附图，对本发明的具体实施方案作说明，在附图中，相似的附图标记通常指代相似的部件，除非上下文中另行指出。在具体实施方式、附图和权利要求书中所描述的示意性实施例并非旨在限制本发明。

图1、图2和图3例示了根据本发明的重整反应器的一个实施方案的立体视图和俯视横截面图。如图1所示，重整反应器10为矩形，从下到上分别设置气体预混腔体、重整反应腔体和气体排放腔体，其中在气体预混腔体的底端设置了空气入口14，在气体预混腔体的侧面设置了燃料入口15，在重整反应腔体侧面的下部设置了反应物入口16，在重整反应腔体侧面的上部设置了反应产物出口17，在气体排放腔体的顶部设置了气体排放出口18。

如图2和图3所示，重整反应腔体包括催化反应通道11(图2中填充区域)和加热通道12，催化反应通道11设置为与所述反应物入口16和所述反应产物出口17连通，反应物从所述反应物入口16进入催化反应通道11通过其中的催化剂进行重整反应，产生的反应产物从反应产物出口17输出。加热通道12的两端分别与气体预混腔体和气体排放腔体连通，通过这样的布置，从空气入口14输入的空气和从燃料入口15输入的燃烧介质在气体预混腔体中混合燃烧，从而产生高温热气流，产生的热气流进入重整反应腔体的加热通道12对相邻的催化反应通道11加热，并且进入加热通道12的热气流在其中继续燃烧，以保证催化反应通道11中催化剂的催化反应温度。加热通道12中的热气流从加热通道11的顶部离开，进入气体排放腔体，最终通过气体排放出口17排放出重整反应器10。

从图3中可见，催化反应通道11设置为并联的多个长孔，所述多个长孔的中部互相连通，所述加热通道12为多个，其设置在催化反应通道11的相邻长孔之间所形成的空间中，以对所述催化反应通道的至少两侧加热。

这样，所述催化反应通道中的催化剂受热更均匀，从而使重整反应器内的热量分布基本均匀，保证了催化剂在稳定的温度条件下工作，延长了催化剂的使用寿命。

图4和图5例示了根据本发明的重整反应器的另一个实施方案的立体视图和竖向剖面视图。如图4所示，重整反应器20为圆柱形，其中气体预混腔体、重整反应腔体和气体排放腔体以及空气入口24、燃料入口25、反应物入口26、所述反应产物出口27和气体排放出口28与图1中的实施方案类似，在此不再累述。在图5中的实施方案中，与图1中的实施方案不同，催化反应通道21设置为由外侧套管和具有突出螺纹线的内圈形成的单个螺旋通道。在催化反应通道21外侧的外侧套管中设置多个外侧加热通道22，并且在所述催化反应通道21内侧的内圈中设置多个内侧加热通道23，从而对催化反应通道21的内外两侧加热。具体地，外侧加热通道22和内侧加热通道23设置为多个圆孔，其中外侧加热通道22沿着与催化反应通道21的螺旋同心的大同心圆布置，并且内侧加热通道23沿着与催化反应通道21的螺旋同心的小同心圆布置。

在螺旋单通道形式的催化反应通道21中，反应物与每一段催化反应通道中的催化剂充分接触，从而使得催化剂的性能得到充分地利用。此外，通过同时对催化反应通道21的内侧面和外侧面加热，使得催化反应通道21受热更均匀，从而使重整反应器内的热量分布基本均匀，保证了催化剂在稳定的温度条件下工作，延长了催化剂的使用寿命。

优选地，外侧套管和内圈之间的配合关系为间隙配合D102H7/g6。如果间隙过大，可能使外侧加热通道和内侧加热通道中的热量传递到催化反应通道中的相对远端更加困难，从而导致受热不均。如果间隙过小，可能使安装、加工以及催化剂装填更加困难。

图6例示了现有技术的重整反应器的横截面的热量分布图，图7例示了图1中的重整反应器的透视热量分布图。如图6所示，催化反应通道31设置在重整反应器的外圆周，并且燃烧加热通道32设置在重整反应器的中心，以对催化反应通道31的内侧加热，靠近燃烧加热通道32的内侧与其外侧的温度较大。与之对比，如图7所示，图1中的重整反应器10通过围绕催化反应通道11设置的加热通道12对催化反应通道11的多侧加热，使得经过一段高度的热传导之后，催化反应通道11中的热量分布立刻达到基本均匀的状态。

虽然单个螺旋通道的实施方案保证了反应物与催化剂充分接触，从而充分利用了催化剂的性能；但是与图3的实施方案相比，反应物入口和反应产物出口之间的压降更大，使得催化反应条件更不稳定。图8例示了图4中的重整反应器的内圈的一个实施例的立体视图，其中内圈的螺纹线上设置有竖直开孔，突出的螺纹线之间的间距优选地为21mm。所述突出螺纹线之间的间距与所述突出螺纹线的突出高度之比在2比1至6比1之间，优选地是4比1。如果所述间距和所述突出高度之比过大，可能导致反应物不按照螺旋路径行径，从而未能充分接触和利用螺旋通道中的所有催化剂。如果所述间距和所述突出高度之比过小，则使得单位体积装填的催化剂更少，从而影响催化产量。图9例示了图4中的重整反应器的内圈的另一个实施例的立体视图，其中内圈的螺纹线上设置有顺从于单个螺旋通道的螺旋上升方向的斜开孔。图10(a)-图10(d)分别例示了图4中的重整反应器在内圈螺纹线上(a)没有设置开孔、(b)设置有5mm的竖直开孔、(c)设置有7mm的竖直开孔和(d)设置有5mm的斜开孔的情况下催化反应通道中的气体流速的曲线分布图。在图10(a)的情况下，反应物入口和反应产物出口之间的压降为0.15pa；在图10(b)和图10(c)的情况下，反应物入口和反应产物出口之间的压降为0.06pa；在图10(d)的情况下，反应物入口和反应产物出口之间的压降为0.04pa。因此，斜开孔是优选的，如图10(a)-图10(d)所示，与竖直孔相比，斜开孔可以使反应物入口和反应产物出口之间的压降更低，并且催化反应通道中的流速波动更小。此外，开孔的直径大于5mm可能会导致流速波动更大，从而不能充分地利用每一段催化反应通道中的催化剂。

优选地，本发明的重整反应器的主体采用铝合金材料，以使得重整反应器具有良好的热传导性和经济性。本发明的重整反应器可以适用于多种重整反应，优选地，适用于甲醇重整制氢反应。

本发明的重整反应器通过对催化反应通道的多个面加热，使催化反应通道中的催化剂受热更均匀，进而催化剂的性能更加稳定，延长了催化剂的使用寿命。此外，本发明的重整反应器具有体积小，反应稳定，低噪音的优点，可广泛应用于各类重整反应。

虽然在上文展示和描述了多种优选实施方案，但对本领域技术人员显而易见的是，可以在不背离所附权利要求书所定义的本发明范围的前提下作出修改和变化。

Claims (16)

1.一种重整反应器(10；20)，其包括重整反应腔体，其特征在于，所述重整反应器(10；20)是列管式重整反应器并且所述重整反应腔体包括：

反应物入口(16；26)；

反应产物出口(17；27)；

催化反应通道(11；21)，设置为与所述反应物入口(16；26)和所述反应产物出口(17；27)连通；以及

加热通道(12；22，23)，所述加热通道(12；22，23)为多个直通孔，其围绕所述催化反应通道(11；21)设置，以对所述催化反应通道(11；21)的至少两侧加热；

其中所述重整反应器还包括气体预混腔体，所述气体预混腔体设置在所述重整反应腔体的底部并且与所述加热通道(12；22，23)连通，其中所述气体预混腔体的底端设置有空气入口(14；24)，所述气体预混腔体的侧面设置有燃料入口(15；25)；并且

其中所述重整反应器还包括气体排放腔体，所述气体排放腔体设置在所述重整反应腔体的顶部并且与所述加热通道(12；22，23)连通。

2.根据权利要求1所述的重整反应器(10；20)，其特征在于，

所述反应物入口(16；26)设置在所述重整反应腔体侧面的下部；

所述反应产物出口(17；27)设置在所述重整反应腔体侧面的上部；

其中反应物从所述反应物入口(16；26)进入所述催化反应通道(11；21)进行重整反应，产生的反应产物从反应产物出口(17；27)输出。

3.根据权利要求1或2所述的重整反应器(10；20)，其特征在于，所述气体排放腔体的顶部设置有气体排放出口(18；28)。

4.根据权利要求1或2所述的重整反应器(10)，其特征在于，所述催化反应通道(11)设置为并联的多个长孔，所述多个长孔的中部互相连通。

5.根据权利要求4所述的重整反应器(10)，其特征在于，在相邻长孔之间所形成的空间中设置多个加热通道(12)以对长孔的侧面加热。

6.根据权利要求1或2所述的重整反应器(20)，其特征在于，所述催化反应通道(21)设置为由外侧套管和具有突出螺纹线的内圈形成的单个螺旋通道。

7.根据权利要求6所述的重整反应器(20)，其特征在于，在所述催化反应通道(21)外侧的所述外侧套管中设置多个外侧加热通道(22)，并且在所述催化反应通道(21)内侧的所述内圈中设置多个内侧加热通道(23)。

8.根据权利要求7所述的重整反应器(20)，其特征在于，所述多个外侧加热通道(22)和所述多个内侧加热通道(23)设置为沿着与所述催化反应通道(21)的螺旋同心的大小两个同心圆布置的多个圆孔。

9.根据权利要求1或2所述的重整反应器(10；20)，其特征在于，所述重整反应器(10；20)的主体采用铝合金材料。

10.根据权利要求6所述的重整反应器(20)，其特征在于，所述外侧套管和所述内圈之间的配合关系为间隙配合D102H7/g6。

11.根据权利要求6所述的重整反应器(20)，其特征在于，所述突出螺纹线之间的间距与所述突出螺纹线的突出高度之比在2比1至6比1之间。

12.根据权利要求11所述的重整反应器(20)，其特征在于，所述突出螺纹线之间的间距与所述突出螺纹线的突出高度之比是4比1。

13.根据权利要求6所述的重整反应器(20)，其特征在于，所述突出螺纹线上设置有开孔。

14.根据权利要求13所述的重整反应器(20)，其特征在于，所述开孔是竖直孔。

15.根据权利要求13所述的重整反应器(20)，其特征在于，所述开孔是顺从于所述单个螺旋通道的螺旋上升方向的斜开孔。

16.根据权利要求13所述的重整反应器(20)，其特征在于，所述开孔的直径小于等于5mm。

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