CN109070035B - 感应加热反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于执行吸热催化反应的管式热交换反应器。该管式热交换反应器包括：外管，具有第一端和第二端，其中第一端是入口端，并且其中第二端是封闭端；内管，同轴地布置在外管内并与外管间隔开，其中内管的至少一部分保持易受感应加热影响的催化剂材料的床，并且其中内管具有入口端和出口端；感应线圈，设置在限于外管与内管之间的环形空间内；电源，被布置为将交流电供应到感应线圈，以在内管的至少一部分内生成交变磁场。管式热交换反应器被布置为允许工艺气体流被引导到外管的入口端中并在限于外管与内管之间的环形空间中朝向外管的第二端流动并流到内管中，其中所述工艺气体到达催化剂材料的床并经历产生生成气体的吸热反应。

Description

感应加热反应器
技术领域
本发明的实施例主要涉及一种用于执行吸热催化反应的管式热交换反应器以及管式热交换反应器用于执行吸热催化反应的应用。
背景技术
执行吸热反应经常受到如何有效地将热传递到反应器单元内的催化剂床的反应区的挑战。通过对流、传导和/或辐射的传统热传递非常缓慢且一般要满足许多构造中的大的耐热性。该挑战可利用蒸汽重整设备中的管式重整器来描述，其实际上可视作以限速步骤进行热传递的大的热交换器。由于磁场能够穿透许多材料并因此可在反应器单元内部的活性区内直接感应磁性加热，感应加热是可用于规避该挑战的电加热方法。
感应加热是通过磁感应、通过由涡流(还称为涡电流)和/或磁滞损耗在目标中生成热而加热导电目标(通常为金属)的工艺。感应加热器包括电磁体和使高频交流电(AC)穿过电磁体的电子震荡器。快速交变的电磁场穿透目标，在称为涡流的导体内部产生电流。流经材料电阻的涡流通过焦耳加热的方式加热它。涡流加热还称为欧姆加热。在诸如铁等铁磁(和亚铁磁和反铁磁)材料中，通过磁滞损耗而可选地或额外地生成热。这称为铁磁加热。所用的电流频率取决于目标尺寸、材料类型、耦合(在感应线圈与待加热目标之间)和穿透深度。包括弯曲成多个环或绕组的形状的导体的感应线圈是电磁体的示例。
通过感应加热，电能用于生成磁场，该磁场将能量从传导线圈传递到能够吸收电磁能量并将其转化为热的铁磁感受器(ferromagnetic susceptor)。粗略地，从电网提取的电能将用在三个地方：电子震荡器(还称为电力变压器)、线圈和感受器。在振荡器中，一般期望由焦耳加热产生欧姆热损耗。类似地，焦耳加热将采取从感应线圈排出的热的形式来实施能量损耗。在感受器材料中，电能通过磁滞损耗而转变为热。振荡器和感应线圈中的欧姆热损耗通常产生的感应加热系统的热传递效率较低。
本发明描述了集成在热损耗最小化的管式热交换反应器设计中的感应加热系统。
发明内容
本发明的实施例主要涉及一种用于执行吸热催化反应的管式热交换反应器。管式热交换反应器包括具有第一端和第二端的外管，其中第一端是入口端并且其中第二端是封闭端。管式热交换反应器还包括同轴地布置在外管内并与外管间隔开的内管，其中内管的至少一部分保持易受感应加热影响的催化剂材料的床，并且其中内管具有入口端和出口端。管式热交换反应器还包括设置在限于外管与内管之间的环形空间内的感应线圈和被布置为将交流电供应到感应线圈以在内管内的催化剂材料的床的至少一部分内生成交变磁场的电源。管式热交换反应器被布置为允许工艺气流被引导到外管的入口端中，以在限于外管与内管之间的环形空间中朝向外管的第二端流动并流到内管中，从而到达催化剂材料的床并经历产生生成气体的吸热反应。
本发明的反应器是集成的感应加热反应器，在其中供应到感应线圈的能量被有效地用于工艺流的预热或吸热反应的反应。反应器包括卡口形反应器，其中感应线圈设置在外管中并且将供给气体用作线圈的冷却介质，以接收感应线圈的焦耳加热。
在内管内部，加载易受感应加热影响的催化剂材料，以有助于吸热反应的反应。
总体上，本发明描述了热损耗最小化的反应器设计。该构思提供了优化的热利用率，其中除了电源中的功率损耗(这通常为好电源的约5％)以外，供应到感应加热器的所有电能在反应器内部被使用。预期总能量效率为90％至95％。
在一个实施例中，内管被布置为在运转期间允许环形空间中流动的工艺气体与在内管内部流动的生成气体之间进行热交换。因此，内管具有允许工艺气体与生成气体之间进行热交换的构造和材料。因此，来自催化剂床的生成气体流在以相对低的温度离开反应器之前将与供给工艺流进行热交换。该构思可有助于所有必要的能量供应用于吸热反应，从工艺流的预热到催化剂材料的床内的反应热。
在本发明的一个实施例中，管式热交换重整器被设计为提供外管与内管之间的达到5巴的压力差。由于内管与外管之间的压力差相对较低，因此内管的材料可相对自由地选择。例如，内管可以由玻璃或非常薄的钢制成。
在本发明的一个实施例中，在管式热交换反应器的外管的外表面上设置隔热物。通过这种方式，工艺热被保留在反应器内，从而增大整体能量效率。
在本发明的一个实施例中，感应线圈具有沿着管式热交换反应器的纵向轴线的长度，并且其中沿着内管的外表面与感应线圈之间的内管的至少一部分长度设置隔热物。
通过这种方式，从感应器供应的热被集中到催化剂材料。
在本发明的一个实施例中，内管由磁透明材料制成。通过这种方式，内管自身不被磁滞损耗加热。例如，内管可由薄不锈钢或玻璃制成。总体上，由于内管不承压，因此选择内管材料的限制很少。
在本发明的一个实施例中，感应线圈为中空管构造，感应线圈被布置为使得额外的流能够流经中空管。通过这种方式，额外的流可被加热和/或感应线圈可被冷却。额外的流可以是通过流经中空的感应线圈而被因而预热的工艺气体。
在本发明的一个实施例中，易受感应加热影响的催化剂材料包括催化活性微粒和铁磁性材料的混合物。由此，铁磁性材料通过感应而被加热并将热发散到催化活性微粒和存在于催化剂材料的床中的任何气体。
在本发明的一个实施例中，铁磁性材料包括一个或更多个涂覆有氧化物的铁磁性宏观支持体，并且其中氧化物浸渍有所述催化活性微粒，在经历交变磁场时，所述一个或更多个铁磁性宏观支持体易受感应加热影响，并且其中所述一个或更多个铁磁性宏观支持体至少在达到给定温度范围T的上限(最大极限)的温度下是铁磁性的。例如，铁磁性材料可以是钴、铁、镍、亚力克合金(alnico alloy)、铁铬合金、铁钴磁性合金(Permendur)或其组合。温度范围T被视为催化反应的相关温度范围。仅如示例所示，温度范围可以是约400℃与约950℃之间的范围或其子范围。当化学反应是(生成例如氢的)蒸汽重整反应时，温度范围通常从约800℃到约950℃，或其子范围。例如，在使用反应器的蒸汽与碳氢化合物的碳比率为2的情况下，氢的生成在860℃和5巴下可被促进。
适于本发明的吸热化学反应的另一示例是焦油重整反应
Figure BDA0001842499240000041
Figure BDA0001842499240000042
在这种情况下，温度范围优选地处于从约750℃到约950℃的范围内。适于本发明的吸热化学反应的另一示例是逆转的水煤气变换
Figure BDA0001842499240000043
在这种情况下，温度范围通常处于从约400℃到约750℃的范围内。
在本发明的一个实施例中，催化活性微粒和铁磁性材料的粉末被混合并被处理，以提供催化混合物的坯体，所述坯体具有预定的催化剂和铁磁性材料之间的比率。例如，铁磁性材料可以是钴、铁、镍、亚力克合金、铁铬合金、铁钴磁性合金或其组合。
在本发明的一个实施例中，铁磁性材料是浸渍有所述催化活性微粒的多孔铁磁材料。这提供了催化活性微粒与铁磁性材料之间的密切接触，提供了快速和有效的加热。
在本发明的一个实施例中，铁磁性材料包括多个铁磁性坯体，并且其中所述催化活性微粒被浸渍在催化剂载体材料的坯体上，浸渍有催化活性微粒的铁磁性坯体和所述催化剂载体材料的坯体以预定比率混合。
可选地，催化剂材料在支持体上包括铁磁性纳米颗粒成分和催化活性纳米颗粒成分。例如，铁磁性纳米颗粒成分可包括钴，催化活性纳米颗粒成分可包括镍。
在本发明的一个实施例中，感应线圈的材料在下列材料之间选择：铜、康铜、铁铬铝(FeCrAl)合金、镍、锰、铜的合金及其组合。
例如，铁铬铝合金以商标“Kanthal”售卖，镍、锰、铜的合金以商标“Manganin”售卖。感应线圈的材料的示例因它们的低电阻率和高温稳定性而具有优势。本申请还可考虑满足这些要求的其它材料。
在本发明的一个实施例中，限定在外管与内管之间的环形空间包括催化剂材料。
本发明的另一方面涉及根据本发明的管式热交换反应器用于执行吸热催化反应的应用。这可以是下列反应中的一个或更多个：蒸汽重整、烷烃的脱氢、氰化氢生成、碳氢化合物的裂解、甲醇裂解和氨裂解。
附图说明
以示例的方式并且参照附图解释本发明的实施例。值得注意的是，附图仅示出了本发明的实施例的示例，因此不被视为限制其范围，本发明可承认其它等效的实施例。
图1是示出分别由对流/传导和/或辐射加热以及感应加热进行加热的反应器单元的温度曲线的曲线图；
图2、图3和图4示出了本发明的管式热交换反应器的实施例的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参照本发明的实施例。然而，应理解的是，本发明不限于描述的特定实施例。相反，下面的特征和元素的任意组合，无论是否与不同实施例相关，均被考虑实施和实践本发明。
此外，本发明在各个实施例中提供了超越现有技术的许多优点。然而，尽管本发明的实施例可实现超越其它可能的解决方案和/或超越现有技术的优点，但是通过给定实施例是否实现特定优点不是本发明的限制。因此，下面的方案、特征、实施例和优点仅为说明性的，不被视为所附权利要求的元素或限制，除非在一个或多个权利要求中被明确地陈述。同样，对于“本发明”的引用不应该被解释为在此公开的任何发明主题的一般化，并且不应当被看作是所附的权利要求的元素或限制，除非在一个或多个权利要求中被明确地陈述。
图1是示出在反应器单位10内的吸热反应期间分别由对流/传导和/或辐射加热以及感应加热进行加热的反应器单元10的温度曲线的曲线图。图1中的温度曲线与穿过反应器单元10的示意性截面共同指示，该反应器单元具有保持催化剂床14的壁12，该催化剂床具有用于吸热反应的催化剂材料。催化剂床14的催化剂材料易受感应加热的影响。用于加热反应器单元10和/或催化剂床14的装置未示出。在对流、传导和/或辐射加热的情况下，用于加热的装置可以是例如火炉；用于感应加热的装置通常可以是电磁体，例如，感应线圈。温标被表示在图1的右侧处。水平虚线表示催化剂床的中央处的温度为850℃。
虚弧线16表示在由对流/传导和/或辐射加热进行加热时、反应器单元壁处以及催化剂床14内的反应器单元外部的温度，同时实弧线17表示在分别由对流/传导和/或辐射加热以及感应加热进行加热时、在反应器单元壁处以及催化剂床14内的反应器单元外部的温度。
从图1中清楚的是，在对流/传导和/或辐射加热的情况下，壁12外部的温度高于壁12内部的温度，并且催化剂床14内的温度低于壁12处的温度。在催化剂床的中央处，温度最低。这是由于热源处的温度必须高于反应区并且由于穿过壁的温度损耗以及反应器单元10内的反应的吸热特性。相对地，由曲线17表示的温度曲线示出对于感应加热而言，壁12处的温度高于反应器单元的外部，同时催化剂床内部的温度从壁12到催化剂床14的中央在增大。
通常，如何将热有效地传递到催化剂床14的反应区，会限制吸热反应的执行。通过对流/传导/辐射的传统热传递非常缓慢，而且一般要满足许多构造中的大的耐热性。此外，反应器的壁内的热损耗也会起作用。相对地，当通过感应概念在催化剂床14的内部积聚热时，相对于外部热源必须显著地比内部部分更热以具有用于热传递的驱动机制的传统加热而言，催化剂床将是反应器的最热的部分。除了可以将热直接传递到催化剂材料之外，感应加热还提供了快速加热机制，这可以使得吸热化学反应相对快速地启动。
图2、图3和图4示出了本发明的管式热交换反应器的实施例的示意图。在图2、图3和图4中，利用类似的附图标记表示类似的特征。
图2是根据本发明的一个实施例的管式热交换反应器100的局部截面视图。管式热交换反应器100适于执行吸热催化反应。管式热交换反应器100包括具有第一端111和第二端112的外管110，其中第一端111是入口端并且第二端112是封闭端。在图2中，第二端被示出为具有修圆的边缘113。
内管120同轴地布置在外管120内并与外管间隔开。内管120具有靠近外管的第二端112的入口端 122，并且出口端121相对靠近外管的第一端111。
内管120的至少一部分保持易受感应加热影响的催化剂材料114的床。感应线圈160 被设置在限制在外管110与内管120之间的环形空间内(即，位于内管120的外部和外管110之内)。电源165被布置为将交流电供应到感应线圈，从而在包含催化剂材料的床114的内管的一部分内生成交变磁场。
管式热交换反应器100被布置为允许工艺气体流140引导到外管110的入口端111并在外管110与内管120之间限定的环形空间中朝向外管110的第二端112流动。在管式热交换反应器100运转期间，工艺气体流140在其从外管的入口111流到内管的入口122期间经历预热。预热是由沿着内管与外管的上部(如沿着图2的方向中看到的)、在内管与外管之间的环形空间中的工艺气体流140之间进行的热交换以及由工艺气体流通过感应线圈160时的热交换产生的。
在工艺气体流140到达外管的底部时，其被引导到内管120中，在其中它继续向上并到达易受感应加热影响的催化剂材料114的床。在催化剂材料床中，工艺气体流140经历产生生成气体150的吸热反应。化学反应发生在催化剂材料114中。
应该注意的是，流动的方向不限于图2中示出的。如果催化剂床中的向上流是不期望的，则反应器100可转向，例如，倒转。
隔热物127沿着内管120的一部分(即，内管120被感应线圈160遮盖的部分)设置。隔热物127被设置在内管120的外表面与感应线圈160之间。应该注意的是，隔热物127没有必要必须沿着感应线圈160的整个纵向长度延伸。隔热物127在感应线圈160与内管之间提供隔离，使得催化剂床114的加热被限于该区域。
图3是根据本发明的一个实施例的管式热交换反应器100’的局部截面视图。图2的管式热交换反应器100与如图3所示的管式热交换反应器100’之间的差异在于，后者在管式热交换反应器100’的外管110的外表面上包括隔热物117。该外管110的外表面上的隔热物117协助减小从热交换反应器到周围的热损耗。该隔绝层还可施加到112/113的底部；然而，这未在图中示出。
图4是根据本发明的一个实施例的管式热交换反应器100”的局部截面视图。图3的管式热交换反应器100’与如图4所示的管式热交换反应器100”之间的差异在于，图4的管式热交换反应器100”的感应线圈160’由布置为使得额外的流能够流经中空管的中空管构成。在图4中，工艺流的额外流141被引导到感应线圈160’的下部中的感应线圈160’的中空管并经过感应线圈160’的主要部分，从作为预热的工艺流141’的感应线圈160’的上部离开，该预热工艺流141’被添加到工艺流140，以提供在工艺流140与预热的额外流141’之间混合的工艺流140’。可选地，141’在管式热交换反应器100”的外部使用，例如，在反应器是本发明的一部分的化学设备中的另一位置处使用。管式热交换反应器100”的布置有助于系统中的能量利用率。
例如，管式热交换反应器可用于执行甲烷蒸汽重整。甲烷和水成1:2比率的工艺气体在约150℃和5巴下供给到管式热交换反应器的外管中。在外通道中，在工艺气体进入催化剂床之前，将工艺气体从内管和感应线圈中的生成气体加热到约550℃。在催化剂床中通过感应加热将气体加热到约850℃，并且反应在接近10℃的平衡温度的情况下达到平衡。生成气体在以约450℃的温度离开反应器之前与工艺气体进行热交换。仅作为示例，生成气体具有76％的H2、19％的CO、4％的CO2和1％的CH4的干燥气体成分。
虽然已经通过多个实施例的描述说明了发明并且虽然这些实施例已相当详细地描述，但是申请人的意图并不是限制或以任何方式限定所附权利要求的范围到这样的细节中。额外的优点和修改对于本领域技术人员将更加明显。因此，本发明在更广泛的方面并不局限于特定细节、代表性方法以及被示出和描述的说明性示例，因此，可以在不背离申请人的一般发明概念的范围的情况下偏离这些细节。

Claims (14)

1.一种用于执行吸热催化反应的管式热交换反应器，所述管式热交换反应器包括:
外管，具有第一端和第二端，其中，所述第一端是入口端，并且其中，所述第二端是封闭端，
内管，同轴地布置在所述外管内并与所述外管间隔开，其中，所述内管的至少一部分保持易受感应加热影响的催化剂材料的床，并且其中，所述内管具有入口端和出口端，
感应线圈，设置在限于所述外管与所述内管之间的环形空间内，
电源，被布置为将交流电供应到所述感应线圈，以在所述内管内的所述催化剂材料的床的至少一部分内生成交变磁场，
其中，所述管式热交换反应器被布置为允许工艺气体流被引导到所述外管的入口端中，以在限于所述外管与所述内管之间的环形空间中朝向所述外管的第二端流动，并且随后流到所述内管中，以到达所述催化剂材料的床并经历产生生成气体的吸热反应，
其中所述催化剂材料在支持体上包括铁磁性纳米颗粒的成分和催化活性纳米颗粒的成分。
2.根据权利要求1所述的管式热交换反应器，其中，所述内管被布置为允许在运转期间、在流动于所述环形空间中的工艺气体与流动于所述内管内的生成气体之间进行热交换。
3.根据权利要求1或2所述的管式热交换反应器，其中，所述管式热交换反应器被设计为在所述外管与所述内管之间提供达到5巴的压力差。
4.根据权利要求1或2所述的管式热交换反应器，其中，在所述管式热交换反应器的外管的外表面上设置隔热物。
5.根据权利要求1或2所述的管式热交换反应器，其中，所述感应线圈具有沿着所述管式热交换反应器的纵向轴线的长度，并且其中，沿着所述内管的外表面与所述感应线圈之间的所述内管的至少一部分长度设置隔热物。
6.根据权利要求1或2所述的管式热交换反应器，其中，所述内管由磁透明材料制成。
7.根据权利要求1或2所述的管式热交换反应器，其中，所述感应线圈由中空管构造，所述中空管被布置为使得额外的流能够流经所述中空管。
8.根据权利要求1所述的管式热交换反应器，其中，所述铁磁性纳米颗粒包括涂覆有氧化物的一个或更多个铁磁性宏观支持体，并且其中，所述氧化物浸渍有所述催化活性纳米颗粒，在经历交变磁场时所述一个或更多个铁磁性宏观支持体易受感应加热影响，并且其中，所述一个或更多个铁磁性宏观支持体至少在达到给定温度范围T的上限的温度下是铁磁性的。
9.根据权利要求1所述的管式热交换反应器，其中，所述催化活性纳米颗粒和铁磁性纳米颗粒的粉末被混合并被处理以提供催化混合物的坯体，所述坯体具有催化剂与铁磁性纳米颗粒之间的预定比率。
10.根据权利要求1所述的管式热交换反应器，其中，所述铁磁性纳米颗粒是浸渍有所述催化活性纳米颗粒的多孔铁磁性材料。
11.根据权利要求1所述的管式热交换反应器，其中，所述铁磁性纳米颗粒包括多个铁磁性坯体，并且其中，所述催化活性纳米颗粒被浸渍在催化剂载体材料的坯体上，浸渍有所述催化活性纳米颗粒的所述催化剂载体材料的坯体和所述铁磁性坯体以预定比率混合。
12.根据权利要求1或2所述的管式热交换反应器，其中，所述感应线圈的材料在下列材料中选择：铁铬铝(FeCrAl)合金、镍锰铜的合金、铜、钨及其组合。
13.根据权利要求1或2所述的管式热交换反应器，其中，限于所述外管与所述内管之间的环形空间包括催化剂材料。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的管式热交换反应器的应用，用于执行下列反应中的一个或更多个反应：蒸汽重整、氰化氢生成、碳氢化合物的裂解、甲醇裂解和氨裂解。
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