CN109692629B - 重整制氢反应器及其转化炉以及重整制氢反应的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种重整制氢反应器及其转化炉以及重整制氢反应的方法，该重整制氢反应器及转化炉采用微催化反应板，反应板上负载有催化活性组分，减少了催化活性金属用量且催化剂不易积碳失活、缩短了反应气体扩散至催化活性中心的距离，降低了传质阻力和反应器压降，提高了制氢反应转化率；反应气体在反应器中由中心向外流动，流道面积逐渐增大、反应板温度逐渐升高，有利于作为体积增加和吸热反应的制氢反应转化率的提升；该重整制氢反应器使用范围广，作为制氢转化炉的炉管可以适用于不同种类的转化炉。采用该重整制氢转化炉的制氢方法炉管压降低、炉管内单位体积催化剂的产品时空产率高、原料气处理能力能转化率高，能够满足制氢反应要求。

Description

重整制氢反应器及其转化炉以及重整制氢反应的方法
技术领域
本公开涉及重整制氢领域，具体地，涉及一种重整制氢反应器及其转化炉以及重整制氢反应的方法。
背景技术
氢气不仅是重要的化工原料，也是一种清洁燃料。氢气在现代工业、尤其是石油化工工业、燃料电池等国民经济中扮演着越来越重要的角色。在全球原油不断重质化、劣质化趋势加剧以及人们对清洁油品数量需求不断增加、质量标准不断提升，环境法规不断严格的多重压力下，对氢气需求也越来越大，进而对制氢装置也提出了更高的要求。
制氢工艺主要有水电解法、轻烃水蒸气转化法、部分氧化法和甲醇裂解法等，目前运用最广泛的是轻烃水蒸气转化法。轻烃水蒸气转化法制氢的原料以天然气、石脑油、炼厂气等含碳轻质烃类为主。其转化过程为：轻质烃类与水蒸汽在一定的温度、压力以及催化剂作用下发生反应，生成氢气及一氧化碳，一氧化碳再经过水煤气变换反应进一步生成氢气，进一步提高轻质烃类目的产物收率。
制氢反应过程中发生的主要化学反应有：
转化反应 CnHm+n H2O→n CO+(n+m/2)H2 △H＝206kJ/mol
变换反应 CO+H2O→CO2+H2 △H＝-36kJ/mol
转化反应是一个强吸热反应，在传统的制氢炉中，通过燃料燃烧，将装填有转化催化剂的转化炉管加热到900～1000℃进行制氢反应。常见的重整制氢活性组分有Pt、Pd、Ir、Rh等第VШ族过渡元素，由于其价格高，限制了工业应用。目前重整制氢工业应用最为广泛的活性组分是镍。催化剂活性高低与催化剂比表面轴向大小直接相关，相对而言，比表面越大，活性组分的分散度越好，活性中心数目越多，从而提高了催化剂的催化活性。
现有的制氢转化炉在炉管中装填一定颗粒尺寸、形状的镍基催化剂，往往会出现装填不均匀，引起原料气偏流，造成原料转化率低，催化剂易积碳失活，降低装置的操作周期。另外，炉管中装填颗粒尺寸较小的催化剂，虽然可以提高催化剂的装填量，增加催化剂活性中心数目，在一定程度上提高原料的处理能力和转化率，不足之处在于催化剂尺寸越小，炉管压降越大，增加了原料气压缩机的能量消耗。
发明内容
本公开的目的是提供重整制氢反应器及其转化炉以及重整制氢反应的方法，该重整制氢反应器及采用该重整制氢反应器的转化炉的压降低、无气体偏流和短路现象；采用该重整制氢转化炉的方法转化率高。
为了实现上述目的，本公开的第一方面提供一种重整制氢反应器，该反应器包括圆筒形密封承压壳体、进气口、出气口、从所述壳体顶部伸入到壳体内部的第一直管、从所述壳体底部伸入到壳体内部的第二直管和设置在所述壳体内所述第一直管下方所述第二直管上方的催化反应单元；所述进气口与所述第一直管连通，所述出气口与所述第二直管连通；所述催化反应单元包括中心管、微催化反应板、顶部密封板和底部密封板，所述顶部密封板的边缘与所述壳体内壁密封连接；中心管顶端穿过所述顶部密封板与所述第一直管流体连通，中心管底端开口且与所述底部密封板留有间隙，所述微催化反应板呈筒状套设于所述中心管外，所述微催化反应板的板面负载有重整制氢催化剂；所述微催化反应板包括径向交替间隔设置的上微催化反应板和下微催化反应板，所述上微催化反应板的顶端与所述顶部密封板固定连接、底端与所述底部密封板留有空隙；所述下微催化反应板的底端与所述底部密封板固定连接、顶端与所述顶部密封板留有空隙；所述催化反应单元的最外侧微催化反应板与壳体的内侧壁之间形成有环隙，最外侧的下微催化反应板的底端与所述底部密封板的边缘密封固定连接；所述中心管的侧壁形成有开孔，以使所述中心管通过所述催化反应单元与所述环隙流体连通；所述底部密封板与所述壳体下部的内壁之间形成有与所述环隙流体连通的集气腔，所述环隙通过所述集气腔与所述第二直管连通。
可选地，微催化反应板为选自平面板、齿形板、波纹板和波形板中的至少一种。
可选地，该反应器包括多个所述催化反应单元，多个所述催化反应单元轴向间隔设置于所述壳体内，相邻两个所述催化反应单元之间形成有反应单元间集气腔，所述反应单元间集气腔分别与上层催化反应单元的环隙及下层催化反应单元的中心管流体连通。
可选地，所述催化反应单元包括多个所述微催化反应板，靠近所述中心管的最内侧的微催化反应板为下微催化反应板，最外侧的微催化反应板为下微催化反应板。
本公开的第二方面提供一种重整制氢转化炉，包括进气管、出气管、烧嘴和燃烧室，该转化炉还包括本公开第一方面的重整制氢反应器，所述重整制氢反应器位于所述燃烧室内，所述重整制氢反应器的进气口与所述进气管连通，所述重整制氢反应器的出气口与所述出气管连通。
本公开的第三方面提供采用本公开第二方面的重整制氢转化炉进行重整制氢反应的方法，该方法包括以下步骤：使燃料气和空气经过所述烧嘴喷入所述燃烧室进行燃烧；使原料气与水蒸气经所述转化炉的进气管进入所述重整制氢反应器，在所述催化反应单元内进行重整制氢反应，得到富含氢气的转化气。
可选地，所述重整制氢反应的条件包括：反应温度为700～1100℃，反应压力为1.8～5.5MPaG，水蒸气中的H2O与原料气中的碳原子的摩尔比为(2.5～5)：1，空速为1000～100000h-1。
可选地，所述原料气在所述催化反应单元内的平均流速为0.5～85m/s。
可选地，所述原料气为天然气、液化石油气、炼厂气、重整氢提浓PSA的解析气和石脑油中的至少一种。
可选地，所述重整制氢反应催化剂包括重整制氢活性组分，所述重整制氢活性组分包括镍、钌、铂、钯、铱和铑中的至少一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)重整制氢反应器包括由微催化反应板构成的催化反应单元，反应板上负载有制氢反应的催化活性组分，反应气体从气相主体扩散至催化活性中心的距离缩短，大大降低了传质阻力(扩散阻力几乎为零)，同时生成的产物能够很快扩散到流体主体，产物在反应器中停留时间较短，从根本上提高了制氢反应的转化效率，达到提高单位催化剂产品时空产率的目的。
(2)反应气体从中心管均匀分布进入催化反应单元且沿轴向折返向外流动，原料气与微催化反应板上的催化剂充分接触，能够提高制氢反应转化率。另外，随着反应物流由内向外流动，外层微催化反应板的温度高于内层微催化反应板，处于环隙处的微催化反应板的温度最高，有利于进行吸热的制氢反应。
(3)与装填颗粒状的重整制氢反应器相比，采用微催化反应板，反应器所用的活性金属总量明显减少、压降低。在相同处理规模条件下，本公开的重整制氢反应器及由其构成的转化炉设备尺寸较传统小5％～30％，压降低3％～55％。
(4)与装填颗粒状的重整制氢反应器相比，本公开的重整制氢反应器的微催化反应板不易积碳失活，使用寿命长，压降低，床层压降较同处理量的反应器低(15％～90％)；
(5)催化反应单元由微催化反应板组成，增加了活性中心数量、提高了反应气体在催化反应活性中心的均匀度，避免出现反应死区和气体偏流现象，能够充分保证整个运行周期内的平稳运行。
(6)作为重整制氢转化炉管能够适用于不同类型的转化炉，使用范围广，且可以根据实际的工业生产要求通过具有功能化的微反应单元的集成方式以及数量的增减达到控制和调节生产，有利于实现设备的最大利用效率，无明显放大效应，同时缩短设备的加工时间，进一步降低反应器生产成本。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开的重整制氢反应器的一种具体实施方式的结构示意图；
图2是本公开的重整制氢反应器的一种具体实施方式的剖视图(即图1中A-A面的剖视图)；
图3是本公开的重整制氢反应器的另一种具体实施方式的剖视图；
图4是本公开的重整制氢反应器的第三种具体实施方式的剖视图；
图5是本公开的重整制氢反应器的第四种具体实施方式的结构示意图；
图6是本公开的重整制氢反应器的第五种具体实施方式的结构示意图；
图7是本公开的重整制氢反应器的第六种具体实施方式的结构示意图；
图8是本公开的重整制氢反应转化炉的一种具体实施方式的结构示意图；
图9是本公开的重整制氢反应转化炉的另一种具体实施方式的结构示意图。
图10是本公开的重整制氢反应器的一种具体实施方式的齿形微催化反应板的结构示意图；
图11是本公开的重整制氢反应器的一种具体实施方式的波纹微催化反应板的结构示意图；
图12是本公开的重整制氢反应器的一种具体实施方式的波形微催化反应板的结构示意图。
附图标记说明
1 进气口 2 出气口
3 上封头 4 下封头
5 顶部密封板 6 中心管
7 环隙 8 底部密封板
9 集气腔 10 上微催化反应板
11 下微催化反应板 12 壳体
13 催化反应单元 15 反应单元间集气腔
16 第一直管 17 第二直管
20 重整制氢转化炉 21 重整制氢反应器
22 燃烧室 23 烧嘴
24 进气管 25 出气管。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶部、底部”通常是指装置在正常使用状态下的上和下、顶部和底部，具体可以参考图1的图面方向。“内、外”是针对装置本身的轮廓而言的。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1所示，本公开的第一方面提供一种重整制氢反应器，该反应器包括圆筒形密封承压壳体12、进气口1、出气口2、从壳体12顶部伸入到壳体内部的第一直管16、从壳体12底部伸入到壳体内部的第二直管17和设置在壳体12内第一直管16下方第二直管17上方的催化反应单元13；进气口与第一直管16连通，出气口2与第二直管17连通；催化反应单元13包括中心管6、微催化反应板、顶部密封板5和底部密封板8，顶部密封板5的边缘与壳体12内壁密封连接；中心管6顶端穿过顶部密封板5与第一直管16流体连通，中心管6底端开口且与底部密封板8留有间隙，微催化反应板呈筒状套设于中心管6外，微催化反应板的板面负载有重整制氢催化剂；微催化反应板包括径向交替间隔设置的上微催化反应板10和下微催化反应板11，上微催化反应板10的顶端与顶部密封板5固定连接、底端与底部密封板8留有空隙；下微催化反应板11的底端与底部密封板8固定连接、顶端与顶部密封板5留有空隙；催化反应单元13的最外侧微催化反应板与壳体12的内侧壁之间形成有环隙7，最外侧的下微催化反应板11的底端与底部密封板8的边缘密封固定连接；中心管6的侧壁形成有开孔，以使中心管6通过催化反应单元13与环隙7流体连通；底部密封板8与壳体12下部的内壁之间形成有与环隙7流体连通的集气腔9，环隙7通过集气腔9与第二直管17连通。
本公开的重整制氢反应器采用微催化反应板，反应板上负载有制氢反应所需的活性组分，减少了催化活性金属用量且催化剂不易积碳失活、缩短了反应气体扩散至催化活性中心的距离，降低了传质阻力和反应器压降，提高了制氢反应转化率；反应气体在反应器中由中心向外流动，流道面积逐渐增大、反应板温度逐渐升高，有利于作为体积增加和吸热反应的制氢反应转化率的提升；该重整制氢反应器使用范围广，作为制氢转化炉的炉管可以适用于不同种类的转化炉。
本公开所指的重整制氢反应器，通常在工业生产中也称为制氢转化炉管或转化炉管，在无特别说明情况下，以上三种称呼均表示相同的装置。根据本公开，微催化反应板可以在任选的一个板面负载有重整制氢催化剂，也可以在微催化反应板的两个板面均负载有重整制氢催化剂，优选为两个板面均负载催化剂，以进一步提高反应器进行制氢反应的转化率。重整制氢催化剂可以采用本领域技术人员所熟知的催化活性组分，例如负载的活性组分可以是具有重整制氢反应活性的镍、钌、铂、钯、铱和铑等金属；所述的负载是指可以通过浸渍、离子溅射、涂覆或装填等方法将含有活性组分的催化剂或直接将活性组分负载到微催化反应板上。其中，活性金属组分涂覆负载过程可以采用本领域技术人员所熟知的包括金属基体的预处理和催化剂沉积两个阶段的涂覆方法。
根据本公开，重整制氢反应器采用负载有重整制氢催化剂的微催化反应板可以减少催化活性金属用量、减小反应器尺寸、降低反应器压降，其中微催化反应板可以为本领域常规种类。为了进一步增加反应器内催化活性中心数目，优选地，微催化反应板可以为选自平面板、齿形板、波纹板和波形板中的至少一种，如图2、图3、图4、图10、图11、图12所示，更优选为齿形板(图10)、波纹板(图11)和波形板(图12)中的至少一种。其中齿形板、波纹板和波形板的结构和尺寸不做限制，只要满足负载活性组分、满足制氢工艺条件要求即可。为了提高催化反应单元内装填微催化反应板数目，在反应器内优选同一种类型微催化反应板。进一步地，为了便于生产、安装微催化反应板，同时均匀分布原料气，每一块微催化反应板的齿形波形大小、类型、疏密程度等应完全一致，本发明对齿形波形大小、类型、疏密程度不做具体限制，只要满足制氢反应工艺条件即可。
根据本公开，微催化反应板可以沿反应器轴向或者微催化反应板的延伸方向与水平方向呈夹角θ，θ可以在大于0°且不大于90°的范围内，优选30°＜θ≤90°，最优选的角度为90°，即微催化反应板沿反应器轴向延伸设置，此时反应原料气在催化反应单元内的分布更均匀，有利于原料气在微催化反应板表面的催化剂活性中心进行反应。
根据本公开，在相同的反应条件和反应器直径下，增加催化反应单元13的数量可以增加反应气体与催化剂的接触几率，提高转化率。可以根据实际反应情况来调整催化反应单元13的数量，例如催化反应单元13的数量可以为1～300个，优选为1～100个。为了提高反应原料分布均匀度，优选地，催化反应单元13、中心管6与壳体12呈同轴方式布置，多个催化反应单元13沿轴向间隔设置。
进一步地，为了提高原料气与反应转化率，在本公开的一种具体实施方式中，如图7所示，该反应器可以包括多个催化反应单元13，多个催化反应单元13轴向间隔设置于壳体12内，相邻两个催化反应单元13之间可以形成有反应单元间集气腔15，反应单元间集气腔15分别与上层催化反应单元13的环隙7及下层催化反应单元13的中心管6流体连通。
根据本公开，微催化反应板在催化反应单元13内的数量和排列方式可以按常规方式布置，为了进一步降低反应器压降，在本公开的一种具体实施方式中，如图1所示，催化反应单元13可以包括多个微催化反应板，靠近中心管6的最内侧的微催化反应板可以为下微催化反应板11，最外侧的微催化反应板可以为下微催化反应板11，以便于反应器内气体流动、避免出现偏流或流动死区。
根据本公开，为了延长微反应板的使用寿命，中心管6、微催化反应板可以采用金属材质、陶瓷材质，优选采用不与反应系统中的气体发生反应的金属材质。
根据本公开，重整制氢反应器的壳体、上下封头采用的材质可以与常规重整制氢炉管选择的材质相同，例如：HP-40Nb，重整制氢反应器壳体材质是本领域技术人员所熟知的，本发明不再赘述。重整制氢反应器的具体尺寸也可以在较大范围内变化。进一步地，为了适应新建制氢转化炉装置规模或现有制氢转化炉装置改造升级，本公开的重整制氢反应器的反应器内径可以为30～1000mm，优选为50～300mm；反应器中催化反应单元长度可以为1000mm～30000mm，优选为3000mm～15000mm。
如图1所示，反应原料气在本公开的重整制氢反应器中的流动情况可以包括：反应原料气从反应器进气口1经第一直管16进入催化反应单元13的中心管6，在中心管6内向下运动并从底部开孔进入催化反应单元13，原料气在催化反应单元13内从中间向四周沿轴向折返流动，反应原料气在向外流动的同时在上微催化反应板10和下微催化反应板11表面负载的催化剂活性中心发生反应，反应物流向外流动至环隙7汇集，进入集气腔9，通过第二直管17、出气口2离开重整制氢反应器。
如图8和图9所示，本公开的第二方面提供一种重整制氢转化炉，包括进气管24、出气管25、烧嘴23和燃烧室22，该转化炉还包括本公开第一方面的重整制氢反应器21，重整制氢反应器21位于燃烧室22内，重整制氢反应器21的进气口1与进气管24连通，重整制氢反应器的出气口2与出气管25连通。
根据本公开，重整制氢转化炉可以为本领域常规种类，例如可以为顶烧炉、侧烧炉、底烧炉和梯形炉中的至少一种，优选为如图8所示的顶烧炉和/或如图9所示的侧烧炉。转化炉中烧嘴、燃料种类等不做特殊限制，只要能够满足重整制氢所需能量即可。另外，本公开对安装在转化炉进气管、出气管之间的反应器数量以及排列方式等不做特别限制，只要满足重整制氢工艺条件要求即可。
本公开的重整制氢转化炉炉管压降低、炉管内单位体积催化剂的产品时空产率高，且转化炉整体尺寸小，降低了设备投资和能耗。
本公开的第三方面提供采用本公开第二方面的重整制氢转化炉进行重整制氢反应的方法，该方法包括以下步骤：(1)使燃料气和空气经过烧嘴23喷入燃烧室22进行燃烧；(2)使原料气与水蒸气经转化炉的进气管24进入重整制氢反应器21，在催化反应单元内进行重整制氢反应，得到富含氢气的转化气。
本公开的重整制氢反应方法转化炉管内压降低、原料气转化率高，能够满足制氢反应要求。
在根据本公开的重整制氢反应方法中，重整制氢反应的条件可以在较大范围内变化，优选地，重整制氢反应器内的反应温度可以为700～1100℃，优选为800～950℃；反应压力可以为1.8～5.5MPaG，优选为1.8～3.5MPaG，水蒸气中的H2O与原料气中的碳原子的摩尔比可以为(2.5～5)：1，优选为(2.5～4)：1。上述优选的反应条件下，本公开的重整制氢反应转化率更高。
进一步地，为了提高原料气转化率，原料气空速可以为1000～100000h-1，进一步优选3000～90000h-1，最优选为8000～70000h-1。
为了提高原料气转化率，原料气在径向催化反应单元内的平均流速可以为0.5～85m/s，进一步地，原料气通过相邻两块微催化反应板的平均流速可以为0.5～85m/s，原料气通过中心管6底部与底部密封板8之间间隙的平均流速可以为0.5～85m/s，原料气通过最外层微催化反应板与壳体12之间间隙的平均流速可以为0.5～85m/s，原料气通过上微催化反应板10与底部密封板8之间间隙的平均流速可以为0.5～85m/s，原料气通过下微催化反应板11与顶部密封板5之间间隙的平均流速可以为0.5～85m/s。
在根据本公开的重整制氢反应方法中，反应原料气可以为天然气、液化石油气、炼厂气、重整氢提浓PSA的解析气和石脑油中的至少一种。进一步地，天然气主要成为甲烷，并含有少量的乙烷等小分子烃类、二氧化碳和氮气等，天然气中的硫含量低，且主要为硫化氢、硫醇、羟基硫等，容易通过简单的加氢处理就能将其脱除掉；炼厂气主要是指原油蒸馏装置的不凝气、催化干气、焦化干气、加氢干气和重整干气等；液化石油气主要组分为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯，可以是一种或几种上述烃的混合物，并含有少量戊烷、戊烯和微量硫化物杂质，其中氧硫化碳用醇胺吸收塔脱除，并用碱洗法去除硫化物；重整氢提浓PSA的解析气中含有约大量的氢气及一些小分子烃类；石脑油的择优顺序为：干点70℃的直溜轻石脑油(重整拔头油)、炼厂窄馏分重整抽余油、干点146℃的全馏分直溜汽油、单程加氢裂化石脑油。
在根据本公开的重整制氢反应方法中，蒸汽指中压蒸汽，其温度可以为420℃左右、压力可以为3.5Mpa左右，在实际配气过程中蒸汽的温度、压力可能会出现波动，本公开不做具体限制，只要满足制氢工艺需条件即可。
在根据本公开的重整制氢反应方法中，重整制氢反应催化剂可以为本领域常规种类，例如，重整制氢反应催化剂可以包括重整制氢活性组分，重整制氢活性组分可以包括镍、钌、铂、钯、铱和铑中的至少一种。
下面将结合附图通过实施例来进一步说明本发明，但是本公开并不因此而受到任何限制。
实施例1
如图1、图2所示，本实施例所采用的重整制氢反应器包括上端设有第一直管16、下端设有第二直管17的承压壳体12，壳体内设有一个含有中心管6的催化反应单元13，第一直管16的上部设置有进气口1，第二直管17下部设置有出气口2。催化反应单元13由筒状交替间隔套设的上微催化反应板10和下微催化反应板11组成，且上微催化反应板10、下微催化反应板11与壳体12、中心管6呈同轴排列；上微催化反应板10与顶部密封板5密封固定，下微催化反应板11与底部密封板8密封固定；上微催化反应板10两侧负载有重整制氢反应所需催化活性组分，下微催化反应板10两侧负载有重整制氢反应所需催化活性组分NiO。
重整制氢反应器的内径为120mm，切线长度13000mm，中心管内径为30mm，上微催化反应板10、下微催化反应板11的长度为12200mm，中心管底部开口处距催化反应单元底部密封板8的距离为100mm，上微催化反应板10下部距催化反应单元底部密封板8的距离为20mm，下微催化反应板11下部距顶部密封板5的距离为20mm；相邻两催化反应板间距为2mm，最外层微催化反应板与壳体内壁的环隙距离为3mm。
其中，中心管底部开口处距催化反应单元底部密封板8间的平均流速为1.5m/s；环隙平均流速为18.875m/s；微反应板与密封板间平均流速为5.52m/s；微反应板之间的平均流速为34.26m/s。
反应器壳体材质采用HP40-Nb(含有Cr、Ni、Nb、W、Mo、Ti等元素)，上微催化反应板10、下微催化反应板11采用Fe-Cr-Al/Al2O3材质材料为催化负载基板，且为平面基板，基板两侧负载活性金属为NiO，含量为13.5％。
本实施例的重整制氢转化炉如图8所示，包括上述重整制氢反应器21、进气管24、出气管25、烧嘴23和燃烧室22，重整制氢反应器21位于燃烧室22内，重整制氢反应器21的进气口1与进气管24连通，重整制氢反应器的出气口2与出气管25连通。
将本实施例的重整制氢反应器和转化炉应用于天然气蒸汽重整制氢反应，主要步骤包括：
1)使燃料气和空气经转化炉的烧嘴23喷入燃烧室22，使燃料在转化炉的燃烧室中燃烧提供制氢反应所需热量，反应器温度为950℃；
2)使水蒸汽与CH4摩尔比为3.2的混合气体(温度500℃，压力3.2MPaG)，流量为24.91kmol/h，空速35070h-1，充分混合后进入转化炉进气管24，通过反应器第一直管16、中心管6进入微催化反应板上进行重整制氢反应，发生反应后的转化气通过环隙7、集气腔9、第二直管17离开反应器，进入转化炉出气管，将富含氢气的转化气排出至转化炉外部。经检测，出口甲烷含量(不含水蒸汽)为0.55％。
表1中给出的是本实施例的重整制氢反应器与现有技术中相同反应器尺寸及相同催化反应单元尺寸的制氢反应器对比情况。从反应器床层压降、CH4转化率、空速三个指标可以看出，本实施例的反应器都表现出了优异的性能，尤其是在降低反应器压降，提高反应器空速方面的优势尤为突出。
表1本实施例的重整反应器与常规制氢反应器对比
反应器类型 压降，MPa CH<sub>4</sub>转化率/(％) 空速，h<sup>-1</sup>
常规反应器 0.33 95 3400
本实施例的反应器 0.08 ≥97 35070
实施例2
如图1、图3、图12所示，本实施例的重整制氢反应器和转化炉与实施例1的反应器尺寸、催化反应单元高度、中心管底部开口处距催化反应单元底部密封板8的距离、上微催化反应板10下部距底部密封板8的距离、下微催化反应板11下部距顶部密封板5的距离、相邻两催化反应板间距、最外层微催化反应板与壳体内壁的环隙距离、微反应板的基体材质和单位面积活性组分NiO负载量参数相同。与实施例1不同之处在于，本实施例中微催化反应板为波形微反应板，其波形方向可以为沿反应器径向方向。对于波形板而言，波峰与波谷距离为4mm，同一微形板两相邻波峰或相邻波谷之间的距离为6.5mm。
同理将本实施例的重整制氢反应器和转化炉应用于天然气蒸汽重整制氢反应。制氢工艺条件与实施例1相同，经检测，出口甲烷含量(不含水蒸汽)为0.5％。
表2中给出的是本实施例的重整制氢反应器与现有技术中相同反应器尺寸及相同催化反应单元尺寸的制氢反应器对比情况。从反应器床层压降、CH4转化率、空速三个指标可以看出，本实施例的反应器都表现出了优异的性能，尤其是在降低反应器压降，提高反应器空速方面的优势尤为突出。
表2本实施例的重整反应器与常规制氢反应器对比
反应器类型 压降，MPa CH<sub>4</sub>转化率/(％) 空速，h<sup>-1</sup>
常规反应器 0.33 95 3400
本实施例的反应器 0.10 ≥98 35070
实施例3
如图1、图4、图10所示，本实施例的重整制氢反应器和转化炉与实施例2的反应器尺寸、催化反应单元高度、中心管底部开口处距催化反应单元底部密封板8的距离、上微催化反应板10下部距催化反应单元底部密封板8的距离、下微催化反应板11下部距顶部密封板5的距离、相邻两催化反应板间距、最外层微催化反应板与壳体内壁的环隙距离、微反应板的基体材质和单位面积活性组分NiO负载量参数相同。与实施例2不同之处在于，本实施例中微催化反应板为齿形微反应板，其齿形方向为沿反应器径向方向。对于齿形板而言，波峰与波谷距离为4mm，同一微形板两相邻波峰或相邻波谷之间的距离为6.5mm。
同理将本实施例的重整制氢反应器和转化炉应用于天然气蒸汽重整制氢反应。制氢工艺条件与实施例1相同，经检测，出口甲烷含量(不含水蒸汽)为0.50％。
表3中给出的是本实施例的重整制氢反应器与现有技术中相同反应器尺寸及相同催化反应单元尺寸的制氢反应器对比情况。从反应器床层压降、CH4转化率、空速三个指标可以看出，本实施例的反应器都表现出了优异的性能，尤其是在降低反应器压降，提高反应器空速方面的优势尤为突出。
表3本实施例的重整反应器与常规制氢反应器对比
反应器类型 压降，MPa CH<sub>4</sub>转化率/(％) 空速，h<sup>-1</sup>
常规反应器 0.33 95 3400
本实施例的反应器 0.10 ≥98 35070
实施例4
如图2、图5所示，本实施例的重整制氢反应器和转化炉、制氢工艺条件等与实施例3参数相同。与实施例3不同之处在于，本实施例中微催化反应板齿形方向为沿反应器轴向方向。
同理将本实施例的重整制氢反应器和转化炉应用于天然气蒸汽重整制氢反应。制氢工艺条件与实施例1相同，经检测，出口甲烷含量(不含水蒸汽)为0.08％。
表4中给出的是本实施例的重整制氢反应器与现有技术中相同反应器尺寸及相同催化反应单元尺寸的制氢反应器对比情况。从反应器床层压降、CH4转化率、空速三个指标可以看出，本实施例的反应器都表现出了优异的性能，尤其是在降低反应器压降，提高反应器空速方面的优势尤为突出。
表4本实施例的重整反应器与常规制氢反应器对比
反应器类型 压降，MPa CH<sub>4</sub>转化率/(％) 空速，h<sup>-1</sup>
常规反应器 0.33 95 3400
本实施例的反应器 0.13 ≥99 35070
实施例5
如图2、图6所示，本实施例的重整制氢反应器和转化炉、制氢工艺条件等与实施例2参数相同。与实施例2不同之处在于，本实施例中微催化反应板波形方向为沿反应器轴向方向。
同理将本实施例的重整制氢反应器和转化炉应用于天然气蒸汽重整制氢反应。制氢工艺条件与实施例1相同，经检测，出口甲烷含量(不含水蒸汽)为0.06％。
表5中给出的是本实施例的重整制氢反应器与现有技术中相同反应器尺寸及相同催化反应单元尺寸的制氢反应器对比情况。从反应器床层压降、CH4转化率、空速三个指标可以看出，本实施例的反应器都表现出了优异的性能，尤其是在降低反应器压降，提高反应器空速方面的优势尤为突出。
表5本实施例的重整反应器与常规制氢反应器对比
反应器类型 压降，MPa CH<sub>4</sub>转化率/(％) 空速，h<sup>-1</sup>
常规反应器 0.33 95 3400
本实施例的反应器 0.14 ≥99.3 35070
实施例6
如图2、图7所示，本实施例的重整制氢反应器、制氢工艺条件等与实施例1参数相同。与实施例1不同之处在于，本实施例中反应器壳体内包含同轴上下设置的两个结构尺寸相同的催化反应单元13，催化反应单元高5500mm。上催化反应单元的环隙7通过反应单元间集气腔15与下催化反应单元的中心管6流体连通。集气腔15的轴向高度为100mm。
本实施例的重整制氢转化炉如图9所示，包括上述重整制氢反应器21、进气管24、出气管25、烧嘴23和燃烧室22，重整制氢反应器21位于燃烧室22内，重整制氢反应器21的进气口1与进气管24连通，重整制氢反应器的出气口2与出气管25连通。
将本实施例的重整制氢反应器和转化炉应用于天然气蒸汽重整制氢反应。经检测，出口甲烷含量(不含水蒸汽)为0.05％。
表6中给出的是本实施例的重整制氢反应器与现有技术中相同反应器尺寸及相同催化反应单元尺寸的制氢反应器对比情况。从反应器床层压降、CH4转化率、空速三个指标可以看出，本实施例的反应器都表现出了优异的性能，尤其是在降低反应器压降，提高反应器空速方面的优势尤为突出。
表6本实施例的重整反应器与常规制氢反应器对比
反应器类型 压降，MPa CH<sub>4</sub>转化率/(％) 空速，h<sup>-1</sup>
常规反应器 0.33 95 3400
本实施例的反应器 0.11 ≥99.4 35070
实施例7
如图1、图2所示，本实施例的重整制氢反应器和转化炉与实施例1参数相同。与实施例1不同之处在于，本实施例采用重整氢提浓PSA解析气作为反应原料，解析气组见表7。燃料在转化炉的燃烧室中燃烧提供制氢反应所需热量，反应器温度为930℃。水蒸汽与CH4摩尔比为2.8的混合气体(温度500℃，压力3MPaG)，流量为28.52kmol/h，空速40150h-1，充分混合后进入转化炉进料管，通过反应器第一直管16、中心管6进入微催化反应板上进行重整制氢反应，发生反应后的转化气通过环隙7、集气腔9、第二直管17离开反应器，进入转化炉出气管，将富含氢气的转化气排出至转化炉外部。经检测，出口甲烷含量(不含水蒸汽)为0.1％。
采用实施例1中提供的重整制氢反应器和转化炉，反应原料、工艺条件与实施例1不同，得到的反应结果与常规反应器在相同反应原料与工艺条件得到的反应结果对比情况见表8。从反应器床层压降、CH4转化率、空速三个指标可以看出，本实施例的反应器都表现出了优异的性能，尤其是在降低反应器压降，提高反应器空速方面的优势尤为突出。
表7重整氢提浓PSA解析气组成
Figure BDA0001440794590000171
表8本实施例的重整反应器与常规制氢反应器对比
反应器类型 压降，MPa CH<sub>4</sub>转化率/(％) 空速，h<sup>-1</sup>
常规反应器 0.38 97 4400
本实施例的反应器 0.12 ≥99 40150
本发明提供的重整制氢反应器结构紧凑、活性金属用量少；将该反应器进行重整制氢反应时，床层压降小、单位体积催化剂生产强度大、反应物扩散路径较短、原料转化率高，无气体偏流和短路现象，能够满足现行水蒸汽重整制氢的生产过程。
从实施例1-7的数据可以看出，从反应器床层压降、CH4转化率、空速三个指标可以看出，本公开的重整制氢反应器和转化炉表现出了优异的性能，尤其是在降低反应器压降，提高反应器空速方面的优势尤为突出。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (11)

1.一种重整制氢反应器，其特征在于，该反应器包括圆筒形密封承压壳体（12）、进气口（1）、出气口（2）、从所述壳体（12）顶部伸入到壳体内部的第一直管（16）、从所述壳体（12）底部伸入到壳体内部的第二直管（17）和设置在所述壳体（12）内所述第一直管（16）下方所述第二直管（17）上方的催化反应单元（13）；所述进气口与所述第一直管（16）连通，所述出气口（2）与所述第二直管（17）连通；
所述催化反应单元（13）包括中心管（6）、微催化反应板、顶部密封板（5）和底部密封板（8），所述顶部密封板（5）的边缘与所述壳体（12）内壁密封连接；中心管（6）顶端穿过所述顶部密封板（5）与所述第一直管（16）流体连通，中心管（6）底端开口且与所述底部密封板（8）留有间隙，所述微催化反应板呈筒状套设于所述中心管（6）外，所述微催化反应板的板面负载有重整制氢催化剂；
所述微催化反应板包括径向交替间隔设置的上微催化反应板（10）和下微催化反应板（11），所述上微催化反应板（10）的顶端与所述顶部密封板（5）固定连接、底端与所述底部密封板（8）留有空隙；所述下微催化反应板（11）的底端与所述底部密封板（8）固定连接、顶端与所述顶部密封板（5）留有空隙；所述催化反应单元（13）的最外侧微催化反应板与壳体（12）的内侧壁之间形成有环隙（7），最外侧的下微催化反应板（11）的底端与所述底部密封板（8）的边缘密封固定连接；
所述中心管（6）的侧壁形成有开孔，以使所述中心管（6）通过所述催化反应单元（13）与所述环隙（7）流体连通；所述底部密封板（8）与所述壳体（12）下部的内壁之间形成有与所述环隙（7）流体连通的集气腔（9），所述环隙（7）通过所述集气腔（9）与所述第二直管（17）连通。
2.根据权利要求1所述的重整制氢反应器，其特征在于，所述微催化反应板为选自平面板、齿形板和波纹板中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的重整制氢反应器，其特征在于，该反应器包括多个所述催化反应单元（13），多个所述催化反应单元（13）轴向间隔设置于所述壳体（12）内，相邻两个所述催化反应单元（13）之间形成有反应单元间集气腔（15），所述反应单元间集气腔（15）分别与上层催化反应单元（13）的环隙（7）及下层催化反应单元（13）的中心管（6）流体连通。
4.根据权利要求3所述的重整制氢反应器，其特征在于，所述微催化反应板为波形板。
5.根据权利要求1所述的重整制氢反应器，其特征在于，所述催化反应单元（13）包括多个所述微催化反应板，靠近所述中心管（6）的最内侧的微催化反应板为下微催化反应板（11），最外侧的微催化反应板为下微催化反应板（11）。
6.一种重整制氢转化炉，包括进气管（24）、出气管（25）、烧嘴（23）和燃烧室（22），其特征在于，该转化炉还包括权利要求1~5中任意一项所述的重整制氢反应器（21），所述重整制氢反应器（21）位于所述燃烧室（22）内，所述重整制氢反应器（21）的进气口（1）与所述进气管（24）连通，所述重整制氢反应器的出气口（2）与所述出气管（25）连通。
7.采用权利要求6所述的重整制氢转化炉进行重整制氢反应的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）使燃料气和空气经过所述烧嘴（23）喷入所述燃烧室（22）进行燃烧；
（2）使原料气与水蒸气经所述转化炉的进气管（24）进入所述重整制氢反应器（21），在所述催化反应单元（13）内进行重整制氢反应，得到富含氢气的转化气。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述重整制氢反应的条件包括：反应温度为700～1100℃，反应压力为1.8～5.5MPaG，水蒸气中的H2O与原料气中的碳原子的摩尔比为（2.5～5）：1，空速为1000～100000h-1。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述原料气在所述催化反应单元（13）内的平均流速为0.5～85m/s。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述原料气为天然气、液化石油气、炼厂气、重整氢提浓PSA的解析气和石脑油中的至少一种。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述重整制氢反应催化剂包括重整制氢活性组分，所述重整制氢活性组分包括镍、钌、铂、钯、铱和铑中的至少一种。
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