CN1127997A - 用于吸热反应的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种使用密集排列金属反应管(28；152)的紧凑吸热反应装置，该装置具有相互错开的喷嘴管(90；167)和一块空气分布板(68；160)，以便将燃料和空气导入燃烧室中以产生长而薄的火焰，从而避免对反应管的过量局部加热并使反应管具有长的寿命。另外，消除了反应管在废气管(94；172)入口端的局部过热，以及采取了一种措施来防止单独的反应管在可能承受高于平均管温的温度时所引起的弯曲。

Description

用于吸热反应的装置和方法
本发明涉及用于进行吸热反应的装置和方法，更具体地说，涉及用于将轻烃类，特别是蒸汽和/或二氧化碳和轻烃类的混合物重整的催化重整装置和方法。
重整的装置和方法迄今已被用来进行各种各样的吸热反应。例如，蒸汽重整是一种可用来将天然气和其他烃类转变为合成气体(通常简称合成气)的已知方法。另一种吸热反应是将乙烷转变(热解)成乙烯并同时产生副产品氢。根据不同的吸热反应，催化剂可能需要，也可能不需要。一种适用于对烃类进行蒸汽重整的催化剂是吸附在例如氧化铝等惰性介质上的镍。
很多工业的蒸汽重整器是一种应用填充催化剂的反应管的辐射型重整器。这些重整器都是使用以燃料气和低压空气进料的数目较少的大型燃烧器进行非直接的加热。在最热的区段，热传导主要是依靠气体辐射，其次是依靠耐火材料的辐射和对流。对反应管的均匀辐射被认为是要求严格的，因为反应管壁的局部过热将导致重整器反应管寿命的显著降低。为了避免局部过热，一种解决办法是扩大反应管、炉壁和燃烧器火焰之间的距离。因此，如以单位生产能力为基础计算，这类辐射型重整器将是大体积的和昂贵的。另外它们还需要附加的热交换器来冷却合成气产品并预热进料气。通常，与这类先有技术有关的辐射型重整器有关的操作原理不能使这类重整器获得较低的造价、较高的效率和较紧凑的结构以及较长的反应管寿命。
为了获得一种能够达到结构紧凑和寿命长的吸热反应装置，已经进行了各种各样的尝试。在美国专利US4,692,306中披露，为了达到所说的目的，使用了一种新颖的燃烧室结构，它可以防止在燃烧器火焰与反应室之间发生直接接触。
因此，在先有技术的吸热反应装置中很多发明构思涉及避免火焰直接与反应器接触，这主要是因为使用常规燃烧器时所发生的火焰的直接接触会导致反应管的局部过热。
在已公开的欧洲专利申请EP0450872A1(根据美国专利申请No.07/504,375)中描述了一种用于进行不同类型吸热反应的吸热反应装置。该装置包括一个内含催化剂床的容器，有许多根陶瓷燃烧管通过该容器。分别地供入燃烧管和处于燃烧管内的燃料进料管中的空气和燃料在燃烧管中燃烧以产生热。最好是将燃料和空气预热到所需的温度，以使得当燃料与空气在燃烧管内混合时能够自动点火。将一种吸热反应的反应物通过燃烧管外面的催化剂床，在此处，该反应物被转变成一种吸热反应产物。正如所公开的，该吸热反应物和吸热反应产物优选是与放热反应物和放热反应产物(即燃料、空气和燃烧产物)的流向相逆流地通过催化剂床。该方案是在反应器中设置一个预热区，在其中，热量从吸热反应产物分别转移给进料的空气和燃料，以预热进入燃烧器之前的空气和燃料以及冷却排出反应器之前的吸热反应产物。
上述的以及在所说较早公开的欧洲专利申请中所公开的其他吸热反应装置具有很多优点。与大多数金属相比，陶瓷管能够更好地耐受在很多吸热反应中所遇到的十分高的温度。陶瓷管也可以制得更坚固和更薄，其方法是，或者通过一种例如夹紧管子相反两端的机械装置，或者提高作用在发生吸热反应的管子的外表面上的压力，或者同时采取这两种措施来从管子外部施加一个压缩应力。遗憾的是，陶瓷管不能承受热应力，特别是当管子太厚时更是如此。陶瓷管的制造相对较困难并较昂贵，而且与金属管相比，陶瓷管较脆，因此在制造时必须格外小心。
上述的吸热反应装置和有关方法也披露于共同未决的美国专利申请Nos.07/810,237和07/888,776中。所说专利申请′237和′776还披露了有关吸热反应炉和有关方法的另一种实施方案，在共同未决的专利申请Nos.07/810,251和07/889,035中还披露了其他的实施方案。
在该其他的实施方案中，吸热反应发生于一个或多个金属反应管的内部，而放热的(即产生热的)反应则发生于反应管的外部。优选的是，反应成分和燃烧产物的流通途径的布置方式能使得分别地进料的空气和燃烧燃料在混合之前被来自吸热产物的热量加热到高于其自动点火的温度，并且在其从反应器排出之前被冷却。这样，即使燃烧气体火焰达到了十分高的温度，反应器内、外壁的温度仍维持在可以接受的较低的温度下。这样，不用陶瓷管而是使用金属管也能获得高的反应效率和热效率。另外，燃烧气的自动点火还能省去单独的点火装置和/或用于点燃和/或稳定燃烧的燃烧器结构。由于省去了这些装置并允许火焰与反应管直接接触，因此在一种多管式的重整装置中可以做到反应管的紧凑排列。
本发明的吸热反应装置的设计和操作方法，特别是对那些例如在尚未公开的美国专利申请中所披露的那类使用紧密排列金属管的装置以及其他类型的吸热反应装置的设计和操作方法提出了进一步的改进。本文所描述的发明有助于制备一种与上述工业辐射型重整器相比其造价相对较低的紧凑的吸热反应装置。另外，根据本发明的优选实施方案，最好使火焰与反应管直接接触，以便在密集的反应管管束中达到高的效率，同时仍能赋予反应管长的使用寿命。另外，根据本发明的另一方面，可以消除反应管在废气管的入口端所产生的局部过热现象以及采取了一种专门的措施来防止单个反应管由于可能遇到高于平均反应管温的温度而弯曲。可以理解，下文所述的本发明的特征可以单独地采用或者与本发明的另一个或多个特征共同采用，以便在与先有技术的辐射型重整器相比时，能在相对较低造价的基础上获得改进的性能和效率。
根据本发明的一个方面，一种用于进行吸热反应的吸热反应装置包含一个反应器，该反应器包括一个让吸热反应物进入以进行吸热反应从而使其转变成吸热反应产物的入口、一个供吸热反应产物排出的出口以及一个放热反应室。至少有一根反应管通过所说的吸热反应室延伸，该反应管在所说的入口与出口之间提供一条流体通道。设置有第一和第二供料装置(优选在所说反应器内部)，以便分别地向放热反应室供给第一和第二放热反应流体从而在放热反应室中进行反应以及为放热反应产物提供一条直接从放热反应室的上游流向下游的流体通道。该第一供料装置具有第一流体出口设备，以便将第一流体按照在流经反应室时，具有基本上均匀流速的方式，从放热反应室的上游端供入该放热反应室，而第二供料装置包含一个第二流体出口设备，以便将第二流体从第一流体出口设备处或其下游的多个分散位置供入该放热反应室中，所说的多个分散位置与反应管或管束相互靠近但又相互错开(优选有一定距离)，从而使得当第二流体从第二流体出口设备喷出时就与第一流体混合，从而在第二流体出口设备下游产生包围着反应管或管束的高温的火焰，和包围着并沿着反应管或管束流动的高温的放热反应产物，以便加热该反应管或管束，从而支持吸热反应物当其流过反应管或管束时转变成吸热反应产物的吸热转变反应。这种结构能够产生在沿着反应管长度方向延伸相当距离的细长火焰，从而避免了高度的热量集中，若非如此则会由于粗短的火焰而引起热量的集中。
在一个优选实施方案中，第一流体出口设备包括一个流体分配元件，该分配元件按横截于反应管或管束的方向延伸并具有很多小孔，第一流体通过这些小孔流入放热反应室的上游端。该第一流体供料装置还可以包括一个处于流体分配元件侧面，与放热反应器方向相反一侧的第一流体增压室。该第二流体出口设备最好包括许多个喷嘴管，这些喷嘴管大致上与反应管或管束相互平行并相互错开地从分配元件伸入放热反应室中。该第二供料装置还可包括一个连接有许多个喷嘴管的第二流体增压室，该第二流体增压室处于第一流体增压室侧面，与放热反应室方向相反的一侧。
上述的特征在一种吸热反应装置中具有特殊的应用，在该反应装置中，每一根反应管或管束在放热反应室的下游在吸热反应产物流向出口方向上具有一个下游部分，该第一供料装置包括一个第一供料管，反应管的下游部分通过该第一供料管共同延伸，在第一供料管与反应管之间形成一条与反应管下游部分构成热交换关系(优选为逆流方式)的第一流体通道，该第二供料装置包括一个第二供料管，第一供料管通过该第二供料管共同延伸，在第一和第二供料管之间形成一条与第一流体通道构成热交换关系(优选为逆流方式)的第二流体通道，而该第一流体通道又与反应管的下游部分构成热交换关系(优选为逆流方式)。该第一和第二流体通道分别连接到第一和第二流体增压室。
对于这类使用催化剂的吸热反应，在其反应管或管束中装有一种吸热反应催化剂，这些催化剂主要是分布在放热反应室的区段并任选地可分布在该反应器的整个管子内，而诸如陶瓷球等惰性介质则可用于管子或管束的其他部位，以便提高热交换或热转移的速率，特别是在分布板的下游和紧接于吸热反应物从入口处进入该反应器的入口。
在多根反应管的实施方案中，喷嘴管优选是基本上均匀地分布在许多根反应管之间。优选是这些喷嘴管出口端的取向可使得从该喷嘴管喷出的第二流体的方向大体上平行于反应管的方向。至少有多根喷嘴管可以具有一个节流孔，以便用于调节通过该喷嘴管的流量，而这些喷嘴管优选是由一个共用的增压室供料。
根据本发明的另一方面，一种用于进行吸热反应的吸热反应装置包含一个反应器，该反应器包括一个让吸热反应物进入以进行吸热反应从而使其转变成吸热反应产物的入口、一个供吸热反应产物排出的出口以及一个放热反应室。至少有一根反应管通过所说的吸热反应室延伸，该反应管在所说的入口与出口之间提供一条流体通道。设置有第一和第二供料装置(优选在所说反应器内部)，以便分别地向放热反应室供给加压的第一和第二放热反应流体，从而在放热反应室中进行反应，以及为放热反应产物提供一条直接从放热反应室的上游流向下游的流体通道。该第一供料装置具有第一流体出口设备，用以将第一流体从放热反应室的上游端供入该放热反应室，而第二供料装置包含许多个优选以喷嘴管的形式分散地分布的出口，它们与反应管或管束相互错开并优选保持一定距离，以便将第二流体从一些与反应管或管束相互靠近但又相互错开的相应位置供入该放热反应室，从而使得当第二流体从第二流体出口设备喷出时就与第一流体混合，从而在第二流体出口设备下游产生包围着反应管或管束的高温火焰，和包围着并沿着反应管或管束流动的高温放热反应产物，以便加热该反应管或管束，从而支持吸热反应物当其流过反应管或管束时转变成吸热反应产物的吸热转变反应。这种结构能够产生在沿着反应管长度方向基本上全部距离内延伸的细长火焰，从而避免了高度的热量集中，若非如此则会由于粗短的火焰而引起热量的集中。
根据本发明的又一方面，采取一种防止反应管或管束局部过热的措施，该措施是使用一种废气管来让从放热反应室排出的放热反应产物，以一种大大地高于该放热反应产物通过该放热反应室的速度，包围着并沿着相应反应管的上游部分流动。较高的流动速度可以提高热量从吸热反应产物转移到反应管上游部分的热转移速度，以便加热流过反应管上游部分的吸热反应物并同时冷却放热反应产物，然后才让该产物从反应器排出。废气管与反应管的上游部分共同形成一条供放热反应产物排出的废气通道，而相应反应管的上游部分则通过该废气管共同延伸，该废气管具有一个出口端部分，其结构能使得放热反应产物在进入该废气管时的流速逐渐提高，从而避免在反应管和废气管上处于废气管入口端附近产生局部过热。在本发明的一个优选实施方案中，很容易做到这种流速的逐渐提高，其方法是使废气管的入口端呈喇叭状径向朝外地离开反应器。
根据本发明的又一方面，一种用于进行吸热反应的吸热反应装置包含一个反应器，该反应器具有一条纵轴，并包括一个让吸热反应物进入以便进行吸热反应，从而使其转变成吸热反应产物的入口集流腔，和一个吸热反应产物的出口集流腔。一个纵向延伸的反应管管束，在所说入口集流腔和出口集流腔之间形成一条流动通道，而这些反应管相互间保持一定距离并通过该反应器内的一个放热反应室延伸。这些反应管的两端皆与相应的反应管隔板或其等同物连接，另外有一个用于加热反应管的放热反应装置，以便支持吸热反应物当其流过反应管时转变成吸热反应产物的吸热转变反应。入口集流腔和出口集流腔皆处于反应器内，以便达到能够允许反应管束进行集体膨胀和收缩的相对纵向移动，每一个单独的反应管皆在其本身的一端通过一个膨胀接头连接到反应管隔板上，以便适应每个单独的反应管相对于许多反应管的集体膨胀和收缩所作的膨胀和收缩。优选的膨胀接头或装置是金属波纹管。更具体地，根据一个优选的实施方案，该反应器具有一个供吸热反应物的入口和一个供吸热反应产物的出口，该入口和出口中的任一方通过一个主金属波纹管连接到入口和出口集流腔中相应的一方，而每一个反应管的膨胀接头还包括一个副金属波纹管，该副金属波纹管的膨胀/压缩范围明显地小于主金属波纹管的膨胀/压缩范围。
本发明还提供了一种用于在吸热反应装置中进行吸热反应的新方法，在该方法中，通过两种流体的放热反应来加热吸热反应物，从而将该反应物转变成吸热反应产物，具体的步骤将在下文详细描述。
本发明的上述特征和其他特征将在下文中详细地描述并在权利要求中具体指明，以及在本发明的某些说明性实施方案所举出的附图及其文字说明中加以解释，然而，在所谈及的各种各样的方法中，只有少数几种可以应用本发明的原理。
图1A～1D是沿图2的1-1线剖开的，本发明的吸热反应装置整体连续分段表示的纵向剖视图。
图2是沿图1C的2-2剖开的该装置的一个横截面视图。
图3是图1C和图1D的局部放大图。
图4是沿图3的4-4线剖开的一个横截面视图。
图5是沿图6的5-5线剖开的本发明吸热反应装置另一种实施方案的局部剖视图。
图6是沿图5的6-6线剖开的一个横截面视图。
此处所用的术语“吸热反应物”是指一种将参与吸热反应的流体，它可以是单一成分，也可以是多种成分的混合物。另外，“吸热反应产物”是指由所说吸热反应生成的流体，通常它是一种混合物，例如合成气。
现在参考附图，首先是参考图1A～1D进行详细解释，本发明的吸热反应器通常以参考数字10表示。该吸热反应器10包含一个基本上密闭的反应器11，它最好是如图1A～1D所示按垂直地取向，可是它也可以为其他取向，例如水平取向。
该反应器11由一个垂直细长的管状壳体12构成，该壳体12的两端由一个顶盖13和一个底盖14封闭。为了便于组装、维护和修理，顶盖13和底盖14通过合适的装置分别按可拆卸的方式固定于壳体12的上、下两端。在所说的实施方案中，在壳体12的上端和顶盖13的下端分别设置有固定法兰15和16，二者通过螺栓17连结在一起。同样，壳体12的下端和底盖14的上端分别设置有固定法兰18和19，二者通过螺栓20连结在一起。如图1D所示，有一个合适的垫圈21夹在固定法兰18与19之间，以便密封壳体与底盖之间的连接点，从而防止泄漏。壳体与顶盖之间的连接点也用一种方法密封以防止泄漏，这种方法将在下文描述。在所说的实施方案中，壳体12最好为圆柱形，这样它就具有圆形的截面，可是其他截面形状也可以利用，例如方形、六角形等。顶盖和底盖可以具有各种不同的形状，可是在本发明所解释的实施方案中为圆帽形，该形状为优选的形状。
该壳体12和端盖13和14优选由金属制成，更优选由钢或合金钢制成。
该装置10可以具有合适的长度。例如，所说的装置可以具有大约25英尺的总长度。在图1A～1D中，处于图1B和图1C之间的装置已被删去一长段，而被删去的这一段实际上只是构成结合在一起的所示结构相同的连续部分。因为装置10具有足够的总长度，所以可以用一个外支架将其悬挂在靠近其顶端的支点上。为此目的，将壳体12固定到一个悬挂结构25上，该悬挂结构径向地朝外延伸，以便于固定在处于合适高度的外支架上，这样就允许该反应器的大部分都自由地悬挂着，以便于在必要时将底盖14拆卸。
该反应器11内安装有一个反应管管束28。如图所示，这些反应管28都是直的并且平行于反应器11的纵轴29。虽然本发明通常在实践时使用许多根反应管，但是有时甚至只用单独一根反应管。在所说的实施方案中，一共使用19根反应管。然而，对于大多数的工业目的来说，通常至少使用约100根反应管，这主要由产品流体的需要量来决定。
如图1A所示，反应管28的顶(上游)端通过相应的膨胀接头或装置33而与一块固定的反应管隔板32相连接，这类膨胀接头的优选形式是一种如图所示的金属波纹套或者波纹管。在所说的实施方案中，反应管28通过反应管隔板32上的相应开孔并伸出到该反应管隔板的上方。膨胀波纹管33套在反应管伸出端的外面并且其上端通过焊接固定在反应管上，而其下端则通过焊接固定到反应管隔板32上。以这种方式，使得波纹管与环形焊缝共同密封住反应管与反应管隔板之间的缝隙，而同时又允许每一根反应管相对于反应管隔板作轴向运动。
该反应管隔板32按垂直于反应器11的纵轴29的方向延伸，其周边部分则夹在顶盖13与壳体12之间。按此方法将上部反应管隔板32密封地固定在反应器中。如图所示，在反应管隔板32与上盖13之间以及与壳体12之间分别安装有垫圈35和36，以便达到防泄漏的密封。反应管隔板32与顶盖13共同形成一个入口增压室或集流腔38，以便接受通过设置于反应器顶端的入口39进入到反应器11中的吸热反应物。入口集流腔38以流体连通的形式与反应管28的上端连接，以便让吸热反应物通过该反应管往下流动。
在图1D中所示的反应器11的下端，反应管28以其下(下游)端连接到按照垂直于反应器纵轴29的方向延伸的第二块反应管隔板40上。这些反应管的下端可以用任何合适的方法固定并密封于反应管隔板40上，所示的固定方法优选是沿着环绕相应反应管的圆周焊上一条环形的焊缝以达到密封的目的。该反应管隔板40构成端头41的一部分，此处将其称为浮动端头，因为它不是刚性地与壳体12相接触，而是可以沿着该壳体的纵轴作独立于壳体12的运动。浮动端头41还包含一个帽形盖42。该帽形盖42具有一个环形法兰43，另外有一个分离的压紧环44，通过螺栓45而连接到该法兰上。该压紧环44将反应管隔板40固定到帽形盖的端面上，在反应管隔板40与帽形盖42之间设置一个垫圈46以密封该连接点。
该反应管隔板40与帽形盖42以它们的内表面，共同形成一个出口增压室或集流腔49。该出口集流腔以流体连通方式连接到反应管28的下端，以便接受从反应管排出的吸热反应产物。该出口集流腔49还通过一根纵向延伸的管道50与反应器11底部的出口51相连接。该导管50还包括一个管状膨胀装置，该装置优选为金属波纹管52的形式，这种结构是为了进行轴向调整，它可以补偿浮动端头41与底盖14之间因此也与壳体12之间产生的不同位移。如图1D所示，该膨胀波纹管52以其一端与浮动接头41相连接而以其另一端与出口51相连接。
该浮动端头41和端头50将吸热反应产物的流动通道与底盖14内的周围空间55隔开。在所说的优选方案中，该内部空间55通常仅仅含有空气，尤其是压缩空气，以便将其供入反应器中，从而支持按下文所述方式燃烧。正如下文的进一步解释，所说的空气通过一个与空气入口集流腔或增压室58连通的空气入口56而供入反应器中。来自入口增压室58的空气可以允许充入内部空间55，该空间除了开口59以外，其他地方皆与外界隔绝。开口59处可以设置一个常规的监测设备，以便监测在内部空间55内是否存在能够表明泄漏的吸热反应产物。例如，可在开口59处安装一个探测器以便检出吸热反应产物。
如图1D的底部所示，导管50的下端被一个分离式定位环60固定以防止它发生相对于出口51的纵向运动，而在导管与出口元件51之间的连接点则用一个合适的垫圈或密封元件61来密封。
现在参考图1C和1D，空气入口集流腔58与燃料入口集流腔63被一块空气供料管隔板64隔开。该空气供料管隔板64通过焊接或其他合适的方法连接并密封于许多空气供料管65的下端，而相应反应管28的几部分，则通过该空气供料管平行地并最好同轴地延伸。这些空气供料管的另一端则通过焊接与其他合适的方法连接并密封于空气供料管隔板66的上方。空气供料管66处于燃料供料管隔板67与空气分布板68之间。隔板66、67和空气分布板68按垂直于反应器11的纵轴29的方向延伸，并通过焊接将它们的外周缘固定并密封于一个管筒或套管69的上端，而管子隔板64也是通过焊接固定并密封于管筒的下端。管子隔板66和67沿着纵轴29隔开一定距离，以便在它们之间形成一个预热燃料的分配增压室70。管子隔板66与空气分布板68也沿纵轴29隔开一定距离，并在它们之间限定出一个预热空气的分配增压室71。可以用一个或多个限距器73来维持管子隔板66、67和空气分配板68相互之间的距离。
如图3和图4所示，每个空气供应管65的内径皆略大于从其中通过的反应管28的外径，从而在二者之间形成一条空气供料通道76。优选地，反应管28与空气供应管65大体上同轴，从而使得空气供应通道76成为一条包围着反应管28的径向厚度均匀的环形通道。在空气供应隔板66处，处于每根空气供应管65内侧的空气通道76，以流体连通方式与气体分布增压室71连通。空气分布增压室最好具有足够的容积，以便给空气分布板68的整个背侧施加相对均匀的压力。
空气分布板68上具有很多空气出口孔或小孔80，如图2所示，这些小孔在分布板68的整个面积上均匀地分布。虽然图2中只示出了不多一些小孔80，但是应予理解，这些小孔80优选是在分布板68的整个面积上均匀地分布并且优选是占分布板68总面积的约2～15％，更优选是占4～10％，最优选是占约6％。所说的小孔80可按各种不同的图案排列，包括随机的排列，也就是说，它可以整齐地排列，也可以参差交错地排列。正如下面所讨论的，小孔80的作用是将空气供入吸热反应室81(图1C)并且使得供入的空气在该吸热反应室的整个横截面上均匀分布，从而形成一面具有基本上为平面前沿并垂直于反应器纵轴21而延伸的移动的空气墙。然而，小孔80的孔径与排列可以根据需要而变化，以便改变正在进入火焰区的移动空气前沿的形状，并使空气按此形状与按下述方法供入在分布板68之上和壳体12之内延伸的放热反应室81中的燃料混合。
参考图1C和1D，加压的燃料通过燃料入口84供入反应器11中。该燃料入口84与燃料入口集流腔63连通，该集流腔处于套筒69的内侧，其上、下两端分别被燃料供应管隔板67和空气供应管隔板64限定。燃料入口集流腔63按流体连通方式与许多燃料供应管68的入口端相连接。该燃料供应管86则在其顶端通过环状焊接连接并密封于燃料供应管隔板67上。
最好是如图3和图4所示，燃料供应管86沿着空气供应管65的一部分长度完全套在空气供应管65外面。燃料供应管86的内径大于空气供应管65的外径，从而形成一条燃料通道88。优选地，燃料供应管86与空气供应管65以及从其中延伸过的反应管28都共轴，以便形成一条沿着燃料供应管长度方向延伸并且径向厚度均匀的环形通道。
燃料通道88和燃料供应管86在它们的顶端，按流体连通方式与燃料分布增压室70连通。该燃料分配增压室70又依次地与许多连接到并且从空气供应管隔板66向上延伸的喷嘴管90相连通。这些燃料喷嘴管90向上延伸过，并伸出到空气分布板80的上方，该分布板的上方具有让喷嘴管从其中通过的开口。这些喷嘴管优选是共同终结于一个与反应器11的纵轴29相垂直的平面，该平面可以处于空气分布板的附近但更优选是沿着纵轴29处于分布板下游一定距离处。然而，喷嘴管90的长度或终结点可以根据需要而变化，以便获得不同的火焰形状。优选是，每一个燃料喷嘴管90皆与一个节流孔91(图3)相连接，该节流孔的作用是使各喷嘴管之间的燃料流速更均匀。
如图2所示，各喷嘴90最好与相邻的反应管28有均匀的水平距离。在所说的实施方案中，各反应管皆水平地保持恒定的间距，各喷嘴也按同样的间距相同地布置，但是每个喷嘴管皆与最接近的反应管按同等数量相互错开。本领域的技术人员将能理解，有关反应管和喷嘴管的其他布置方式也可以利用，这可根据具体应用时的需要来选定。喷嘴管对反应管的比例优选在4∶1至1∶2之间，更优选在1.5∶1至1∶1.5之间，最优选是1∶1(相等)。
如下面的进一步讨论，优选是将空气和燃料皆预热到足够高的温度，以使得当从喷嘴管90喷出的燃料与空气在放热反应室81接触时，该燃料能自动着火。也就是，空气和燃料都加热到这样的程度，使得它们混合后形成的混合物的温度高于该燃料的点火温度。生成的火焰与燃烧产物将向上流过反应器内的放热反应室，然后通过废气管94排出，如图1B所示，这些废气管以其顶端与一块废气管隔板95相连接。
在所说的实施方案中，该废气管隔板95限定了放热反应室81的上端。如图1A和1B所示，废气管隔板与反应管隔板32之间通过限距棒96而相互地支持着。该废气管隔板优选是具有一个浮动密封件98，该密封件在废气管隔板与壳体12内表面之间起密封作用，以便将放热反应室81与废气出口集流室99分隔开。该废气出口集流室形成于废气管隔板与反应管隔板32之间并与一个废气出口100相连通。
每一个废气管94皆靠近地包围着相应反应管28的一部分以形成一条狭窄的环形废气通道104，以便让废气从放热反应室流向废气出口集流室99。优选地，废气管与反应管同轴地在管子隔板40处形成一条环形通道，狭窄的废气通道104导致废气高速地从其中流过，从而加强了在排出的废气与进入的吸热反应物之间的热交换对流。
根据本发明，每一根废气管的入口端皆如图1B所示在105的位置径向朝外地呈喇叭口张开，以使得燃烧废气在进入该废气管时其流速逐渐增加。这样就避免了在废气管的入口端发生过量的热集中，从而避免了反应管和/或废气管的局部过热。
虽然如上所描述的吸热反应装置10基本上是按照如下所述的方法进行吸热反应，但是某些吸热反应可能需要使用催化剂或用催化剂来加速。在所说的实施方案中，该反应管28内装有一种吸热反应催化剂，该催化剂的选择将取决于在该装置10内所要进行的特定吸热反应。
在所说的实施方案中，反应管28中填充有放热反应催化剂108，这些催化剂与放热反应区81一起，从处于喷嘴管90出口端附近的位置109点，共同延伸至废气管94沿长度的中间位置110点。所说催化剂可以为具有所需粒径的球形，例如其直径约为3mm。该反应管优选是在吸热反应催化剂108的两端还装有惰性材料112。这些惰性材料优选为较大的颗粒，例如为6mm直径的球形，以便尽量地减少压力损失。在所说的实施方案中，该反应管28从其下端至喷嘴管的端部附近，也就是吸热反应催化剂起点109处，填充有惰性材料112。另外，在放热反应催化剂的上方，从110点开始连续向上直至废气管94顶部附近的一段反应管内也填充有惰性材料。在反应管隔板40的底端固定有一块防漏网113(图1D)，以防止催化剂和惰性材料通过反应管的底端漏出。
现在参考图1C和1D，套筒69、空气分布板68以及管子隔板64、66和67可以制成如图所示的一个元件。在该制成的元件的底部优选在管子隔板64的位置具有一个浮动密封件115，该密封件在所说元件与壳体12的内表面之间起密封作用，以防止燃烧产物回流扩散至密封件115的下方和进入空气供应集流室58。
为了防止热量向外损失，壳体12的内壁衬有绝热材料。具体地说，在紧邻壳体的内表面上敷设有氧化铝绝热垫118，而该壳体可由合金钢制成。在绝热垫118的内表面铺设有氧化铝纤维绝热管119，而在该绝热管的内表面上可以涂上一层防腐蚀漆。在反应管隔板40的顶面一侧也可同样地敷设绝热层，底盖14的内部也可如图1D所示敷设绝热垫。另外，反应器可以设置观察孔121-123。
现在将描述用吸热反应装置10来重整一种可重整的原料的操作方法。然而，应予指出，该装置可以用来进行各种各样的吸热反应。
根据本发明的方法，将加热的空气和燃料分别通过空气和燃料入口56和84供入反应器中。虽然现在描述的是使用燃料和空气作为放热反应物，但是应予指出，其他的放热反应物也可使用。例如，氧或其他含氧的流体皆可用于支持一种可氧化的燃料的燃烧。然而，当按照下文所述的方法进行反应时，其他的放热反应流体皆可用来产生火焰和热量。
被供入空气入口56的空气接着进入空气入口集流室58。从空气入口集流室出来的空气接着流过包围反应管28一部分的空气供应环形通道76，由于环形通道的截面积较小，因此使得空气通过该环形通道的速度要比入口处的进料速度大得多。在空气供应通道的下游端，预热了的空气流入空气分配集流室71，然后通过小孔80进入放热反应室81，进入反应室时的方向平行于相邻的反应管以便包围着并沿着该反应管流动。
把一些诸如含氢量约为80％的富氢工厂尾气等原料通过燃料入口84供入燃料入口集流室63。从燃料入口集流室出来的燃料接着流过包围空气供应管65一部分的燃料供应环形通道88，由于环形通道的截面积较小，因此使得燃料通过环形通道的速度要比入口处的进料速度大得多。在燃料供应通道的下游端，燃料流入燃料分配集流室70，然后通过节流孔91进入喷嘴管90。各喷嘴管按照平行于相邻反应管的方向分别以高的流速将已预热的燃料喷入放热反应室81中。燃料通过喷嘴的速度优选是大于约30m/sec，更优选是大于约60m/sec。当燃料从喷嘴管中喷出时，该燃料就在纵轴延伸的整个火焰区内与已预热的空气混合并反应(即燃烧)。所说的方案可以提供狭长的火焰，这种火焰能在狭长火焰的整个长度区域内产生能够加热反应管的高温，所说火焰区域的长度优选大于约25cm，更优选大于约50cm，最优选大于约1米或更长。
这种狭长火焰是优选的，因为它能将释放的热量在一个或多个反应管附近的整个较长的区域内扩展，从而避免在反应管壁上产生局部的过热点。换句话说，无论反应管壁的最热点多么热，这种狭长的火焰都能将过热情况降低至最小程度。为了将反应管内的催化剂加热到尽可能高的温度，并同时将反应管壁的温度限定在不致于引起反应管过早损坏，狭长火焰基本上能在这二者之间提供一种平衡。
在所说装置中由喷嘴管产生的火焰的另一种较佳特征在于，由于两个反应管之间的距离较近，所以火焰相对地较薄。薄的火焰可以将反应管接受火焰的辐射加热减小到最低程度。因此，与常规的辐射式重整炉相比，所说装置的较佳反应管间距离十分小。在所说的实施方案中，两个反应管之间的距离优选为燃料供应管86外径的约1.25倍。更通常地，两个反应管中心之间的距离优选不大于反应管直径的4倍，更优选是不大于反应管直径的2倍。在反应管相互间的距离较小不但可以降低辐射热的比例，并且也可以提供更密集的反应管束并因此可以形成横截面尺寸更小的反应器。除此之外，反应管的内径优选在10～60mm的范围内，更优选在15～45mm之间，这些将在下面进一步讨论。
燃烧产物，更广义地称为放热反应产物，包围并沿着通过放热反应室81延伸的反应管的中间部分向上流动。燃烧产物将继续加热反应管内的吸热反应催化剂以及流过该反应管的吸热反应物。燃烧产物通过废气管94而从放热反应室排出，该废气管靠近地包围着反应管以形成狭窄的环形废气通道，从而在废气管的区段内提供更高的流速。这样就使得通过放热反应室下游的反应管逆向地流动的废气与吸热反应物之间的传热系数大大提高。
根据本发明，废气管在其入口端径向朝外地呈喇叭口状。这样就能使流速逐渐增加，从而防止了反应管壁过热，而如果废气流速立即增加到很高的数值则会产生过热现象。排出的废气的流速逐渐增加可以允许热传导作用在喇叭口区域内将热的废气冷却下来，然后才让废气到达在废气管与反应管之间的废气流动通道的最狭小区域。在所说的实施方案中，在该废气管的入口端，废气管与反应管之间的径向缝隙应至少为其最小缝隙的2倍，优选至少为其4倍，更优选为其5倍。
从废气管出来的燃烧产物流入废气集流室99，以便通过出口100向外排放。燃烧产物在到达废气出口100时已被基本上冷却下来，因此不需要在废气出口100与反应器11之间对十分高温的流体进行绝缘。
将一种吸热反应物，例如蒸汽与重整原料的混合物，通过入口39而供入入口集流室38中。该入口集流室可以使吸热反应物在各反应管28之间均匀地分配以使其向下流过各反应管。该放热反应物被来自逆向地流过废气管94的燃烧产物的对流热传导预热。这种预热可以保证吸热反应物的温度高于它即将与废气管长度中间的反应催化剂接触之前所需的最低温度。在用蒸汽来重整烃类化合物时，气体反应物在其即将与催化剂接触之前的温度必须高于700℃(这决定于具体的进料组成以及所用催化剂的类型)，以避免产生积碳。因此，在以约400℃或更高的温度供入反应器中的反应物在其与反应催化剂接触之前可以按所述的方法预热至大于700℃或更高。
当吸热反应物通过反应催化剂108时，它将吸收热量并进行反应，从而生成了吸热反应产物。该吸热反应物将从火焰和逆流地通过放热反应室81的燃烧产物中吸收热量。催化反应继续进行直至热的吸热反应产物流过位置109点为止，然后它开始通过处于反应管下游端的惰性材料112。在空气和燃料供应管65和68的区域，热的吸热反应产物将热量传导给通过空气和燃料供应管进入的空气和燃料，从而预热了空气和燃料并同时冷却了放热反应产物。通过这种热交换，使得吸热反应产物冷却到足够低的温度，从而不需要在反应器11底部的出口51处对十分高的温度进行绝缘。另外，空气和燃料将被充分地预热，以使得当它们在放热反应室中混合时，该混合物的温度将高于，并最好明显地高于该燃料的点火温度，从而可以不需要任何点火装置和/或大型的常规燃烧器结构即可进行对该燃料的自动点火和继续燃烧，因此这是优选方案。
在冷原料的情况下，可以用一个外部的燃烧器(未示出)将进入的空气预热至高于特定放热反应物的自动点火温度，对于通常的燃料来说，该温度高于550℃。当该装置已被充分预热后，即可使燃料开始自动点火并将吸热反应物供入该装置中以建立空气和燃料的内部预热。当自动点火已变成本身持续以后，就可以关掉外部的燃烧器。这是一种优选的装置，该装置可以从冷的状态起动该反应装置，可是应予指出，其他装置也可以使用。
虽然从前文可以看出，吸热反应物和反应产物的流率和各种管子、通道和小孔的尺寸和形状可以这样来选择，以使得当空气和燃料在放热反应区混合时，该混合物的温度达到或高于其自动点火的温度。用这种方法就可使它们混合、点火和燃烧而不需要单独的点火器，例如电热塞、火花塞等。为了获得所需的吸热反应物的温度分布和放热反应物的温度分布，也可对其流率进行测定。更具体地说，可以使吸热反应物和反应产物的质量流率以及燃料和空气的质量流率及流速最优化，以便使反应管的壁温维持在低于可能导致该反应管过早损坏的温度。该温度将取决于各种不同的因素，其中包括反应管的材料、反应管内、外之间的压差以及反应管的直径及其厚度等。在所说的实施方案中，反应管壁外面的最高温度可以维持在约912℃，而反应物的最高温度为900℃，这样可以具有仅约12℃的温差。因此，可以将吸热反应物加热到一个较高的温度，并使反应管外壁的温度仍然维持在低于可能导致该反应管过早地损坏的温度。这时，从该装置排出的流体已被冷却至一个合理的温度，而在反应器内的放热反应物则被加热到高于其自动点火所需的温度。在所说的实施方案中，催化剂的最高温度与管壁的最高温度十分接近这一条件，可由下面两个因素获得：1)从反应管壁至反应管内的工艺气体之间的热传导系数要高得多(约为3500W/m2℃)，而从火焰至管壁之间到热传导系数要低得多(约为80W/m2℃)以及2)在反应管上最高火焰温度的位置不同于最高工艺温度的位置(二者相距约50cm)。优选地，反应管内的热传导系数以20或更大的倍数，优选是以40或更大的倍数超过反应管外的热传导系数。
所说的吸热反应装置特别适合于进行大规模的操作，例如通过对气态烃类，尤其是甲烷和天然气，进行蒸汽重整的工业规模生产合成气等。蒸汽重整反应优选采用较高的温度，例如800～1000℃，更优选为870～920℃，而对合成器的大多数下游应用来说，例如甲醇的合成与Fischer-Tropsch合成，优选采用较高的压力，例如至少为10atm，优选为20～60atm，更优选为30～50atm。因此，优选在相对较高的压力下在反应管内进行这种操作。另一方面，放热反应则希望在低得多的压力下操作以避免使用昂贵的压缩机等，而如果要将燃料和空气的压力提高到较高的压力则必须使用这类昂贵的压缩机。例如，空气可以大约15psi的压力供入系统，可是其他压力也可使用，例如在10～30psi范围内的压力。燃料的压力可以相类似，例如可以使用20psi的压力，这是通常燃料的进料压力，可是其他的燃料进料压力也可以使用，例如在10～30psi范围内的压力。
一般地说，本发明的吸热反应装置特别适合于那些吸热反应物进料压力大于约100psi，优选大于约200psi，更优选大于约300psi的用途。另一方面，放热反应物的进料压力优选低于约100psi，更优选低于50psi，最优选低于30psi。另外，该装置适合于那些反应物温度优选高于约700℃，更优选高于约800℃，最优选高于约900℃的用途。
对于一种特定用途来说，为了决定所用装置的最佳设计和最佳操作条件，必须考虑很多因素，下面对这些因素进行讨论。例如，蒸汽-甲烷重整(以及很多其他感兴趣的吸热反应)优选在高温和低压下进行。然而，对于吸热反应产物，合成气(以及其他许多产物)来说，大多数的应用都要求该合成气处于高压下。由于使用压缩机来压缩合成气的工艺是非常昂贵的，因此，较实际的做法是利用较高的进料压力将吸热反应物供入装置中以便在该装置的出口处获得适合于应用的合成气压力。
最好是使得反应管的内径相对较小，例如10～60mm，优选15～45mm，可是，由于经济上的原因，其他直径的反应管也可以使用。对于相同的温度和压差来说，与较大直径的反应管相比，较小直径的反应管要求较薄的管壁，因此其价格也较低。但是，如果管子太细，则为了获得相同的产量就要求使用更多的反应管，从而相应地提高了费用。另外，很小的直径将会引起催化剂堵塞的问题，结果造成局部的热传导变差。大的反应管将显示不利的径向温度梯度。
反应管的长度对其内径的比例优选在100∶1至350∶1的范围内，可是这可根据具体应用而不同。
该反应装置用于高温区域的合金，优选具有高温强度(抗蠕变和蠕变断裂)以及强的抗氧化性能和抗工艺气体腐蚀的性能。在这些合金中，适合于典型工艺应用的是各种镍基耐高温合金。例如，在应用于甲烷的蒸汽重整工艺时，各种管子可以用含铬、钨、钼的镍基合金制成，例如由Haynes International，Inc.ofKokomo，Indiana购得的Haynes230合金(22％Cr、14％W、2％Mo，余量为Ni)。如果需要，可以给反应管和/或其他管子涂敷合适的涂层以防止金属的粉化或引起其他腐蚀。这类涂层在本领域中是已知的，其中Alonizing是一个具体的例子。
优选的最高工艺温度取决于所选择的压力、管子的材料、进料混合物组成以及对外部工艺的要求。在所选择的工艺条件下常常希望在能够给出可以接受的管子寿命的最高温度下操作，可接受的管子寿命优选在一年以上，更优选为许多年。在这些情况下，金属管优选是在约850℃～1000℃的范围内操作。在其他情况下，如果在较上述温度稍低的温度下操作则可在工艺热平衡和节约总费用两方面获得良好的平衡，此时对于金属管来说，优选的最高工艺温度约为875～925℃。
优选地，反应装置的设计和操作可使得，在操作达到稳定状态后，燃料和空气在其进入反应区混合之前被加热到的温度与吸热反应的最高温度之差小于250℃。该温度差优选为100～200℃。由于大多数普通气体燃料与空气在400～600℃的温度范围内自动点火并由于大多数感兴趣的吸热反应在约850～950℃下进行，因此，这一事实意味着，在正常的操作下，空气与气体燃料在其进入放热反应室混合之前应先加热到大大高于其自动点火的温度，例如加热到600～850℃之间。
另外还希望这样来设计和操作该反应装置，也就是燃烧的生成气在其从加热炉排出之前明显地被冷却，例如冷却到700℃以下，从而不需要在燃烧产物气体出口处对十分高的温度进行绝缘。同样地，希望将吸热反应产物在其从加热炉排出之前明显地冷却，例如冷却到600℃以下，优选冷到约550℃或更低。
一种包含一个或多个发明特征的吸热反应装置可用来进行一系列不同的吸热反应，例如轻烃类，尤其是甲烷、乙烷和天然气的蒸汽重整；诸如乙烷和丙烷等烷烃热解成相应的乙烯、丙烯等烯烃等。这类方法在本领域都是公知的。
如上所述，在这些方法中，某些方法不需用催化剂即可实施，而另外的方法则需要或者通常要使用催化剂。当使用催化剂时，这种催化剂必须能够在所遇到的高温下在一段长时间内维持足够的活性。该催化剂应具有足以支持其自身重量的强度。另外它还应具有足够小的粒径以便能够方便地填充入反应管的内部并能提供足够高的热传导系数，但它又应足够大以便将通过反应管的压力降减小到可以接受的程度。在优选的实施方案中，通过反应床层的压力降实际上要比常规方法的大得多以便将内部热传导增加到最大程度，例如约7～10atm。另外，优选是这些催化剂即使在长期暴露于高温下也不会发生过度的烧结以致于它们自身相互粘结或粘结到反应管上。对于包括轻烃重整在内的各种吸热反应来说，一种合适形式的由氧化铝载带的镍是一种适用的蒸汽重整催化剂，但其他催化剂也被认为适用。
对于氢的生产来说，不管高温转变催化剂和/或低温转变催化剂都可任选地装入反应管内的反应区中，这时将含有一氧化碳的吸热反应产物冷却，因为这样将使一部分一氧化碳与过剩的水反应以生成额外的氢以及作为副产品的二氧化碳(所谓“水-煤气转换”反应)。
现在参考图5和图6，参考数字150通常表示一种吸热反应器，该反应器只包括单独一根反应管152。该反应管延伸通过一根被外管154包围的放热反应室153，该外管优选为圆筒形并与反应管同轴。
外管154在其底端被一个端塞155密封，空气和燃料供应管156和157的下游端与该端塞连接。该端塞155起到一个连接管隔板的作用，以便支持和隔开空气和燃料供应管的端部，这些空气与燃料供应管最好是与从其中通过的反应管同轴。空气供应管156的内径略大于从其中通过的反应管152的外径，从而在它们之间形成一条空气供应通道158。该空气通道158的上游端按流体连通式与空气入口(未示出)连接。空气供应通道的下游端与一个空气分配增压室159相连接，该增压室形成于端塞155和空气分布板160之间并处于外管154的内部。
空气分配增压室159最好具有足够大的体积以便在空气分布板160的整个背侧提供相对均匀的压力。该空气分布板160具有许多空气出口孔或小孔161，这些小孔排列成如图6所示与反应管同心的双排式圆圈状。
燃料供应管157套在空气供应管156的外面并且其内径大于空气供应管156的外径，从而形成一条燃料通道164。燃料通道164的上游端按流体连通式与燃料入口(未示出)相连接。燃料供应通道164在其下游端按流体连通式与形成于端塞155内的燃料分配增压室166相连接。该燃料分配增压室166依次又与许多喷嘴管167的入口端连通，这些喷嘴管167连接到端塞155上并从该端塞纵向地延伸。燃料喷嘴管167通过空气分布板160延伸并突出到该分布板上面，该空气分布板160具有可让喷嘴管通过的开孔。这些喷嘴管优选是共同终结于与反应管纵轴相垂直的同一个截面上。优选地，每一个燃料喷嘴管皆具有一个节流孔169，该节流孔的作用是使各喷嘴管之间的燃料流速更均匀。
如图6所示，各喷嘴管167优选是与反应管152具有同样的距离并且是以环形等距地围绕着该反应管。在所说的实施方案中使用3个喷嘴管是优选的，因为在单独一根反应管的情况下3个喷嘴管可以提供包围着反应管的火焰。
如同在装置10的情况一样，空气和燃料优选是预热到足够高的温度，以便当从喷嘴167出来的燃料与放热反应室153内的空气接触时，该燃料就能自动点火。产生的火焰和燃烧产物将包围并沿着反应管152流过放热反应室并通一根废气管172排出，该废气管以其下游端连接到废气管隔板174上。该废气管隔板174限定了放热反应室153的与空气分布板160相对的一端。
废气管172靠近地包围着反应管152的一部分，以形成一条可供废气从放热反应室流向废气出口(未示出)的狭窄的环形废气通道175。由于上述的理由，每个废气管的入口端皆如图中参考数字177所示呈喇叭状径向朝外张开。
在所说的实施方案中，基本上如上面对反应装置10所讨论的那样，在反应管内装有一种吸热反应催化剂。同样，在该实施方案中的反应器由外管154和燃料供应管157构成，在该反应器外也可包裹一层绝热材料以尽量减少向外的热损失。该空气与燃料供应管156和157皆可以终结在处于适合构形的容器端部结构的入口室中它们各自的上游端。在反应管的上游端也设置一个合适构型的端部结构，这种端部结构包含一个用作废气的出口室。另外，在反应管与反应器之间也可设置一个膨胀接头或波纹管以便适应相对的膨胀和收缩。
吸热反应装置150的操作方法与反应装置10相似。将空气与燃料通过空气与燃料供应通道158和164供入，空气与燃料在通道中被预热。已预热的燃料流入喷嘴管167，从喷嘴管喷出的燃料气流按照平行于相邻反应管的方向流入放热反应室153。当燃料喷射气流从喷嘴管出来时，这些燃料就在整个纵向延伸的火焰区内与从空气分布板流出的已预热的空气混合。如上所述，所说的装置能提供狭长的火焰，这种火焰能在整个狭长的火焰区内将反应管加热到高温。
燃烧产物包围并沿着通过放热反应室153延伸的反应管的中间部分而向上流动。该燃烧产物将继续加热在反应管内的吸热反应催化剂以及流过该反应管的吸热反应物。然后该燃烧产物通过废气管172从放热反应室排出。
一种吸热反应物通过反应管152逆流地流动。该吸热反应物被来自逆流地通过废气管172的燃烧产物的对流热传导所预热。当吸热反应物通过反应催化剂而移动时，它就吸收热量并发生反应，从而生成一种吸热反应产物。该吸热反应物将从逆流地通过放热反应室的燃烧产物中吸收热量。催化反应持续进行直到热的吸热反应产物开始通过反应管下游部分内的惰性材料为止。在空气和燃料供应管156和157的区域内，热量将从热的吸热反应产物传导给正在通过空气和燃料供应管供入的空气和燃料，从而既预热了空气和燃料，同时又冷却了热的吸热反应产物。关于其他的操作细节，可以参考上文对反应装置10的描述，这些细节通常可应用到装置150上。
对于上述本发明的代表性实施方案可以作出很多更改。例如，燃料和空气的流通途径可以相反，虽然与上述的方法相比，一般认为这种方法被接受的可能性较小。气体转变成液体的冷凝作用也可以在该装置的最冷区段发生。对于本领域的技术人员来说，在这些许多的改变和替换的方法中可能只有少数几种可以实施。所有这类改变将被认为包括在本发明的范围内，本发明的范围仅仅被后面的权利要求所限定。

Claims (34)

1.一种用于进行吸热反应的吸热反应装置，该装置含有：
一个反应器(11)，该反应器包括一个供吸热反应物进入的入口(39)，以便使该反应物进行吸热反应从而将其转变成一种吸热反应产物；一个供吸热反应物排出的出口(51)以及一个放热反应室(81)，
至少一根反应管(28)，它在所说入口与所说出口之间提供一条流动通道，所说反应管通过所说放热反应室(81)延伸，以及
第一和第二供料装置，它们分别用于将第一和第二放热反应流体供入放热反应室(81)，以便在所说放热反应室中进行放热反应以及使放热反应产物按照从所说放热反应室的上游流向其下游的方向流动，所说第一供料装置具有第一流体出口设备(68)，以便将所说第一流体在所说放热反应室的上游端，以一种能在流经该反应室时具有基本上均匀流速的方式，导入所说的放热反应室中，所说第二供料装置包括第二流体出口设备(90)，以便在所说第一流体出口设备处或在其下游，并且在与所说一个反应管邻近但相互错开的许多分散位置上，将所说第二流体导入所说放热反应室，从而使得从所说第二流体出口设备出来的第二流体与所说第一流体混合，以便在所说第二流体出口设备的下游产生包围着所说一个反应管的高温火焰，以及产生包围着并沿着所说一个反应管流动的高温放热反应产物，以便加热所说的一个反应管以支持吸热反应物在流过反应管时转变成吸热反应产物的吸热转变反应。
2.如权利要求1所述的一种吸热反应装置，其中所说的第一流体出口设备包括一个流体分配元件(68)，该元件沿垂直于所说一个反应管的方向延伸，并且其上具有许多小孔(80)，所说第一流体通过这些小孔而流入所说放热反应室的上游端。
3.如权利要求2所述的一种吸热反应装置，其中所说的第一供料装置包括一个第一流体增压室(71)，该增压室处于所说分配元件侧面，与所说放热反应室相反的一侧。
4.如权利要求3所述的一种吸热反应装置，其中所说的第二流体出口设备包括许多喷嘴管(90)，这些喷嘴管从所说分配元件(68)伸入所说放热反应室中，其方向通常平行于所说一个反应管(28)并与其相互错开。
5.如权利要求4所述的一种吸热反应装置，其中所说的第二供料装置包括一个第二流体增压室(70)，有许多喷嘴管与该增压室连接，所说第二流体增压室处于所说第一流体增压室(71)侧面，与所说放热反应室相反的一侧。
6.如权利要求5所述的一种吸热反应装置，其中所说的一个反应管(28)具有一个下游部分，其位置处于在吸热反应产物向所说出口流动的方向上，所说放热反应室的下游，所说第一供料装置包括一个第一供料管(65)，所说一个反应管的下游部分通过该第一供料管共同延伸，在所说第一供料管与所说的一个反应管之间，形成一条可与所说的一个反应管的下游部分进行热交换的第一流体通道(76)，而所说第一流体通道与所说第一流体增压室(71)相连通。
7.如权利要求6所述的一种吸热反应装置，其中所说的第二供料装置包括一个第二供料管，所说第一供料管(65)通过该第二供料管共同延伸，在所说第一和第二供料管之间，形成一条可与所说第一流体通道及所说一个反应管的下游部分进行热交换的第二流体通道，而所说第二流体通道与所说第二流体增压室(70)相连通。
8.如权利要求1所述的一种吸热反应装置，该装置包含这样一个设备，该设备能使放热反应产物从所说放热反应室排出，并以大大高于该放热反应产物流经所说放热反应室的速度，包围着和沿着所说一个反应管(28)的上游部分流动，以便提高热量从所说放热反应产物传给所说反应管上游部分的热交换速率，从而加热流经所说反应管上游部分的吸热反应物，所说设备包含一个废气管(94)，所说的一个反应管的上游部分通过该废气管共同延伸，在所说废气管和所说一个反应管的上游部分之间，形成了一条可供放热反应产物排出的废气通道(104)，而所说废气管所具有的一个入口端(105)的构形，可使得正在进入该废气管的放热反应产物的流动速度逐渐增加，从而避免在所说反应管以及在所说废气管的所说废气管入口端处产生局部过热。
9.如权利要求8所述的一种吸热反应装置，其中所说废气管的入口部分(105)呈喇叭口状径向朝外张开，从而使得该放热反应产物在通过所说喇叭形入口部分时的流速逐渐增加。
10.如权利要求1所述的一种吸热反应装置，其中所说的第二流体出口设备包括许多以基本上平行于所说的一个反应管(28)的方向并且相互错开地伸入所说放热反应室的喷嘴管(90)。
11.如权利要求10所述的一种吸热反应装置，其中所说的第二供料装置包括一个第二流体增压室(70)，有很多喷嘴管(90)与该增压室连接。
12.如权利要求10所述的一种吸热反应装置，其中所说的一个反应管具有一个下游部分，其位置处于在吸热反应产物向所说出口流动的方向上，所说放热反应室的下游，所说第一供料装置包括第一供料管(65)，所说一个反应管的下游部分通过该第一供料管共同延伸，在所说第一供料管与所说一个反应管之间形成一条可与所说第一反应管的下游部分进行热交换的第一流体通道(76)，所说第二供料装置包括一个第二供料管(86)，所说第一供料管通过该第二供料管共同延伸，以及在所说第一和第二供料管之间形成一条可与所说第一流体通道及所说一个反应管的下游部分进行热交换的第二流体通道(88)。
13.如权利要求1所述的一种吸热反应装置，该装置包括填充在所说一个反应管内的吸热反应催化剂(108)。
14.如权利要求1所述的一种吸热反应装置，其中所说的反应器包括一个与所说入口(39)相连接的入口集流室(38)和一个与所说出口(51)相连接的出口集流室(49)，而所说的至少一个反应管(28)，包括许多在所说入口集流室和出口集流室之间提供相应流动通道的反应管(28)，这些反应管相互隔开地通过所说放热反应室(81)延伸。
15.如权利要求14所述的一种吸热反应装置，其中所说的第二流体出口设备包括许多插入在所说各反应管(28)之间的许多喷嘴管(90)，以便将所说第二流体导入处于所说第一流体出口设备下游的所说放热反应室。
16.如权利要求15所述的一种吸热反应装置，其中所说的喷嘴管(90)基本上均匀地分散在所说各反应管(28)之间。
17.如权利要求15所述的一种吸热反应装置，其中所说的喷嘴管(90)出口端的取向，可使得从其中喷出的第二流体的方向基本上与所说反应管(28)相平行。
18.如权利要求15所述的一种吸热反应装置，其中所说的第一流体出口设备，包括一个处于所说放热反应室(81)上游端的流体分配元件(68)，所说流体分配元件具有许多插入在所说各反应管(28)之间的喷射口(90)，以便在所说喷嘴管(90)出口端的上游位置将所说第一流体喷入所说放热反应室。
19.如权利要求15所述的一种吸热反应装置，其中所说的反应管(28)具有一个下游部分，其位置处于在吸热反应物和产物通过所说反应管的流动方向上，所说放热反应室的下游，所说第一和第二供料装置包括许多供料管(65，66)，所说反应管的下游部分通过这些供料管共同延伸，在所说供料管与所说反应管下游部分之间，形成可供第一和第二流体通过并能与所说反应管的下游部分进行热交换的各自的流动通道(76，88)。
20.如权利要求15所述的一种吸热反应装置，其中所说的每一个反应管(28)皆具有一个下游部分，其位置处于在吸热反应物和产物通过所说反应管的流动方向上，所说放热反应室的下游，而每一个反应管皆与包括一个内管(65)和一个外管(86)的一对供料管相连，所说反应管的下游部分通过这些供料管而纵向延伸，并与所说的内管形成一条内流动通道(76)，，所说内管通过该外管而纵向延伸并与所说的外管形成一条外流动通道(88)，从而使得内和外流动通道与所说反应管的下游部分构成热交换的关系。
21.如权利要求20所述的一种吸热反应装置，其中，许多所说内流动通道(76)具有连接于第一流体增压室(71)的出口端，以及许多所说外流动通道(88)具有连接于第二流体增压室(70)的出口端。
22.如权利要求21所述的一种吸热反应装置，其中所说第一流体出口设备包括一个处于所说放热反应室(81)上游端的流体分配元件(68)，所说流体分配元件包括一块分布板(68)，该分布板构成所说第一增压室(71)的一端，并且具有许多插入在所说各反应管(28)之间的喷射孔(80)，以便在所说喷嘴管(90)出口端的上游位置将所说第一流体喷入所说放热反应室，而所说喷嘴管(90)穿过所说分布板(68)以便与所说第二流体增压室(70)连接。
23.如权利要求15所述的一种吸热反应装置，其中至少有许多所说喷嘴管(90)安装有节流孔(91)。
24.如权利要求14所述的一种吸热反应装置，其中所说第一流体出口设备包括一个处于所说放热反应室(81)上游端的流体分配元件(68)，所说流体分配元件具有许多插入在所说各反应管(28)之间的喷射孔(80)以便在所说喷嘴管(90)出口端的上游位置将所说第一流体喷入所说放热反应室。
25.如权利要求24所述的一种吸热反应装置，其中所说的反应管(28)具有一个下游部分，其位置处于在吸热反应物和产物通过所说反应管的流动方向上，所说放热反应室的下游，所说第一和第二供料装置包括许多供料管(65，66)，所说反应管的下游部分通过这些供料管共同延伸，在所说供料管与所说反应管下游部分之间，形成可供第一和第二流体通过并能与所说反应管的下游部分进行热交换的各自的流动通道(76，88)。
26.一种用于进行吸热反应的吸热反应装置，该装置含有：
一个反应器(11)，该反应器包括一个供吸热反应物进入的入口(39)，以便使该反应物进行吸热反应从而将其转变成一种吸热反应产物；一个供吸热反应物排出的出口(51)以及一个具有上游和下游端的放热反应室(81)，
至少一根反应管(28)，它在所说入口与所说出口之间提供一条流动通道，所说反应管通过所说放热反应室延伸，以及
处于所说放热反应室上游端的产热设备，以便由第一和第二放热反应流体产生高温的放热反应产物，并使该放热反应产物按照从所说放热反应室上游端至下游端的流动方向，包围着并沿着所说的一个反应管流动，以便加热所说的一个反应管，从而支持吸热反应物在其流过所说反应管时，转变成吸热反应产物的吸热转变反应，以及
这样一个设备，该设备能使放热反应产物从所说放热反应室排出，并以大大高于该放热反应产物流经所说放热反应室的速度，包围着和沿着所说一个反应管的上游部分流动，以便提高热量从所说放热反应产物传给所说反应管上游部分的热交换速率，从而加热流经所说反应管上游部分的吸热反应物，所说设备包含一个废气管(94)，所说的一个反应管的上游部分通过该废气管共同延伸，在所说废气管和所说一个反应管的上游部分之间形成了一条可供放热反应产物排出的废气通道(104)，而所说废气管所具有的一个入口端(105)的构形，可使得正在进入该废气管的放热反应产物的流动速度逐渐增加，从而避免在所说反应管以及在所说废气管的所说废气管入口端处产生局部过热。
27.如权利要求26所述的一种吸热反应装置，其中所说的废气管的入口部分(105)呈喇叭状径向朝外张开，以便使放热反应产物在通过所说喇叭状入口部分时的流动速度逐渐增加。
28.一种用于进行吸热反应的吸热反应装置，该装置含有：
一个具有纵轴(29)的反应器(11)，该反应器包括一个供一种需要进行吸热反应的吸热反应物进入，以便使该反应物转变成吸热反应产物的入口集流腔(38)，以及一个供吸热反应产物流出的出口集流腔(49)，
一个在所说入口和出口集流腔之间提供流动通道并且纵向延伸的反应管束(28)，所说这些反应管相互隔开并通过所说反应器内的一个放热反应室延伸，所说的反应管在其相反两端与相应的反应管隔板(32，40)连接，以及
用于加热所说反应管的放热反应设备，以便支持吸热反应物在其流过该反应管时转变成吸热反应产物的吸热转变反应，以及
其中所说的入口和出口集流腔处于所说反应器中，以便可以进行相对的纵向移动，从而允许所说反应管束发生总体膨胀和收缩，而其中的每一个单独的反应管皆在其一端通过一个膨胀接头(33)连接到所说反应管隔板上，从而可以适应每一个单独的反应管相对于所说反应管束的总体膨胀和收缩所作的膨胀和收缩。
29.如权利要求28所述的一种吸热反应装置，其中所说的膨胀接头(33)是一种金属波纹管。
30.如权利要求29所述的一种吸热反应装置，其中所说的反应器具有一个供吸热反应物进入的入口(39)和一个供吸热反应产物排出的出口(51)，所说的入口和出口之中的一个通过一个金属波纹管(52)与所说入口和出口集流腔中相应的一个集流腔相连接。
31.如权利要求28所述的一种吸热反应装置，其中所说的反应器具有一个供吸热反应物进入的入口(39)和一个供吸热反应产物排出的出口(51)，所说的入口和出口之中的一个通过一个主金属波纹管(52)与所说入口和出口集流腔中相应的一个集流腔相连接，用于每一个反应管的所说膨胀接头包括一个其膨胀/收缩范围明显地小于所说主波纹管膨胀/收缩范围的副金属波纹管(33)。
32.如权利要求31所述的一种吸热反应装置，其中所说的用于每一个反应管的副金属波纹管(33)和所说主金属波纹管(52)分别处于所说反应器相反的两端。
33.一种用于在吸热反应装置中进行吸热反应的方法，在该方法中，利用两种流体的放热反应来加热一种吸热反应物，从而将该反应物转变成一种吸热反应产物，该方法包括：
使反应物流过至少一个反应管(28)，该反应物在该反应管中进行吸热反应，该反应管通过一个放热反应室(81)延伸，
为了在所说放热反应室中进行反应，而将第一和第二放热反应流体分别供入所说放热反应的流动途径，放热反应产物的流动途径的方向皆是从所说放热反应室的上游端流向下游端，将所说第一流体在所说放热反应室的上游端，以一种能在流经该反应室时具有基本上均匀流速的方式导入所说的放热反应室中，以及将所说第二流体在所说第一流体处或在其下游，并且在与所说反应管相互错开的许多分散位置上导入所说的放热反应室中，从而使所说第一流体与所说第二流体反应，以便产生包围着所说反应管的高温火焰以及产生包围着并沿着该反应管流动的高温放热反应产物，以加热该反应管，从而支持该吸热反应物在其流过该反应管时转变成吸热反应产物的吸热转变反应。
34.一种用于在一个反应装置中进行吸热反应的方法，在该方法中，利用两种流体的放热反应来加热一种吸热反应物，从而将该反应物转变成一种吸热反应产物，该方法包括：
使吸热反应物流过至少一个反应管(28)，该反应物在该反应管中进行吸热反应，该反应管通过一个放热反应室(81)延伸，
使高温的放热反应产物，按照从所说放热反应室的上游端至下游端的方向，并且包围着反应管流动，以加热该反应管，从而支持吸热反应物在其流过反应管时，转变成吸热反应产物的吸热转变反应，以及
使从放热反应室排出的放热反应产物，以一种大大高于放热反应产物通过放热反应室时的速度，包围着并沿着该反应管的上游部分流过一个环形废气通道(104)，以提高热量从所说放热反应产物传给该反应管上游部分的热交换，从而加热了流过该反应管上游部分的吸热反应物，所说的步骤能使得在整个环形流动通道的入口部分中的流速逐渐增加，从而避免在反应管环形通道的入口端产生过热。
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