CN116761670A - 具有螺旋流的催化热交换反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于进行吸热或放热催化反应的催化热交换反应器，其具有至少一个围绕传热管的螺旋向上流以及中心混合气体管。

Description

具有螺旋流的催化热交换反应器

技术领域

本发明涉及一种用于进行吸热或放热催化反应的催化热交换反应器。特别地，本发明涉及一种催化热交换反应器，其中至少一部分流体流是螺旋状的，这改善并平衡了热传递。催化热交换反应器可以是大型设备的一部分，所述大型设备是例如化学品的生产设备。

背景技术

用于进行吸热或放热反应的催化反应器在本领域中是公知的；具体的示例是用于烃的吸热蒸汽重整的反应器和用于放热甲醇合成反应的反应器(不将本发明的范围限制于这些反应)。反应通常在装载有合适的固体催化剂的管中进行，包含反应物的工艺气流在高压下通过该管。反应器中布置有多个管。这些管沿着催化反应器的主轴线平行地延伸，而管外的热交换介质加热或冷却这些管。管内的固体催化剂提供了催化剂床，在该催化剂床中发生所需的化学反应。催化剂可以作为固体颗粒或作为涂覆结构提供，例如作为固定在蒸汽重整反应器中的管的内壁上的薄层或/和作为固定到诸如布置在管内的金属结构的结构上的薄层。

在包括多个管的另一反应器构造中，固体催化剂颗粒可以设置在所述管的外部，所述管在下文中也称为传热管，而热交换介质在内部通过。传热管外部的固体催化剂提供了催化剂床，在该催化剂床中发生所需的化学反应。

其他类型的传热管和热交换反应器是本领域已知的。下面，参照催化热交换反应器和传热管来解释本发明，其中催化剂布置在管内，并且其中管和反应器基本上竖直地布置。然而，本发明的范围不限于这些类型的管和反应器。术语“催化反应器”、“热交换反应器”和“反应器”可互换使用。“催化剂床”是指形成所述床并且位于传热管内的一定体积的催化剂。术语“传热管”和“管”可互换使用，并且涵盖与催化剂以及用于进行催化反应的热交换介质接触的管。

从EP0271299中已知一种工艺和反应器，其中催化剂与热交换介质间接接触。该引用文献公开了组合蒸汽重整和自热重整的反应器和工艺。布置在反应器的下部区域的蒸汽重整区域包括内部设置有催化剂的多个管，而在反应器的上部区域，自热重整催化剂设置在蒸汽重整管的外部。EP-A-1106570公开了在并联连接的管式重整器(反应器)中蒸汽重整的工艺，该重整器包括多个蒸汽重整管并通过间接热交换被加热。催化剂在一个反应器中设置在蒸汽重整管外部并且在另一个反应器中设置在蒸汽重整管内部。

WO0156690描述了一种热交换反应器，其包括设置有工艺气体入口和出口端口的外部壳体、多个在其上端被支撑的反应器管、用于将工艺气体从所述集管入口端口供应到反应器管的上端的集管装置，所述装置包括两个或更多个横跨所述壳体的上部设置的主入口集管，每个主入口集管具有大于其宽度的深度，由此所述管相对于壳体直接支撑或由所述主入口集管间接支撑。

EP1048343A公开了一种热交换式反应器，其具有多个容纳催化剂的管、壳体部段以及上管板(upper tube sheet)和下管板，传热介质被传送通过所述壳部段以与所述管中的反应流体进行传热，所述管的上端通过第一膨胀节连接到所述上管板，所述第一膨胀节固定到所述上管板的上侧，所述管的下端直接固定到可浮动的下管板，形成可浮动的室，所述可浮动的室由所述下管板和连接到其下侧的内端板(内头)分隔并在下部具有开口，并且所述开口通过第二膨胀节连接到管侧出口以与反应器的外部连通。

WO2006117572描述了一种用于烃的蒸汽重整的设备，包括热交换重整器，该热交换重整器在其内设置有多个竖直的填充有催化剂的管，包含烃和蒸汽的气体混合物可以被传送通过该管，并且热量可以通过围绕外管表面流动的热交换介质传递到该管，其特征在于，一个或多个螺旋挡板设置在重整器内，使得热交换介质沿着螺旋路径通过重整器。还描述了使用该设备蒸汽重整烃的工艺。

US3400758公开了一种管壳式热交换器，其中致使壳侧流体以螺旋路径在管上流动，挡板装置以纵向间隔的分段板元件的形式提供，该分段板元件具有垂直于管的轴线的流动控制表面，从而简化了管的安装和拆卸。

US4357991描述了一种具有盘和环形挡板构造的热交换器，其中管布置成一组同心环。一组中的每个环包含与该组中的每个其他环相同数量的管，并且每个环中的管均匀地间隔开。每个环中的每个管沿周向位于每个相邻环的两个相邻管之间的中间，并与每个相邻环中的两个相邻管中的每一个分开一纽带距离(ligament distance)h。通过改变环之间的径向间隔，对于该组中的所有管，距离h保持恒定，并且该组中的任何环中的任何两个相邻管之间的距离大于或等于2h。因此，恒定的纽带距离h确定相邻环之间的最小流动区域，并且因此通过管束的质量流速是恒定的。

US3731733公开了一种具有中心管状核体的圆柱形外壳，并且在这些核体之间，第一流体流沿着完全占据外壳和核体之间的体积的至少两个平行重叠的拟螺旋路径流动。路径由竖直径向隔板和水平挡板引导。挡板通过呈两个(螺旋形双流挡板)或三个(螺旋形三流挡板)的径向隔板相互连接，并具有彼此连续交错的分段切口。在外壳和核体之间的空间中还提供了一系列平行的管，并且所述一系列平行的管与流动路径一起工作，第二流体在所述一系列平行的管中流动，所述管穿过挡板。这种交换器不仅由于流体的更好引导而具有更高的热性能，同时具有更高的输出，而且通过减少管组的管的范围而具有相当大的机械改进。

EP1668306描述了一种热交换器，其构造成具有与壳体的纵向轴线成角度定位的扇形挡板(quadrant shaped baffle)，用于引导流体的横向流动成螺旋图案，同时保持横向流动的基本均匀的速度。

尽管有已知的技术，但是仍然需要一种催化热交换反应器，其为利用初级重整工艺的废热进行附加重整的任务提供了一种更低成本的解决方案。此外，需要一种生产成本比当前设计更低的催化热交换反应器。此外，需要一种催化热交换反应器，其减少了传热管所需的材料的量。

发明内容

本发明的目的是提供一种催化热交换反应器，其解决了所提出的问题，并且如将要解释的，具有另外的多个优点。

这通过如以下说明书和权利要求书中所述的根据本发明的催化热交换反应器来实现。因此，本发明包括一种在传热管的壳侧上具有螺旋流的催化热交换反应器，其被设计成向所有传热管提供几乎相同的传热，即平衡传热，因为这是催化化学反应最佳地进行所需要的。

向所有传热管提供相同的传热是困难的，因为流动希望主要通过在催化热交换反应器中靠近中心(即，在较小的直径上)向上螺旋而运行最短的距离。因此，位于更靠近中心的管获得太多的热量，而靠近外部壳体的管获得太少的热量。

根据本发明的催化热交换反应器被设计为在传热管内具有催化剂的管壳式热交换器。它具有单管设计，其中每个传热管是单管(与例如更复杂的同心双管相反)。在一实施例中，它具有阶梯挡板设置、Z字形管图案、管束的外周附近的限流板和替代外部返回流动传递管线的中心管。

催化热交换反应器中的流动路径如下：工艺气体在传热管束的顶部被引入，在该处它传送通过布置在管中的催化剂。现在被重整的气体在反应器的底部与较热的热交换气体(例如来自ATR)混合，这使其温度升高。然后，在一实施例中，混合气体以两个螺旋流的形式传送通过传热管的壳侧，在那里，混合气体将热量传递到管，并因此传递到管内的吸热过程，之后，混合气体在顶部(管板下方)被引导到催化热交换反应器的中心，并通过中心混合气体管被带到反应器的下方和外部。

与当前的催化热交换反应器设计相比，根据本发明的单管设计降低了成本。此外，管的简单几何形状允许比其他类型的已知热交换反应器中可能的窄得多(小直径)的传热管。这减少了传热管所需的材料量。催化热交换反应器中的螺旋流允许更紧凑的反应器设计方案，与其他方案相比，对于相同的负荷具有低的压降。在挡板以螺旋阶梯方式布置的实施例中，阶梯设计允许挡板系统通过组装直的金属板来制成，从而简化生产。与较少的大阶梯相比，每一圈(每一旋转，pr.rotation)使用许多小阶梯降低了压降。具有阶梯设计的实施例允许沿着输送管束的长度改变挡板距离。这可以用于通过如下操作在沿着管束冷却流时保持或增加混合气体的速度：逐渐减小挡板距离，从而减小流动通路的横截面积。然而，本发明也将在固定的挡板距离的情况下起作用。在具有呈Z字形图案的传递管布局和/或在传递管束外侧上具有限流板的实施例中，所述布局和限流板使流动均匀，使得管到管热通量变化减小。中心混合气体管收集来自催化热交换反应器顶部的混合气体，并将混合气体带到反应器底部和外部。这消除了对外部返回传输管线的需要，从而节省了空间和成本两者。在一实施例中，外罩和/或内罩用于将挡板保持在适当位置，而不是使用拉杆。在具有内罩的实施例中，位于中心混合气体管周围的内罩是穿孔的，以消除在内罩和中心混合气体管之间的空间中到中心混合气体管的入口的热旁通流。穿孔确保在内罩和中心气体混合管之间的空间中流动的气体与以螺旋流流动的气体恒定地混合/交换。因此，所有的混合气体被迫通过输送管束，并且消除或减少了在内罩和中心气体混合管之间对填料箱(stuffingbox)的需要。

在本发明的一实施例中，用于进行吸热或放热催化反应的催化热交换反应器包括具有圆柱形部段的壳体。圆柱形部段包括催化热交换反应器的主要部分，并且在大多数情况下定向在竖直位置。在壳体内，布置有多个竖直传热管。传热管至少部分地填充有催化剂，催化剂可以是呈任何形状的小球形式，催化硬件结构和/或如上所提及的传热管内侧上的催化涂层的形式。通过填充有催化剂的传热管，工艺气体可从传热管的上端被传送、通过所述管并到达传热管的下端。催化热交换反应器还包括至少一个上部工艺气体入口，其提供工艺气体到传热管的上端的流动通道。上部工艺气体入口可以位于圆柱形壳体的上部中或上方、壳体的上部中。此外，催化热交换反应器包括至少一个下部热交换气体入口和至少一个下部混合气体出口，这两者都可以位于壳体中并在传热管的下方。上管板布置在壳体的上部中，在圆柱形部段的上部中或在其上方。上管板适于支撑多个传热管。支撑可以是仅在水平方向上支撑传热管但允许竖直运动的自由滑动支撑；或者它可以是传热管的固定支撑，例如焊接、螺纹或任何已知的固定支撑。滑动支撑的示例是上管板中的孔口，其具有比传热管的外径稍大的直径，从而允许传热管相对于上管板执行竖直移动但几乎没有水平的移动，另一示例可以是填料箱。多个挡板布置在壳体内，在上管板的下方。挡板具有适于支撑多个传热管的孔口。与上管板类似，传热管的挡板支撑可以是固定的或滑动的支撑，或者一些支撑可以是固定的以及其他滑动的支撑。挡板提供混合气体的流动通道，该混合气体包括来自下部热交换气体入口的热交换气体和在壳体内且围绕每个传热管的外侧以至少一个螺旋向上流离开传热管下端的重整气体。挡板的构造和它们在壳体内以及围绕传热管的布置以至少一个螺旋向上流引导混合气体流。下面将详细说明这种布置和结构的不同实施例，但是这个实施例并不局限于挡板的一种单一结构和布置，并且这个实施例还包括在壳体内的一个或多个螺旋的分离的向上流。催化热交换反应器还包括竖直地布置在壳体的中心中的中心混合气体管，中心混合气体管具有顶部入口端和底部出口端。中心混合气体管提供从邻近上管板的下侧的至少一个螺旋向上流的顶部到下部混合气体出口的混合气体的流动通道。因此，当所述至少一个螺旋向上流到达上管板的下侧时，其不能进一步沿向上螺旋方向流动；相反，其经由中心混合气体管的顶部入口被迫进入中心混合气体管。混合气体从顶部入口向下流动通过中心混合气体管，并经由底部出口端流出中心混合气体管。因此，在螺旋流的情况下对于热交换不是非常有效的催化热交换反应器的中心被用于混合气体的回流。在已知技术的热交换反应器中，这通常由外部输送管线处理，该外部输送管线昂贵并且占据相当大的空间，因为它也必须是绝热的。因此，根据本发明的催化热交换反应器结合了用于增强和均衡热交换的围绕热交换管的螺旋向上流的优点以及中心流动返回管的上文中所述的优点。

在本发明的一实施例中，本发明的催化热交换反应器是烃的蒸汽重整催化热交换反应器。在本发明的另一个实施例中，多个挡板布置成至少一个螺旋。至少一个螺旋被布置成提供上文所提及的螺旋向上流，然而，应当理解，本发明不限于该实施例，因为多个挡板的其他布置可提供向上的螺旋流，例如具有成角度表面的水平挡板(类似于螺旋桨)和其他布置。

在本发明的实施例中，至少一个螺旋向上流围绕中心混合气体管行进，并且挡板包括布置成螺旋阶梯的水平区段和竖直区段的组。当混合气体从壳体的下端在传热管之间流动时，该流遇到布置在螺旋阶梯中的挡板，因此被迫使以向上的螺旋运动从壳体的下部流动到壳体的上部；之后其遇到上管板的下侧，并且被向内推动并进入中心混合气体管的顶部入口端。具有包括水平区段和竖直区段的组的挡板的实施例尤其具有的优点是，挡板可以容易地以低成本制造，并且因此，还简化了传热管和挡板的架设和安装。

在本发明的一实施例中，多个挡板被布置成并适于提供一至四个螺旋向上流，优选地提供两个螺旋向上流。例如，如果根据工艺和其他预先条件优选两个螺旋向上流，则多个挡板可布置成两个螺旋阶梯，一个螺旋阶梯的下端布置成相对于另一个螺旋阶梯的下端旋转180度。

在本发明的一实施例中，至少一个螺旋向上流的完整360度转弯包括两至十六组挡板，优选八组挡板。为完整360度转弯而选择的挡板的数量取决于具体的催化热交换反应器和具体的工艺，其可以根据对材料和建造成本、压力损失、热传递的需求而变化，仅列举一些参数。

在本发明的一个实施例中，挡板之间的竖直距离在至少一个螺旋向上流的顶部比在至少一个螺旋向上流的底部小。在壳体的底部，混合气体相对热，并且因此密度低；当混合气体向上通过与传热管成热交换关系的反应器时，混合气体由于管内的吸热反应而冷却，并且因此密度升高。为了补偿这一点，挡板之间的竖直距离可以在整个反应器中向上减小，从而设法使热交换变得均匀并保持所需的热交换。在本发明的与上述相关的实施例中，挡板之间的竖直距离从至少一个螺旋向上流的下部到至少一个螺旋向上流的上部(即，从传热管的下部到传热管的上部)逐渐减小。在本发明的另一实施例中，在最上面的竖直相邻的挡板之间的竖直距离小于500mm，并且在最下面的竖直相邻的挡板之间的竖直距离大于600mm。例如，在挡板具有阶梯设计的情况下，最高阶梯和其竖直下方的阶梯之间的距离小于500mm，而最低阶梯和其竖直上方的阶梯之间的距离大于600mm。具体的距离可以根据具体的工艺参数和具体的催化热交换反应器而变化，具体的工艺参数和具体的催化热交换反应器可以根据不同的情况、根据不同的消费者而变化。

在本发明的一个实施例中，至少一个螺旋向上流在从至少一个螺旋向上流的下部到上部执行一个到八个之间的完整的360度转弯。所述多个挡板因此布置成限制和迫使从传热管的下端到传热管的上端的呈至少一个且多达八个完整的360度转弯的混合气体向上流，在传热管的上端处，混合气体流遇到管板的下侧且被迫向内进入中心混合气体管的顶部入口。如所讨论的，这可以通过挡板的不同设计和布置来实现，例如阶梯设计。混合气体在至少一个螺旋向上流中进行多少个完整的360度转弯再次取决于所讨论的具体的工艺参数和具体的催化热交换反应器；催化热交换反应器设计成具有的螺旋向上流的数量也是如此。

为了进一步使沿反应器水平方向的热交换均匀，在本发明的一实施例中，最靠近中心混合气体管的竖直传热管之间的距离比最靠近壳体周边的竖直传热管之间的距离短。当混合气流进行螺旋向上流动运动时，气体将设法在反应器中心附近“行进最短距离”。为了克服这个问题，从而使所有传热管的热交换均匀，而不管它们是放置在壳体的中心附近还是周边附近，中心附近的管之间的距离相对小于周边附近的管之间的距离。因此，在本发明的另一实施例中，竖直传热管之间的距离从最靠近壳体的周边朝向中心混合气体管逐渐减小。更具体地，在本发明的一个实施例中，竖直传热管之间的距离在最靠近中心混合气体管处小于50mm，并且在最靠近壳体周边处大于100mm。

此外，为了增加和均衡在传热管外部流动的混合气体与传热管内的工艺气体之间的热交换，在本发明的一实施例中，当在壳体的切线方向上看时，竖直传热管以Z字形图案布置。因此，当从向上螺旋流动的混合气体的方向看时，不存在用于混合气体在传热管之间流动的笔直的、“容易且快速的”路线。由于传热管在壳体的切线方向上以Z字形图案布置，因此螺旋流动的混合气体在其路径上遇到下一个传热管时将总是被转向，从而增加传热。

在本发明的一实施例中，催化热交换反应器还包括围绕并邻近中心混合气体管的内罩。内罩固定到上管板并且适于支撑多个挡板中的至少一些。因此，内罩可支撑多个挡板。在本发明的一实施例中，内罩是穿孔的。穿孔具有这样的效果，即，试图在中心混合气体管和内罩之间的空间中旁通的气体将与混合气体混合，从而最小化热旁通，并消除或至少最小化对填料箱的需要。在本发明的另一实施例中，内罩可包括限流器，诸如限流板，以防止混合气体的切向旁通，并因此增强反应器中的热传递。

在本发明的一实施例中，催化热交换反应器还包括外罩，该外罩布置在壳体内并邻近壳体，并且适于为至少一些挡板提供支撑。由于罩支撑挡板，挡板可如前所述支撑传热管。在一个实施例中，外罩可以包括限流板，具有如前面关于内罩描述的效果。

在本发明的一实施例中，传热管内的催化剂包括颗粒，并且竖直传热管的内径为催化剂颗粒的最大外部尺寸的1至1.9倍之间。因此，传热管可以构造得非常窄，以便在水平横截面中每个传热管仅支撑一个催化剂颗粒。这对于热交换和催化工艺可能是有利的，并且由于管的简单几何形状(不是双管)，允许比本领域已知的窄得多的管，这是可能或可行的。应该理解，也可以使用其他实施例，诸如其中竖直传热管的内径是催化剂颗粒的最大外部尺寸的1至3.5倍之间的实施例。

因此，根据本发明的热交换反应器提供了比现有技术中已知的反应器设计紧凑得多的反应器设计，因为它不使用任何体积来进行流动转向，具有较少的阴影效应(shadoweffect)(其中结构物之后、在背流面(lee side)上的流动不是最佳的)，并且尤其由于螺旋流和中心混合气体管而具有到管的更均匀的热传递。

本发明的特征

1.一种用于进行吸热或放热催化反应的催化热交换反应器，包括：

·具有圆柱形部段的壳体；

·多个竖直传热管，其至少部分地填充有催化剂并且布置在所述壳体内，并且工艺气体可以通过所述传热管从传热管的上端传递到传热管的下端；

·至少一个上部工艺气体入口，其提供工艺气体到传热管的上端的流动通道；

·至少一个下部热交换气体入口；

·至少一个下部混合气体出口；

·支撑多个传热管的上管板；

·多个挡板，其布置在壳体内、在上管板的下方，所述挡板具有孔口，所述孔口适于支撑多个传热管，并且适于在壳体内并且围绕每个传热管的外侧以至少一个螺旋向上流提供混合气体的流动通道，所述混合气体包括来自下部热交换气体入口的热交换气体和离开传热管的下端的重整气体，

其中，所述催化热交换反应器还包括竖直布置在所述壳体的中心的中心混合气体管，所述中心混合气体管具有顶部入口端和底部出口端，适于提供从邻近所述上管板的下侧的所述至少一个螺旋向上流的顶部到所述下部混合气体出口的所述混合气体的流动通道。

2.根据特征1所述的催化热交换反应器，其中，所述催化热交换反应器是烃蒸汽重整催化热交换反应器。

3.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述多个挡板布置成至少一个螺旋。

4.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述至少一个螺旋向上流围绕所述中心混合气体管行进，并且所述挡板包括布置成螺旋阶梯的水平区段和竖直区段的组。

5.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述多个挡板布置成并适于提供1至4个螺旋向上流，优选地两个螺旋向上流。

6.根据特征4或5所述的催化热交换反应器，其中，所述至少一个螺旋向上流的完整的360度转弯包括2至16组挡板，优选地8组挡板。

7.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述挡板之间的竖直距离在所述至少一个螺旋向上流的顶部中比在所述至少一个螺旋向上流的底部中小。

8.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述挡板之间的竖直距离从至少一个螺旋向上流的下部到至少一个螺旋向上流的上部逐渐减小。

9.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，其中，最上方的竖直相邻的挡板之间的竖直距离小于500mm，并且最下方的竖直相邻的挡板之间的竖直距离大于600mm。

10.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述至少一个螺旋向上流从所述至少一个螺旋向上流的下部到上部执行1至8个之间的完整的360度转弯。

11.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，其中，最靠近所述中心混合气体管的竖直传热管之间的距离比最靠近所述壳体的周边的竖直传热管之间的距离短。

12.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述竖直传热管之间的距离从最靠近所述壳体的周边处朝向所述中心混合气体管逐渐减小。

13.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述竖直传热管之间的距离在最靠近所述中心混合气体管处小于50mm，并且在最靠近所述壳体的周边处大于100mm。

14.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，其中，当沿所述壳体的切向方向看时，所述竖直传热管以Z字形图案布置。

15.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，还包括围绕并邻近所述中心混合气体管的内罩，所述内罩固定到所述上管板并适于支撑所述多个挡板中的至少一些。

16.根据特征15所述的催化热交换反应器，其中，所述内罩是穿孔的。

17.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，还包括外罩，所述外罩布置在所述壳体内并邻近所述壳体，并且适于为所述挡板中的至少一些提供支撑。

18.根据特征15、16或17所述的催化热交换反应器，其中，所述内罩、所述外罩或所述内罩和所述外罩两者包括限流板。

19.根据前述特征中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述催化剂包括颗粒，并且所述竖直传热管的内径为催化剂颗粒的最大外部尺寸的1至1.9倍之间。

附图说明

将参考附图中所示的本发明的一些实施例来更详细地讨论本发明，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的催化热交换反应器中的一些内部构件的局部剖开的等距侧视图，

图2是根据本发明的实施例的催化热交换反应器的一些内部构件的局部剖开的侧视图，

图3是根据本发明的实施例的催化热交换反应器中的一些内部构件的截面图。

附图标记列表

100.传热管

101.上管板

102.挡板

103.挡板孔口

104.中心混合气体管

105.顶部入口端

106.底部出口端

107.螺旋

108.水平区段

109.竖直区段

110.内罩

111.内罩出口孔口

112.外罩

113.限流板

具体实施方式

应该理解，以下仅是本发明的一些具体实施例。同样如上文所讨论的，本发明还涵盖其他实施例，例如提供螺旋向上流的一系列其他挡板设计。

在图1中，以局部剖开的等距侧视图示出了根据本发明实施例的用于执行吸热或放热催化反应的催化热交换反应器反应器的一些内部构件(一些传热管被剖开以更清楚地示出内部构件的其他部分)。应当理解，所示的内部构件安装在具有圆柱形部段(未示出)的壳体中，如本领域已知的。多个传热管100以竖直位置布置在壳体的圆柱形部段的至少一部分中。传热管允许工艺气体在其中从管的上端流到下端，即，经过催化剂(未示出)，所述催化剂至少部分地填充传热管。工艺气体经由布置在壳体(未示出)的上部中的至少一个上部工艺气体入口被提供到传热管，经由管板中的孔口进一步通过上管板101，该管板也围绕并因此支撑传热管。该支撑可以是滑动的(仅支撑传热管防止其水平运动)，或者其可以是固定的，从而如之前所讨论的那样同时在水平和竖直方面支撑传热管。如可以看出的，传热管紧密地布置在一起，但分开足够宽以允许气体在其间流动，即，围绕传热管的外侧，如将在下面更多地讨论的。工艺气体向下通过传热管的整个长度，并通过壳体下部的传热管的下端流出。这里，工艺气体与经由至少一个下部热交换气体入口(未示出)进入壳体的下部的相对热的热交换气体混合。热交换气体与工艺气体混合，并且因此热的(相对于工艺气体)混合气体向上流动通过围绕传热管的外侧的壳体。混合气体的向上流动由多个挡板102限制和引导。挡板包括水平区段108和竖直区段109的组，在该实施例中，这些区段大致布置成螺旋107、螺旋阶梯形状，其限制和引导混合气体在壳体内和围绕每个传热管的外侧以至少一个螺旋向上流而流动，从而确保从热混合气体通过传热管壁到传热管内的较冷工艺气体的有效且均匀的热传递，从而为在至少部分地填充有催化剂的传热管中发生的吸热催化反应提供热量。挡板的螺旋阶梯形状以几乎理想的向上螺旋运动引导流动，同时允许挡板和传热管的相对简单的制造和安装。水平区段确保了垂直于传热管的挡板表面，因此支撑传热管并允许传热管穿过的挡板中的孔口103可具有简单的圆形形状；竖直区段可在传热管之间通过，而不需要孔口。此外，阶梯设计允许成本有效的生产，其中两个或更多个区段可以在安装在催化热交换反应器中之前预先组装，并且两个区段的组装甚至可以例如是平板的简单弯曲。挡板阶梯/区段的数量可以根据具体的反应器尺寸和工艺而进行变化和选择，作为成本和最佳混合气体流以及其他因素之间的考虑。在本发明的该实施例中，挡板的至少一部分固定到围绕壳体的中心轴线布置的圆柱形内罩110。在上部中，内罩包括内罩出口孔口111，其允许混合气体在到达螺旋的顶部时通过，并且进一步向上的流动被上管板阻挡，以防止混合气体与进入的工艺气体相互作用。经过内罩的出口孔口，热交换的较冷的混合气体通过中心混合气体管104的顶部入口端105(见图3)离开。中心混合气体管允许混合气体通过其底部出口端106在催化热交换反应器的下部中离开。这避免了对反应器的外部输送管线的需要，该外部输送管线将占据设备空间并且将比内部中心混合气体管昂贵得多，因为外部输送管线将需要连接、绝热、支撑并且设计有重壁以承受全过程压力。中心混合气体管的“成本”相对于热交换过程也相对较低，因为螺旋向上流的中心部分是用于热交换的圆形横截面区域的最小有效部分。

图2仅以局部剖开的侧视图而不是等距侧视图示出了催化热交换反应器的同一发明实施例。特征与图1中的相同，但是在该侧视图中更清楚地看到，该实施例包括两个螺旋阶梯布置的挡板，因为在传热管束的最下部分中示出了两个水平挡板区段，一个相对于另一个在横截面区域旋转180度。因此，在该实施例中，混合气体以两个螺旋向上流进行流动。

在图3中，截面图示出了根据本发明的实施例的催化热交换反应器的一部分，示出了如上文参照图1和图2所述的特征以及一些其他特征。在环形设计的最里面，可以看到中心混合气体管，也可以看到(通过所述管)中心混合气体管的上部，其形成如上所述的顶部入口端105。在中心混合气体管周围，可以看到如前所述支撑挡板的内罩。中心混合气体管和内罩之间的空隙可填充有绝热体。在该视图中，传热管的布置是可见的。可以看到，如何在一定程度上以Z字形图案布置所述管，从而迫使混合气体在以螺旋运动流动时不断改变方向，并增强传热。然而，传热管的布置还为竖直挡板区段提供了空间，在该实施例中，在壳体的圆形横截面周围有八个位置。还示出了另一罩，即外罩112，以及示出了布置在圆柱形外罩的内侧上的限流板113，其限制混合气体流从传热管的外周中的传热管的旁通通过。

Claims (19)

1.一种用于进行吸热或放热催化反应的催化热交换反应器，包括：

·具有圆柱形部段的壳体；

·多个竖直传热管，其至少部分地填充有催化剂并且布置在所述壳体内，并且工艺气体能够通过所述传热管从所述传热管的上端传递到所述传热管的下端；

·至少一个上部工艺气体入口，其提供工艺气体到所述传热管的上端的流动通道；

·至少一个下部热交换气体入口；

·至少一个下部混合气体出口；

·支撑多个传热管的上管板；

·多个挡板，其布置在所述壳体内、在所述上管板的下方，所述挡板具有孔口，所述孔口适于支撑所述多个传热管，并且适于在所述壳体内并且围绕每个所述传热管的外侧以至少一个螺旋向上流提供混合气体的流动通道，所述混合气体包括来自所述下部热交换气体入口的热交换气体和离开所述传热管的下端的重整气体，

其中，所述催化热交换反应器还包括竖直布置在所述壳体的中心的中心混合气体管，所述中心混合气体管具有顶部入口端和底部出口端，适于提供从邻近所述上管板的下侧的所述至少一个螺旋向上流的顶部到所述下部混合气体出口的所述混合气体的流动通道。

2.根据权利要求1所述的催化热交换反应器，其中，所述催化热交换反应器是烃蒸汽重整催化热交换反应器。

3.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述多个挡板布置成至少一个螺旋。

4.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述至少一个螺旋向上流围绕所述中心混合气体管行进，并且所述挡板包括布置成螺旋阶梯的水平区段和竖直区段的组。

5.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述多个挡板布置成并适于提供1至4个螺旋向上流，优选地两个螺旋向上流。

6.根据权利要求4或5所述的催化热交换反应器，其中，所述至少一个螺旋向上流的完整的360度转弯包括2至16组挡板，优选地8组挡板。

7.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述挡板之间的竖直距离在所述至少一个螺旋向上流的顶部中比在所述至少一个螺旋向上流的底部中小。

8.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述挡板之间的竖直距离从至少一个螺旋向上流的下部到至少一个螺旋向上流的上部逐渐减小。

9.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，其中，最上方的竖直相邻的挡板之间的竖直距离小于500mm，并且最下方的竖直相邻的挡板之间的竖直距离大于600mm。

10.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述至少一个螺旋向上流从所述至少一个螺旋向上流的下部到上部执行1个至8个之间的完整的360度转弯。

11.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，其中，最靠近所述中心混合气体管的竖直传热管之间的距离比最靠近所述壳体的周边的竖直传热管之间的距离短。

12.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述竖直传热管之间的距离从最靠近所述壳体的周边朝向所述中心混合气体管逐渐减小。

13.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述竖直传热管之间的距离在最靠近所述中心混合气体管处小于50mm，并且在最靠近所述壳体的周边处大于100mm。

14.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，其中，当沿所述壳体的切向方向看时，所述竖直传热管以Z字形图案布置。

15.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，还包括围绕并邻近所述中心混合气体管的内罩，所述内罩固定到所述上管板并适于支撑所述多个挡板中的至少一些。

16.根据权利要求15所述的催化热交换反应器，其中，所述内罩是穿孔的。

17.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，还包括外罩，所述外罩布置在所述壳体内并邻近所述壳体，并且适于为所述挡板中的至少一些提供支撑。

18.根据权利要求15、16或17所述的催化热交换反应器，其中，所述内罩、所述外罩或所述内罩和所述外罩两者包括限流板。

19.根据前述权利要求中任一项所述的催化热交换反应器，其中，所述催化剂包括颗粒，并且所述竖直传热管的内径为催化剂颗粒的最大外部尺寸的1至1.9倍之间。