CN1172841C - 重整装置 - Google Patents

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Abstract

一种重整装置，包括用于把包含甲烷和蒸汽的气流变成CO、CO2和H2的重整反应的间接热交换区(5)，其特征在于：它包括许多内含重整催化剂的头部可浮动管(6)；位于管(6)下游侧用于收集反应产品的收集室(9)以及在上述收集室(9)中开口的抽气管道(15)，它用于从该装置中抽取反应产品。

Description

重整装置
本发明是关于一种重整装置，它有间接热交换区，以便进行把包括甲烷和蒸汽的气体流转化为CO、CO2和H2的重整反应。
在下面的说明书和权利要求中、术语“甲烷”通常应理解为能提供氢和碳来源的原料，例如甲烷本身或者是诸如天然气与矿物油之类的液态和/或气态碳氢化合物的混合物。
众所周知，在甲烷重整领域中，为了得到合成诸如氨和/或甲醇等产物所必需的氢与碳而要求制出适用的设备的呼声日益高涨，该设备一方面要能得到尽可能完全的甲烷重整反应，在另一方面还要求低能耗、低投资与低的维修费用，并且易于实现。
为了满足上述要求，工业界中已提出一种交换器型重整装置，即它有进行甲烷重整反应的热交换区。
在该装置中，吸热型重整反应所需的大量的热是由与供入该装置的热气体流之间进行间接热交换提供的。
特别是在制氨厂中，其中甲烷重整反应是在两个被称为初级与次级重整区段中进行的，后者的工作温度高于前者，这样就有可能利用来自次级重整区的热反应气体作为初级重整区的热源。
交换器型重整装置在本领域中通常是用于氨、甲烷或氢的合成工艺中，用以代替现有的初级重整炉，EP-A-0298525中所描述的便是一例。
虽然在很多方面有其优点，但上述装置仍显示出一系列的缺点，首先是结构非常复杂，需要高的投资费用。
实际上，该装置包括许多插销式(卡口式)管道，即它有带盲端的外管元件，用来在热气流与气态反应物(甲烷与蒸汽)之间进行间接的热交换；以及抽取反应产品的内管。
很容易想象到，这种类型的结构是复杂的，建造昂贵，而且难于进行维修工作；它还包括大直径的重整装置。
此外，由于该重整反应是属于催化式的，于是就需要在外管元件与内管之间所确定的环形空间中均匀地充满催化剂，而且该催化剂还要定期更换。由于存在内管，显然会妨碍这些操作，至少是使其变得困难。
最后，即使从能量观点来看，使用插销式管道也存在许多缺点，因为在反应后的气流与反应中气流间存在着所不希望的大量热交换，而且还会带来内管产生金属飞粉腐蚀的危险，这是在后者过度冷却时由反应后气体引发的。
JP-A-4154601中描述了一种交换器式重整装置，它包括许多充满催化剂的独立的管道，其外部流过热气体。
各管的端部固定在各自的管盘上，管盘则适宜地固定在该重整装置上。
虽然其结构与操作比插销式管简单，JP-A-4154601中所述的热交换管也显现出其严重的缺点，在承受高温时-如在重整反应中的情况-管道不能自由膨胀，这就带来会使其出现裂纹或者甚至破裂的危险，于是就会造成反应气体与加热气体混合，并会损伤该装置。
再者，这种型式的装置不仅在更换有缺陷管道时需要高的维修费用，而且不能确保状态良好而可靠地长期运行。
由于这些缺点，尽管在工业上非常需要，可是迄今为止现有技术的交换式重整装置仍然很少应用。
本发明的目的是制出适用的重整装置，它易于实现、可靠，并能以低投资、低的运行与维修成本以及低能耗而提供尽可能完全的甲烷重整反应。
按照本发明，借助于把甲烷和蒸汽转变为CO、CO2和H2的重整装置使上面提到的问题得到解决，它包括：
基本为圆柱形的外壳，其中限定出间接热交换区和把包括甲烷与蒸汽的气流供至该间接热交换区的区域；
在上述外壳上形成的开口，用于向上述间接热交换区供应作为上述转换的热源的热气流；
其特征在于，它还包括：
许多头部可浮动的管道、其内包含重整用催化剂，管道沿上述间接热交换区纵向延伸，并与上述供入区流体相通；
一个腔室，用于收集包括从上述转换中获得的CO、CO2和H2的气流体，该腔室位于上述管道的下游；
在上述收集室中开口的管道，用于从壳体中抽取包含CO、CO2和H2的气体流。
在下面的说明与权利要求中，术语“头部可浮动管”应理解为至少管道的一端(头部)在结构上可自由运动(浮动)，以允许管道热膨胀。
最好，按照本发明，其重整装置要有收集室，以使反应气与内含催化剂的多根管路流体相通，还要有从壳体中抽取该气体的管道。
以这种方式，一旦发生重整反应，所有气体就被收集在同一腔室内，并由一根单一的管道抽出。
正是由于这种特殊的结构，使之有可能得到一种可靠的、构造极简单的、成本低的交换式重整装置，同时又是不存在现有装置典型缺点的有效的甲烷重整装置。
特别是，由于有许多彼此独立的、单独的头部可浮动管，使得维修工作和在管道中填装与更换催化剂能方便地进行。
此外，由于反应气体全部被收集在一个单一腔室中并通过一个与热交换管热力学无关的管道从壳体中抽出气体，就能很好地消除反应后气体与反应中气体之间的所不希望有的热交换，从而可避免抽气管上发生金属起粉腐蚀的危险，与现有装置相比还能降低运行成本。
按照本发明装置的一个最佳实施例，其抽气管最好安排成与上述壳体同轴，从收集室到在壳体上开口的气体出口穿过间接热交换区与供入区而平行于上述各管路延伸。
以这种方式，就能得到一种非常简单而紧凑的结构，它同时又能补偿该装置不同部件因这些部件承受不同的热应力引起的以及由于使用不同材料引起的热膨胀。
特别是能够适宜的、可靠地补偿热交换管与反应气体抽气管上所承受的不同的膨胀率，因而从结构方面无须放弃极为简单的装置。
实际上，正是由于抽气管的这种特殊安排，可极有利地得到一收集室，它亦为浮动式，而热交换管和抽气管则可在相对于供入区相互在相反方向上自由膨胀。
以这种方式，各种材料的不同膨胀率不仅不会给该装置造成机械故障，在某种情况下还能做到相互补偿。
按照这一实施例，最好在上述抽气管与位于上述供入区与上述热交换区之间的管盘之间，如同在上述抽气管与壳体之间那样设置适当的气密封装置，以防止反应气或反应后气体的不希望的旁漏，同时还允许该装置有不同的热膨胀率。
正是本发明把保证装置正常工作的气密封装置减少到最小数量，而且只集中在抽气管、管盘和外壳上。
最好把气密封装置安排到靠近上述出口处，以便于接近该气密封装置，这样就会简化并有助于其维修。
下面，参照附图以非限定地举例方式对一个实施例进行说明，从而提出本发明的各种特征与优点。
在附图中：
图1示出本发明重整装置的纵剖视图；
图2示出图1中装置的一部分的纵剖视图，其中按照本发明的最佳
实施例有所修正；
图3示出图2中装置细部放大的纵剖视图。
参照图1～3，序号1表示本发明重整装置的整体，该装置用于产生包括甲烷和蒸汽的气体流重整反应。
装置1包括基本为圆柱形的外壳2，壳体中有横跨其整个截面延伸的管盘3，它把壳体2分成间接热交换区5和把包括甲烷和蒸汽的气体流供到区域5中的区域4。
全部用序号6代表的许多头部可浮动的热管在间接热交换区5中从管盘3纵向延伸。
各管6在其中确定出一个用于容纳公知类型重整催化剂的区域(未示出)。此外，管6有第一端7与第二端8，第一端7与区域4流体相通，第二端8与收集从重整反应中获得的包括CO、CO2和H2的气体流的收集室9流体相通。
序号10指管盘，它设置在管6与室9之间，在第二端8的位置上。
壳体2上还设有-在间接热交换区5中-开口11与12，它们分别为用作重整反应热源的热气的入口与出口。
壳体2的区域4上也设有开口13与14，分别为包括甲烷和蒸汽的反应气体入口及包括CO、CO2和H2的反应后气体的出口。
为了抽取装置1中的反应后气体，最好在壳体2中设置管道15。管道15与收集室9和气体出口14流体相通。
由于它有许多独立管6而且是与收集室9和反应后气体抽取管道15相结合的特殊结构，就能确保该装置在机械结构上非常简单并易于实现，而且还在能量与重整反应转换生产率方面也非常可靠和有效。
在图1的例子中，抽气管道15配置成与壳体2同轴，并穿过间接热交换区5和供入区4平行于管6延伸。
按照本发明的一个变化了的实施例(未示出)，管道15从收集室9延伸到装置1的下端，出口14设在壳体2下端并与之同轴。
对于图1中的例子，以这种方式可加大区域5中用于配置管6的有效空间，这样可以增大热交换面积。
序号16是指避免反应气体或反应后气体产生不希望的旁漏的气密封装置。装置16还可以允许，特别是，管6和管道15有不同的热膨胀，以保证装置1最佳而可靠地工作。
参见图1，气密封装置16安排在管道15和管盘3之间，以及管道15和壳体2之间，而在图2的例子中，它们是安排在管道15与管盘3之间和管盘3与壳体2之间的。
按照图1的实施例，该气密封装置16最好全部安装在装置1的一个部件上，即抽气管道15上，以尽可能地简化在该装置中这些装置的配置。
如图2中所示，为便于气密封装置16的维修，应把它们安排在靠近反应后气体的出口14处。
按照本发明的这一最佳实施例，气密封装置16是相对于管盘3的管状附件17配置的，它从管盘3向开口14延伸。
气密封装置16最好是迷宫式或压缩环式，以压缩环式为最佳。
在下面的说明中，术语“迷宫式密封装置”应理解为一种密封，它由一付通常为管状的两个部件构成，一个为阳部件一个为阴部件，使第一部件具有带凹槽的外表面，于是一旦配合起来就会在相配合的部件之间产生许多实体隆脊和空间(迷宫)，从而阻止气体通过。
在下面的说明中，术语“压缩环密封装置”应理解是由安置在相配合的阳部件与阴部件之间的压缩环所形成可阻止气体通过的密封。
正是这种型式的密封装置16，可保证气密封，甚至对于如重整装置情况下的连续的大膨胀率也能提供可靠而持久的膨胀补偿。
图3为图2中的重整装置1局部放大图，清楚地示出在抽气管道15和管盘3的管状附件17之间的压缩环式气密封装置16。
该气密封装置16包括多个压缩环18(至少有两个)，容纳在固定在抽气管道15的端部21上的圆柱形件20的各自槽穴19中，上述的固定最好是可拆卸的，例如用螺栓(未示出)。
在抽气管道15(阳部件)和附件17(阴部件)之间有压缩环18存在就能阻塞反应后的气体进入热交换区5的通道，同时还允许抽气管道15沿附件17运动以补偿其热膨胀。
在图1与2的实施例中，其重整装置1的气密封装置16最好采用图3中所示的型式。
相对于迷宫式密封，使用压缩环具有一系列的优点，其中值得提出的有：气密更加有效(通过密封旁漏的气体更少)，结构的灵活性更大(阳与阴部件间的间隙可比迷宫式密封大到10倍)，以及密封装置更加紧凑(对于相同的密封而言更短)。
这意味着活塞环式密封装置能保护有更好的气密性，即使在阴、阳件损伤和/或未对准的情况下亦如此；此外还在重整装置1上进行安装与调整工作中有较大的适应性，对于外界物体的进入敏感性小，而且很少有卡住的危险、使用活塞环式密封装置一般最好使之延伸到进行放热或吸热化学反应的装置上，例如甚至到氨或甲醇合成反应器上，以确保有不同热膨胀率的结构上截然不同部件之间的气密性。
在图1与2中，箭头F1与F2分别指示在该重整装置1中包括甲烷和蒸汽(反应气体)的路径和作热交换用的热气体流所走的路径。
下面，说明本发明重整装置的运作。
在本说明书中所指的温度工作条件是对初级重整装置而言的。
参见图1，被预热到30℃至500℃之间的包含甲烷和蒸汽(反应气体)的气体流F1，通过气体入口13被供入装置1的供入区4，并使其在管6(管侧)中通过以便在500℃与1000℃之间的温度下进行重整反应。为此目的，管6应适当地充填催化剂。
借助于温度在900℃与1100℃之间的热气流F2的热传导就可以实现重整反应，热气流是经气体入口11而送至热交换区5的。热气流F2流过管6外侧(壳体侧)并经过气体出口12以300℃与600℃之间的温度排放到壳体2之外。
特别是，热气体流F2是以间接热交换方式向较冷的反应气流F1传递反应热的。
气体流F1包括从重整反应中获得的CO、CO2和H2从管6经端部8被排出，并被收集在收集室9内，然后通过抽气管道15和气体出口14以500℃到1000℃之间的温度从装置1中抽出。
如上面所提到的，气体流F1一旦被收集并送入抽气管道15中就不再与通过管6的反应气体发生热关系，于是就很好地避免了反应后气体与反应气体之间存在所不希望的热交换。
此外，该装置的不同部件-特别是管6与管道15-由于材料不同与所受的热应力不同而产生的不同膨胀率已被有效地补偿，这借助于收集室9与管道15的特殊结构，也借助于密封装置16的安排，它在允许各部件运动的同时能防止不希望的气体泄漏。
应强调，这些密封装置的使用不会对本发明的装置的结构简单性造成负面影响。
在图1与2的例子中，管6最好安排成管束状，以便获得最佳的热交换区5的占有率(填满率)。
此外，为增加有效表面积，从而改善热交换，该管束最好装设有适宜的膜片22，而具管6还应有翅片(未示出)。
对于氨合成工艺来说，其热气流F2最好包括来自次级重整区的气体流。
从上面所述可以清楚地看到使用本发明所取得的众多优点，特别是能得到结构简单，易于建造、并能以低能耗、低运行与维修成本进行甲烷重整的可靠的重整装置。

Claims (5)

1.一种把甲烷和蒸汽转换为CO、CO2和H2的重整装置，它包括：
基本为圆柱形的外壳(2)，其中限定出间接热交换区(5)和把包括甲烷和蒸汽的气体流送至该间接热交换区(5)的区域(4)；
在上述壳体(2)上形成的开口(11)，用于把作为上述转换的热源的热气流送至上述间接热交换区(5)；
其特征在于：它还包括
许多头部可浮动管(6)，内含重整用催化剂，在上述间接热交换区(5)中纵向延伸，并与上述供入区(4)流体相通；
收集室(9)、用于收集包括从上述转换中获得的含有CO、CO2和H2的气体流，位于上述管(6)的下游；
在上述收集室(9)上开口的抽气管道(15)，用于抽取壳体(2)中的上述包含CO、CO2和H2的上述气体，上述抽气管道(15)与上述壳体(2)同轴地配置，从上述收集室(9)到在上述壳体(2)上开口的气体出口(14)穿越上述间接热交换区(5)和上述供入区(4)平行于上述管(6)延伸；在上述管道(15)和位于上述供入区(4)与上述间接热交换区(5)之间的管盘(3)之间设置气密封装置(16)。
2.如权利要求1中所述的装置，其特征在于：在上述管道(15)与上述壳体(2)之间设置适当的气密封装置(16)。
3.如权利要求1中所述的装置，其特征在于：在上述管盘(3)和上述壳体(2)之间设置适当的气密封装置(16)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于：上述气密封装置(16)靠近上述出口(14)配置。
5.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于：上述气密封装置(16)为压缩环型。
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