CN1217732C - 利用板排列加热和预热反应物的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种通过间接热交换间接预热和加热反应物生产反应产物的方法和设备。预热步骤的使用通过消除了外部交换器的需要简化了反应区的设计且对限定间接热交换窄通道的板的排列特别适用。窄通道优选以波纹板限定。主反应通道(在段42)将含有用于促进由主反应物生成需要产物的催化剂。加热流体(30)通过相邻的加热通道(在段28)以提供需要的间接加热。至少部分加热通道与反应通道(在段40)的无催化剂部分热交换以预热在反应通道内催化段(在段42)前面的反应物。加热通道(在段28)内的催化燃烧可以为加热介质(30)提供就地热量输入。适合加热通道的催化剂可以含有氧化促进催化剂。

Description

利用板排列加热和预热反应物的方法和设备
技术领域
本发明一般涉及用于间接热交换和加热反应物以控制反应区内的温度条件的板式交换器。
背景技术
在许多工业领域，像石油化工和化学工业，流体中的一种或多种反应物的成分间的反应通过在适当温度和压力条件下反应流体与催化剂在反应器内接触进行。这些反应多数产生或吸收热量至不同程度，因此是放热或吸热的。与放热或吸热有关的加热或冷却效果会有利或不利地影响反应区的操作。不利影响会包括：生成差的产物，催化剂失活，生成不希望的副产物，且在极个别情况下，会损坏反应容器和相关的管道，及其它等等。更典型地，与温度改变有关的不希望的效果将降低反应区产物的选择性或产率。
许多方案设法通过为反应供热来克服吸热冷却的副作用。许多传统方法采用在绝热反应段之间的多段加热。其它方法使用通过同步反应的就地加热或间接热交换以保持反应区内的等温或其它温度模式。美国专利US-A-5,525,311提供一个与热交换流体间接热交换以控制反应区内的温度模式的实例。
多种方法可以使用与反应区的间接热交换以控制反应区内的温度模式。烃转换反应的一般实例包括：烃的芳构化，烃的重整，烃的脱氢和烃的烷基化。
其它实例为在蒸汽或碳的氧化物存在下通过重整甲烷生产氢和碳的氧化物的方法。蒸汽重整方法是众所周知的，且包括原料和蒸汽的混合物在蒸汽重整催化剂上通过。典型的蒸汽重整催化剂含有载于耐火材料载体如α-氧化铝或铝酸钙上的镍且可以包含钴。初级蒸汽重整反应的强吸热性要求提供热量以维持反应。熟练技术人员一般用烃的部分氧化来平衡重整的吸热要求，以提供一个为初级重整阶段提供热量并进一步产生合成气的二级重整反应。US-A-4,985,231给出了产生合成气体的绝热重整炉的操作。US-A-5,300,275阐述了使用二级重整反应提供热气以加热初级重整反应的另一种基本安排。专利US-A-4,810,472、4,750,986和4,822,521公开了在来自二级重整阶段与初级重整阶段之间的热气间接热交换的热交换反应器的特殊排列。US-A-4,127,389给出了各种自二级重整反应区向初级重整反应提供热量的管室设计。正如上述参考专利所确定的，对于初级和二级重整区之间的热交换，本领域在技术上目前完全依靠管道排列，且最常见的是依靠被称做“插接管”的双层管。管式反应器的几何形状提出了布置上的约束：为达到要求的高热传递效率需要大反应器和巨大的管表面。
其它工艺方案用限定通道的薄板实现间接热交换。这些通道交替地在一组通道内保持催化剂和反应物，在邻近的通道内保持热传递流体以间接加热或冷却反应物和催化剂。可以提供更全面的温度控制的传热和反应物通道的一种具体排列也可见于US-A-5,525,311；其内容在此引用作为参考。其它用于间接传热的有用的板排列公开于US-A-5,130,106和US-A-5,405,586。
尽管由例如US-A-4,714,593的专利已知通过直接燃烧燃料间接加热反应区，但原料预热仍然通常在反应区之外提供。提供就地加热以控制温度的一般工艺安排也使用某些形式的进料加热器。原料在进入反应区之前，进料加热器使其达到初始反应温度。进料加热器增加了系统成本和复杂性。
发明概要
已经发现了无需进料加热器而间接加热反应区内的反应物的改进方法和排列。一种使用多个限定狭窄通道的板加热在含有催化剂的反应区内的反应物的方法可以将通道扩展到包括预热原料的上游段。上游预热段不含催化剂。在原料与通道反应段内的催化剂接触之前，预热区将反应物的温度提高到需要的初始反应温度。用于加热的流体可以是任何传热流体，其在适当的条件下进入加热通道为反应通道的预热和催化两部分提供必要的温度和热量。另一种方式是，热交换流体可以是在加热通道内燃烧的燃料物流。甲烷提供一种特别有用的加热流体。某些情况下，加热流体可以包括原料或来自反应通道的反应物。总的来说，本发明通过消除工艺过程对单独加热器的需要和除去与此有关的热损耗而节约热量。本发明以此方式实现了高效率利用板和通道反应以及加热配置。
因此，本发明的目的是提高使用就地间接热交换方法加热反应物的效率。
本发明的另一目的是减少加热反应物过程中的设备需要。
包含反应和加热功能的窄加热通道的存在构成了本发明的本质需求。加热和反应通道可以呈现许多不同的适合具体工艺和加热流体的配置。反应通道的预热部分可以包含沿通道连续长度的一部分，或者预热部分可以由一单独的一段通道提供并输送加热的反应物到单独的反应通道。在垂直延展的通道内，催化剂在反应通道内的短装载可以在初级重整部分的上面或下面提供空间以预热原料。
加热通道和反应通道可以横向、同向、或逆向通过流体。逆向流动可以向反应通道的反应部分提供最大的热输入，而同向流动将使反应通道预热部分的加热最大化。
加热通道可以包含促进燃料燃烧的燃烧促进催化剂。燃料在加热通道内燃烧时，可以改变燃烧催化剂在加热通道内的装载量以适应原料物流和反应区的加热要求。在通过热交换表面的热交换间接加热反应区的通道内使用催化剂控制燃料的燃烧速率可以调节温度，从而提高转化率、选择率或两者。通过改变燃烧速率调节温度还可以减少催化剂在反应区内失活。多种不同的方法可以用来改变燃烧催化剂促进燃料在加热通道的燃烧的速率。具体操作可以改变工艺条件如停留时间/空间速率。燃料反应物的浓度也可以通过引入其它燃料或稀释剂加以改变。其它的改变方法可以提高加热通道内催化剂的存在量。提高或减少整个加热通道内催化剂基体上的催化活性材料的装载量可以改变燃烧速率。除了通过改变金属荷载量改变催化剂之外，还可以沿加热通道长度改变催化剂的类型。此外，本发明方法可以通过沿通道单位流动长度改变催化剂体积的方法简单地改变均匀催化剂的量。通过在加热通道内使用适当的催化剂活性分布可以在出现原料转化的地方强加一个使转化率最大化的温度分布。从机械角度出发，径向流动反应器截面宽度的内在的增加或减小提供了改变沿加热通道单位流动长度催化剂体积的现成方式。US-A-5,405,586给出了一种具有间接热交换的径向流动反应器排列，其中可以根据本发明改进以包括燃料燃烧方面的改变。
板排列也可以改变加热通道内的催化剂装载。板可以占据通道的一部分，以仅使热交换通道的一部分的催化剂的装载减少。厚板可以延伸通过部分加热通道，并稳定地从热交换通道部分替换催化剂。成对的固体板可以延伸过部分热交换通道，以限定亚通道空间体积。这种中心亚通道可以在其中需要相对少量燃烧的加热通道的外边产生催化剂薄层。使用穿孔板可以提供改变加热通道内催化剂装载的特别有利的方法。穿孔的大小可阻挡催化剂进入加热通道内由穿孔板限定的通道亚区，同时仍然允许气流通过。穿孔板也可选沿加热通道的整个长度延伸，但改变穿孔的大小。在垂直取向的通道内，上部板的小孔可以阻止颗粒进入板之间的上部空间，而板下部较大的孔使催化剂通过进入下部的亚通道区域以提高催化剂单位通道长度的相对体积。以此方式使用穿孔板可以大大便利燃烧催化剂的装载和卸载，而且甚至允许在生产过程中改变燃烧催化剂的装载量。
沿通道路径的分配室可以为中间注入反应物或加热介质提供场所。根据需要，可以在通道端部或沿中间点设置分配室。这种歧管的一种安排是使用两组或多组独立的热交换板组或“反应组”，用隔离的排管进行不同的反应和热交换步骤。例如，反应组内的交替狭窄通道的一种排列可以仅包含用于加热通道的催化剂，而下游反应组在反应和加热通道都包含催化剂。歧管体系使隔离的预热原料和加热流体流出物进入加热通道和反应通道的另一段，并再次使加热流体与反应物间接接触。歧管与外部管道的整合可以通过中间加入或排出加热流体或反应物进一步加强工艺控制。
适当的板排列可使用具有在板之间间断分布的中间间隔的较光滑的板以节约通道空间并引入湍流促进热传递。螺旋缠绕的窄间隔通道可以提供高度接触和热交换。热交换元件的优选形式包含具有其中有波纹的较平的板。波纹起保持板间距的作用，同时也支撑板以提供良好的窄通道支撑系统。US-A-5,525,311也展示了这种板系统排列的其它详细情况。
适当的板排列还可以包括穿孔板。最有利的穿孔板将允许控制量的反应物作为原料直接由初级重整区通道进入二级重整区通道。穿孔板将在二级加热通道的需要部分分散引入的反应物。本领域熟练技术人员将能确认那些为加热和反应通道的整合提供其它好处的板排列的其它变化方案。
因此，在一个实施方案中，本发明是一种在反应区内使反应物与催化剂接触并使反应物与加热介质间接接触的方法。该方法使反应物流通过多个由间隔的主板限定的窄反应通道，并在无催化剂条件下在所述窄反应通道的第一部分加热反应物流。该方法还使加热介质通过多个主板限定的窄反应通道，并在反应通道的第一部分通过板间接加热反应物流，利用加热通道预热部分的加热介质在反应通道内提供预热的反应物。加热的反应物通过反应通道的第二部分，并使加热的反应物流与反应通道第二部分内的催化剂接触以产生反应的物流，同时随着加热介质通过加热通道的初级加热部分间接加热反应通道的第二部分。在本实施方案的更具体的方式中，甲烷进入加热通道且进行氧化以提供加热流体。优选地，甲烷在加热通道内与燃烧催化剂或氧化催化剂接触。
在另一个实施方案中，本发明包括使反应物在反应区内与催化剂接触、同时通过与生热区形成的燃烧气体接触间接加热反应物的设备。该设备包括由多个主板限定的多个交替的反应通道和加热通道，在反应通道的一端具有反应物入口，反应通道的另一端具有反应物出口，加热通道的一端具有加热流体入口、另一端具有加热流体的出口。反应通道包括位于反应物入口下游的将固体催化剂从反应通道的预热部分排除的装置，和位于预热部分下游的将固体催化剂保持在反应通道催化部分的装置。该设备可以包括将反应物流输送到反应物入口和将反应过的物流从反应物出口排出的装置，以及将加热流体输送到加热流体入口并将加热流体从加热流体出口排出的装置。在该实施方案的另一种形式中，加热通道可以限定燃烧区并保持燃烧促进催化剂。优选地，被保持的催化剂包含氧化催化剂和为加热通道提供氧气的氧气管道。
加热介质可以通过单独的物流、部分反应的物流或部分反应物物流提供。例如，在链烷烃异构化的情况下经常需要使一般伴随链烷烃原料的苯饱和。由苯饱和产生的热量可以间接加热异构化反应区，同时还预热进入异构化区的原料。在该方法中，包含C4-C6链烷烃和一般至少2摩尔％苯的原料物流通过包含饱和通道的苯饱和区。通过多个被间隔的板与热交换通道的冷却流体的间接热交换冷却饱和反应区的流出物。至少一部分至少部分饱和流出物作为异构化原料通过异构化区，通过与异构化催化剂接触使异构化原料异构化生产异构化流出物。原料物流、混合原料、异构化原料或异构化区流出物中至少一种作为冷却流体通过热交换通道。
本发明的一个具体实施方案为一种使反应物与反应区(40)中的催化剂接触并通过与加热介质接触间接加热反应物的方法，该方法包括：
a)使反应物通过多个由主板(44)间的空间限定的窄反应通道(29)，并在该窄反应通道的第一部分(29”)中，在不存在催化剂的条件下加热反应物流；
b)使加热介质通过多个由主板(44)限定的窄加热通道(49)，并用在加热通道预热部分的加热介质通过板间接加热在反应通道的第一部分的反应物流，以在反应通道内提供预热的反应物；
c)使该加热的反应物通过反应通道(29)的第二部分(29’)，并使加热的反应物流与该反应通道第二部分内的催化剂接触以产生反应的物流；和
d)随着加热介质通过加热通道(49)的主加热部分间接加热反应通道的第二部分；以及
使部分反应的物流通过所述的窄加热通道(49)。
本发明的另一个具体实施方案为一种使反应物与反应区内的催化剂接触同时通过与热量生产区形成的气体接触加热反应物的设备，该设备包括：
由多个主板(44)限定的多个交替的反应通道(29)和加热通道(49)，反应通道的一端具有反应物入口，相对的一端具有反应物出口，加热流体的入口在加热通道的一端，加热流体的出口在加热通道的另一端；
位于反应物入口下游的将固体催化剂从反应通道预热部分排除的、和位于预热部分下游的将固体催化剂保持在反应通道催化部分的装置；
将反应物流输送到反应物入口并将反应的物流从反应物出口排出的装置；
将加热流体输送到加热流体入口并将加热流体从加热流体出口排出的装置；和
将一部分反应的物流输送到加热流体入口的装置。
附图简要说明
图1是根据现有技术的反应区、加热区、热交换器以及进料加热器排列的示意流程图。
图2是根据本发明的反应区、加热区、热交换器排列的示意流程图。
图3是包括本发明排列的立式板式通道交换器的示意流程图。
图4是图3中示意的热交换反应器的4-4截面的剖视图。
图5是图3中示意的热交换反应器的5-5截面的示剖视图。
图6是图3中示意的热交换反应器的6-6截面的水平剖视图。
图7是显示波纹样式的平板元件示意图。
图8是形成流动通道的波纹板的轴测图。
图9和10是用来说明根据本发明交替排列的反应通道和加热通道的原理图。
图11和12是显示通道内加热区和反应区分布的图表。
发明详述
图1和图2比较现有技术与本发明。图1中，工艺物流经管道10进入流程设备并通过用于从反应区流出物流(14)回收热量的热交换器12。部分加热的原料由交换器12经管道18进入进料加热器16。管道17将燃料加入进料加热器16。管道20运载加热的原料物流进入吸热反应区22与催化剂接触生成流出物物流14，物流14经管道24由交换器12的流程下游排出。反应区22通过传热板26与加热区28热交换。管道30将加热介质送入加热区28。在区28热交换之后，管道32将冷却的加热介质排出。
在本发明的优选方式中，加热介质包含用于在加热区28燃烧的燃料物流。管道34使部分加热介质循环回到加热区的入口。新鲜燃料经管道36进入加热介质回路，同时管道38清除用过的燃料成分。加热介质可以包含甲烷和空气或任何其它适当的可燃燃料。加热区28还可以含有燃烧催化剂。
图2通过添加预热区40并除去加热器16对图1的现有技术排列加以改进。因而，原料物流也通过管道10进入流程并在交换器12中与向外流出的流出物流14进行热交换。管道18’将部分加热的原料送入反应区41的预热段40。预热段40不含催化剂并起将剩余原料加热到在反应区41的催化反应段42发生的反应所需要的温度的作用。热交换后，产物物流通过管道24离开流程。在加热侧，加热流体也通过加热区28’并经管道32离开加热区。当加热流体包含燃料物流时，管道36、34和38也可以提供添加、循环和清除作用。
加热区28’通过热交换板26’加热反应区41的预热段40和催化反应段42。预热区40必需的加热量以及加热流体的温度和热容量将确定预热区40的相对长度和由板26’的预热段43提供的表面积。当由来自反应区41反应物或产物向加热区提供燃料时，燃料可以从管道10或14转移进入加热区28’。燃料也可以从反应区41通过板26’直接注入加热区。从反应区41到加热区的足够压降可允许使用穿孔板并防止流体自加热区返流到反应区。可以在预热区43、催化反应区42或两者在整个传热板上提供用于控制流动的大小的孔。
本发明可用于任何使用加热介质将反应物流预热到需要的反应温度且在此后使用加热介质保持反应物流温度的吸热过程。特别适合使用本发明的过程是其中通过燃料燃烧加热反应物的那些过程。本发明特别适用于将其中反应物或部分吸热反应的物流用做给吸热反应加热的放热反应的燃料的自热过程。该过程有关与板式交换器排列的相容性的附加要求一般要求放热和吸热区之间存在较低的ΔT，横穿该板断面的ΔP也较低。200℃或更低的温差对本发明是优选的。压差优选不超过0.7MPa。
生产烃和化学产品的许多反应符合这些要求。自热过程的实例包括原料氨合成气体的生产、原料氢气流的生产以及为转换有机化合物的合成气体的生产。
以原料合成气体的生产为具体实例。这种过程一般包括用蒸汽重整烃原料的初级步骤，从而提供含有碳的氧化物、氢气、甲烷和未反应物流的气体。在合成气体的生产过程中，如天然气的流体烃依照反应(1)被转化为热的基本含有氢气和一氧化碳的重整的气体混合物：
(1)
该反应一般被称为初级重整，并广泛用于合成气体或纯氢气的生产。在本发明的实践过程中，该吸热反应通过使流体烃和蒸汽的气态混合物先通过不含催化剂的反应通道预热段、然后通过反应通道的含催化剂段进行。适当的催化剂组合物填充在反应通道的催化段。
通过氧化流体烃燃料的二级重整反应为该反应通道提供必要的热量。流体烃燃料可以包含来自流体烃原料的支流或初级重整流出物流的一部分。氧化反应通过经热交换板的间接热交换为初级重整器提供热量。在包含二级重整区的加热通道内发生下列反应：
(2)
(3) ，以及
(4)
反应(2)、(3)和(4)为趋于在二级反应空间相当迅速发生的放热反应。作为气体混合物通过二级重整区催化剂床的结果，剩余的甲烷通过与蒸汽按照上述反应(1)反应和与氧气按照上述反应(2)反应而转化，所以非常少量的甲烷留在该过程的产物气体中。强吸热反应(1)是一个在通过二级重整区的催化床的气体的整个通路上发生的较慢反应，并由此使因反应(2)、(3)和(4)达到高温的气体在二级反应区的进料端处冷却。在本发明的实践中，通过整合的初级-二级重整器的氧气和流体烃的比例维持基本或完全地自热过程，基本无外部燃料需求。本发明的有利特点是能够将部分烃原料直接从二级重整区的进料端旁路进入二级重整区的灵活性。
生产原料合成气体的一般操作温度为420-950℃。所用的特定压力原则上受使用重整气体混合物的后续过程对压力的要求影响。任何超常压力均可以在多数重整操作中应用，并适用于本发明方法和设备的多数应用。过程中的操作压力一般在2-10MPa范围。在用于氨生产的合成气体的生产中，初级重整步骤的流出物与含有氧气和氮气的混合物，一般为空气，催化反应以转化其余部分甲烷并将氮气引入产物流。在改变反应和清除CO2后，原料氨合成气体将具有约2.5-3.0的需要的氢气与氮气比。
反应物流在每个反应通道内与催化剂接触。在蒸汽重整中使用颗粒催化剂是公知的。二级重整区通常含有类似催化剂材料床。作为颗粒催化剂的替代，催化剂可以涂覆在各种重整区的板的表面。可能特别有利的是将初级重整催化剂涂覆在板上以获得上部催化段和下部无催化段，所述板通过限定通道的板与催化二级重整段保持热交换关系。
现在看图3。对于本发明的交替流动排列，含有天然气和蒸汽的蒸汽与甲烷比例为1.5-4的合成气体原料经管道11进入流程并在传统热交换器13中与管道15运载的合成气体产物流进行热交换。预热的原料流经管道17进入分配总管19。分配总管19为热交换反应器23中的分配空间21提供加热的原料。如图4的进一步显示，分配空间21将加热的合成气体分配到通过板44限定的多个初级重整反应通道29。反应通道在第二部分29’保持重整催化剂，且无催化剂的预热区在第一部分29”。反应通道29的中部21’对气流开放，但在其横截面上具有适当的屏蔽材料以防止催化剂从上部掉落。加热的重整反应物通过通道29。收集空间25收集通过通道29的开口27’的初级重整区流出物。如图3所示，歧管31收集来自收集空间25的初级重整流出物并减去由管道15’运载部分后，经管道33将流出物移至二级重整区。管道15’将初级重整区流出物直接旁路到管道15中的产物中。
管道33将初级流出物输送到将热气体分配到分配空间47的分配歧管35。部分天然气原料可以经管道33’绕过反应通道29直接进入二级重整区。管道34’为燃烧提供氧气或空气，并且根据需要可以为二级重整区提供附加燃料。初级重整流出物的某些初步反应可以在歧管35和分配空间47中发生。O2与原料物流或初级反应器流出物的混合必须以避免氧和其它可燃气体在整体上或局部上存在的比例处于潜在爆炸范围的方式进行。预防措施可包括使用混合元件以及特殊设计的联管设计以保持混合物的安全比例。适当的联管设计可包括填充或气体体积取代材料以使氧气和二级重整反应的燃料混合物上游体积最小化。
如描述图3剖面的图5的进一步显示，分配空间47将热气体分配到加热通道49的入口37。与分配空间21相对，分配空间47具有密闭气体和催化剂的反应通道29的底部，以阻止二级重整流出物进入其中。二级主反应将在与加热通道中包含的催化剂的接触中进行。在加热通道内与适当的二级重整催化剂接触直接产生热量以间接加热在反应通道包含的初级重整区内的反应物。随着热气体向上通过加热通道49，由限定反应和加热通道的板提供的较大表面积有效地将热量传输到反应通道29。
收集空间45收集来自加热通道49的开放出口的46的冷却的二级重整气体。如图3所示，歧管48集中所收集的二级重整流出物并将其转移进入产物管道15，产物经交换器13下游的管道50回收。
从图6可以更全面地看出为选择性收集初级重整流出物和二级重整流出物的收集空间25和26的排列。如图6所示，反应通道29中与收集空间25相对应的部分保持出口27’开放以与之自由流通。相反，加热通道49中那些与收集空间25相对应的部分有一个防止流体与收集空间25流通的密封装置28’。收集空间45与通道29和45具有相反的关系，其中通道49中的对应部分通过出口46开放式流通，而通道29的相应部分由密封装置47阻断与收集空间45的交换。为建立和限制流体与需要通道的交换，分配空间21和47具有类似的排列。图6还显示了将收集空间24与收集空间45内部隔离的隔板51。
适合本发明的板是允许高传热速率的任何板。优选薄板，厚度一般为1-2mm。该板一般由如不锈钢的铁或非铁合金构成。该板优选的合金将承受极端温度并含有高比例的镍和铬。该板可以成型为曲面或其它形状，但对于堆叠目的优选平板。该板可以是具有用来提供通道的沟槽的平板。每个板还可以是光滑的且如穿孔片的隔离物的附加元件可以在通道内提供湍流。优选地，每个板具有与反应物和热交换流体倾斜的波纹。
图7显示了优选的波纹排列，其中将热交换反应器23的中心部分分为加热通道和反应通道的板44由具有如图7所示波纹排列的板49’形成。波纹型式可起至少两种功能。除了结构上支撑临近的板，波纹还促进了湍流，增强了狭窄反应通道内的热交换效率。图7显示了由凸纹52和凹谷54限定的波纹。为促进任何变化的湍流程度，波纹的频率或斜度可以根据需要变化。因此，如由凸纹52和凹谷54显示的更浅的波纹将产生较少的湍流。相反，如由凸纹56和凹谷58显示的较大波纹斜度，在需要的位置上可提供增强的湍流。波纹的斜度和频率也可以在单个热交换通道上变化，以在通道的不同部分改变传热因数。该通道可以在它们的外围有围绕着的平面部分60，以利于在所需的位置上围绕边和端部的通道的闭合。
图8显示了波纹板排列的典型断面，其中板62的波纹沿与板64波纹相反的方向延伸，因此交替限定了反应通道66和加热通道68。图8说明了波纹板的优选排列，其中在相对波纹板表面的锯齿形花纹沿相反方向延伸，而且相对板的表面相互接触形成流动通道并为板提供支撑。
总体而言，本发明依靠较窄通道提供通过板的有效热交换。通过波纹高度的限定，波纹维持了一个变化的通道宽度。通常，通道宽度平均低于1英寸，优选平均宽度低于1/2英寸。在波纹情况下，平均通道宽度在实践上大部分定义为通道的体积与板基面平行的截面的面积之商。根据此定义，具有基本直的斜边壁的波纹将具有等于通道横向最大宽度一半的平均宽度。
本发明方法的反应区可以使热交换流体在任何方向与反应物间接接触。因此，流动通道和反应区的进口和出口可设计为反应物流体相对热交换流体同向流动、逆向流动或横向流动。
本发明实践中，没有必要使每个反应通道与加热通道交替。可能的反应段配置可以在每个反应通道之间布置两个或更多的加热通道，以减少热交换介质一侧的压降。当用于此目的时，隔离相邻加热通道的板可以有穿孔。
被板限定的其它通道能够提供各种辅助功能。除了用于加热在预热和催化段的原料的通道外，其它的通道功能可包括冷却来自反应区的流出物和相对其它流出物进一步预热原料。具有多功能通道的反应器排列69示于图9和10。图9显示了一个具有示意图中编号的不同通道功能的通道排列。字母“FP”代表原料预热通道。字母“SR”代表用于预热目的的二级反应，字母“PR”代表初级反应。
如图9所示，流体以需要的方式流过通道需要两种不同的收集和分配空间排列。流体流过分配/收集空间可按照与图3-6描述和图示类似的方式控制。再看图9，初级反应区的原料通过预热通道70，在那里与二级反应通道间接热交换，将原料温度升高到初级反应通道74中的初始反应需要的温度。预热的原料从通道70流入歧管空间76。歧管空间76使预热的原料通入初级反应通道74。预热的原料向上通过初级反应通道74并进入另一个歧管空间78。如部分产物作为燃料燃烧，含氧气体和任选的其它燃料可以通过管口80进入歧管空间78。歧管空间78将任何经管口80进入的流体与初级反应区流出物混合并将该混合物作为原料分配到二级反应通道72。二级反应通道72优选在其整个长度上含有燃烧促进催化剂，以促进放热的二级反应。随着该混合物向下通过二级重整通道72，将含有初级反应物的通道74以及原料预热通道70加热。
图10显示了构成反应器69一部分的附加分配空间82和收集空间84。隔板(未显示，但与图3显示的隔板29相似)将分配空间82和收集空间84与空间78和76隔开。原料经管口84进入反应器69。分配空间通过开放的入口86将初级重整区分配到预热通道70。密封板88堵塞了与分配空间82相邻的初级反应通道74和二级反应通道72的顶端。一旦分配到原料通道，初级反应原料如结合图9所说明的那样连续流过反应器69。二级反应流出物通过收集空间84离开反应器69，其中收集空间84通过二级反应通道72的底部90相连。出口90有适当的屏蔽材料以将催化剂保持在二级反应通道内，同时允许流体从该通道离开。初级反应通道74的底部凡是通过收集空间84者都由密封板92闭合。二级反应管口94将收集的二级流出物排出。初级和二级反应区之间的任何原料旁路可以通过与分配空间82、收集空间84和歧管空间中的任何一个相连的外部管道实现。
附加预热以及将放热反应区与吸热反应区自直接相连的状态独立出来可以通过改变催化剂在通道间的装载位置容易地实现。通道一端的空间也可以用作二级反应区的原料预热区或流出物冷却区。图9和10通过催化剂水平线96示意地说明了催化剂在通道内的部分装载。初级反应通道74可以从线96的下面到通道74的出口含有催化剂。在这种安排下，随着原料向下流过原料预热通道70，二级反应区间接地用二级反应通道72中的反应段加热原料。热交换后，初级反应原料进入初级反应通道，在那里反应。来自二级反应通道72中反应的热量随着原料向上通过通道74加热在该通道下部的反应区。来自初级反应区的流出物连续接受来自通道72上部的热量直到离开通道74并进入通道72的二级反应区的顶端并与其中含有的催化剂接触。
通道功能的多种其它组合可以结合在单程或多程排列中。板式热交换反应器的使用利于加热通道的排列，在需要的功能性方面为单或多组套排列提供多种方案。
例如，理论上通过催化剂荷载线96分隔的通道74的上段和下段可以容易地物理分隔为两个独立的反应区。与图3-6和9和10所示类似的收集和分配歧管可用于在独立的通道各段之间内部交换流体物流。更有用的方式是，可以用歧管排列从外部来沟通含在单一反应器内的反应通道。外部交换便于将气体物流控制到不同反应区和热交换区。外部控制还允许在不同通道排列间提供多种流径。
在进一步说明的方法中，图11和12是显示在由板元件限定的多个通道中通道功能可能排列的编码的图表。代码FP、SR、和PR前面已经解释。在图表10和11中使用的其它代码包括：“EC”代表流出物冷却；“HP”指含有来自二级反应通道、用于加热初级重整反应通道的热气体物流的区域。“HF”代表其中初级反应区的原料通过相对于部分二级反应通道的间接热传递被进一步加热的区域。
图11以功能重复的方式图示了相互连接的平行通道设计的三种方案。图10的方案1代表图8-9描述的通道的排列，其中二级反应通道将原料预热和初级反应通道分开，因此整体上每6个通道中存在一个初级反应通道。方案2代表的排列为：用进入原料冷却来自二级反应通道的流出物并整体上每3个通道提供一个初级反应通道。方案3是另一种通道排列：每6个通道提供一个初级反应通道和两个二级反应通道。
图12代表其他排列，其中多反应组套提供双排通道，所述通道可以提供极多不同通道功能的方式内部或外部相互连接。图12中的所有构造是具有不同功能的上部和下部双程热交换排列的简化图，其中用先前描述的代码和附加的代码，而“HP”代表用于间接加热初级反应区的通道。
图12的方案1显示双程交换器的断面。在下面的通道排中，初级反应原料与在相对侧包含二级重整反应的板进行间接热交换。上面的通道排使预热的原料在初级反应区反应，而该初级反应的相对侧含有来自二级反应区的热流出物并加热初级反应区。外部连接的歧管将初级反应区的流出物转移到二级重整反应区。
图12的方案代表性地阐述了另一个双组套通道排列。上面的通道部分通过相对侧进入原料物流的间接热交换冷却来自二级反应区的产物流。从功能上说，上面部分主要用作与图3中交换器13相同的目的。下面的通道段提供对从二级反应区直接到初级反应区的间接加热。
图12方案3也是另一种有关流程的替代方案，其中在两排加热通道间使用歧管以建立与图12方案1所示类似的热交换排列。情况3与情况1的区别在于：让流体以逆流方式流动，而方案1中为同向流体流动。
最后，方案4显示了一种其中使用两个独立加热通道与二级反应区的连接的排列。二级反应区可以与所述通道为一整体或可以位于通道排的外部。二级反应区也可以用作通道间的连接歧管。在该排列中，原料进入原料预热区，相对于来自二级反应区的流出物进行间接热交换。然后原料由预热区流入初级反应区。来自二级反应区的热气通过间接热交换加热初级反应区。初级反应区的流出物进入可被安排为二级反应催化剂通道或床的二级反应区。来自二级反应区的流出物供应热气体以加热初级反应区，然后该热气体用进来的初级反应原料进一步间接冷却。
通过中间注入氧化流体或附加燃料可以进一步增强温度控制。初级反应物的逆流或顺流操作使通道的边可用于中间氧化物流体或燃料横向注入。横向流动类型对特定位置的热量产生提供了附加控制，从而使调整二级反应区的温度曲线成为可能。在二级反应区与初级反应区直接热交换的情况下，中间注入也可以用来影响初级反应区内的温度曲线。
实施例
在链烷烃脱氢的烃转换过程中，对本发明方法和通道排列对保持等温状况的效果进行了实验研究。以具有表1所给组成的原料物流为基础，准备了基于本发明保持等温状况的能力的模拟。在使用图2示意描述的通道设计的脱氢过程中，对本发明产生的等温状况进行了模拟，其中甲烷独立燃烧以提供输入流程的热量。
在该流程模拟中，经管道10运载且具有表1所给组成的原料流流入热交换器12，将原料流温度从约370提高到390℃。同时，具有所给出的相对组成的脱氢区流出物物流14经交换器12由管道24排出。
管道18’将部分预热的原料流运载到接受来自加热区28’的热量的预热区40。随着离开预热区40，通过一系列传热板的间接热交换原料温度提高到约480℃。预热和催化反应区部分的流程模拟是从使用具有250层催化剂的板式热交换束为基础，预热区长度约1.1m，催化区长度约0.37m。板限定与加热通道交替的反应通道，其厚度约1.2mm，具有约10mm深的波纹，约5500mm宽。这些板以交替的波纹型彼此相邻放置，使波纹的峰相互接触。反应通道和加热通道在约20psig的压力下操作。
加热的原料流进行脱氢以生产具有先前描述的管道14所具有组成的产物流。自加热区28’的连续间接加热使来自催化区42的产物流的出口温度保持在474℃。催化反应段包含典型的含有载于氧化铝载体的铂的脱氢催化剂。
管道30将甲烷、氧气和一氧化碳的混合物输送到加热区28’，为预热区和催化区供应间接热量。大约74,000kg moles/hr的循环加热气体经管道38从出口32排出，同时加热混合物的剩余物与7,000kg moles/hr甲烷和空气流回到输入管道30，并提供14,000kg moles/hr的氧气。
                    表1
    物流说明kg mole/hr     10     14
    H2O     13.3     13.3
    氢气     2733.4     2824.0
    甲烷     57.9     57.9
    乙烷     150.3     150.3
    丙烷     54.4     54.4
    正丁烷     34.8     34.8
    正戊烷     20.2     20.2
    n-C6-C9     12.1     11.9
    n-C10     139.0     116.1
    n-C11     168.8     136.7
    n-C12     116.9     91.9
    n-C13     39.8     30.2
    n-C14     2.8     2.0
    1-壬烯     ---     .2
    1-癸烯     .8     23.7
    1-十一烯     .3     32.4
    1-十二烯     .1     25.1
    1-十三烯     ---     9.6
    1-十四烯     ---     .7
    总计：     3544,9     3634,7

Claims (16)

1.一种使反应物与反应区(40)中的催化剂接触并通过与加热介质接触间接加热反应物的方法，该方法包括：
a)使反应物通过多个由主板(44)间的空间限定的窄反应通道(29)，并在该窄反应通道的第一部分(29”)中，在不存在催化剂的条件下加热反应物流；
b)使加热介质通过多个由主板(44)限定的窄加热通道(49)，并用在加热通道预热部分的加热介质通过板间接加热在反应通道的第一部分的反应物流，以在反应通道内提供预热的反应物；
c)使该加热的反应物通过反应通道(29)的第二部分(29’)，并使加热的反应物流与该反应通道第二部分内的催化剂接触以产生反应的物流；和
d)随着加热介质通过加热通道(49)的主加热部分间接加热反应通道的第二部分；以及
e)使部分反应的物流通过所述的窄加热通道(49)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中加热通道含有氧化催化剂。
3.根据权利要求1所述的方法，其中主板限定交替的反应通道和加热通道。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中加热介质含有甲烷和氧气，并且甲烷的燃烧为反应通道提供至少部分热量。
5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中反应通道的第一和第二部分以及加热通道的预热和加热部分是连续的。
6.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中板限定波纹且波纹维持板的间距。
7.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中反应通道内的催化剂含有保留在通道内的颗粒材料。
8.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中反应通道具有小于1英寸的平均宽度。
9.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中通过与热量生产区形成的气体接触加热反应物。
10.根据权利要求9所述的方法，其中燃烧催化剂包括保留在加热通道内的颗粒材料。
11.一种使反应物与反应区内的催化剂接触同时通过与热量生产区形成的气体接触加热反应物的设备，该设备包括：
由多个主板(44)限定的多个交替的反应通道(29)和加热通道(49)，反应通道的一端具有反应物入口，相对的一端具有反应物出口，加热流体的入口在加热通道的一端，加热流体的出口在加热通道的另一端；
位于反应物入口下游的将固体催化剂从反应通道预热部分排除的、和位于预热部分下游的将固体催化剂保持在反应通道催化部分的装置；
将反应物流输送到反应物入口并将反应的物流从反应物出口排出的装置；
将加热流体输送到加热流体入口并将加热流体从加热流体出口排出的装置；和
将一部分反应的物流输送到加热流体入口的装置。
12.根据权利要求11所述的设备，其中加热通道限定燃烧区且加热通道保留燃烧促进催化剂。
13.根据权利要求12所述的设备，其中燃烧促进催化剂含有氧化催化剂且氧气通道为加热通道提供氧气。
14.根据权利要求1所述的方法，其中窄加热通道(49)含有促进放热反应的催化剂材料，且在反应通道(29)的第二部分(29’)的催化剂用于促进吸热反应。
15.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：
在歧管空间(78)内收集反应的物流，其中歧管空间(78)与由限定反应通道(74)的第二部分的板限定的出口直接相连；
将一种中间流体直接注入歧管空间(78)并与至少部分反应的物流混合以产生一种混合的物流。
16.根据权利要求15所述的方法，该方法还包括将来自歧管空间(78)的混合物流直接送入由板限定的与歧管空间(78)直接相连的所述多个包括窄加热通道的二级反应通道(72)的入口。
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