NO328140B1

NO328140B1 - Fremgangsmate og apparat hvor det benyttes et platearrangement for oppvarming og forvarming av reaktanter

Info

Publication number: NO328140B1
Application number: NO20031861A
Authority: NO
Inventors: Robert C Mulvaney; Hemant W Dandekar
Original assignee: Uop Llc
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2009-12-14
Also published as: DE60036569T2; AU1234901A; KR100693261B1; ATE374074T1; CN1474717A; CN1217732C; EP1333917B1; CA2426347C; ES2293928T3; AU2001212349B2; WO2002034383A1; PT1333917E; EA005001B1; CA2426347A1; EA200300515A1; EP1333917A1; KR20030048080A; NO20031861L; NO20031861D0; DE60036569D1

Abstract

Fremgangsmåte og apparat for fremstilling av reaksjonsprodukter ved indirekte forvarming og oppvarming av reaktanter ved indirekte varmeveksling. Bruken av forvarmingstrinnet forenkler utformingen av reaksjonssonen ved at den eliminerer behovet for eksterne varmevekslere og er særlig velegnet for et arrangement av plater som avgrenser trange kanaler for indirekte varmeveksling. De trange kanaler avgrenses fortrinnsvis av korrugerte plater. De primære reaksjonskanaler (i seksjon 42) vil inneholde en katalysator for å fremme dannelsen av det ønskede reaksjonsproduktfra hovedreaktantene. Varmefluidet (30) føres gjennom tilgrensende varmekanaler (i seksjon 28), slik at det oppnås indirekte oppvarming. I det minste et parti av oppvarmingskanalene står i varmevekslingsrelasjon til et ikke-katalytisk parti av reaksjonskanalene (i seksjon 40) for forvarming av reaktantene foran en katalysatorseksjon (i seksjon 42) av reaksjonskanalene. Katalytisk forbrenning i oppvarmingskanalene (i parti 28) kan gi in situ varmetilførsel til varmemediet (30). Egnede katalysatorer for oppvarmingskanalene kan omfatte oksidasjonsfremmende katalysatorer.

Description

TEKNISK OMRÅDE

Denne oppfinnelse angår generelt varmevekslere av platevarmevekslertypen for indirekte varmeveksling og oppvarming av reaktanter for regulering av temperaturbetingelsene i en reaksjonsprosess.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

I mange industrier, som f.eks. i den petrokjemiske og kjemiske industri, avstedkommes ved kontakt mellom reaksjonsfluider og en katalysator i en reaktor under egnede temperatur- og trykkbetingelser en reaksjon mellom komponentene av én eller flere reaktanter i fluidene. De fleste av disse reaksjoner genererer eller absorberer varme i varierende grad og er derfor eksoterme eller endoterme. De oppvarmende eller kjølende virkninger som er forbundet med eksoterme eller endoterme reaksjoner, kan påvirke driften av reaksjonssonen positivt eller negativt. De negative virkninger kan blant annet innbefatte: utilfredsstillende produktdannelse, deaktivering av katalysatoren, dannelse av uønskede biprodukter og, i ekstreme tilfeller, skade på reaksjonsbeholderen og tilkoblede rørledninger. I mer typiske tilfeller vil de uønskede virkninger som er forbundet med temperaturendringer, redusere selektiviteten eller utbyttet av produkter fra reaksjonssonen.

I mange arrangementer søkes det å avhjelpe de negative virkninger av endoterm avkjøling ved at det tilføres varme til reaksjonen. Ved mer tradisjonelle metoder benyttes flere oppvarmingstrinn mellom adiabatiske reaksjonstrinn. Ved andre metoder benyttes oppvarming in situ ved hjelp av samtidig utførte reaksjoner eller indirekte varmeveksling for å opprettholde en isoterm eller annen temperaturprofil i reaksjonssonen. I. US 5 525 311 er det gitt et eksempel på indirekte varmeveksling med et varmevekslingsfluid for å regulere temperaturprofilen i en reaksjonssone.

I en rekke forskjellige prosesser kan det benyttes indirekte varmeveksling med en reaksjonssone for å regulere temperaturprofiler inne i reaksjonssonen. Vanlige eksempler på hydrokarbonomdannelsesreaksjoner innbefatter: aromatisering av hydrokarboner, reforming av hydrokarboner, dehydrogenering av hydrokarboner og alkylering av hydrokarboner.

Andre eksempler er prosesser for fremstilling av hydrogen og karbonoksider ved reforming av metan i nærvær av damp eller karbonoksider.

Dampreformingsprosessen er spesielt velkjent og innbefatter føring av en blanding av utgangsmateriale og damp over en dampreformingskatalysator. Typiske dampreformings-katalysatorer omfatter nikkel og kan innbefatte kobolt på ildfaste bærermaterialer som f.eks. alfa-aluminiumoksid eller kalsiumaluminat. Den sterke endoterme natur av den primære dampreformingsreaksjon krever tilførsel av varme for å opprettholde reaksjonen. For fagfolk på området vil det være rutine å balansere de endoterme varmebehov ved den primære reforming med en partiell oksidasjon av hydrokarboner for å tilveiebringe en sekundær reformingsreaksjon som tilfører varme for det primære reformingstrinn og genererer ytterligere mengder syntesegass. Driften av en adiabatisk reformer for fremstilling av syntesegass er beskrevet i US 4 985 231.1 US 5 300 275 beskrives et annet grunnleggende arrangement hvor det benyttes en sekundær reformingsreaksjon for til-førsel av varm gass for tilførsel av varme til den primære reformingsreaksjon. I US 4 810 472, US 4 750 986 og US 4 822 521 beskrives spesielle arrangementer av varmeveks-lingsreaktorer hvor det foretas indirekte varmeveksling mellom varme gasser fra det sekundære reformingstrinn og det primære reformingstrinn. I US 4 127 389 beskrives en rekke forskjellige utforminger av rørkammere for tilførsel av varme til en primær reformingsreaksjon fra en sekundær reformingsreaksjonssone. Som det fremgår av de ovenfor omtalte patentskrifter, dreier det seg i faget utelukkende om rørarrangementer, og mest vanlig benyttes det i faget dobbeltveggede rør betegnet som "bayonettrør" for varmeveksling mellom de primære og sekundære reformingssoner. Rørreaktorers geometri medfører hindringer ved at det kreves store reaktorer og meget stor røroverflate for å oppnå den ønskede høye virkningsgrad ved varmeoverføringen.

I andre prosesser oppnås indirekte varmeveksling med tynne plater som avgrenser kanaler. Kanalene rommer på alternerende vis katalysator og reaktanter i ett sett av kanaler og et varmeoverføringsfluid i tilgrensende kanaler for indirekte oppvarming eller kjøling av reaktantene og katalysatorene. Et spesifikt arrangement for varme-overføring og reaktantkanaler som muliggjør en mer fullstendig temperaturregulering kan igjen finnes beskrevet i US 5 525 311. Andre anvendelige platearrangementer for indirekte varmeveksling er det gjort rede for i US 5 130 106 og US 5 405 586.

Skjønt det er kjent fra patentskrifter som f.eks. US 4 714 593 å foreta direkte forbrenning av brensel for den indirekte oppvarming av en reaksjonssone, blir det fortsatt normalt foretatt forvarming av tilførselsmaterialet utenfor reaksjonssonen. I typiske prosessarrangementer som gir oppvarming in situ for regulering av temperaturer, gjøres det også bruk av én eller annen form for oppvarmer for tilførselsmaterialet. Oppvarmeren for tilførselsmaterialet bringer det inngående tilførselsmateriale til den innledende reaksjonstemperatur, før det føres inn i reaksjonssonen. Oppvarmeren for tilførselsmaterialet øker kostnadene ved systemet og øker dets kompleksitet.

KORT SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Det har nå vist seg at en modifikasjon av fremgangsmåten og apparaturen for indirekte oppvarming av reaktanter i reaksjonssonen kan eliminere behovet for en oppvarmer for tilførselsmaterialet. I en fremgangsmåte hvor det benyttes et antall plater som avgrenser trange kanaler for oppvarming av reaktanter i en katalysatorholdig reaksjonssone, kan kanalene forlenges, slik at det innlemmes en oppstrømsseksjon hvor tilførselsmaterialet forvarmes. Forvarmingsseksjonen på oppstrømssiden inneholder ingen katalysator. Forvarmingssonen øker reaktantenes temperatur til den ønskede innledende reaksjonstemperatur, før tilførselsmaterialet bringes i kontakt med katalysatoren i kanalenes reaksjonsseksjon. Fluidet for oppvarming av reaksjonsseksjonen kan være et hvilket som helst varmeoverføringsfluid som innføres i oppvarmingskanalene ved egnede betingelser for å bibringe både forvarmingspartiene og de katalyserende partier av reaksjonskanalene den nødvendige temperatur og varmemengde. Omvendt kan varmevekslingsfluidet være en fluidstrøm som undergår forbrenning inne i oppvarmingskanalene. Metan utgjør et særlig anvendelig oppvarmingsfluid. I enkelte tilfeller kan oppvarmingsfluidet omfatte tilførselsmaterialet eller reaktantkomponentene fra reaksjonskanalene. Sett under ett oppnås det med oppfinnelsen en konservering av varme gjennom eliminering av behovet for en separat oppvarmer i prosessen og ved å eliminere varmetapene som er forbundet med denne. På denne måte oppnås med oppfinnelsen en meget effektiv utnyttelse av platen og kanalreaksjonen og oppvarmingsopplegget.

Det er således et siktemål med den foreliggende oppfinnelse å forbedre virkningsgraden ved oppvarming av reaktanter ved en fremgangsmåte hvor det benyttes indirekte varmeveksling in situ.

Det er videre et siktemål med oppfinnelsen å redusere behovet for utstyr for oppvarmingen av reaktanter.

Tilstedeværelsen av smale oppvarmingskanaler som skal inneholde reaksjons- og oppvarmingsfunksjoner, utgjør et vesentlig trekk ved oppfinnelsen. Oppvarmings- og reaksjonskanalene kan anta mange ulike konfigurasjoner som passer til den gitte prosess og det gitte oppvarmingsfluid. Forvarmingspartiet av reaksjonskanalen kan omfatte et parti i kanalens lengderetning, eller et separat parti i kanalens lengderetning kan utgjøre forvarmingspartiet og avlevere de oppvarmede reaktanter til en uavhengig reaksjonskanal. I vertikalt anordnede kanaler kan ifylling av katalysator over en kort avstand i reaksjonskanalenes lengderetning gi et rom over eller nedenfor den primære reformingsseksjon, hvor det kan foretas forvarming av tilførselsmateriale.

Oppvarmingskanalene og reaksjonskanalene kan føre fluider på tvers av hverandre, i medstrøm i forhold til hverandre eller i motstrøm i forhold til hverandre. Motstrøm vil gi den største varmetilførsel til reaksjonskanalenes reaksjonsparti, og medstrøm vil maksimere oppvarmingen i reaksjonskanalenes forvarmingsparti.

Oppvarmingskanalene kan inneholde forbrenningsfremmende katalysator for å akselerere forbrenningen av brenselet. Når brensel forbrennes i oppvarmingskanalene, kan fyllingen av forbrenningskatalysator varieres i oppvarmingskanalene for å tilpasse oppvarmingsbehovene for tilførselsstrømmen og reaksjonssonen. Regulering av et brensels forbrenningshastighet ved bruk av katalysator i kanaler som indirekte oppvarmer en reaksjonssone ved varmeveksling gjennom en varmevekslingsoverflate, kan moderere temperaturene og derved forbedre omdannelsen eller selektiviteten eller begge. Moderering av temperaturen ved å variere brenselets forbrenningshastighet kan også redusere deaktiveringen av katalysatoren i reaksjonssonen. En rekke metoder kan benyttes for å variere hastigheten med hvilken forbrenningskatalysatoren fremmer forbrenningen av brenselet i oppvarmingskanalene. Under driften kan prosessbetingelser som oppholds-tid og romhastighet varieres. Også konsentrasjonen av brenselreaktanter kan varieres gjennom tilførsel av ytterligere brensel eller utspedningsmidler. Ved en annen metode for å oppnå variasjoner kan mengden av katalysator som er til stede i oppvarmingskanalene, økes. Økning eller minskning av ifyllingen av katalytisk aktivt materiale på et katalysator-underlag i oppvarmingskanalenes lengderetning vil variere forbrenningshastigheten. I tillegg til å endre katalysatoren ved å endre den påfylte mengde metaller kan også typen av katalysator variere i oppvarmingskanalenes lengderetning. Videre kan det ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen simpelthen foretas endring i mengden av en ensartet katalysator ved å variere katalysatorvolumet pr. strømningslengdeenhet langs kanalene. Ved bruk av en egnet katalysatoraktivitetsprofil i oppvarmingskanalene kan det frem-bringes en temperaturprofil som maksimerer omdannelsen i kanalene hvor omdannelsen av tilførselsmaterialet finner sted. Fra et mekanisk synspunkt gir den iboende økende eller minskende sektorbredde i en reaktor med radiell strømning en grei mulighet for å variere katalysatorvolumet pr. strømningslengdeenhet langs oppvarmingskanalene. I US 5 405 586 beskrives et reaktorarrangement med radiell strømning og med indirekte varmeveksling som kan modifiseres i henhold til den foreliggende oppfinnelse for å innlemme variasjon i forbrenningen av et brensel. 1 platearrangementer kan også katalysatorfyllingen variere i oppvarmingskanalene. Plater kan fylle et parti av kanalene for å redusere katalysatorfyllingen i bare et parti av varmevekslingskanalene. En tykk plate kan strekke seg gjennom et parti av oppvarmingskanalene og fortrenge katalysator fra et parti av varmevekslingskanalen. Par av faste plater kan strekke seg over et parti av varmevekslingskanalene, slik at det dannes tomme delkanalvolumer. Slike sentrale delkanaler kan gi opphav til tynne sjikt av katalysator på utsiden av oppvarmingskanalene, hvor det ønskes mindre forbrenning. Bruk av perforerte plater kan utgjøre en særlig fordelaktig metode for å endre katalysatorfyllingen i oppvarmingskanalene. Størrelsen av perforeringene kan blokkere katalysatorens adgang til det delparti av en kanal som avgrenses av de perforerte plater i oppvarmingskanalene, mens gasstrømmen fortsatt tillates å passere gjennom. Alternativt kan de perforerte plater strekke seg over hele lengden av oppvarmingskanalene, men med varierende størrelse av perforeringen. 1 vertikalt orienterte kanaler kan små perforeringer i det øvre parti av platen hindre partikler i å trenge inn i det øvre rom mellom platene, mens større perforeringer i det nedre parti av platene fører katalysator inn i et nedre delkanalområde for å øke det relative katalysatorvolum pr. lengdeenhet av kanalen. Slik bruk av perforerte plater kan i stor grad lette ifyllingen og uttagningen av forbrenningskatalysatoren og sågar muliggjøre utskifting av den varierte, ifyllte forbrenningskatalysator under drift.

Fordelingskammere langs kanalbanene kan tilveiebringe mellomliggende steder for injeksjon av reaktanter eller varmemedium. Fordelingskammere kan anordnes i endene av kanaler eller langs deres midtre partier, etter ønske. I ett arrangement av slike fordelere benyttes to eller flere separate grupper av varmevekslingsplater eller "reaksjonsplategrupper" for å utføre ulike reaksjoner og varmevekslingstrinn i isolerte plategrupper. Eksempelvis kan ett arrangement med alternerende trange kanaler i en reaksjonsplategruppe inneholde katalysator bare for oppvarmingskanalene, mens en reaksjonsplategruppe på nedstrømssiden inneholder katalysator i både reaksjonskanalene og oppvarmingskanalene. Et system av fordelere fører det isolerte, forvarmede tilførsels-materiale og avløpet av oppvarmingsfluid til en annen seksjon av oppvarmingskanaler og reaksjonskanaler som igjen bringer oppvarmingsfluidet i indirekte kontakt med reaktantene. Integrering av fordelerne med eksterne rørledninger kan ytterligere forbedre prosessreguleringen ved tilsetning eller uttagning av oppvarmingsfluid eller reaktanter på mellomliggende steder.

I egnede platearrangementer kan det gjøres bruk av relativt glatte plater med mellomliggende avstandsstykker plassert med mellomrom mellom platene for å opprettholde kanalrommet og for å frembringe turbulens for å fremme varmeoverføringen.

Et spiralsnodd arrangement av kanaler med liten mellomliggende avstand kan gi en høy grad av kontakt og varmeveksling. En foretrukken utforming av varmevekslings-elementene omfatter relativt flate plater forsynt med korrugeringer. Korrugeringene tjener til å opprettholde avstanden mellom platene, samtidig som de også understøtter platene, slik at det oppnås et godt understøttet system av trange kanaler. Ytterligere detaljer om arrangementet av slike platesystemer er gitt i US 5 525 311.

I egnede platearrangementer kan det også være innlemmet perforerte plater. Aller helst vil perforerte plater tillate de regulerte mengder av reaktantene å strømme direkte fra de primære reformingssonekanaler som en tilførsel til de sekundære reformingssonekanaler. Perforerte plater vil spre de innførte reaktanter over et ønsket parti av de sekundære oppvarmingskanaler. Fagfolk på området vil forstå at også andre variasjoner i platekonfigurasj onene vil kunne medføre tilleggsfordeler hva angår integreringen av oppvarmings- og reaksjonskanalene.

Oppfinnelsen angår således en fremgangsmåte for å bringe reaktanter i kontakt med en katalysator i en reaksjonssone og for å varme opp reaktantene ved indirekte oppvarming ved kontakt med et varmemedium. Fremgangsmåten er kjennetegnet ved at

a) en reaktantstrøm føres gjennom flere trange reaksjonskanaler definert ved rom mellom hovedplater, og reaktantstrømmen varmes opp i

fravær av katalysator i et første parti av de trange reaksjonskanaler,

b) et varmemedium føres gjennom flere trange oppvarmingskanaler avgrenset av hovedplatene, og reaktantstrømmen oppvarmes ved indirekte oppvarming, i det første parti av reaksjonskanalene, gjennom platene med varmemediet i et forvarmingsparti av oppvarmingskanalene, hvorved det fås en oppvarmet reaktantstrøm i reaksj onskanalene,

c) den oppvarmede reaktantstrøm føres gjennom et andre parti av reaksjonskanalene, og den oppvarmede reaktantstrøm bringes i

kontakt med en katalysator i det andre parti av reaksjonskanalene, hvorved det fås en omsatt strøm, og d) det andre parti av reaksjonskanalene oppvarmes ved indirekte oppvarming med varmemedium, mens dette passerer gjennom et

primæroppvarmingsparti av oppvarmingskanalene.

I en mer begrenset utførelse av denne utførelsesform blir metan ført inn i oppvarmingskanalene og undergår oksidasjon for dannelse av varmefluidet. Fortrinnsvis bringes metanet i kontakt med en forbrenningskatalysator eller oksidasjonskatalysator i oppvarmingskanalene.

Oppfinnelsen angår også en apparatur for å bringe reaktanter i kontakt med en katalysator i en reaksjonssone mens reaktantene oppvarmes ved indirekte oppvarming ved kontakt med forbrenningsgasser dannet i en varmeproduserende sone. Apparaturen er kjennetegnet ved at flere alternerende reaksjonskanaler og oppvarmingskanaler som avgrenses av flere hovedplater, slik at de har et reaktantinnløp i den ene ende av reaksjonskanalene, et reaktantutløp i en motsatt ende av reaksjonskanalene, et innløp for varmefluid i den ene ende av oppvarmingskanalene og et utløp for varmefluidet i den motsatte ende av oppvarmingskanalene, innretninger for å utelukke en fast katalysator fra et forvarmingsparti av reaksjonskanalene, anordnet på nedstrømssiden av reaktantinnløpet og inneholdende en fast katalysator i et katalysatorparti av reaksjonskanalene anordnet på nedstrømssiden av forvarmingspartiet, innretninger for avlevering av en reaktantstrøm til reaktantinnløpet og for uttak av en omsatt strøm fra reaktantutløpet, og innretninger for avlevering av et varmefluid til innløpet for varmefluid og for uttak av varmefluidet fra uttaket for varmefluid.

I en annen utførelse av denne utførelsesform kan oppvarmingskanalene avgrense en forbrenningssone og romme en forbrenningsfremmende katalysator. Fortrinnsvis omfatter denne katalysator en oksidasjonskatalysator, og en oksygen-rørledning tilfører oksygen til oppvarmingskanalene.

Varmemediet kan tilføres som en separat strøm, som en del av den omsatte strøm eller som en del av reaktantstrømmen. Eksempelvis er det ofte, i det tilfelle hvor paraffm skal isomeriseres, nødvendig å mette benzen, nemlig det benzen som vanligvis føres inn sammen med paraffintilførselsmaterialet. Varmen som genereres ved metningen av benzen, kan indirekte varme opp isomeriseringsreaksjonssonen, mens den også forvarmer tilførselsmaterialet som innføres i isomeriseringssonen. Ved en slik fremgangsmåte blir en tilførselsstrøm som omfatter C4 - C6-paraffiniske hydrokarboner og i typiske tilfeller minst 2 mol% benzen, ført til en benzenmetningssone som omfatter metnings-kanaler. Ved indirekte varmeveksling gjennom de på avstand fra hverandre anordnede plater med et kjølefluid i varmevekslingskanalene oppnås kjøling av avløpet fra metnings-reaksjonssonen. Minst en del av den i det minste delvis mettede avløpsstrøm føres til en isomeriseringssone som et isomeriseringstilførselsmateriale, hvorved det ved kontakt med en isomeriseringskatalysator dannes et isomeriseringsavløp. Minst én av de følgende strømmer, tilførselsstrømmen, den kombinerte tilførselsstrøm, isomeriseringstil-førselsmaterialet og avløpet fra isomeriseringssonen, føres gjennom varmevekslingskanalene som kjølefluid.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Fig. 1 er et skjematisk strømningsdiagram for en reaksjonssone, en oppvarmingssone, en varmeveksler og et oppvarmingsarrangement for tilførselsmaterialet i henhold til kjent teknikk. Fig. 2 er et skjematisk strømningsdiagram for en reaksjonssone, en oppvarmingssone og et varmevekslerarrangement i henhold til oppfinnelsen. Fig. 3 er et skjematisk diagram for en varmeveksler med vertikale platekanaler som innlemmer et arrangement ifølge oppfinnelsen. Fig. 4 viser en seksjon av den skjematiske varmevekslerreaktor som er vist på fig. 3, etter et snitt 4-4. Fig. 5 viser et snitt gjennom varmevekslerreaktoren som er vist skjematisk på fig 3, etter et snitt 5-5. Fig. 6 viser et horisontalt snitt gjennom varmevekslerreaktoren som er vist skjematisk på fig. 3, etter et snitt 6-6. Fig. 7 er en skjematisk tegning av et flatt plateelement med et korrugeringsmønster. Fig. 8 er et isometrisk riss av korrugerte plater som danner strømningskanaler. Figurer 9 og 10 er skjematiske diagrammer som illustrerer et alternerende strømningsarrangement for reaksjons- og oppvarmingskanaler i henhold til oppfinnelsen. Figurer 11 og 12 er diagrammer som viser plasseringen av oppvarmings- og reaksjonssoner i kanalene.

NÆRMERE REDEGJØRELSE FOR OPPFINNELSEN

På figurer 1 og 2 sammenlignes den kjente teknikk med den foreliggende oppfinnelse. På fig. 1, som representerer kjent teknikk, føres en prosesstrøm inn i prosessarrangementet via rørledning 10 og gjennom en varmeveksler 12, hvor det gjenvinnes varme fra en reaksjonssoneavløpsstrøm 14. Partielt oppvarmet tilførsels-materiale fra varmeveksler 12 føres til en oppvarmer 16 for tilførselsmaterialet via en rør-ledning 18. En rørledning 17 tilfører brensel til oppvarmeren 16 for tilførselsmaterialet. En rørledning 20 fører den oppvarmede tilførselsstrøm i kontakt med en katalysator i en reaksjonssone 22, hvor det finner sted en endoterm reaksjon som gir en avløpsstrøm 14, som tas ut av prosessen på nedstrømssiden av varmeveksleren 12 gjennom en rørledning 24.1 reaksjonssonen 22 skjer det varmeveksling gjennom en varmeoverføringsplate 26 med en oppvarmingssone 28. Rørledning 30 fører et varmemedium inn i oppvarmingssonen 28. Etter varmeveksling i sone 28 tas det kjølte varmemedium ut via rørledning 32. 1 en foretrukken utførelse av oppfinnelsen omfatter varmemediet en brenselstrøm som skal forbrennes i oppvarmingssonen 28. Gjennom rørledning 34 resirkuleres en del av varmemediet til oppvarmingssonens innløp via en rørledning 34. Friskt brensel føres inn i varmemediumsløyfen via en rørledning 36, mens forbrukte brenselkomponenter føres ut via rørledning 8. Varmemediet kan omfatte metan og luft eller et hvilket som helst annet egnet brensel. Oppvarmingssonen 28 kan også inneholde en forbrenningskatalysator.

Det tidligere kjente arrangement som er vist på fig. 1, er på fig. 2 modifisert ved at det er tilføyet en forvarmingssone 40, foruten at oppvarmeren 16 for tilførsels-materialet er eliminert. Også her innføres således tilførselsstrømmen til prosessen via rørledning 10, og den undergår varmeveksling med den utgående avløpsstrøm 14 i varmeveksler 12. Gjennom rørledning 18' føres det partielt oppvarmede tilførselsmateriale inn i en forvarmingsseksjon 40 i reaksjonssone 41. Forvarmingsseksjonen 40 inneholder ikke katalysator og tjener til å varme opp den resterende del av tilførselsmaterialet til den ønskede temperatur for reaksjonen som finner sted i en katalytisk reaksjonsseksjon 42 i reaksjonssonen 41. Etter varmeveksling føres produktstrømmen ut av prosessen gjennom rørledning 24. På oppvarmingssiden føres også her et varmefluid 30 gjennom en oppvarmingssone 28', og dette føres ut av oppvarmingssonen via rørledning 32. Også her kan det via rørledninger 36, 34 og 38 sørges for innføring, resirkulering og uttak når varmefluidet omfatter en brenselstrøm.

Oppvarmingssonen 28' oppvarmer forvarmingsseksjonen 40 og den katalytiske reaksjonsseksjon 42 av reaksjonssonen 41 gjennom en varmevekslerplate 26'. Varmemengden som er nødvendig i forvarmingssonen 40, samt varmefluidets temperatur og varmekapasitet, vil bestemme den relative lengde av forvarmingssonen 40 og størrelsen av overflatearealet som tilveiebringes av en forvarmingsseksjon 43 av plate 26'. Når reaktanter eller produkter fra reaksjonssonen 41 tilveiebringer brensel til oppvarmingssonen, kan brensel avledes fra rørledning 10 eller 14 og føres inn i oppvarmingssonen 28'. Brensel kan også injiseres direkte fra reaksjonssonen 41 og inn i oppvarmingssonen gjennom plate 26'. Et tilstrekkelig trykktap fra reaksjonssonen til oppvarmingssonen kan muliggjøre bruk av en perforert plate og hindre tilbakestrømning av fluid fra oppvarmingssonen til reaksjonssonen. Perforeringer som er avpasset i størrelse til å regulere strømmen, kan dannes gjennom varmeoverføringsplaten i forvarmingsseksjonen 43 eller i den katalytiske reaksjonsseksjon 42 eller i begge.

Den foreliggende oppfinnelse kan være anvendelig for enhver endoterm prosess hvor det benyttes et varmemedium for å forvarme reaktantstrømmen til den ønskede reaksjonstemperatur, og hvor varmemediet anvendes for å opprettholde temperaturen av reaktantstrømmen deretter. Prosesser som er særlig velegnede i forbindelse med oppfinnelsen, er de hvor reaktanten undergår oppvarming ved forbrenning av et brensel. Oppfinnelsen kan være spesielt anvendelig i autoterme prosesser hvor omdannelsen av en reaktant eller av en del av en endotermt omsatt strøm tilveiebringer brensel for en eksoterm reaksjon som tilfører varme til den endoterme reaksjon. Andre krav til denne prosess for at den skal være forlikelig med et platevarme-vekslerarrangement, vil i typiske tilfeller kreve en relativt lav AT mellom de eksoterme og endoterme reaksjonssoner sammen med en relativt lav AT over plateseksjonene. Temperaturdifferanser på 200 °C eller mindre foretrekkes ved utøvelsen av den foreliggende oppfinnelse. Trykkdifferansene vil fortrinnsvis ikke overskride 0,7 MPa.

Mange reaksjoner for fremstilling av hydrokarbonprodukter og kjemiske produkter tilfredsstiller disse krav. Eksempler på autoterme prosesser innbefatter fremstilling av rågass for ammoniakksyntese, fremstilling av urene hydrogenstrømmer og fremstilling av syntesegass for omdannelse til organiske forbindelser.

Dersom man f.eks. tar for seg fremstilling av uren syntesegass, vil en slik prosess vanligvis innbefatte et første trinn for reforming av et hydrokarbontilførsels-materiale med damp for dannelse av en gass inneholdende karbonoksider, hydrogen, metan og uomsatt damp. Ved fremstilling av syntesegass, blir et fluidformig hydrokarbon som f.eks. en naturgass, overført til en varm, reformet gassblanding inneholdende hovedsakelig hydrogen og karbonmonoksid i henhold til reaksjonen (1):

Denne reaksjon er kjent som primær reforming og anvendes i utstrakt grad for fremstilling av syntesegass eller rent hydrogen. Denne endoterme reaksjon utføres ved utøvelsen av den foreliggende oppfinnelse ved at en gassformig blanding av fluidformig hydrokarbon og damp føres gjennom en forvarmingsseksjon av en reaksjonskanal som ikke inneholder katalysator, og deretter gjennom en katalysatorholdig seksjon av reaksjonskanalen. Et egnet katalysatormateriale fyller katalysatorseksjonen av reaksjonskanalene.

Den nødvendige varme tilføres til reaksjonskanalene ved hjelp av en sekundær reformingsreaksjon som oksiderer et fluidformig hydrokarbonbrensel. Det fluidformige hydrokarbonbrensel kan omfatte en sidestrøm fra den fluidformige hydrokar-bontilførselsstrøm eller en del av avløpsstrømmen fra den primære reforming. Oksidasjonsreaksjonen leverer varmen til den primære reformer ved indirekte varmeveksling gjennom varmevekslingsplater. De følgende reaksjoner finner sted i oppvarmingskanalene som inneholder den sekundære reformingssone:

Reaksjoner (2), (3) og (4) er eksoterme reaksjoner som har tendens til å forløpe temmelig hurtig i det sekundære reaksjonsrom. Når den resulterende gassblanding passerer gjennom katalysatorsjiktet i den sekundære reformersone, overføres det gjenværende metan ved omsetning med damp i henhold til reaksjon (1) ovenfor og ved omsetning med oksygen i henhold til reaksjon (2) ovenfor, slik at meget lite metan blir tilbake i produktgassen fra prosessen. Den sterkt endoterme reaksjon (1) er en relativt langsom reaksjon som finner sted når gassene passerer gjennom katalysatorsjiktet i den sekundære reformingssone, og som dermed kjøler gassene fra de høye temperaturer som nås som følge av reaksjoner (2), (3) og (4) som finner sted henimot tilførselsenden av den sekundære reaksjonssone. Ved utøvelsen av oppfinnelsen vil mengdeforholdene mellom oksygen og det fluidformige hydrokarbontilførselsmateriale som innføres i de integrerte, primære og sekundære reformere, opprettholde en hovedsakelig, eller fullstendig, autoterm prosess som praktisk talt ikke vil kreve noen tilførsel av brensel utenfra. Et fordelaktig trekk ved oppfinnelsen er den fleksibilitet det gir å kunne forbiføre en andel av hydrokarbontilførselsstrømmen direkte til det sekundære reformingsreaksjonsrom ved tilførselsenden av den sekundære reformingssone.

Typiske driftstemperaturer for fremstilling av en uren syntesegass vil være temperaturer i området 420-950 °C. De spesifikke driftstrykk som benyttes, blir først og fremst bestemt av kravene til trykk i de påfølgende prosessoperasjoner i hvilke den reformede gassblanding skal anvendes. Et hvilket som helst overatmosfærisk trykk kan anvendes ved utførelsen av de fleste reformingsoperasjoner og vil være egnede for de fleste anvendelser av apparaturen og fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Driftstrykkene som anvendes ved fremgangsmåten, vil vanligvis ligge i et område fra 2 til 10 MPa. For fremstilling av syntesegass for ammoniakkproduksjon reagerer avløpet fra det primære reformingstrinn katalytisk med en oksygen- og nitrogenholdig blanding, i typiske tilfeller luft, for omdannelse av ytterligere mengder metan og for innføring av nitrogen i produktstrømmen. Etter skiftreaksjonen og C02-fjerningen vil den urene ammoniakk-syntesegass ha et ønskelig mengdeforhold mellom hydrogen og nitrogen på ca. 2,5-3,0.

Reaktantstrømmen kommer i kontakt med en katalysator i hver av reaksjonskanalene. Partikkelformige katalysatorer benyttet ved dampreforming er velkjente. Den sekundære reformingssone inneholder vanligvis et sjikt av et lignende katalysatormateriale. Som et alternativ til en partikkelformig katalysator kan katalysatoren også være påført som et belegg på overflaten av platene i de forskjellige reformingssoner. Det kan være særlig fordelaktig å påføre et belegg av den primære reformingskatalysator på platene for å danne en øvre katalytisk seksjon og en nedre seksjon uten katalysator som holdes i en varmevekslingsrelasjon til en katalytisk sekundær reformingsseksjon gjennom de kanalavgrensende plater.

Fig. 3 viser et alternativt strømningsarrangement ifølge oppfinnelsen, hvor en tilførselsstrøm av syntesegass omfattende naturgass og damp med et mengdeforhold

mellom damp og metan på fra 1,5 til 4 innføres i prosessen via rørledning 11 og undergår varmeveksling i en konvensjonell varmeveksler 13 med en syntesegass-produktstrøm som føres gjennom en rørledning 15. Den forvarmede tilførselsstrøm føres via rørledning 17 til et fordelingsrør 19. Fordelingsrøret 19 tilfører det oppvarmede tilførselsmateriale til fordelingsrom 21 i en varmevekslerreaktor 23. Som nærmere vist på fig. 4, fordeler fordelingsrommet 21 den oppvarmede syntesegass til flere primærreformings-reaksjonskanaler 29 avgrenset av plater 44. Reaksjonskanalene inneholder en reformingskatalysator i øvre partier 29' og en katalysatorfri forvarmingssone i nedre partier 29". Midtpartiene 21' av reaksjonskanalene 29 er åpne for gasstrømning, men de har et dertil egnet siktmateriale anordnet på tvers for å hindre katalysator i å falle ned fra de øvre kanalpartier 29'. De oppvarmede reformingsreaktanter føres gjennom kanalene 29. Et oppsamlingsrom 25 samler opp avløpet fra primærreformingssonen via de åpne øvre ender 27' av kanaler 29. Som vist på fig. 3, oppsamler et oppsamlingsrør 31 primær-reformingsavløpet fra oppsamlingsrommene 25 og overfører avløpet, med fratrekk for eventuelle mengder som tas ut via rørledning 15', gjennom en rørledning 33 til den sekundære reformingssone. Rørledningen 15' forbipasserer avløpet fra den primære reformingssone og føres direkte til produktet i rørledning 15.

Gjennom rørledning 33 føres primæravløpet til fordelingsrøret 35, som fordeler de varme gasser til fordelingsrom 47. En del av naturgasstilførselen kan ledes forbi reaksjonskanalene 29 via rørledning 33' og føres direkte inn i den sekundære reformingssone. Rørledning 34' tilfører oksygen eller luft for forbrenning og kan også tilføre ytterligere mengder brensel til den sekundære reaksjonssone etter behov. En viss innledende omsetning av avløpet fra den primære reforming kan finne sted i fordelings-røret 35 og fordelingsrommet 47. Sammenføringen av O2 med tilførselsstrømmen eller med avløpet fra primærreaktoren må foretas på en slik måte at det unngås tilstedeværelse av oksygen og andre brennbare materialer i generelle eller mer lokalt pregede mengdeforhold som vil falle innenfor potensielle eksplosjons farlige områder. Foranstaltninger som bør treffes, kan innbefatte bruk av blandeinnretninger og spesialutformede fordelere for å opprettholde sikre mengdeforhold i blandingene. Egnede fordelerutforminger kan innbefatte bruk av fyllmaterialer eller annet volumfortrengende materiale for å redusere til et minimum volumet av oksygen og brenselblandinger på oppstrømssiden av den sekundære reformingsreaksjon.

Som videre vist på fig. 5, som viser snittet 5-5 på fig. 3, fordeler fordelingsrommene 47 den varme gass til oppvarmingskanalenes 49 innløp 37.1 motsetning til fordelingsrommet 21 har fordelingsrommet 47 reaksjonskanaler 29 som er avstengt i bunnen for å hindre strømning av gass og katalysator, for derved å hindre inn-strømning av avløp fra den sekundære reforming. Den prinsipale, sekundære reformingsreaksjon vil finne sted i kontakt med katalysatoren som inneholdes i oppvarmingskanalene. Ved kontakt med en egnet sekundærreformingskatalysator i oppvarmingskanalene produseres varme direkte for indirekte oppvarming av reaktantene i den primære reformingssone som befinner seg inne i reaksjonskanalene. Når de varme gasser strømmer oppad gjennom oppvarmingskanaler 49, vil det store overflateareal av platene 44 som avgrenser reaksjons- og oppvarmingskanalene, effektivt overføre varme til reaksjonskanalene 29.

Oppsamlingsrom 45 samler opp den kjølte sekundærreformingsgass fra de åpne utløp 46 av oppvarmingskanaler 49. Som vist på fig. 3, mottar et oppsamlingsrør 48 det oppsamlede sekundærreformingsavløp og overfører det til produktrørledning 15 for gjenvinning på nedstrømssiden i varmeveksler 13 via rørledning 50.

Arrangementet med oppsamlingsrom 25 og 45 for selektiv oppsamling av primærreformingsavløpet og sekundærreformingsavløpet fremgår tydeligere av fig. 6. Som vist på fig. 6, holder de partier av reaksjonskanalene 29 som sammentreffer med oppsamlingsrom 25, utløpene 27' åpne for fri kommunisering med disse. Omvendt har de partier av oppvarmingskanalene 49 som sammentreffer med oppsamlingsrom 25, en lukkedel 28' som hindrer fluidkommunisering med oppsamlingsrom 25. Oppsamlingsrom 45 har det motsatte forhold til kanaler 29 og 45, hvor sammentreffende partier av kanaler 49 kommuniserer åpent via utløp 46, mens sammentreffende partier av kanaler 29 er blokkert for kommunisering med oppsamlingsrom 45 av lukkedeler 47. Fordelingsrom 21 og 47 har et tilsvarende arrangement for opprettelse og hindring av fluidkommunisering med de ønskede kanaler. Fig. 6 viser også skilleveggene 51 som innvendig skiller oppsamlingsrommene 24 fra oppsamlingsrommene 45.

Egnede plater for bruk i henhold til oppfinnelsen vil omfatte hvilke som helst plater som tillater en høy varmeoverføringshastighet. Tynne plater foretrekkes og har vanligvis en tykkelse på fra 1 til 2 mm. Platene er vanligvis fremstilt av jernlegeringer, f.eks. rustfritt stål, og legeringer som ikke inneholder jern. Foretrukne legeringer forbruk i platene vil tåle ekstreme temperaturer og inneholde høye andeler nikkel og krom. Platene kan gis kurveform eller andre konfigurasjoner, men flate plater blir vanligvis foretrukket for anordning i pakker. Platene kan være flate med spor dannet i disse for å tilveiebringe kanaler. Hver plate kan også være glatt, og tilleggselementer som f.eks. avstandsstykker bestående av utpressede topper, kan frembringe fluidturbulens i kanalene. Fortrinnsvis har hver plate korrugeringer som er skråstilt i forhold til strømningen av reaktanter og varmevekslingsfluid.

Fig. 7 viser det foretrukne korrugeringsarrangement, hvor platene 44 som inndeler den sentrale del av varmevekslerreaktoren 23 i oppvarmingskanaler og reaksjonskanaler, utgjøres av plater 49' med et korrugeringsarrangement som vist på fig. 7. Korrugeringsmønsteret kan tjene minst to funksjoner. I tillegg til å understøtte tilgrensende plater strukturelt fremmer korrugeringene turbulens for å forbedre virkningsgraden ved varmevekslingen i den trange reaksjonskanal. Fig. 7 viser korrugeringer som utgjøres av rygger 52 og forsenkninger 54. Frekvensen, eller stignings vinkelen, av korrugeringene kan varieres etter ønske for å fremme enhver ønsket variasjon i graden av turbulens. Derfor vil mer lavvinklede korrugeringer som vist ved rygger 52 og forsenkninger 54, gi mindre turbulens, mens mer høyvinklede korrugeringer, som vist ved rygger 56 og forsenkninger 58, kan gi økt turbulens der hvor dette ønskes. Korrugeringenes vinkel og frekvensen kan også varieres over en enkelt varmevekslingskanal for å variere varmeoverføringsfaktoren i ulike deler av kanalen. Kanalene kan inneholde et flatt parti 60 rundt deres periferi for å lette lukkingen av kanalene langs sidekantene og toppkantene når dette ønskes. Fig. 8 viser et typisk tverrsnitt av et arrangement av korrugerte plater, hvor korrugeringene av plater 62 strekker seg i den motsatte retning av korrugeringene i plater 64, hvorved det avgrenses alternerende reaksjonskanaler 66 og oppvarmingskanaler 68. Fig. 8 illustrerer det foretrukne arrangement av korrugerte plater hvor sildebensmønsteret på overflatene av motstående korrugerte plater strekker seg i motsatte retninger, og de motstående plateflater kommer i kontakt med hverandre, hvorved de danner strømnings-kanalene og gir strukturell støtte til plateseksj onene.

Generelt er oppfinnelsen basert på relativt trange kanaler for å tilveiebringe en effektiv varmeveksling gjennom platene. Korrugeringene sørger for en variert kanalbredde bestemt av korrugeringenes høyde. Vanligvis er kanalbredden mindre enn 25,4 mm i gjennomsnitt, og det foretrekkes en midlere bredde som er mindre enn 12,7 mm. I det tilfelle hvor det benyttes korrugeringer, blir den midlere kanalbredde mest praktisk definert som kanalenes volum pr. tverrsnittsareal som er parallelt med platenes primærplan. Med denne definisjon vil korrugeringer med hovedsakelig rette, hellende sidekanter ha en midlere bredde som svarer til halvparten av kanalenes største bredde.

Reaksjonssonene for fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan bringe reaktantene i indirekte kontakt med varmevekslingsfluidet i en hvilken som helst relativ retning. Således kan strømningskanalene og reaksjonssonenes innløp og utløp utformes for medstrøm, motstrøm eller tverrsgående strømning av reaktantfluid i forhold til varmevekslingsfluidet.

Det er heller ikke nødvendig for utøvelsen av den foreliggende oppfinnelse at hver reaksjonskanal alternerer med en oppvarmingskanal. I mulige konfigurasjoner av reaksjonsseksjonen kan to eller flere oppvarmingskanaler anbringes mellom hver reaksjonskanal for å redusere trykktapet på varmevekslingsmediets side. Når den anvendes for dette formål, kan en plate som skiller nabo-oppvarmingskanaler, inneholde perforeringer.

Andre kanaler som bestemmes og avgrenses av platene, kan sørge for en rekke forskjellige tilleggsfunksjoner. I tillegg til kanaler for oppvarming av tilførsels-materialet i forvarmings- og katalysatorseksjonene, kan andre kanalfunksjoner innbefatte kjøling av avløpet fra reaksjonssonen og ytterligere forvarming av tilførselsmaterialet mot andre avløpsstrømmer. Et reaktorarrangement 69 med flerfunksjonskanaler er vist på figurer 9 og 10. Fig. 9 viser ett slikt kanalarrangement med funksjonene av de forskjellige kanaler kodet i den skjematiske fremstilling. Bokstavene "FP" betegner en kanal for forvarming av tilførselsmateriale. Bokstavene "SR" angir en sekundærreaksjon for opp-varmingsformål, og bokstavene "PR" står for en primærreaksjon.

Som vist på fig. 9, krever fluidstrømning gjennom kanalene på den ønskede måte to forskjellige arrangementer av oppsamlings- og fordelingsrom. Fluidstrømningen gjennom fordelings- og oppsamlingsrommene kan reguleres på en måte som er analog med den som er beskrevet og avbildet på figurer 3-6. Med henvisning igjen til fig. 9 føres tilførselsmaterialet til den primære reaksjonssone gjennom kanalene for forvarming 70 av tilførselsmaterialet, hvor indirekte varmeveksling med sekundærreaksjonskanalene 72 øker tilførselsmaterialets temperatur til den som ønskes for den innledende reaksjon i primærreaksjonskanalene 74. Forvarmet tilførselsmateriale fra kanaler 70 strømmer inn i et manifoldrom 76. Manifoldrommet 76 fører det forvarmede tilførselsmateriale inn i primærreaksjonskanalene 74. Det forvarmede tilførselsmateriale strømmer oppad gjennom primærreaksjonskanalene 74 og inn i et annet manifoldrom 78, hvor en andel av produktet forbrennes som brensel. En oksygenholdig gass og eventuelle ytterligere mengder tilførselsmateriale eller brensel for forbrenning kan føres inn i manifoldrommet 78 gjennom en dyse 80.1 manifoldrommet 78 blandes ethvert fluid som innføres via dysen 80 med avløpet fra primærreaksjonssonen, og blandingen fordeles som tilførselsmateriale til sekundærreaksjonskanalene 72. Sekundærreaksjonskanalene 72 inneholder fortrinnsvis en forbrenningsfremmende katalysator over hele kanalenes lengde, hvilken katalysator fremmer den eksoterme sekundærreaksjon. Når blandingen strømmer nedad gjennom sekundærreaksjonskanalene 72, varme den opp kanalene 74 inneholdende primærreaktantene samt også kanalene 70 for forvarming av tilførselsmaterialet.

Fig. 10 viser ytterligere et fordelingsrom 82 og et oppsamlingsrom 84 som utgjør en del av reaktor 69. Skillevegger (ikke vist, men svarende til skillevegger 29 vist på fig. 3) skiller fordelingsrommet 82 og oppsamlingsrommet 84 fra rom 78 og 76. Tilførselsmateriale strømmer inn i reaktoren 69 via en dyse 83. Fordelingsrommet 82 fordeler primærreformingssonen til forvarmingskanaler 70 gjennom åpne innløp 86. Lukkeplater 88 stenger de øvre ender av primærreaksjonskanalene 74 og sekundærreaksjonskanalene 72 der hvor kanalene grenser mot fordelingsrommet 82. Så snart det er fordelt på tilførselskanalene, fortsetter primærreaksjonstilførselsmaterialet å strømme gjennom reaktoren 69 som beskrevet i tilknytning til fig. 9. Sekundærreaksjonsavløpet forlater reaktoren 69 gjennom et oppsamlingsrom 84 som kommuniserer gjennom de åpne bunner 90 av sekundærreaksjonskanaler 72. Utløpene 90 inneholder et hensiktsmessig siktmateriale for å tilbakeholde katalysator i sekundærreaksjonskanalene, mens det tillater fluid å strømme ut av kanalene. Bunnene av primærreaksjonskanalene 74 er lukket med lukkeplater 92 der hvor de munner ut i oppsamlingsrommet 84. Gjennom en sekundær-reaksjonsdyse 94 tas det oppsamlede sekundærreaksjonsavløp ut. En eventuell forbiføring av tilførselsmateriale mellom primærreaksjonssonen og sekundærreaksjonssonen kan oppnås ved hjelp av et eksternt røropplegg som kommuniserer med det ene eller det annet av fordelingsrommet 82, oppsamlingsrommet 84 og manifoldrommet 76.

Ytterligere forvarming samt isolering av de eksoterme reaksjonssoner mot direkte tilstøtning til de endoterme reaksjonssoner oppnås lett ved å variere plasseringen av katalysatorfyllingen i de forskjellige kanaler. Rommet i den ene ende av en kanal kan også anvendes som en forvarmingssone for tilførselsmaterialet for sekundærreaksjonssonen eller som en kjølesone for avløpet. Figurer 9 og 10 viser skjematisk en partiell fylling av katalysator i kanalene ved en katalysatornivålinje 96. Primærreaksjonskanaler 74 kan inneholde katalysator fra under linjen 96 til innløpene av kanalene 74. Når til-førselsmaterialet strømmer nedad gjennom forvarmingskanalene 70 for tilførselsmateriale i et slikt arrangement, vil den sekundære reaksjonssone først varme opp tilførsels-materialet indirekte med reaksjonsseksjonen av sekundærreaksjonskanalene 72. Etter varmevekslingen føres primærreaksjonstilførselsmaterialet inn i primærreaksjonskanalene for å omsettes i disse. Varme som utvikles ved reaksjonen i sekundærreaksjonskanalen 72, varmer opp primærreaksjonssonen i en nedre del av kanal 74, mens tilførsels-materialet strømmer oppad gjennom denne. Avløpet fra primærreaksjonssonen fortsetter å motta varme fra den øvre del av kanalene 72, inntil det strømmer ut av kanalene 74 og inn i toppen av sekundærreaksjonssonekanalene 72 for å bringes i kontakt med katalysatoren som inneholdes i disse.

En rekke andre kombinasjoner av kanalfunksjoner kan kombineres i arrangementer med én gjennomgang eller flere gjennomganger. Bruk av en plate-varmevekslerreaktor gjør det lett å arrangere oppvarmingskanalene og muliggjør mange variasjoner i den ønskede funksjonalitet av så vel enkle som multiple arrangementer.

Eksempelvis kan de øvre og nedre seksjoner av kanaler 74, som er vist som teoretisk atskilt av katalysatorfyllingslinjen 96, lett skilles fra hverandre fysisk i to separate reaksjonssoner. Oppsamlings- og fordelingsmanifolder svarende til dem vist på figurer 3-6 og 9 og 10 kan anvendes for å føre fluidstrømmer internt mellom seksjonene av atskilte kanaler. Enda mer nyttig vil det være å anvende manifoldarrangementer for ekstern kommunisering mellom reaksjonskanaler som inneholdes i én enkelt reaksjons-beholder. Ekstern kommunisering vil lette reguleringen av gasstrømmer til de forskjellige reaksjonssoner og varmevekslingssoner. Ekstern regulering vil også gjøre det mulig å tilveiebringe et bredt utvalg av strømningsbaner mellom de forskjellige kanalarrangementer.

Som en ytterligere illustrasjon viser figurer 11 og 12 en koding for forskjellige arrangementer av kanalfunksjoner på tvers av et antall kanaler avgrenset av plateelementer. Kodene FP, SR og PR er forklart ovenfor. Andre koder som benyttes på figurer 11 og 12, innbefatter "EC", som står for avløpskjøling, og "HP" som refererer seg til en sone som inneholder den varme gasstrøm fra sekundærreaksjonskanalene som varmer opp primærreformingsreaksjonskanalene. Fig. 11 viser tre tilfeller av konfigurasjoner for å forbinde parallelle kanaler med hverandre i et repeterende mønster av funksjoner. Tilfelle 1 på fig. 11 representerer arrangementet av kanaler som er vist på figurer 8-9, hvor en sekundærreaksjonskanal skiller kanalene for forvarming av tilførselsmateriale fra primærreaksjonskanalene, slik at det fås én primærreaksjonskanal for hver gruppe av seks kanaler totalt. Tilfelle 2 representerer et arrangement hvor avløpet fra sekundærreaksjonskanalene kjøles mot det innstrømmende tilførselsmateriale, og hvor det er tilveiebrakt én primærreaksjonskanal for hver gruppe av tre kanaler totalt. Tilfelle 3 er ytterligere et kanalarrangement, hvor det er tilveiebrakt én primærreaksjonskanal og to sekundærreaksjonskanaler for hver gruppe av seks kanaler. Fig. 12 viser ytterligere arrangementer hvor flere reaksjonspakker danner doble kanalenheter som kan knyttes sammen eksternt eller internt på en slik måte at det fås et stort antall forskjellige kanalfunksjoner. Samtlige av konfigurasjonene på fig. 12 er forenklede representasjoner av øvre og nedre to-gjennomgangers varmevekslingsarrange-menter med forskjellige funksjoner beskrevet ved de ovenfor angitte koder og en ytterligere kode "HP" som angir en kanal benyttet for indirekte oppvarming av primærreaksjonssonen.

Tilfelle 1 på fig. 12 viser en to-gjennomgangers varmevekslerseksjon. 1 det nedre kanalsett undergår primærreaksjonstilførselsmaterialet indirekte varmeveksling med platene som har sekundærreformingsreaksjonen på deres motstående sider. De øvre kanalensett omsetter det forvarmede tilførselsmateriale i kanaler som er motstående til primærreaksjonssonen, som inneholder det varme avløp fra sekundærreaksjonssonen, og som varmer opp primærreaksjonssonen. Via en eksternt tilkoblet manifold overføres avløpet fra primærreaksjonssonen til sekundærreformingsreaksjonssonen.

Tilfelle 2 på fig. 12 illustrerer et annet to-pakkekanalarrangement. Den øvre kanalseksjon kjøler produktstrømmen fra sekundærreaksjonssonen ved indirekte varmeveksling på den motstående side av den innstrømmende tilførselsstrøm. Funksjonelt tjener den øvre seksjon hovedsakelig det samme formål som varmeveksleren 13 på fig. 3. Den nedre kanalseksjon gir indirekte oppvarming fra sekundærreaksjonssonen direkte over til primærreaksjonssonen.

Tilfelle 3 på fig. 12 er en annen strømningsskjemavariant, hvor det benyttes manifolder mellom to sett av oppvarmingskanaler for å etablere et varmevekslings-arrangement tilsvarende det som er vist i tilfelle 1 på fig. 12. Tilfelle 3 avviker fra tilfelle 1 ved at strømmer føres i motstrøm, mens det er benyttet medstrøm i tilfelle 1.

Sluttelig viser tilfelle 4 et arrangement hvor to separate sett av oppvarmingskanaler benyttes i tilknytning til en sekundærreaksjonssone. Sekundærreaksjonssonen kan være integrert med kanalene eller kan være anordnet eksternt i forhold til kanalenhetene. Sekundærreaksjonssonen kan også tjene som en forbindende manifold for kommuniser-ende kanaler. 1 dette arrangement innføres tilførselsmaterialet i forvarmingssonen for dette under indirekte varmeveksling mot avløpet fra sekundærreaksjonssonen. Tilførselsmaterialet føres så fra forvarmingssonen til primærreaksjonssonen. Varme gasser fra sekundærreaksjonen varmer opp primærreaksjonssonen ved indirekte varmeveksling. Avløpet fra primærreaksjonssonen føres inn i sekundærreaksjonssonen, som kan være anordnet som kanaler eller som et stasjonært sjikt av sekundær-reaksjonskatalysator. Avløpet fra sekundærreaksjonssonen tilfører varme gasser som oppvarmer primærreaksjonssonen, hvilket avløp deretter undergår ytterligere indirekte kjøling med innstrømmende primærreaksjonstilførselsmateriale.

Ytterligere forbedring av temperaturreguleringen kan oppnås ved injeksjon, på mellomliggende steder, av oksidasjonsfluidet eller ytterligere mengder brensel. Drift med de primære reaktanter i motstrøm eller medstrøm gjør sidene av kanalene tilgjengelige for tverrstrømsinjeksjon av oksidasjonsfluid eller tilførselsmateriale på mellomliggende steder. Et tverrstrømsmønster gir ytterligere regulering av genereringen av varme på spesifikke steder, hvilket muliggjør tilpasning av temperaturprofilen i sekundærreaksjonssonen. Når sekundærreaksjonssonen utveksler varme direkte mot primærreaksjonssonen, kan injeksjon på mellomliggende steder også benyttes for å innvirke på temperaturprofilen i primærreaksjonssonen.

Eksempel

Virkningen av å bruke fremgangsmåten og kanalarrangementene ifølge den foreliggende oppfinnelse for å opprettholde isoterme betingelser ble undersøkt i en hydrokarbonomdannelsesprosess for dehydrogenering av paraffiner. En simulering basert på den foreliggende oppfinnelses evne til å opprettholde isoterme betingelser ble utarbeidet på basis av en tilførselsstrøm av sammensetning som gitt i tabell 1. De isoterme betingelser som oppnås med oppfinnelsen, ble simulert i en dehydrogeneringsprosess hvor det ble benyttet en kanalkonifgurasjon som skjematisk vist på fig. 2, hvor metan ble forbrent separat for å tilveiebringe varmetilførselen til prosessen.

Ved denne simulerte prosess føres en tilførselsstrøm av sammensetningen som angitt i tabell 1 via rørledning 10 og inn i en varmeveksler 12 som øker tilførselsstrømmens temperatur fra ca. 370 °C til 390 °C. Samtidig blir avløpet fra dehydrogeneringssonen, som har den relative sammensetning som er gitt for strøm 14, tatt ut fra varmeveksleren 12 via rørledning 24.

Gjennom rørledning 18' føres den partielt oppvarmede tilførselsstrøm til forvarmingssone 40, som tilføres varme fra oppvarmingssone 28'. Ved indirekte varmeveksling over en rekke varmeoverføringsplater økes tilførselsmaterialets temperatur til ca. 480 °C, idet det strømmer ut av forvarmingssonen 40. Simuleringen av forvarmingspartiet og katalysatorsonenpartiet er basert på en platevarmevekslerpakke med 250 katalysatorlag, en lengde av forvarmingssonene på ca. 1,1 m og en lengde av katalysatorsonen på ca. 0,37 m. Platene avgrenser reaksjonskanalene, som alternerer mellom oppvarmingskanalene og har en tykkelse på ca. 1,2 mm, korrugeringer med en dybde på ca. 10 mm og en bredde på ca. 5 500 mm. Platene anbringes nær hverandre i et alternerende mønster av korrugeringer, slik at toppene av korrugeringene er i kontakt med hverandre. Reaksjonskanalene og varmevekslingskanalene drives ved et midlere trykk på ca. 138 kPa.

Den oppvarmede tilførselsstrøm undergår dehydrogenering under dannelse av produktstrømmen med den sammensetning som ovenfor er angitt for rørledning 14. Fortsatt indirekte oppvarming ved hjelp av oppvarmingssonen 28' opprettholder temperaturen av produktstrømmen fra katalysatorsonen 42 på et nivå svarende til en utiøps-temperatur på 474 °C. Seksjonen for katalytisk reaksjon inneholder en typisk dehydrogeneringskatalysator omfattende platina på en aluminiumoksidbærer.

Rørledning 30 avgir en blanding av metan, oksygen og karbonoksider til oppvarmingssonen 28' som tilførsel for å tilveiebringe den nødvendige varmemengde for oppvarming av forvarmingssonen og katalysatorsonen ved indirekte varmeveksling. Omtrent 74 000 kmol/h av den sirkulerende oppvarmingsblanding tas ut fra utløps-rørledning 32 via rørledning 38, mens den gjenværende del av oppvarmingsblandingen, sammen med 7 000 kmol/h metan og en luftstrøm, som tilfører 14 000 kmol/h oksygen, returneres til innløpsrørledning 30.

Claims

1. Fremgangsmåte for å bringe reaktanter i kontakt med en katalysator i en reaksjonssone (40) og å varme opp reaktantene ved indirekte oppvarming ved kontakt med et varmemedium, karakterisert ved at: a) en reaktantstrøm føres gjennom flere trange reaksjonskanaler (29) definert ved rom mellom hovedplater (44), og reaktantstrømmen varmes opp i fravær av katalysator i et første parti (29") av de trange reaksjonskanaler, b) et varmemedium føres gjennom flere trange oppvarmingskanaler (49) avgrenset av hovedplatene (44), og reaktantstrømmen oppvarmes ved indirekte oppvarming, i det første parti av reaksjonskanalene, gjennom platene med varmemediet i et forvarmingsparti av oppvarmingskanalene, hvorved det fas en oppvarmet reaktantstrøm i reaksjonskanalene, c) den oppvarmede reaktantstrøm føres gjennom et andre parti (29') av reaksjonskanalene (29), og den oppvarmede reaktantstrøm bringes i kontakt med en katalysator i det andre parti av reaksjonskanalene, hvorved det fås en omsatt strøm, og d) det andre parti av reaksjonskanalene oppvarmes ved indirekte oppvarming med varmemedium, mens dette passerer gjennom et primæroppvarmingsparti av oppvarmingskanalene (49).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor oppvarmingskanalene inneholder en oksidasj onskataly sator.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor hovedplatene avgrenser alternerende reaksjonskanaler og oppvarmingskanaler.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, hvor varmemediet omfatter metan og oksygen, og at forbrenningen av metan tilveiebringer i det minste en del av varmemengden som tilføres reaksjonskanalene,

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, hvor de første og andre partier av reaksjonskanalene og forvarmingspartiet og oppvarmingspartiet av oppvarmingskanalene er sammenhengende.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, hvor platene har korrugeringer, og at korrugeringene opprettholder avstanden mellom platene.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, hvor katalysatoren i reaksjonskanalene omfatter et partikkelformig materiale som inneholdes i kanalene.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, hvor reaksjonskanalene har en midlere bredde som er mindre enn 25,4 mm.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, hvor oppvarmingen av reaktantene foretas ved kontakt med forbrenningsgasser dannet i en varmeproduserende sone.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, hvor en forbrenningskatalysator omfattende et partikkelformig materiale inneholdes i oppvarmingskanalene.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor de trange oppvarmingskanaler (49) inneholder et katalysatormateriale for å fremme en eksoterm reaksjon, og at katalysatoren i det andre parti (29') av reaksjonskanalene (29) har som funksjon å fremme en endoterm reaksjon.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor den ytterligere omfatter: oppsamling av den omsatte strøm i et manifoldrom (78) som kommuniserer direkte med utløp avgrenset av platene som avgrenser det andre parti (74) av reaksjonskanalene, og injisering av et intermediært fluid direkte inn i manifoldrommet (78) og blanding av dette med i det minste en del av den omsatte strøm for å danne en blandet strøm.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, hvor den blandede strøm fra manifoldrommet (78) føres direkte til innløp til de flere trange oppvarmingskanaler (72) som avgrenses av plater som kommuniserer direkte med manifoldrommet (78).

14. Apparatur for å bringe reaktanter i kontakt med en katalysator i en reaksjonssone, mens reaktantene oppvarmes ved indirekte oppvarming ved kontakt med forbrenningsgasser dannet i en varmeproduserende sone, karakterisert ved: flere alternerende reaksjonskanaler (29) og oppvarmingskanaler (49) som avgrenses av flere hovedplater (44), slik at de har et reaktantinnløp i den ene ende av reaksjonskanalene, et reaktantutløp i en motsatt ende av reaksjonskanalene, et innløp for varmefluid i den ene ende av oppvarmingskanalene og et utløp for varmefluidet i den motsatte ende av oppvarmingskanalene, innretninger for å utelukke en fast katalysator fra et forvarmingsparti av reaksjonskanalene, anordnet på nedstrømssiden av reaktantinnløpet og inneholdende en fast katalysator i et katalysatorparti av reaksjonskanalene anordnet på nedstrømssiden av forvarmingspartiet, innretninger for avlevering av en reaktantstrøm til reaktantinnløpet og for uttak av en omsatt strøm fra reaktantutløpet, og innretninger for avlevering av et varmefluid til innløpet for varmefluid og for uttak av varmefluidet fra uttaket for varmefluid.

15. Apparatur ifølge krav 14, hvor oppvarmingskanalene avgrenser en forbrenningssone, og at oppvarmingskanalene inneholder en forbrenningsfremmende katalysator.

16. Apparatur ifølge krav 15, hvor den forbrenningsfremmende katalysator omfatter en oksidasjonskatalysator, og at en oksygenrørledning leverer oksygen til oppvarmingskanalene.