催化反应器的制作方法

专利名称：催化反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有一个或更多个反应区的催化反应器，所迷反 应区中包含催化剂以使供给流进行催化反应并且由此产生产物流，其 中每一个反应区由呈同轴布置的多根螺旋形反应管形成，从而形成紧 凑型盘管状结构。特别是，本发明涉及这样一种催化反应器，其中催 化反应中包括甲烷蒸汽重整反应，接下来是水煤气变换反应，从而产 生富氢的合成气体产物流.背景技术对于在多种工业和商业环境中所使用的紧凑型化学反应器存在多 种需求。例如，对经济性地生产少量的氢以用于潜在可能的氢燃料电 池体系的需求快速增大。为此，所希望的是采用已公知的催化反应例如甲烷蒸汽重整反应，接下来进行水煤气变换反应从而生产氢，且 所述反应器在物理尺寸方面尽可能地小。反应器为紧凑型的这一要求 对于允许将所述反应器设置在通常非常需要空间的现有汽车加油站处 而言是十分必要的。在现有技术中，已提出了多种紧凑型的催化反应器设计。例如， 美国专利4， 737， 161中披露了一种紧凑型氢气发生器，其中用作反 应区的螺旋管位于具有轴向燃烧器的外壳内。在美国专利3， 357， 916 中披露了另一种类似的装置。在该专利中披露了一种化学反应器。在 一个实施例中，反应器壳体或外壳包含一定长度的螺旋形管路以用作 反应区。该螺旋管具有埋置在其内表面上用以促进化学反应的催化剂。
烃供给可通过螺旋管从而在存在埋置催化剂的条件下发生裂化。部分 发生裂化的烃供给可在反应器壳体内进行燃烧，从而生成热量而支持 吸热的裂化反应。
其它 一些紧凑型反应器利用 一 系列同心壳体，其中使用盘管进行热交换。例如，在美国专利6， 254， 839中，设置一种具有部分氧化 区的重整装置容器，所述部分氧化区位于蒸汽重整区下面并且包含蒸 汽重整催化剂。所述两个区居中地且轴向地位于重整装置容器内。该 部分氧化区和催化反应区被螺旋管环绕，且含氧源流或另 一种可选方 式是，燃料和蒸汽可被引入到螺旋管中以进行预热。环绕螺旋管的是 包含变换催化剂的变换区域，可为螺旋形管路的冷却区位于所述变换度
如上面所述的反应器设计提供了一种用于使供给原料进行催化反 应的紧凑型布置。然而，虽然允许制造出紧凑型反应器，但是该盘管 设计同时在反应器内进行的装置运行或操作方面自身具有一定的设计 局限性。在这点上，所述管的长度限制了在所述反应器内所发生的反 应量。当管长度增加时，所述管内的压力降也增大，且因此，必须在 供给端处消耗掉能量从而克服这种不可逆的损耗。另外，当螺线更长 以适应更长的管路时，由于提供传热和/或热绝缘的长度更长，因此即 便是传热和热绝缘也可能出现问题。
如将要进行讨论的，本发明提供了一种紧凑型反应器，所述紧凑 型反应器采用螺旋管状构型用于进行反应，且优选地还用于进行传热， 而所述紧凑型反应器在其压降和热交换特征方面优于上面所讨论的现 有技术。

发明内容
本发明提供一种用于使供给流进行催化反应且由此产生产物流的 催化反应器。所述催化反应器设有外壳和位于所述外壳内的至少 一个 反应区。所述至少一个反应区中包括一组反应管，从而为由所述供给 流形成的分支供给流进行流动提供平行的流动路径.所述反应管中包 含促进所述分支供给流内的化学反应由此产生分支产物流的催化剂。 所述反应管具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴布置进行定位以
形成盘管状结构。至少一个反应供给进口被设置与所述至少一个反应 区相连通，从而将所述供给流引入第一反应区.同时，至少一个产物 出口被设置与所述至少一个反应区相连通，从而排出所迷产物流。所 述至少 一个产物出口被构造用以接收所述分支产物流并且由此排出所 述产物流。
由于所述盘管状结构由一组管而不是由单根管构成，因此可以制 造出压力降低于现有技术设计的紧凑型反应器，而在现有技术设计中 使用了具有等于通过在本发明中所使用的一组管所提供的总长的长度 的单根螺旋管。此外，由于本发明的反应器比具有单根盘管的等效反 应器更加紧凑，因此与紧凑型现有技术设计相比，本发明中需要进行 传热和/或热绝缘的长度更短。
所述供给流可以是含有烃和蒸汽的供给流，并且所述至少一个反 应区可以是具有反应管的笫 一反应区和第二反应区，所述反应管被设 定尺寸和被定位，以使得第一和第二盘管状结构分别由第一反应区和 第二反应区中的反应管形成。在这种情况下，重整催化剂被设置在第 一反应区中的反应管内以对所述含有烃和蒸汽的供给流进行重整，由 此形成包含氢和一氧化碳的分支中间产物流。水煤气变换反应催化剂 被设置在第二反应区中的反应管内以增大产物流中的氢含量使其超过 所迷分支中间产物流中的氢含量。 一组换热管在第一反应区和第二反 应区中的反应管之间形成连通，从而通过与冷却流体进行的间接热交 换冷却所迷分支中间产物流，由此促使第二反应区内的温度有利于通 过进行水煤气变换反应生成氢。所述换热管具有螺旋形构造并且至少 大体上按照同轴布置进行定位以形成笫三盘管状结构。所述第一盘管 状结构、第二盘管状结构和第三盘管状结构呈同轴关系被定位在所述外壳内。
通过提供以包含同轴环形室的圆筒形式存在的外壳以包含这些结 构，所述笫一盘管状结构、笫二盘管状结构和笫三盘管状结构的同轴 布置可被设定在一个特别紧凑的结构中，所述第一反应区位于所述环 形室中的一个中且所述换热管组和所述第二反应区位于环绕着所述环 形室中的一个的另一个环形室中。在这种情况下，所述第三盘管状结 构环绕所述第二盘管状结构，可设置热绝缘材料用以将所述环形室中 的一个与所述环形室中的另一个热绝缘开。加热器将热量供应至第一反应区从而驱动对所迷供给流进行重整。所述环形室是同轴的并且优选包括第一环形室和第二环形室。所 述加热器由向第一环形室中进行点火的燃烧器形成并且所述第一反应 区位于所述第一环形室内。所述换热管组和所述第二反应区位于第二 环形室中。所述第一环形室和笫二环形室流动连通，从而使得作为换 热流体的空气气流被预热且能够从所述第二环形室流至所述第一环形 室，从而支持燃烧器中的燃烧。所述外壳设有用于排放燃烧产物的排 气口，可以设置用于接收烃供给的烃供给进口，可设置由多组位于外管内的成对的内管形成的管式换热器中的管。内管与外管之间的环形空 间与第二组反应管相连，从而相对于加热流过内管的烃供给而言冷却分支产物流。所述成对的内管和外管具有螺旋形构造并且至少大体上 按照同轴布置进行定位，从而形成第四盘管状结构。所述第四盘管状 结构位于第二环形室中，由第一组换热管形成的第三盘管状结构与由 第二反应区中的反应管形成的第二盘管状结构之间。管式换热器中的所述管可沿其部分长度并且朝向第二反应区中的 反应管与外管的连接部进行绝缘，从而增强了对所述烃供给的加热。设置至少一个用于接收锅炉给水的给水进口。设置第三环形室。 该室被笫一环形室所环绕并且与第一环形室形成流动连通，以便接收 由燃烧器产生的燃烧产物。蒸汽发生器与至少一个给水进口相连并且 由一组具有螺旋形构造的锅炉给水管形成。所述锅炉给水管至少大体 上按照同轴布置进行定位，从而形成位于第三环形室内的第五盘管状 结构用于接收锅炉给水，且由此通过与燃烧产物进行间接热交换而产 生蒸汽。管式换热器中的管的内管和锅炉给水管与所述至少一个反应 供给进口相连通，从而同时将蒸汽和烃供给引至该处且由此形成包含 烃和蒸汽的供给输送至至笫一反应区。优选地，所述锅炉给水管设有内部嵌套排放物管，所述内部嵌套 排放物管位于所述锅炉给水管内并且沿所述锅炉给水管的部分长度进 行延伸，从而允许液体连同溶解的污染物一起排出，由此防止污染物 发生固化且阻塞流动。可设置中心轴向室.该室被第三环形室所环绕。所述中心轴向室 一端与第三环形室流动连通，用于接收已通过蒸汽发生器的第五盘管
状结构之后的燃烧产物，且所迷中心轴向室另一端敞开，用于形成用 于排放燃烧产物的所迷外壳的排气口.在一个优选实施例中，可以使 用多组换热管，同样地，上述换热管组可以是第一组换热管。在该实 施例中，具有螺旋形构造的第二组换热管至少大体上按照同轴布置进 行定位，从而形成位于中心轴向室内的第六盘管状结构。第二组换热 管与燃烧器相连从而对输送至燃烧器的燃料进行预热，优选地，硫处理罐可被设置在中心轴向热绝缘室内，从而降低烃 供给中的硫含量。如将要讨论地，所述硫处理罐可以是具有加氢催化 剂和化学吸附剂的多层系统，所述疏处理罐可被定位以便被第二组换 热管所环绕且与第二组换热管热绝缘开。所述硫处理罐被插置在至少 一个反应供给进口与管式换热器中的管的内管之间，从而使得通过将 硫转化为硫化氢，所述硫化氢在被引入到第一反应区中之前进而被转 化成硫化锌和水，从而对烃供给进行处理。所述外壳可设有约束第一、第二和第三环形室的相对端部的第一 和笫二集管室。所述第一集管室具有空气流进口和内部受到所述中心 轴向室约束的环形构造。所述第一集管室与所述第二环形室流动连通， 从而将空气流引入到其中。所述第 一 环形室与第二环形室之间的流动 连通由第二集管室提供。一组圆柱形空气感应挡板可位于第二环形室内，从而形成被构造 用以引导空气流动从而使得引入的空气被分成第 一和第二分支空气流 的次室。所迷笫一分支空气流在第一組换热管上面流过，而所述第二 分支空气流在管式换热器中的管上面流过。在已经在管式换热器中的 管上面流过之后，所述第二分支空气流反转方向，在第二组反应管上 面流过，然后进一步反转方向与所述第一分支空气流一起通过第二集 管室进入第一环形室。所述第一环形室在与燃烧器相对的一端可设有第一组开口，用于 将燃烧产物排放至所迷第三环形室。所述第三环形室可设有与所述第 一组开口相对的第二组开口 ，用以将燃烧产物排放至所述中心轴向室 用于对所述第二组换热管进行间接加热且使得燃烧产物在所述中心轴 向室中的流动与在所述第三环形室内的流动方向相反。可设置冷却器以冷却合成气体产物流。所述冷却器包括具有螺旋 形构造的第三組换热管，所述第三组换热管至少大体上按照同轴布置
进行定位，从而形成环绕第二环形室且被连接到所述第四盘管状结构的外管与所述至少一个产物出口之间的第七盘管状结构。第四(forth) 环形室环绕第二环形室并且包括所述第三组换热管。所述第四环形室 具有进口和出口 ，用以使冷却流体在所迷第三组换热管上面进行循环， 从而冷却在流至所述至少一个产物出口之前的分支合成气体产物流。


尽管说明书以清楚地指出申请人所认为的本发明的主题的权利要 求书为结束，但是结合附图，本发明可得到更好地理解，其中图1是被设计用以产生富氢合成气体产物的本发明的催化反应器 的剖视示意图；图2是图1所示的催化反应器的经过简化的工艺流程示意图； 图3是本发明的盘管状结构的透视图，其中所述盘管状结构中的 各臣圈(turns)由多条管形成；图4是在形成图3所示的盘管状结构中所使用的管的透视图； 图5是图1所示的催化反应器的局部视图；和 图6是图1所示的催化反应器的局部视图。
具体实施方式
参见图1和图2，如图中所示的本发明的催化反应器1专门设计 用于生产具有较高的氢浓度的合成气体产物。如下面所要进行讨论地， 通过甲烷蒸汽重整反应从而产生中间产物流，接下来使中间产物流进 行水煤气变换反应从而产生合成气体产物，由此可以实现上面所述的 生产具有较高的氢浓度的合成气体产物的目标。应当理解该特定类 型的催化反应器仅为本发明的一个应用实例，如本技术领域已公知地，甲烷蒸汽重整反应为CH4 + H20 — CO + 3H2下面的反应式给出了允许一氧化碳和水进行转化从而生成附加的 氢的水煤气变换反应CO + H20 ~> C02 + H2待进行重整的天然气气流IO被引入到烃供给进口 (feed inlet) 11中，所述烃供给进口可以是一条进入外壳2中并且通向歧管从而将 烃气气流10再分成一系列分支供给流的管道。另一种可选方式是，烃 供给进口 11可筒单地为多条进口管道。该分支供给流在管式换热器12 中的管内受到加热，所述管式换热器包括多根管以接收分支供给流并 且由此产生受到加热的天然气气流13。该受到加热的天然气气流13被 引入到天然气硫处理罐14中，从而产生净化的天然气气流16。硫处理 罐l4优选为一种已公知的系统，所述系统中包含加氢催化剂和化学吸 附剂，从而分别将硫转化为疏化氢且将得到的硫化氬转化为硫化锌和 水。典型的加氢催化剂是钴钼且化学吸附剂可以是氧化锌。为此，氢、 优选为再循环产物被引入到天然气中并且被包含在天然气气流10内。 这样的系统中的化学吸附剂被定期更换。如将要更详细地进行讨论地，锅炉给水流18被引入到锅炉给水进 口 19中，所述锅炉给水进口可以是一系列进口管道或进口管道和歧管， 从而使得锅炉给水流18作为一系列分支流被引入到由一组锅炉给水管 20形成的蒸汽发生器中从而产生蒸汽流22。蒸汽流22可通过歧管被合并到单条蒸汽流中，然后进一步与净化 的天然气气流16合并在一起。所得到的合并流随后被引入到反应供给 进口 23中，从而形成包含烃和蒸汽的供给流，所述反应供给进口可以 是具有进口 49的集管48，所述供给流被所述集管48再分为分支供给 流24。分支供给流24被供给至由第一组反应管26形成的第一反应区， 所述第一组反应管中包含甲烷蒸汽重整催化剂27，典型地为镍基材料， 用于利用这种分支供给流24促进甲烷蒸汽重整反应。在第一组反应管26内进行的甲烷蒸汽重整反应产生了包含氢和一 氧化碳的分支中间产物流28，所述分支中间产物流被供给至一组第一 换热管30，从而将分支中间产物流28冷却到适于促进在分支中间产物流28内进行水煤气变换反应的温度。例如，分支中间产物流28的温 度在约1500°F与约1700。F之间的范围内。典型地，进行水煤气变换反 应的温度在约400。F与约800。F之间的范围内。所得到的部分冷却的分支中间产物流29被供给至由笫二组反应管 34形成的第二反应区，所述第二组反应管中包含水煤气变换反应催化 剂35例如铜或铁基材料，从而促进在所述部分冷却的分支中间产物流 29内进行水煤气变换反应并且由此形成氢含量高于所述分支中间产物 流29中的氢含量的热的分支产物流36.
如图中所示，将分支中间产物流28传送至换热管30和将部分冷 却的分支中间产物流29传送至第二组反应管是基于管对管的。在适当 的实施例中，可以使用歧管或类似装置.热的分支产物流36通过一系列歧管或类似装置作为成对流沿与包 括天然气气流10的天然气引入流呈反向流动的方向被引入到管式换热 器12内的管中，从而部分冷却热的分支产物流36。所得到的部分冷却 的分支产物流40被供给至与可以是歧管或类似结构的产物出口 43相 连的冷却器42 (在下文中将对此进行更为详细地描述)，并且作为含 氢的合成气产物流44被排出。另外参见图3,第一组反应管26分别具有螺旋形构造并且至少大 体上按照同轴布置进行定位以形成第一盘管状结构。 一个一个单独地 被标记为以下附图标号26a、 26b、 26c、 26d、 26e、 26f、 26g和26h 的第一组反应管26提供了用于天然气气流10和其它含烃气体的平行 流动路径。反应管26通过具有进口 49的集管48进行供给并且产生分 支中间产物流28。在这一方面，如在此所提到的和在权利要求书中所 述，反应管26a、 26b、 26c、 26d、 26e、 26f、 26g和26h "至少大体上" 按照同轴关系进行布置。使用该术语的原因在于反应管26a、 26b、 26c、 26d、 26e、 26f、 26g和26h中的每一根反应管的轴线可产生非常微小 的变化，而依然会形成所述第一盘管状结构。然而，对于最紧凑的结 构而言，反应管26a、 26b、 26c、 26d、 26e、 26f、 26g和26h关于一 条公共轴线如图1中所示出的轴线"X"按照同轴关系进行布置。此外， 虽然反应管26a、 26b、 26c、 26d、 26e、 26f、 26g和26h中的每一根 反应管的各匝圈的直径优选相等，但是根据本发明有可能存在直径偏 差'另外，反应管26a、 26b、 26c、 26d、 26e、 26f、 26g和26h中的 每一根反应管的直径也有可能存在偏差。另外参见图4，图中示出一根这样的反应管26a中具有匝圏62，" 和64、用于接收要在反应管26a内进行反应的分支供给流24之一的进 口 66和排出在如图中所示的反应管26a内产生的分支中间产物流28 之一的出口 68。笫二反应区以类似于笫一反应区的方式形成，并且同样地，其第 二组反应管34分别具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴关系进行 布置以形成环绕第一组反应管26的第一盘管状结构的第二盘管状结 构。再一次，第一組换热管30分别具有螺旋形构造并且以上迷类似于 反应管26的方式形成环绕第二组反应管34的第二盘管状结构的第三 盘管状结构。如图中所示，第一组反应管26中包括八根管且如上面所述，第一 组反应管26、第一组换热管30和第二组反应管34之间的连接是基于 管对管的。同样地，也是八根管形成了第二组反应管34和第一组换热 管30。然而，所述管的数量可根据特定反应器的尺寸而变化。在这方 面，这些管组中的管的个数优选为2-20根。如将要进行讨论地，催 化反应器1中的其它部件也是类似地设计出的。正是这种盘管状结构 允许这些部件和由此的催化反应器1具有紧凑和低压降特征。有可能以类似于第一组反应管26的方式形成任何催化反应器。例 如，可以这样形成催化反应器，使得利用催化剂促进催化部分氧化反 应的进行，从而产生合成气体产物流。在这样的情况下，仅使用单个 反应区.如结合第一组反应管26和对催化反应器1的概述已经进行讨论 地，由此形成的通向反应区的反应供给进口可以是以集管48的形式存 在用以向反应管26分配供给流如分支流的歧管型结构。类似地，产物 出口可由这样一种歧管型结构形成。其它可能性包括在相对端部与具 有用以接收供给的反应进口和用以排放产物的产物出口的管相连的 室。所述供给可独立地被供给通过分别仅与管的一部分相关联的一组 进口和出口 。任何反应供给进口和/或产物出口或是可位于反应区的外 壳内，或是可位于所述外壳外部，以将供给引入反应区或者将产物从 其中排出。如果烃流进行了预混合，那么根据本发明所述的催化反应 器将会仅设有这样的反应供给进口和产物出口 。此外，部件例如反应区之间的连接可通过直接的管对管连接而被 实施，或者可通过中间歧管型结构而实现，所述中间歧管型结构用以 收集来自 一个部件的多股流和将这些流重新分配给另 一个部件。所有 的这些可能性全部被所附权利要求书所覆盖。管式换热器12中的管具有与形成笫一反应区的反应管26相同的 构造，换句话说，管式换热器12中的管由同轴布置的管状通道70形 成，从而形成笫四(forth)盘管状结构。这种第四盘管状结构与第二
组反应管34的第二盘管状结构和第一组换热管30的第三盘管状结构 同轴，并且被插入到第二组反应管34的第二盘管状结构与第一组换热 管30的第三盘管状结构之间。管式换热器12中的管的每一条管状通道70由外管72和内管74 形成，天然气气流10作为分支天然气气流被供给进入到内管74中， 从而通过与被引入到内管74与外管72之间的环形空间内的热的分支 产物流36进行间接热交换而受到加热。管式换热器12中的管的每一 条管状通道70部分地沿所得到的第四盘管状结构的高度被热绝缘材料 76热绝缘。这样致使热量得到保持且因此向空气中发生更少的传热， 由此与上部未受热绝缘的部分相比，增强了对管式换热器12中的管受 到热绝缘的那部分的加热。结果是，由天然气供给气流10形成的分支 天然气供给气流回收来自热的产物流36的附加热量。这样还降低了管 式换热器中的管外部上面的冷却流体的温度，从而允许该流体对第二 反应区提供更强的冷却效应。蒸汽发生器由锅炉给水管20形成。每一根锅炉给水管20均具有 螺旋形构造并且以上述类似于第一反应区的第一组反应管26的方式进 行布置，从而形成被笫一反应区的第一盘管状结构环绕的第五盘管状 结构。锅炉给水管20沿其部分长度具有设置在外管80内的内部嵌套管 78。当外管80与内部嵌套管78之间的环形空间内的锅炉给水升高时， 水发生汽化从而形成液汽两相流。锅炉给水流18内包含的挥发性更强 的污染物趋向于析出并且堵塞锅炉给水管20。为了防止发生这种现象， 含有溶解污染物的水将进入到内部嵌套管78中，所述内部嵌套管78 用作排放物管，用以将这样的水作为排放物流82从内部嵌套管78中 排出。这样就从蒸汽中除去了不挥发的污染物。应该注意到这样的蒸汽发生器可与需要蒸汽的任何类型的反应 器结合在一起使用。例如，由这种锅炉给水管形成的蒸汽发生器可被 包含在外壳中，用于使加热流体通过以在这种锅炉给水管中生成蒸汽。甲烷蒸汽重整是需要热量的吸热反应。该热量由具有在由反应管 26提供的第一盘管状结构的内部和外部上点火(firing)的多对燃烧 器的燃烧器84的布置提供，在本发明中大致使用了两个环式燃烧器。 燃烧器84点火进入到第一盘管状结构中以便维持所述反应。可获得且
作为分支流的再一次优选为天然气和/或其它燃料气体的燃烧器燃料流83被引入到第二组换热管86内。笫二组换热管86中的每一根管具有 螺旋形构造并且同轴进行布置以形成位于硫处理罐14与由锅炉给水管 20提供的第五盘管状结构之间的第六盘管状结构。燃烧器燃料流83在 第六盘管状结构内受到加热，从而形成被引入到燃烧器84中的加热的 燃料流88。冷却器42上设有笫三组换热管89，所述第三组换热管具有螺旋 形构造并且同轴进行布置以形成笫七盘管状结构，用于充分冷却受到 部分冷却的分支合成气体产物流40并且由此产生合成气产物流44。如 图中所示，这种第七盘管状结构环绕第一组换热管30。应该注意到 术语"充分受到冷却的"意味着去除产物和/或例如通过净化对产物进 一步进行处理的温度。该温度可以为环境温度之上约20。F。这样的合 成气产物流"中包含有氢、水蒸汽和液态水、 一氧化碳、二氧化碳、 氮和甲烷。优选地，合成气产物流44中具有的干燥氢的含量应在约60% 与约85%之间。还应该注意到所述热的中间产物流28中具有的干燥 氢的含量为约25%。如前所述的管路网被保持在具有第一环形室90、第二环形室92 和第三环形室94的圆筒状外壳2内。第一环形室90、第二环形室" 和第三环形室94通过热绝缘材料96、 98、 100和102的圆筒状布置进 行热绝缘。在这方面，设置在第一环形室90和第二环形室92中的热 绝缘材料允许通过燃烧器84对由笫一组反应管26提供的第一反应区 进行加热且同时对第一组换热管30内的中间产物流28进行冷却并且 在由第二组反应管34提供的笫二反应区内维持更低的工作温度。另夕卜， 设置中心轴向室104以保持住天然气硫处理罐l4和第二组换热管86。 热绝缘材料96和100允许保持住热量用于分别在锅炉给水管20内的 燃烧产物、锅炉给水和燃烧器燃料与第二组换热管86之间进行传热， 可以意识到可去掉这些热绝缘材料，然而，热效率和产量可能会受 到损失。第一环形室90形成在圆筒状室的侧壁106与108之间，第二环形 室92形成在圆筒状室的侧壁106与110之间。中心轴向室104为顶部 开口以提供燃烧产物废气的管。该室得到热绝缘从而允许在不受到燃 烧器84加热的情况下，在第一组重整器管26内产生的中间产物流在
换热管30内得到冷却。外壳2上设有第一集管室112，所述笫一集管室具有用于使在第 二环形室92内用作冷却流体的空气流116进入的空气进口 114。集管 室112具有环形构造并且被中心轴向室104约束在内部。另外参见附 图5，由附图标记"A"表示且由空气气流116提供的空气流通过设置 在第一集管室112的底壁120上的开口 118进入第二环形室92中。空 气流"A"借助将第二环形室92分为次室的圆柱形挡板121最初被引 导朝向管式换热器12中的管和第一组换热管30。另一块圆柱形挡板122 进一步将空气流分为第一和笫二分支空气流"B"和"C"。在第一组 换热管30上面通过笫一分支空气流"B",在管式换热器12中的管上 面通过第二分支空气流"C"。进一步参见图6，图中示出外壳2的底部受到具有上面设有开 口 128、 130和132的底壁126的第二集管室124的约束。笫一分支空 气流"B"通过开口 128进入第二集管室124,然后通过开口 130进入 第一环形室90，从而支持燃烧器84内的燃烧。第二分支空气流"C" 在圆柱形挡板121下面流过并且反转方向从而在第二组反应管34上面 流过。这样就提供了对第二组反应管34的主动冷却，从而使得能够进 一步增大氢的产量。另外再一次参见图5，图中示出第二组反应管34内部受到将第 二环形室92分为另一个次室的圆柱形挡板134的约束。圆柱形挡板134 在其顶部具有开口 136，从而允许第二分支空气流"C"再一次反转方 向并且在约束第二环形室92的圆筒状壁106与圆柱形挡板134之间通 过。在该次室中的空气流自身作为对第二环形室92的热绝缘手段。空 气流随后从设置在第二集管室124的底壁126上的开口 132中流出， 流入第一环形室90并且支持燃烧器84内的燃烧。约束第三环形室94的圆筒状室壁108上设有开口 UO,从而允许 燃烧产物流"D"进入笫三环形室94。形成中心轴向室l(M且约束第三 环形室94的圆筒状室壁142引导燃烧气体流动通过锅炉给水管20。位 于圆柱形挡板142底部内的开口 144致使燃烧产物反转方向，然后在 第二组换热管86上面流过，并且流入由中心轴向室l(H的开口端提供 的废气中。冷却器42形成在外部圆筒状壁148内的外壳2中，所述外壳封闭位于外部圆筒状壁148与圆筒状室壁102之间的第三组换热管89。冷 却流体流150,例如水乙二醇的混合物，被引入进入冷却器42的进口 151并且在流过第三组换热管89之后，作为受热的冷却流体流152从 出口 153中被排出。为了进行启动，燃烧器燃料流154可被引至在笫一集管室112的 底壁120内的开口 118处向第二环形室92内进行点火的燃烧器156。 燃烧器156为分段的弧状燃烧器的形式。燃烧器156在启动时可受到 致动，从而使得催化反应器的各部件达到工作温度。通过以上讨论明显的是，用于在催化反应器1内进行热交换的所 有流动都是反向流。例如，由空气流116提供的空气流动沿一个方向 (即如图中所示从顶部到底部)流过第一组换热管30和管式换热器12 中的管，并且换热管30和12内部的流动沿相反方向进行流动(即如 图中所示从底部到顶部)。尽管热效率可能会受到损失，但是这些流动中所有或一些流动可以是并流，也就是说沿同一方向。如本领域的技术人员可以意识到地，对于根据本发明所迷的催化 反应器而言可能存在许多变型，所述变型被设计用以利用中间冷却进 行重整反应和变换反应。例如，反应器可被构造以具有由第一组反应 管26和第二组反应管34以及笫一组换热管30形成的第一和第二反应 区。在这样的实施例中，可能在外壳2的外部进行脱硫。此外，在可 通过与重整反应同时进行的工艺中获得蒸汽和加热的天然气且所述蒸的供给l;至由^二一《1反应管26形成的第一反应区的进口等方面中^在 潜在的工业应用。如果这种受到加热的天然气源是不可获得的，那么 可以设置单独的外部加热器。在这样的实施例中，所迷外壳可设有两 个环形室。所得到的热的产物可在后续工艺中得到利用或者可以根据 需要单独进行冷却。在本发明的任何实施例中，第一组换热管30可被定位以与第二组 反应管34成一直线。这将不是优选的，这是因为这样会使得由图示实 施例所提供的紧凑程度受到损失。另一种可能的变型是在单个盘管状 结构内組合多种功能。例如，通过用催化剂仅部分地填充第二组换热 管30,有可能将由第二组换热管30提供的中间阶段冷却结合在笫二组 反应管内。在其它一些潜在的实施例中，根据所需的传热负荷， 一些
盘管状热交换部件可被多通道换热器或单根盘管所替换。虽然已结合优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员应该意识到可在不偏离本发明的精神和范围的条件下对本发明 作出多种改变、添加和省略。
权利要求
1 、 一种用于使供给流进行催化反应且由此产生产物流的催化反应器，所述催化反应器包括外壳；至少一个反应区；所述至少一个反应区位于所述外壳内且具有一组反应管，从而为 由所述供给流形成的分支供给流提供平行的流动路径，所迷反应管中 包含促进所述分支供给流内的化学反应由此产生产物流的催化剂；所述反应管具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴布置进行定 位以形成盘管状结构；至少一个反应供给进口被设置与所述至少一个反应区相连通，从 而将所述供给流引入所述反应区；并且至少一个产物出口被设置与所述至少一个反应区相连通，从而排 放出所述产物流。
2、根据权利要求l所述的催化反应器，其中所述供给流是含有烃和蒸汽的供给流；所述至少一个反应区是具有反应管的第 一反应区和第二反应区， 所述反应管被设定尺寸和被定位，以使得第一和第二盘管状结构分别 由第一反应区和第二反应区中的反应管形成；所述催化剂是重整反应催化剂，所述重整反应催化剂被设置在笫 一反应区中的反应管内以促进对所述含有烃和蒸汽的供给流进行重 整，由此形成包含氢和一氧化碳的分支中间产物流；和水煤气变换反 应催化剂，所述水煤气变换反应催化剂被设置在第二反应区中的反应 管内以增大产物流中的氢含量使其超过所迷分支中间产物流中的氢含 量；一组换热管在第一反应区和笫二反应区中的反应管之间形成连 通，从而通过与冷却流体进行的间接热交换冷却所述分支中间产物流， 由此促使第二反应区内的温度有利于通过进行水煤气变换反应生成氢；所述换热管具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴布置进行定 位以形成第三盘管状结构；并且所述笫一盘管状结构、第二盘管状结构和第三盘管状结构呈同轴 关系被定位在所述外壳内。
3、 根据权利要求2所述的催化反应器，其中所述外壳是圆筒状的且具有同轴的环形室； 所述笫 一反应区位于所迷环形室中的 一个中； 所述换热管组和所述笫二反应区位于环绕着所迷环形室中的一个 的另一个环形室中，且所述笫三盘管状结构环绕所述笫二盘管状结构；热绝缘材料将所述环形室中的一个与所述环形室中的另 一个热绝 缘开；并且加热器将热量供应至第一反应区从而驱动对所述供给流进行重整。
4、 根据权利要求3所述的催化反应器，其中 所述同轴的环形室包括笫一环形室和笫二环形室； 所述加热器由向笫一环形室中进行点火的燃烧器形成； 所述笫 一反应区位于所述笫 一环形室内； 所述换热管组和所述第二反应区位于第二环形室中； 所述第一环形室和第二环形室流动连通，从而使得作为换热流体的空气气流被预热且能够从所述第二环形室流至所述笫一环形室，从 而支持燃烧，由此产生燃烧产物；并且所述外壳设有用于排放燃烧产物的排气口 。
5、 根据权利要求4所迷的催化反应器，进一步包括 用于接收烃供给的烃供给进口 ；由多组位于外管内的成对的内管形成的管式换热器中的管，所述 外管与第二组反应管相连，从而冷却分支产物流，且所述内管与所述烃供给进口相连，从而与冷却分支产物流相对地对烃供给进行加热； 所迷成对的内管和外管具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴布置进行定位，从而形成第四盘管状结构，所迷第四盘管状结构位于笫二环形室内，由第一组换热管形成的第三盘管状结构与由第二反应区中的反应管形成的第二盘管状结构之间；被第一环形室所环绕并且与第一环形室形成流动连通以便接收由燃烧器产生的燃烧产物的笫三环形室；至少一个用于接收锅炉给水的给水进口 ；与至少一个给水进口相连并且由一组锅炉给水管形成的蒸汽发生器，所述锅炉给水管具有螺旋形构造并且至少大体上按照同轴布置进 行定位，从而形成位于笫三环形室内的第五盘管状结构用于接收锅炉给水，且由此通过与燃烧产物进行间接热交换而产生蒸汽；并且管式换热器中的管的内管和锅炉给水管与所述至少一个反应供给 进口相连通，从而同时将蒸汽和烃供给引至该处且由此形成输送至第 一反应区的包含烃和蒸汽的供给。
6、 根据权利要求5所述的催化反应器，进一步包括内部嵌套排放 物管，所述内部嵌套排放物管位于所述锅炉给水管内并且沿所述锅炉 给水管的部分长度进行延伸，从而允许液体连同溶解的污染物一起排 出，由此防止污染物发生固化且阻塞流动.
7、 根据权利要求5所迷的催化反应器，其中管式换热器中的所述 管沿其部分长度并且朝向第二反应区中的反应管与外管的连接部进行绝缘，从而增强了对所述烃供给的加热。
8、 根据权利要求5所述的催化反应器，进一步包括 被第三环形室所环绕的中心轴向室，所述中心轴向室一端与第三环形室流动连通，用于接收已通过蒸汽发生器的第五盘管状结构之后 的燃烧产物，且所述中心轴向室另一端敞开，用于形成排气口； 所述换热管组是第一组换热管；且具有螺旋形构造的笫二组换热管至少大体上按照同轴布置进行定 位，从而形成位于中心轴向室内的第六盘管状结构；和与燃烧器相连从而对输送至燃烧器的燃料进行预热的第二组换热管。
9、 根据权利要求8所述的催化反应器，进一步包括 疏处理罐，所述硫处理罐被设置在中心轴向室内，被第二组换热管环绕和绝缘，从而降低烃供给中的硫含量；所述硫处理罐被插置在至少一个反应供给进口与管式换热器中的 管的内管之间，从而使得在被引入到第一反应区中之前对烃供给进行 处理。
10、 根据权利要求9所述的催化反应器，进一步包括外壳，所迷外壳具有约束第一、第二和第三环形室的相对端部的 第一和第二集管室；所述笫一集管室具有空气流进口和内部受到所述中心轴向室约束 的环形构造，所述笫一集管室与所述第二环形室流动连通，从而将空气流引入到其中；且所述第一环形室与第二环形室之间的流动连通由笫二集管室提供。
11、 根据权利要求10所述的催化反应器，进一步包括一组圓柱形 空气感应挡板，所述圆柱形空气感应挡板位于第二环形室内并且形成 被构造用以引导空气流动从而使得引入的空气被分成第一和第二分支 空气流的次室，所述第一分支空气流在第一组换热管上面流过，而所 迷第二分支空气流在管式换热器中的管上面流过，反转方向在第二组 反应管上面流过，然后进一步反转方向与所述第一分支空气流一起通 过第二集管室进入第一环形室。
12、 根据权利要求ll所述的催化反应器，其中 所述第一环形室在与燃烧器相对的一端设有第一组开口，用于将燃烧产物排放至所述第三环形室，且所述第三环形室设有与所述第一 组开口相对的第二组开口，用以将燃烧产物排放至所述中心轴向室用 于对所述第二组换热管进行间接加热且使得燃烧产物在所述中心轴向 室中的流动与在所述第三环形室内的流动方向相反。
13、 根据权利要求8或权利要求11所述的催化反应器，进一步包括用于冷却分支合成气体产物流的冷却器，所述冷却器包括 第三组换热管，所述第三组换热管具有螺旋形构造且至少大体上按照同轴布置进行定位，从而形成环绕第二环形室且被连接到所述管式换热器中的管的外管与所述至少一个产物出口之间的第七盘管状结构，从而进一步冷却分支合成气体产物流；和环绕笫二环形室并且包括所述第三组换热管的第四环形室； 所述第四环形室具有进口和出口，用以使冷却流体循环通过所述第四组换热管，从而冷却在流至所述至少一个产物出口之前的分支合成气体产物流。
14、 根据权利要求13所述的催化反应器，进一步包括内部嵌套排 放物管，所述内部嵌套排放物管位于所述锅炉给水管内并且沿所述锅 炉给水管的部分长度进行延伸，从而允许液体连同溶解的污染物一起 排出，由此防止污染物发生固化且阻塞流动。
15、根据权利要求14所述的催化反应器，其中管式换热器中的所 述管沿其部分长度并且朝向内管与第二反应区中的反应管的连接部进 行绝缘，从而增强了对所述烃供给的加热。
全文摘要
一种催化反应器(1)设有一个或更多个分别由包含用于促进供给流内化学反应的催化剂(27，35)的反应管(26，34)组形成的反应区。所述反应管(26，34)具有螺旋形构造并且大体上按照同轴关系进行布置以形成盘管状结构。可以利用相似的管布置形成换热器和蒸汽发生器。按照这种方式，反应区和由此的反应器(1)是紧凑的并且通过所述部件的压力降被最小化。所得到的紧凑构型具有得到改进的传热特征并且进行热绝缘远比现有技术的紧凑型反应器设计更容易。预期在这种盘管状结构内进行多种化学反应，如甲烷蒸汽重整反应以及接下来的水煤气变换反应。所述盘管状结构可被容纳在圆筒状外壳(2)的环形室(90，92，94)内，同时提供了多种热交换流体的流动路径用以对部件进行加热和冷却。
文档编号B01J10/00GK101124038SQ200580036262
公开日2008年2月13日 申请日期2005年8月30日 优先权日2004年9月1日
发明者M·M·沙, R·J·吉布, T·M·阿伦 申请人:普莱克斯技术有限公司