化学反应器操作的制作方法

专利名称：化学反应器操作的制作方法
化学反应器操作本发明涉及操作一个或多个化学反应器以增加该反应器或每个反应器的工作寿命的方法，和涉及提供使用这种方法以增加反应器的工作寿命的装置的反应器。反应器的工作寿命受到反应器操作应力的影响。反应器所能承受的应力取决于反应器操作的温度。根据反应器内发生的反应，热应力在反应器内可能不是均勻。一旦反应器的任何部件需要更换就必须立即更换该反应器，即使反应器的一部分仍然处于能够继续操作一段相当长时间的情况。一些化学反应器运行于较远的位置。例如，用于加工伴生气的反应器可运行在抽取伴生气的油井附近。用于这种位置的反应器可包括，但不限于，通过蒸汽甲烷重整、自热重整或部分氧化、或使用离子交换膜产生合成气的合成气发生反应器；和，从合成气中生产合成原油的费托合成反应器。当加工伴生气时，重要的是在生成气体时加工该气体以及最大程度地减少当不能加工气体时的反应器停机时间。如果气体不能被加工，那么不得不将其燃烧(flare)掉，而对燃烧的惩罚越来越严厉。此前有研究认为上述反应所需的催化剂可涂覆在反应器壁上。这种情况下， 催化剂的寿命会限制反应器的寿命。近来已经发现催化剂可置于位于可移动的插入件 (inserts)(例如箔)上的反应通道内。其结果就是催化剂的寿命不再限制反应器的寿命。 但是，在反应器的寿命之内需要周期性地停机以更换催化剂。很多化学反应工艺(包括上面提到的合成气发生和费托合成反应)都需要热量转移到化学反应物中，或来自于化学反应物。已经提议了这样的化学反应器设计限定出用于化学反应工艺的许多第一通道，以及用于提供或移除热的许多第二通道。因为这些通道彼此离得很近，仅用中间壁(intervening wall)分开，所以这种设计可在第一和第二通道之间提供很好的热传递。作为实施例，这种反应器可由的板的堆叠体(stack)构成，这些板被布置成在堆叠体内限定出交替的第一和第二流动通道，该堆叠体可以连接在一起。化学反应在这些通道内发生，催化剂可提供于流动通道的壁上，或提供于插入通道中的负载催化剂的插入物上。但是，此类反应器内的第一通道和第二通道之间具有温度差异，且事实上沿着任一通道的长度几乎总有显著的温度差异，因此源于热膨胀的机械应力是不均勻的。这些热致应力取决于反应器材料的温度，降低反应器的工作寿命。一些反应器系统中，为了向每个反应器提供流入每个第一和第二通道的流体，提供了集管(headers)。反应器的输入流和输出流通过导管连接在一起，该导管连接了第一级反应器的输出端和第二级反应器的输入端等等。为了控制流体，也提供了阀门。集管、阀门和导管的构造使得每个反应器在系统内具有其特有的位置。一些反应器系统中，将反应器保持在压力容器内，这种情况下压力容器本身会取代一个集管。本发明同样适用于上述这两种反应器和其他类型的反应器。现已设计出本发明以解决和减轻上述问题的一些或全部。根据本发明，提出了一个或多个化学反应器的操作方法，其中每个化学反应器限定了用于化学反应工艺的第一流动通道，该第一流动通道接近于用于热传递的第二流动通道；每个化学反应器提供以流动连接件(fluid connections)用于引导各个流体的流通过第一流动通道和第二流动通道的；其中，该方法包括，调整通过第一流动通道、或第二流动通道、或两者的流体的流，以改变该反应器或各反应器内的温度分布，而发生在化学反应器内的化学反应工艺实质上保持相同。优选地，该方法包括以下步骤停止流体通过第一流动通道和第二流动通道中至少之一的流动，随后改变流体连接，然后再次打开流动连接件。通过改变接连使用(successive uses)的反应器之间的流动连接件，可以改变每个通道内的温度分布，以此改变反应器内的热应力和材料温度分布。热应力最大的反应器中的区域由此而改变，反应器的工作寿命会因此延长。流动连接件具有若干种不同的改变方式。改变流动连接件优选是在包括化学反应器的设备的维护或停机期间，或化学反应器的维护或停机期间。第一个实施例中，将反应器与入口和出口管线或导管断开连接，然后反转反应器，和再连接上管线，从而通过反应器的流动方向被反转。可选地，断开反应器连接之后，可以改变构成流动连接件的管线或导管，和然后再连接上该反应器，因此第一流动通道或第二流动通道或两者内的通过反应器的流动方向被反转。使用两个反应器串联以实现二级反应时，第一级和第二级反应器可以互换。一些情况下，可能互换流入第一和第二通道内的流体，从而在下一级的操作期间，化学反应发生在第二流动通道内。必须认识到，第二流动通道(也就是用于热传递的通道)可包含热交换流体；或作为替代方案，可包含进行第二化学反应的流体混合物。例如，如果第一流动通道内的化学反应工艺是吸热的，所需的热量可通过第二流动通道内的热流体如废气来提供，或可选地通过在第二流动通道内实现放热反应如燃烧来提供。另一方面，如果第一流动通道内的化学反应工艺是放热的，则所需的从第一流动通道去除热量可通过提供通过第二流动通道的冷却液而实现，或提供在第二流动通道内进行吸热化学反应而实现。如果设备包括很多进行相同化学反应的化学反应器，这些反应器可以是全部并联、或全部串联、或经布置以将多组串联反应器相并联(parallel sets of series reactors)。如果化学反应器并联运行，那么当一个或多个反应器停机时，设备仍可继续运行。本发明特别适用于一个或多个化学反应器停机，而设备的剩余部分继续运行的情况。但是，也应理解，本发明同样适用于单个反应器系统。本发明同样提供了化学设备，该设备包括一个或多个化学反应器，并包括能够实现所述操作方法的装置。在反应器包含其中分别发生吸热和放热反应的第一和第二流动通道，且对流体流动的改变包括互换向第一和第二流动通道的流动的情况下，则反应器具有基本上相同的尺寸的第一流动通道和第二流动通道。这确保了用于第一构型中的通道的催化剂插入物也能同样很好地适于第二构型中，因此本方法也可包括在第一和第二流动通道之间互换催化剂插入件(但是，如果通道内的催化剂是相同的，就不需要互换它们)。具有同样尺寸的通道也确保在每一种构型内具有相同的反应容积和热传递条件，因此不管使用哪种构型，反应器都将以基本上相同的方式工作。在这样的背景下，在流动改变前后，尽管反应器作为整体仍继续运行相同的化学反应工艺，但每组流动通道内发生了不同的化学反应。此外，根据本发明还提供包含第一反应器和第二反应器的单元(module)，每个反应器具有第一流动通道，第二流动通道，经构造以从第一反应器提取输出物以向第二反应器提供输入物的导管，以及经构造以从第二反应器提取输出物以向第一反应器提供输入物的旁路导管和阀门。包括两个反应器以及能使流向翻转的导管和阀门的该单元的提供，可以最小化现场进行以实现通过第一反应器和第二反应器的流的反转所需的功。因此，这种情况下，操作的效果是改变由哪一反应器进行二级工艺的哪一级，但是该单元所进行的化学反应工艺没有改变。本发明适用于具有多个反应通道的任何反应器。反应器本身可包含堆叠的板。例如，第一和第二流动通道可以通过堆叠并然后连接在一起的各个板内的沟槽限定。可选地， 流动通道也可以由薄金属片与平板交替堆叠限定，该薄金属片是波形的或堞形的；由密封条限定流动通道的边缘。作为另一可选方式，可由被间隔条隔开的平片限定出流动通道。为了确保所需的良好热接触，第一和第二流动通道的高度可在10-0. 5mm(沿热流动方向)之间；每个通道的宽度可在约lmm-50mm之间。形成反应区段的板堆叠体可以通过例如扩散连接(diffusion bonding)、钎焊或热等压压制(hot isostatic pressing)连接在一起。第一和第二流动通道的性质将取决于反应器内发生的反应。例如，用于放热化学反应的通道可与用于吸热反应的通道交替地布置于堆叠体内；这种情况下在每个通道内提供适当的催化剂。例如放热反应可以是燃烧反应，吸热反应可以是蒸汽甲烷重整。其他情况下，用于化学反应的通道(第一通道)可与用于热传递介质如冷却剂的通道交替地布置于堆叠体内。 这种情况下仅第一通道内需要催化剂。例如第一通道可用于进行费托反应，此时热传递介质可为冷却剂。如果催化剂提供于可拆卸插入件上，那么包含催化剂的通道优选至少2mm 高和至少2mm宽。本发明适用于其它反应器类型，可选地，反应器可包含壳体和管。如果以可拆卸插入件作为催化剂载体，其可包括一或多个波形箔。但是催化剂也可提供于网、泡沫或毡上。每种情况中，催化剂载体可形成反应器结构的一部分，或可为非结构化的。可选地，催化剂可置于通道的内表面上。某些情况下，催化剂可为球粒 (pellets) 0下面结合附图通过仅作为本发明的实施例进一步地详细描述本发明。附图中

图1是二级蒸汽甲烷重整反应器单元的示意图；和图2通过图表示出图1中反应器单元内的温度变化。现参考图1，该图示出适于用作蒸汽重整反应器的反应单元10。反应单元1由有两个反应器区段1 和12b组成，每个反应器区段由平面图中为矩形的板的堆叠体组成，每个板均为耐腐蚀高温合金。平板同堞形板交替布置，以限定出区段1 或12b的两相对端之间的流动通道，每个通道的长度为600mm，反应可在其上发生。所有通道相互平行延伸，设有集管以将蒸汽/甲烷混合物供给第一组通道15，和将空气/甲烷混合物供至第二组通道 16，第一和第二通道在堆叠体内交替设置(通道15、16概略地示出)，从而堆叠体内上部和下部的通道都是燃烧通道16。可以将用于各自反应的适合催化剂提供于通道15和16内的波形箔(未示出)上。每个燃烧通道16的入口处设有灭火器(flame arrestor)170图中较概略地示出了反应器区段1 和12b，没有特别示出集管。蒸汽/甲烷混合物经布置以流过串联的反应器区段1 和12b，有导管20从第一反应器区段12a的通道15的出口连接到第二反应器区段12b的通道15的入口。类似地， 燃烧混合物也流动通过串联的反应器区段1 和12b，有导管22从第一反应器区段12a的通道16的出口连接到第二反应器区段12b的通道16的入口。导管22包括用于附加空气的入口 24，接着是静态混合器25，然后是用于附加燃料的入口 26，随后是另一个静态混合器27。
应用反应单元10时，将蒸汽/甲烷混合物预热并送入反应单元10。将含有80%所需空气和60%所需甲烷(作为燃料)的混合物预热并送入第一反应器区段12a。在催化剂作用下发生燃烧，使温度升高。泄出的热气(通过入口 M和静态混合器邪)与剩余的20% 所需空气混合，然后(通过入口沈和静态混合器27)与剩余的40%所需甲烷混合，再送入第二反应器区段12b的燃烧通道16。现在参考图2，该示出了温度T沿着燃烧通道的16长度L的变化(标记A)， 及其沿着重整通道15的变化(标记B)。图中L = 0和L = 0. 6m之间的部分对应于第一反应器区段12a，L = 0. 6m和L = 1. ^ii之间的部分对应于第二反应器区段12b。值得注意的是，一旦开始燃烧，重整通道15内的温度T总是低于相邻的燃烧通道16内的温度T。燃烧气体温度之所以经历了向下的阶跃变化，是因为第一反应器区段1 和第二反应器区段 12b之间(在L = 0.6m处)的添加空气(来自入口 24)。应当理解的是，通过调节燃烧通道和重整通道内的空速，和调节供应到每个反应器区段用于燃烧的燃料和空气比例，可以改变通过反应器区段1 和12b的温度分布。温度变化，特别是第一和第二流动通道之间的温度差异和沿着通道长度的温度变化，使得反应器区段的结构内部发生热应力；尽管该热应力可通过改变温度分布得以减少，但不能被消除。也应该理解，在这个实施例中，第一级反应器区段1 中的温度变化要高于第二级反应区段12b的温度变化。反应单元10可构成化学设备的一部分，反应单元10生产出来的合成气随后送给设备中的其它反应器以生产其它产品。设备可并入并联布置的多个此种反应单元10，因此可以通过改变使用中的反应单元10的数量，来调节合成气的生产。此时，可关闭一个(a) 单元例如进行维护，而不关闭设备的剩余部分。在任何情况下，无论是存在单个的此种反应单元10还是多个反应单元10，不定期地都需要关闭一个反应单元10用于维护或维修例如更换废催化剂。当关闭一个(a)反应单元10时，就有机会根据本发明进行改变。例如可以将一个反应器区段(例如是反应区段2a)同与其关联的入口和出口导管断开连接，然后反转该反应区段12a，再连接上导管，使得通过反应器区段12a的流动方向反转。可选的更方便做法是，保持反应器区段例如反应器区段1 不动，在断开反应器区段 12a的连接后，延长并连接相关联的入口和出口导管，从而反转了流过反应器区段12a的流动方向。这个实施例中优选对连通第一流动通道15和第二流动通道16的导管进行这些改变，以确保所述流继续是同向的(co-current)。在其他的反应器中，优选仅对一组通道作出这些改变。应该理解的是也可对另一反应区段12b作出这种改变，而且既可以作为改变反应器区段12a的替代方式，也可以与改变反应器区段12a同时进行。当通过燃烧通道16 的流动方向发生反转时，可以把灭火器17从通道16的一端移动到另一端；或可选地在通道 16的两端都设置灭火器17。本发明不仅适用于通过在热传递通道内进行催化燃烧以提供热的反应器，同样也适用于通过使外部燃烧反应产生的热气体流入热传递通道以提供热的反应器。作为另一个可选择方式，如果用于第一反应(蒸汽甲烷重整)的催化剂也适用于第二反应(燃烧)(反之亦然)，那么可将导管与反应器区段例如反应区段1 断开连接，和再连接到其他组的通道上。这个实施例中需要将蒸汽/甲烷混合物供应到第二组通道16， 将空气/甲烷混合物供应到第一组通道15。如果催化剂并不适用于两种反应，那么可从通道15和通道16中去除催化剂，然后插入到其他组的通道中。这通常包括去除部分地或完全地废催化剂以及引入新鲜催化剂。在这个实施例中，通道15和通道16优选具有相同的尺寸，从而相同的催化剂都能匹配通道，而且使得改变后提供的反应容积也同它们在变化前的一样。仍应理解的是，也可对另一反应器区段12b作出这种改变，而且这既可以作为改变反应器区段12a的替代方式，也可与改变反应器区段12a同时进行。这个实施例中，作为另一个选择方式，反应器区段1 和12b都断开连接，并交换位置，随后再连接，使得反应的第一级在反应区段12b中发生，和第二级反应在反应区段 12a内发生。这可包括移动反应堆区段本身，或将反应器区段留在原位并改变流动导管。应当体会到，设备可包括适合产生流动方向的反转的导管，使得仅需要改变阀门的位置。这在图1中关于进入到第一级反应器区段12a的甲烷和蒸汽的流进行了说明。为此目的可在通向第一流动通道15的入口导管中提供截止阀30，以及在从第一流动通道15 的出口出来的导管20中提供截止阀32。入口旁路导管34(以虚线表示)在截止阀30的上游和截止阀32的上游之间连通，出口旁路导管36(以虚线表示)在截止阀30的下游和截止阀32的下游之间连通。在入口旁路导管34和出口旁路导管36两者的两端也提供截止阀35。在操作的起始状况时，截止阀30和32两者是开放的，而截止阀35都是关闭的。甲烷和蒸汽混合物如前面所描述的沿着流动通道15由左至右流动通过反应器区段12a。当流动方向将要反转时，将截止阀30和截止阀32都关闭，而截止阀35全部打开。这种情况下， 甲烷和蒸汽的混合物沿着入口旁路导管34流动，然后沿着流动通道15从右至左流动，然后沿着出口旁路导管36流动。应当可以理解，可以提供相似的入口和出口旁路导管以及截止阀的布置用于向第一级反应区段1 提供燃烧气体。也应当理解到，可以以相同的方式使用这种旁路导管和截止阀改变第二级反应区段12b。在反应器区段例如区段12a内作出这种改变之后，那么当单元10重新投入使用时，热应力将影响反应区段12a的另外的部分。因此，反应器区段承受最大热应力的部分由最初的部分变为另外的部分，因此，如果有由该应力导致的反应区段的任何老化 (degradation)，最初部分的进一步老化得到抑制，且随后的老化发生在不同的部分。因此反应区段的工作寿命得到增加。虽然本发明已经在前关于二级蒸汽甲烷重整单元进行描述，应当体会到，其适用于具有反应通道和热传递通道的任何化学反应器，无论是单独的或是多级的反应器。作为实施例，本发明可适用于部分氧化反应器、或自热重整反应器，这些是用于生产合成气的可选的反应器。也可适用于实现费托合成的反应器。这是高压下进行的放热反应，这种情况下，第一通道包含催化剂而第二流动通道仅载有冷却剂。这种情况下，在运行一段时间之后，随着反应器关闭，反应器区段可与和它相连接的入口和出口导管断开连接，并反转该反应器区段；或者改变入口和出口导管，而将反应器区段保留在原来的位置；这两种情况中， 这些改变确保通过反应器区段的反应物的流动方向反转。作为替代，如果使用包含两个串联反应器的反应器单元进行费托合成，使得合成以两级发生，然后在运行一段时间之后，随着关闭反应器单元，形成单元的反应器可以被互换。本发明还有另一个可选方案，特别适合用于包含多个并联操作反应单元的设备，可以调整供给一个单元的反应物流量，例如增加20%，与此同时可以将供给另一个并联单元的反应物流量减少20%，使得通过设备的总流量没有改变。这种改变将影响每个单元中的一个或多个反应器的温度分布。在接下来的时间例如一星期或一个月之后，供给一个单元的反应物流量可能减少，而供给到另一并联单元的反应物流量可能增加，使得要再次调整每个单元中的一或多个反应器的温度分布。通过重复作出这种调整，就减少了热应力带来的有害效果。
权利要求
1.一或多个化学反应器的操作方法，其中每个化学反应器限定用于化学反应工艺的第一流动通道，该第一流动通道邻近用于热传递的第二流动通道；和每个化学反应器提供以流动连接件用于引导各个流体流通过第一流动通道和第二流动通道；其中该方法包括调整通过第一流动通道或第二流动通道或两者的流体流，以改变该反应器或各反应器内的温度分布，而发生在化学反应器内的化学反应工艺实质上保持相同。
2.如权利要求1所要求的方法，其中该方法包括以下步骤停止所述流体流通过第一流动通道和第二流动通道中的至少之一，和然后改变所述流动连接件，及然后再打开该流动连接件。
3.如权利要求2所要求的操作方法，其中该化学反应器构成了设备的一部分，该设备包括多个其它化学反应器，该方法的步骤是在设备的维护或停机期间进行的，或是在化学反应器的维护或停机而设备继续运行的期间进行。
4.如权利要求2或权利要求3所要求的操作方法，其中改变到反应器的该流动连接件的步骤包括以下步骤使该反应器与入口流动连接件和出口流动连接件断开连接，和然后反转反应器，和然后再连接该入口流动连接件和出口流动连接件；使得通过该反应器的第一流动通道或第二流动通道或两者的流动方向反转。
5.如权利要求2或权利要求3所要求的操作方法，其中该流动连接件包括导管，和其中改变至反应器的流动连接件的步骤包括以下步骤使反应器与入口导管和出口导管断开连接，然后改变该导管，然后再连接该导管；使得通过该反应器的第一流动通道或第二流动通道或两者的流动方向反转。
6.如权利要求2或权利要求3所要求的操作方法，其中该流动连接件包括导管，该反应器具有旁路导管和截止阀，其中改变反应器的流动连接件的步骤包括打开或关闭与旁路导管连通的截止阀以反转通过该反应器的流动方向。
7.如权利要求2或权利要求3所要求的操作方法，其中该化学反应工艺通过使用两个串联布置的反应器操作，和其中改变该流动连接件的步骤包括互换该两个反应器的位置。
8.如权利要求2至7任何之一所要求的操作方法，其中改变该流动连接件的步骤包括互换至第一和第二通道的流体流。
9.如权利要求8所要求的方法，其中进行改变流动连接件的步骤，同时替换第一和第二通道内的催化剂。
10.如前述权利要求任何之一所要求的方法，其中该化学反应工艺选自蒸汽甲烷重整、部分氧化、自热重整、和费托合成。
11.如前述权利要求任何之一所要求的方法，其中该化学反应器构成了设备的一部分， 该设备包括其他化学反应器，和其中应用流动改变的化学反应器以并联或串联的方式同该设备的其他化学反应器连接。
12.化学设备，该设备包括一个或多个化学反应器，此外还包括用于操作如前述权利要求任何之一所要求的方法的装置。
13.用于权利要求8或权利要求9所提出的方法的反应器，其中该反应器具有基本上相同的尺寸的第一流动通道和第二流动通道。
14.单元，该单元包括第一反应器和第二反应器，每个反应器具有第一流动通道和第二流动通道，和经构造以从第一反应器提取输出物以向第二反应器提供输入物的导管，以及经构造以从第二反应器提取输出物以向第一反应器提供输入物的旁路导管和阀门。
全文摘要
一或多个化学反应器(12)的操作方法，其中每个化学反应器限定用于化学反应工艺的第一流动通道(15)，该第一流动通道邻近用于热传递的第二流动通道(16)，和每个化学反应器提供以流动连接件用于引导各个流体流通过第一流动通道和第二流动通道，该操作方法包括下述步骤停止流体流通过第一流动通道和第二流动通道中至少之一，随后改变流动连接件，和然后再打开该流动连接件。本方法没有改变反应器所实现的化学反应工艺。流动连接件的改变优选可以实现流动反转。该改变包括使反应器(12)自身反转，或者是改变连接到反应器的导管的布置。本方法改变了反应器内的热应力分布，并可因此增加反应器的工作寿命。
文档编号B01J19/24GK102245290SQ200980149948
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月2日 优先权日2008年12月11日
发明者D·J·韦斯特 申请人:康帕克特Gtl有限公司