使用可移除螺旋元件将催化剂致密装填到蒸汽重整反应器-交换器的嵌套管中的系统的制作方法
【专利说明】使用可移除螺旋元件将催化剂致密装填到蒸汽重整反应 器-交换器的嵌套管中的系统 发明领域
[0001] 本发明涉及装填使用高度吸热或高度放热反应的管式反应器中所用的催化管的 领域。因此，本发明特别适用于天然气或各种烃馏分的蒸汽重整反应器以生产被称作合成 气的〇)+!12混合物。
[0002] 可以区分两大类蒸汽重整反应器： 由位于反应器内的一系列燃烧器供热的反应器，和通过传热流体，通常燃烧烟气供热 的那些，所述燃烧在蒸汽重整反应器本身外进行。
[0003] 这种后一类型的某些反应器(下文中称作交换器-反应器)使用简单管。另一些使 用双壁同心管，其也被称作嵌套管（bayonet tubes)。嵌套管可以被定义为内管被与该内管 同轴的外管包围，内管和外管之间的环形空间通常被催化剂填充。在下文中，术语"环形空 间"或"催化区"用于指示由嵌套管划定的所述环形空间。
[0004] 经由该环形区以自顶向下的流向引入天然气或更通常烃进料，并以自底向上的流 向将反应流出物收集在内管的中心部分中。也可以经由内管引入进料并经由环形区4排出 反应流出物。本发明不依赖于流体在嵌套管内的流向。
[0005] 用于制氢的天然气的蒸汽重整反应是高度吸热的并因此通常在炉中或在如上定 义的交换器-反应器中进行。
[0006] 该反应在通常900°C的极高温度下和在通常20至30巴的压力下进行。在这些条 件下，由于材料的机械性能，该反应如果在管内则只能在可行的经济条件下进行。
[0007] 催化交换器-反应器因此由许多管构成，在每小时生产100000 Nm3氢气的装置中 通常为大约200至350个管，这一系列的管封装在接收热流体的壳体中，这意味着可以供应 蒸汽重整反应所需的热。
[0008] 这种热流体或传热流体通常由来自在交换器-反应器外进行的燃烧的烟气构成。
[0009] 因此，催化剂必须以从一个管到另一个管规则的方式安装在所有蒸汽重整管中， 以使各管中的压降相同。
[0010] 这一条件对确保试剂在这一系列催化管中的良好分布和防止某一个管供给不足 (例如这会造成构成该管的材料的严重过热，这种过热显著降低该管的使用寿命）是非常重 要的。
[0011] 类似地，重要的是在管内不存在空隙，即无催化剂或催化剂不足的区域，因为该管 在其内不存在催化反应的情况下会局部过热。此外，催化剂在反应区中的分布的任何不均 匀都可能造成反应流体的流动失衡。
[0012] 因此，本发明的装置的目标是在构成交换器-反应器的一部分的各嵌套管中实现 致密和均匀的装填。
[0013] 现有技术调查 在传统重整炉中，传统上使用装有催化剂的袋子(其在床表面上方打开）装填通常具有 10厘米内径的管。这一装填模式被技术人员称作"套袜装填（sock loading)"并已知不会 带来高装填密度。
[0014] 然后通过用锤子或机械振动系统敲打而手动振动该管，以促使催化剂颗粒适当就 位并使空隙最小化和因此提高装填密度。但是，过度振动可能造成催化剂颗粒破裂和压降 的显著提高。
[0015] 但是，借助这种方法难以产生优质装填并且通常必须重复振动操作数次才能获得 在管之间类似的压降。
[0016] 已经以技术术语Unidense?(最先由Norsk Hydro开发)或以技术术语Spiraload? (由Haldor Tops0e开发）提出其它改进的程序和设备。这些技术适用于单管，但不适用于 嵌套管。
[0017] 申请人的专利FR 2 950 822描述了用3个装填管装填嵌套管的解决方案，存在机 械制动或气动制动。这种装填方法可用于实现嵌套管的致密均匀装填。其是"逐粒"法并 经证实太慢且不适用于包含几百个管的工业反应器规模。
[0018] 一般而言，可以说在蒸汽重整管的催化剂装填领域中有许多文献。其中大多使用 烧性减速工具（flexible slowing means)或斜面形式的刚性障碍物。
[0019] 但是，这些文献无一适用于嵌套管一一装填环形区，避开中心管。
[0020] 本发明的装置因此可以被定义为用于将催化剂致密装填到蒸汽重整交换器-反 应器中所带的嵌套管的环形区中的装置，该装置用于在与工业规模启动的要求相容的时期 内实现交换器-反应器的各管中的均匀装填密度。
[0021] 此外，在某些情况下，本发明的装置必须能够适应由沿管变化的机械和热应力造 成的外管的内径变化并因此适应环形区的尺寸变化。现有技术文献无一可适应这种补充的 限制。
[0022] 附图简述 图1代表在各嵌套管的环形区被分成3个等表面积的装填扇区（其由在催化管的上部 固定中心管用的系统形成）的情况中的本发明的装置。
[0023] 图2代表在内管5横穿环形区上部的情况中的本发明的装置。
[0024] 发明简述 本发明可以被定义为尤其适用于由封装在壳体中的多个嵌套管构成的蒸汽重整交换 器-反应器的用于致密装填催化剂的装置，各嵌套管包含至少部分装有催化剂的环形区。 所述催化剂由占据位于内管5与外管6之间的至少一部分环形空间4的粒子构成，这两个 管的组装件构成嵌套管，所述环形空间的宽度为30毫米至80毫米，且其高度为10至20米。
[0025] 催化剂粒子通常为具有10毫米至20毫米的大致高度和5毫米至20毫米的大致 直径的圆柱体形式。
[0026] 在其基础版本中，本发明的装置由如下构成： ?经由在两个相继螺旋元件的外缘和内缘之间延伸的垂直线或链条以弹性方式连接在 一起的一系列"无轴"螺旋元件。
[0027] 螺旋元件由其相对于垂线的倾斜角一一在30°至60°，优选30°至50°的范围 内、其高度一一在1个螺距至1. 5个螺距，优选1个螺距至1. 3个螺距的范围内、及其随外 管6的内径而变（以在该装置完全布置好时，各螺旋元件占据整个环形截面4)的外径规定。
[0028] 分隔两个相继螺旋元件的垂直距离为50厘米至150厘米。
[0029] 由于没有刚性管占据各螺旋元件的内部空间，各螺旋元件被说成是"无轴"的。
[0030] 螺旋的"螺距"概念应被理解为在其对应于螺旋的一转的垂直距离的常规定义内。
[0031] 在其基础版本中，各嵌套管的环形空间4形成连续空间，只有其上部具有由横穿 外管6的内管5构成的障碍。这种障碍不对本发明的装置的布置带来任何问题。通过在该 装置的布置过程中正确接合各种螺旋元件，其容易绕过。
[0032] 在借助定心器使内管5居中的版本中，本发明的装置也容易绕过这一障碍。
[0033] 如果外管6的内径改变以划定出具有嵌套管的从上到下递减的直径的外管6的区 段，螺旋元件7的系统通过使用在外周具有较小直径的螺旋元件以及固定在该较小直径螺 旋元件的外缘上的例如由橡胶形成的挠性边缘而适应这种横截面变化。
[0034] 在将该装置就位时，挠性周缘压住外管6的壁，然后随着和在该装置上提时，该挠 性边缘展开以与外管6的内壁保持接触，甚至覆盖直径较大的上部横截面。
[0035] 然后可以在链条底部增加压载物以驱使该系统下降到直径更小的区段中。
[0036] 本发明还涉及使用上述装置装填催化剂的方法，所述方法可分解成下述一系列步 骤： ?所述装填系统最初盘绕在外部收线机10上，进料斗1装有固体； ?然后将所述装填系统经环形区4的上部逐渐引入环形区4直至第一螺旋元件7距离 管底部50厘米至100厘米； ?启动传送带或振动输送机2以提供250至500千克/小时的固体流速，所述固体粒子 经由漏斗3引入环形区4; ?随着和在装填管时，以一种方式借助外部收线机10在环形区4中上提所述装填系统 以保持第一螺旋元件7与逐渐构成的床的表面之间的恒定距离，所述距离为50厘米至100 厘米； ?所述系统以〇. 2米/分钟至0. 4米/分钟的等于管装填速度的速度卷起； ?一旦所述管已装满且所述装填系统已卷起，移动所述系统以装填下一个管。
[0037] 发明详述 本发明可以被定义为用于将催化剂致密装填到嵌套管的环形空间4中的装置，各嵌套 管具有10至20米的高度、250毫米至150毫米的外径和10至40毫米的内管5的外径。
[0038] 容纳催化剂的环形空间因此具有大约50毫米的特征宽度。在实践中，根据情况， 环形空间4的特征宽度可以为80至30毫米不等。
[0039] 此外，在一些情况下，外管6具有从上到下分段递减的直径，这因此意味着环形空 间4的特征宽度也从上到下递减。本发明的装置因此必须自行适应特征宽度的这些变化并 在整个系列的区段中保持其性能。
[0040] 催化剂颗粒通常为大约10毫米至20毫米高和0. 5厘米至2厘米直径的圆柱体形 式。
[0041] 它们装填到长度大于15米的管中面临的问题之一是如果不采取任何预防措施地 让它们简单自由下落(这是用于产生致密装填的现有技术的解决方案之一)，这些颗粒有破 碎的风险。
[0042] 另一些问题与环形催化空间的几何