专利名称：用于执行吸热和放热催化反应的反应器和方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的用于执行吸热或放热催化反应的热交换反应器和方法。特别地，本发明涉及一种用于碳氢化合物原料的蒸汽重整以制备包括氢和一氧化碳的合成气体的改进的热交换反应器和方法。
背景技术：
用于执行吸热或放热反应的催化反应器是本领域公知的，特别的例子是用于碳氢化合物的吸热蒸汽重整的反应器和用于放热的甲醇合成反应的反应器。典型地，反应在装有适当固体催化剂的管中执行，包括反应物的过程气流在升高的压力下通过所述管。竖直或水平地在反应器中布置多根管。管与催化反应器的主轴平行敷设，同时外面的热交换介质加热或冷却所述管。管内的固体催化剂提供发生所需的化学反应的催化剂床。催化剂可以固体颗粒或带涂层的结构的形式提供，例如作为固定在蒸汽重整反应器中所述管的内壁上的薄层。
在又一包括多根管的反应器构造中，固体催化剂颗粒可设置在所述管(下文中也称作传热管)的外部，而热交换介质在内部通过。传热管外面的固体催化剂提供在其中发生所需的化学反应的催化剂床。
热交换反应器中使用的传热管的特殊类型是所谓的双重管。双重管基本上是两个基本上同心的管的布置。管壁之间的空间限定环形腔，热交换介质可在其中流动，从而通过流过催化剂床的过程物流和所述热交换介质之间间接的热交换实现温度控制。在包括多根双重管的布置中，所述床中的固体催化剂有利地设置在双重管的内部和外面。
热交换反应器中的又一类型的传热管是两个基本上同心的管的布置，但内管在一端或两端闭合或简单地是实心伸长构件，如金属条或杆。管壁之间的空间限定用于通过热交换介质的环形腔。在包括多根这种类型的传热管的布置中，固体催化剂床仅设置在所述管的外面。
在专利说明书中，术语“催化反应器”、“热交换反应器”和“反应器”可相互交换地使用。通过“催化剂床”是指形成所述床的固体催化剂的体积，其位于传热管的外面，任选地，在双重管的情况下，也在所述管的内部。术语“传热管”和“管”在本说明书中可相互交换地使用，并覆盖与为了执行催化反应的催化剂以及热交换介质接触的任何管。
从EP-A-0271299中已知其中催化剂间接与热交换介质接触的方法和反应器。该引用公开了结合蒸汽重整和自热重整的反应器和方法。在反应器的较低区域中布置的蒸汽重整区域包括具有催化剂设置在其内部的多根管，而在反应器的较高区域，自热重整催化剂设置在蒸汽重整管的外面。EP-A-1 106 570公开了一种蒸汽重整方法，在平行连接的管状重整器(反应器)中进行，所述管状重整器包括多根蒸汽重整管并通过间接热交换被加热。催化剂在一个反应器中设置在蒸汽重整管外面而在另一反应器中设置在蒸汽重整管的里面。
因为实现在反应器的径向方向的均匀温度分布是所希望的，所以在如下反应器构造中，传热管的布局极为重要所述反应器构造包括设置成在多根传热管，如蒸汽重整管，外面的床形式的固体催化剂颗粒。换句话说，理想的是在沿反应器高度的任何给定剖面上，径向方向上的催化剂床的温度尽可能保持常数。
在给定反应器长度或高度时，获得催化剂面积(催化剂占据的反应器剖面的面积)与传热面积(传热管的外表面)的几乎均匀的比，并由此获得催化剂床剖面的内部，即，朝反应器的中心，的均匀温度分布，是不困难的。例如，如果针对相同传热管直径的管中心距保持常数，这种比可保持常数。管中心距是指相邻管的中心到中心的距离。甚至，可获得从例如所述床中心的三角形中心距到接近床外围的矩形中心距的变化，而不用经历催化剂面积与传热面积之比的太大变化。然而，在被加热或冷却的催化剂床的外围，限定反应器外围的环绕外部反应器壁没有加热或冷却催化剂床。在所述催化剂床的外围中，即，在接近外部反应器壁的区域中，获得与朝向反应器中心所遇到的比值相类似的催化剂面积与传热管面积的比可能是不可能的。这种情况尤其如此当在最外面的传热管和外部反应器壁之间需要某一最小距离，从而催化剂颗粒能围绕所述传热管的整个外部表面。如果外部反应器壁非常靠近或直接接触最外面的传热管的外壁，那么固体催化剂颗粒可能不能适配在壁和所述管之间。因此，可产生死角或无催化剂的区域。由于这些无催化剂区域而形成的空白空间导致不期望的气体沟流，并且伴随着在催化剂床中的不均匀流动、不均匀温度分布方面以及未转化的或较少反应的过程气体方面的不理想效应。
发明内容
现在，我们已经研制了通过简单装置而令人惊奇地克服上述问题的反应器。根据本发明，我们提供用于执行吸热或放热反应的热交换反应器，包括限定外部反应器壁的壳体，设置在所述壳体内的、用于在至少设置在所述传热管外面的催化剂床中提供或消除热的多个传热管，以及在所述催化剂床外围中设置的内置元件。
因而，本发明涉及在热交换反应器的催化剂床的外围中提供内置元件，在热交换反应器中，固体催化剂颗粒设置在传热管外面。“催化剂床的外围”意味着在最外面传热管的的外壁和外部反应器壁之间限定的区域。术语“催化剂至少设置在所述传热管的外面”意味着反应器中的催化剂设置在管的外面，但当这些管是双重管时，也可将催化剂设置在所述管的外面和内部。因此，催化剂仅设置在管的内部的反应器不在本发明的范围内。“内置元件”意味着元件设置成接近或与外部反应器壁间接接触，并且用来在催化剂床的外围中产生与在其余的床剖面中所实现的相类似的催化剂面积与传热面积的比。提供内置元件减少了在接近外部反应器壁的区域中催化剂的量，所述内置元件是与反应器布局的传热管平行的伸长构件。因而，内置元件有效地降低催化剂面积并同时可增加用于去除热或冷却的传热面积。适当的内置元件可以是适当厚度和形状的伸长构件，如杆，例如金属杆，其在热交换方面起很小的作用，但仍用来在催化剂床的外围中产生与在其余的床剖面中所实现的相类似的催化剂面积与传热面积的比。优选地，内置元件是传热管，因为它们还允许热交换介质流过。这些管下文中也称作“外围传热管”。
因此，借助本发明，在反应器的整个床中并且特别在外部反应器壁附近，实现了更均匀的温度分布。因为朝着外部反应器壁的温度可保持在与反应器中心大致相同的水平，所以获得了根据均匀的工艺条件而且可以获得更高的过程气体转变，例如在高度吸热的蒸汽重整反应中。
在优选实施方案中，外围传热管具有小于催化剂床其余部分中的普通传热管的剖面面积。外围传热管的剖面经成形以便恰当配合传热管布局中的最外面传热管和外部反应器壁之间的面积，传热管布局即反应器内传热管的布置。通过术语“恰当配合”意味着催化剂颗粒能填充最外面传热管和外围传热管之间的空间，从而是气体沟流最小化。
外围传热管优选与外部反应器壁直接接触设置。外围传热管可以是具有单壁的简单管，并可这样成型，以致于其具有基本上半圆形或三角形剖面。可设想管的其它类型，如双重管。
类似地，如果内置元件是杆，例如，金属杆，其剖面这样形成以恰当配合传热管布局中的最外面传热管和外部反应器壁之间的面积，传热管布局即反应器内传热管的布置。所述杆也可这样成型，以致于其具有基本上半圆形或三角形剖面。其它形状对于本领域技术人员来说是显而易见的。
本发明的一个实施方案中，在热交换反应器的壳体内设置的传热管外面提供形成催化剂床的固体催化剂颗粒，而不是在所述传热管的里面。即，催化剂仅设置在传热管的外面。在又一实施方案中，设置在热交换反应器的壳体内的传热管是双重管；形成催化剂床的固体催化剂颗粒于是设置在所述传热管的外面和里面。
外围传热管外部的区域用固体催化剂颗粒填充，所述固体催化剂颗粒形成在传热管外面的催化剂床部分。流过所述外围传热管的热交换介质有利的是与流过所述催化剂床的过程气流同向或反向流动的流体气体。
附图简述本发明通过
。图1显示半径为R、包含在壳体或耐压壳体(未示出)内的圆柱形热交换反应器的剖面图。图2是热交换反应器的30°扇形的剖面图，仅示出了双重管的外管的外径。
优选实施方式的具体说明图1中反应器的外围由外壁1限定，外壁是金属壁，例如不锈钢。反应器的内部包括多根传热管2，传热管基本上可具有任何形状，但优选是圆柱形的，即具有圆形剖面。传热管2之间的空间包括形成催化剂床3的催化剂颗粒。在此附图中，所述传热管2是双重管，它们的内管充满固体催化剂颗粒3’。传热管2经排列以提供热的均匀分布，并由此提供反应器整个剖面的均匀温度。提供另外的热交换面积并减少外部反应器壁1附近的催化剂量的多个内置元件(在此处是外围传热管4)被设置在所述壁1的附近或直接与其接触，并允许热交换介质5与过程气体6成反向流关系通过。过程气体6，例如包含甲烷作为主要成分的气体混合物，沿着与纸片所在的平面横切的方向通过催化剂，被与过程气体6成反向流动的、流过传热管2的壁之间产生的环形空间的热交换介质5间接冷却或加热。
外围传热管4可具有任意形状，但优选是具有基本上半圆形或基本上三角形的单管，使得其较平的区域能配合外部反应器壁1的曲率。所述外围传热管4可通过适当的锚固装置安装到外部反应器壁1，从而容许不同热膨胀。外围传热管4的剖面具有长轴d1和短轴d2，借此，所述长轴d1限定能配合外部反应器壁1的曲率的较平区域。优选地，外围传热管4与所述外壁1直接接触。在外部反应器壁1和最外层传热管2的最外层壁之间提供最小径向距离d，从而固体催化剂颗粒3能围绕所述传热管2的整个外表面。
通常外围传热管4和传热管2的长度与反应器的长度粗略一致，外围管的长度范围为6至14m。外围管的厚度通常是在3-8mm的范围，然而传热管，此处由双重管代表，通常具有厚度为2-6mm的内壁和厚度为3-8mm的外壁。用于在双重管中通过热交换介质5的环形空间不超过大约4-12mm。
现在参照图2，示出的双重管的布局是30°扇形，它可以镜像成60°扇形。重复这种60°扇形以形成完全360°的管布局。在管外面的包含催化剂的面积可分成由从双重管中心到双重管中心画出的线限定的子面积。所有这些包含催化剂的面积从三个外管接收热，每根管分担对应管周长的60°的传热表面，由此构成等于外管的半圆周(180°)的总传热表面。在双重管之间存在11个不同尺寸的位置，其限定了标号为1-11的区域。标示为1、2、6和10的位置仅示出一半，需要镜像(镜像线在自由侧)以给出该特定位置的的全部外形和尺寸。
传热管优选设置在三角形管心距中，从双重管中心到双重管中心的最小距离大约是143mm。这使得相邻的双重管的外管之间的距离为大约29mm，这给予催化剂颗粒充分的空间以填充间隙。
计算不同位置的催化剂面积。具有最小面积3774mm2(2×1887mm2)的位置1被提供最多的热，而具有最大面积5304mm2(2×2652mm2)的位置10具有最差的热供应。对于上面的两个位置而言，催化剂面积与热表面的比，由催化剂面积除以外管的外周长来限定，各自是21.0mm2/mm和29.5mm2/mm。然而，在反应器运行期间，会有一些气体的混合和跨过编号区域的边界水平传热，这将减小不同位置的不同催化剂面积与热表面比值的影响。
管外面的催化剂面积沿反应器的直径被分成5个“催化剂环”，其由位于相同或接近相同的直径上的双重管的中心之间画出的线限定。在下表中给出管的最佳布局的结果表
在第五环中，标有*的值包括来自具有三角形剖面的外围传热管的传热表面。只计算与催化剂接触的面积。
令人满意的是，发现催化剂面积和传热表面之比的变化小。内环(No.1)被提供过多的热但仅构成总催化剂面积的3.7％。为了补偿从外部反应器壁的热损失，外环(No.5)中的传热表面大于平均的传热表面。当没有外围的传热管时，催化剂环中的总催化剂面积是171178mm2，而环中的总热表面周长是4668mm。获得催化剂面积与热表面的大的比值36.7mm。
CFD计算确定来自管外的催化剂床的温度变化在±30℃内。
借助于来自于设置在热交换反应器下游的自热重整反应器的热流出物气体以及来自本方法的蒸汽重整产物气体所供应的热，本发明对于碳氢化合物原料的蒸汽重整特别有用，所述碳氢化合物原料包括甲烷。来自自热重整反应器的的热流出物气体具有大约1050℃的温度，与本发明的热交换反应器中的转化的过程气体合并，所述转化的过程气体在反应器底部在大约880℃离开催化剂床。通过允许合并气体向上流过传热管以及位于接近或在外部反应器壁处并与传热管平行的外围传热管，合并气体用于催化剂床的间接加热，所述催化剂床设置在反应器布局的传热管的外面。合并气体从大约1000℃冷却到大约650℃，所述合并气体在该温度离开反应器，并被作为富氢合成气流被去除以进行进一步的加工。
因此，本发明也包括用于碳氢化合物原料的蒸汽重整的方法，包括(a)通过将来自自热重整器的热流出物气体与离开催化剂床3，3’的转化的过程气体6合并，在热交换反应器中形成合并气体5，所述催化剂床3，3’被至少设置在反应器布局的传热管2外面，(b)将所述合并气体5通过所述优选是双重管的传热管的环形空间，用于间接加热所述催化剂床3、3’，(c)从热交换反应器中除去所述作为富氢合成气流的合并气体5，其中热交换反应器包括位于接近或在外部反应器壁1处的外围传热管4，从而步骤(a)的合并气体5通过与传热管2平行设置的所述外围传热管4。
权利要求
1.用于执行吸热或放热反应的热交换反应器，包括限定外部反应器壁(1)的壳体；布置在所述壳体内的多个传热管(2)，用于在至少设置在所述传热管(2)的外面(3)的催化剂床(3、3’)中提供或去除热，和设置在所述催化剂床(3)外圆周中的内置元件(4)。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中，传热管(2)是双重管，从而形成催化剂床(3、3’)的固体颗粒既设置在所述传热管(2)的外面(3)又设置在所述传热管(2)的里面(3’)。
3.根据权利要求1所述的反应器，其中，形成催化剂床的固体颗粒在传热管(2)外面(3)但不在传热管(2)的里面(3’)以催化剂床形式提供。
4.根据在先任一项权利要求所述的反应器，其中，所述内置元件是外围传热管。
5.根据在先任一项权利要求所述的反应器，其中，所述内置元件是伸长构件，如金属杆。
6.根据在先任一项权利要求所述的反应器，其中，所述内置元件(4)被设置成与外部反应器壁(1)直接接触。
7.根据在先任一项权利要求所述的反应器，其中，内置元件(4)具有基本上三角形或半圆形剖面。
8.根据权利要求4所述的反应器，其中，通过所述外围传热管(4)的热交换介质(5)是与通过催化剂床(3)的过程气流(6)逆向流动的流体气体。
9.用于碳氢化合物原料的蒸汽重整方法，包括(a)通过将来自自热重整器的热流出物气体与离开催化剂床(3，3’)的转化了的过程气体(6)合并，在热交换反应器中形成合并气体(5)，所述催化剂床(3、3’)至少设置在反应器布局的传热管(2)外面，(b)将所述合并气体(5)通过所述传热管的环形空间，用于间接加热所述催化剂床(3、3’)，(c)从热交换反应器中除去作为富氢的合成气流的所述合并气体(5)，其中所述热交换反应器包括位于接近或在外部反应器壁(1)处的外围传热管(4)，以使步骤(a)的合并气体(5)通过与传热管(2)平行设置的所述外围传热管(4)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，传热管(2)是双重管，并且合并气体(5)通过所述双重管的环形空间。
全文摘要
用于执行吸热或放热反应的热交换反应器，包括限定外部反应器壁(1)的壳体，在所述壳体内设置的、用于在至少设置在所述传热管(2)的外面(3)的催化剂床(3、3’)中提供或消除热的多根传热管(2)，以及设置在所述催化剂床(3)的外围的内置元件(4)。
文档编号C01B3/38GK101060920SQ200580036547
公开日2007年10月24日 申请日期2005年10月14日 优先权日2004年10月26日
发明者S·G·汤森, M·博, N·埃里克斯特鲁普, O·霍尔姆-克里斯坦森 申请人:赫多特普索化工设备公司