专利名称：用于高压转化炉反应器的带衬里的转化炉管的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于生产富氢气体或合成气体的蒸汽转化炉。更确切地说，本发明涉及用于转化炉中的转化炉管。
长期以来，对流式的转化炉已用于催化气体反应，包括生产富氢气体或合成气体。此种转化炉的基本设计可从美国专利3958951号(1976，5，25)得知。
基本上说，转化炉是利用一外部的燃烧室，此燃烧室具有一批燃烧器，产生出高温烟气，给一组合体中的一系列过程或转化炉管供热，此组合体则包括一接附到这些转化炉管上的管板，安装此管板将这些管子保持于转化炉中。上述转化炉管一般均在管的一部分中配置有催化剂，以便原料气通过催化剂进行反应。在80年代后半期，已周知把陶瓷管用在对流转化炉中。
上述的美国专利3958951号利用的转化炉管在两端敞开，中央段用来盛装催化剂，产品气体通入一中央管中以便排出。然而，此种转化炉已发展为采用一端敞开一端封闭的插入式管了，它的一般结构可参看美国专利4810472号(1989，3，7)。
但是，本项工艺中当前已知的这类转化炉管，在处理高压与高温系统时并非完全可靠。为此，本发明的目的之一在于提供一种收进的转化炉管，以用于高温高压下对流式转化炉中的蒸汽转化。
上述目的和其它目的是通过本发明的蒸汽/甲烷转化管组合体来实现的，这种组合体用于对流式转化炉反应器，它具有原料气体进口装置、产品气体出口装置、同此进口与出口装置协同工作的一批转化炉管，以及将加热介质供应到这些转化炉管外部的装置;这类转化炉管包括一种陶瓷管，此陶瓷管有内、外径、敞开的顶端、封闭的底端以及基本上接附在此开顶端处的支承装置;一耐腐蚀的衬里，此衬里有内径、在工作温度下基本上等于陶瓷管内径的外径、敞开的顶端、封闭的底端，以及一设置于中央的金属管，此金属管有内、外径、开顶端、开底端以及基本上接附在此开顶端处的支承装置，其中，此中央设置的金属管的开底端不与此衬里的闭底端接触，且其中，此中央设置的金属管的外径显著地小于衬里的内径，从而在它们之间形成一环域，在此环域中设置有催化剂，使得在工作期间将原料气体引向此在衬里与中央设置的金属管之间的催化剂反应生成产品气体，此产品气体通过金属管开底端与衬里闭底端之间，沿金属管内部上移，再经产品气体出口排放到转化炉反应器之外。
本发明的上述衬里是陶瓷管内侧上的金属或非金属涂层的形式，或是一种独立的金属衬里管形式，后者的外径在室温时小于陶瓷管的内径，但在工作温度时则与陶瓷管的内径基本相等。
本发明在陶瓷管与常会腐蚀陶瓷的工艺气体组分(最主要是蒸汽)之间提供了一种抗腐蚀屏障。
此外，发现在使用的陶瓷管与衬里之间有一种协合效应。陶瓷管能提供在约2300°F与更高的温度下完成转化工艺所必要的结构强度、整体性与热性质，而取得较高的效率，对此，绝大部分金属则是无效的。衬里可提供即使是最佳陶瓷材料也不能具有的耐腐蚀特性。还有，这种转化工艺可以在陶瓷管壁与衬里之间有很高的压力差，即△p约为600psi(磅/英寸2)或更大时进行。
在下面的附图中，是以相同的参考字代表相同的部件，这些附图是用来例释本发明便于更好地理解它。所示的实施例都无意以任何方式限制本发明。
图1是本发明采用金属衬里管的转化炉管的纵剖面图。
图1A是本发明采用金属衬里管的转化炉管另一实施例的纵剖面图，其中在陶瓷管上有一金属端用来连接支承装置。
图2是一对流式转化炉反应器部分切除的纵剖面图，在此反应器中示明了图1中的转化炉管。
图3是支承图1的转化炉管的最佳管板部分切除的平面图。
图4是本发明采用了耐腐蚀金属或非金属涂层的转化炉管的纵剖面图。
图4A是本发明采用耐腐蚀金属或非金属涂层的转化炉管另一实施例的纵剖面图，其中在陶瓷管上有一金属端用来连接支承装置。
下面详述本发明。
图1所示本发明的转化炉管2包括一陶瓷管4，在其开放端由一下部管板6支承;一金属衬里管8，由一中部管板10支承;以及一两端敞开的中央配置管12，由一上部管板14支承。另一种情形则如图4所示，陶瓷管4在其内侧有一金属或非金属涂层9，这时就不需用中间管板10。
管板6、10(当使用到时)与14最好同中央管12一样采用金属材料制成。中央管12与金属衬里管8最好分别通过周边焊接部16，接合到金属制的上部管板14与中部管板10之上而形成气密封连接。类似地，陶瓷管4如美国专利4642864号所概要描述的，通过一环绕其周边的陶瓷一金属接头18接合到金属制下部管板6上，形成气密封连接。
又有一种如图1A与4A所示的方式，利用一种陶瓷管4，它有与之等直径的金属终端50，后者可通过焊接部16焊合到下部管板6上而不必采用在下部管板6处环绕着陶瓷管4外周的陶瓷金属接头18。至于金属端50，则最好采用例如Dupont Lanxide公司当前所开发的取对接头52形式的陶瓷-金属接头，接合到陶瓷管4的陶瓷部段上。
本发明的最佳结构是，其中的陶瓷管4、衬里管8(当使用到时)以及中央配置金属管12，仅在一个位置即在管板6、10(当使用到时)与14的支承装置上固定，这样便可在温度变化与作业期间作有限的运动。此外，上面固定有关部件的支承装置是处在转化炉反应器的最冷部件，从而可以限制有可能导致损坏的极端情形出现。
这里的陶瓷管4、金属衬里管8或涂层9、中央管12、以及管板6、10与14、焊接部16与接头18，均能在工作温度下经受住至少600psig的内压，计划的工作压力为50-600psig而最好是120～300psig。
陶瓷管4的底端封闭，最好用α型碳化硅制成，例如Carborundum公司出售的商品名为HEXOLOY SA，但也可由以碳化硅为基础的复合材料制成，其中包括可购自Dupont Lanxide公司的由Longside DIMOX法制得的复合材料、反应键合的碳化硅、氮化硅、氧化铝或氧化铝-碳化硅复合材料。陶瓷管4的外径(o.d.)最好从约2 1/2 ″至约6″，最理想的约为3 1/2 ″，内径(i.d.)较o.d.小约1/4″至约2″，而当o.d.约为3 1/2 ″时则i.d.最好为约3″。陶瓷管4的长度最好从约20至约40英尺。
图1与1A所示金属衬里管8沿其侧边与封闭底端的厚度，最好在约0.05至约0.125英寸的范围内。如图1与1A所示，金属衬里管8的敞开的顶端最好延伸到超出陶瓷管4敞开的顶端，并接合到一中部管板10上，且如图1与3所示，围绕其周边为一焊接部16所密封。
金属衬里管8最好由镍，可自Inco International公司购得的INCOLOY 800HT、304H或316H型不锈钢，合金或任何其它适当的金属制成，它起到抵抗流经其中的工艺气体成分腐蚀的屏障作用。图1与1A的金属衬里管8的o.d.在室温下略小于陶瓷管4的i.d.，这就在陶瓷管4的i.d.与金属衬里管8的o.d.之间留有一小空隙，允许金属衬里管8在加热时膨胀。当转化炉管2的温度增至其工作温度时，金属衬里管8的直径将比陶瓷管4的直径膨胀得更多，金属衬里管的o.d.一般将触及陶瓷管4的i.d.。
图4与4A所示的金属或非金属涂层9是在陶瓷管4整个内壁与底部上的薄涂层，厚度从约0.0005至约0.001英寸。由于有涂层9涂敷到陶瓷管4之上，就不需图1与1A所示实施例中所用那种中部管板10之类的独立支承装置。此外，由于涂层9极薄，此种金属涂层的膨胀系数大于陶瓷管4的膨胀系数的问题便无关紧要了。
尽管在图4与4A中所示的涂层9送到陶瓷管4的敞开端，但应认识到，为了提供所需的抗腐蚀性，这一涂层可以超出图4中的敞开端，和仅须超出图4A中的陶瓷-金属对接头52。
涂层9是由耐腐蚀的金属或非金属材料制成。就金属涂层而言，前面对金属衬里管8列出的种种金属也都可以理想地用于涂层9。此金属涂层9采用了等离子喷涂，而在需用镍涂层时最好采用无电镀镍法，涂镀到陶瓷管4的内侧上。
用作涂层9的较理想的非金属材料包括各型氧化铝、氧化铝的氮化物、氧化锆以及在工作环境中较陶瓷管4更具抗腐蚀性能的陶瓷材料，至于具体用上述哪种材料则取决于所需的反应。这类非金属材料是经等离子喷涂、粉浆浇住或凝胶浇住而涂布到陶瓷管4上的。
中央管12是由金属或金属合金制成，但最好是由镍、INCONEL617、INCOLOY 800H或INCOLOY 800HT制成，这些都可从Inco国际公司购到，其中以INCOLOY 800HT最为理想。中央管12的外径显著地小于衬里8或9的内径，因而在衬里8或9的内侧与中央管12外侧之间形成一环域34。此环域34充填有用于反应的催化剂，悬置于一格栅36之上，后者伸延于金属衬里8的内侧和中央管12外侧之间，紧邻中央管12的底部敞开端。
根据所希望的反应结果，可采用任何粒状形式的催化剂。用于蒸汽-甲烷转化的典型催化剂是在一种氧化铝基底上的镍基催化剂。格栅36的孔径应小于催化剂的粒度，从约1/4至约5/8英寸。
中央管12设于转化炉管2的衬里8或9内，使中央管12底部的敞开端不触及衬里8或9的底部封闭端。中央管12底部敞开端与衬里8或9封闭端内侧之间的开口，可使工艺气体从环域34的催化剂床中排出并通入中央管12的内部而迁移到产品气体出口26。实际上在转化炉20工作期间，是把中央管12的开放底部与衬里8或9封闭的底部之间保持有某种尺寸。
中央管12的敞开底端与衬里8或9的封闭底端内侧间的空隙，最好近似地等于中央管12外侧与衬里8或9相配合的内侧间的环域宽度。于是，当采用这样的最佳尺寸，其中陶瓷管4具有3 1/2 ″o.d.与3″i.d.，衬里8或9的厚度小于约0.1英寸，同时中央管12的o.d.为1″时，此中央管12敞开底端与衬里8或9封闭底端内表面间的空隙就在约1/2英寸至约6英寸之间，最好是约为1英寸。
如前所述，管板6、10与14应尽可能采用金属，最好以304H型或316H型不锈钢或INCOLOY 800H用于板6，以304H型不锈钢或2 1/4 cr-1Mo钢用于管板10(当使用时)，和以2 1/4 Cr-1Mo或1 1/4 Cr-0.5Mo钢用于管板14，或是采取相对应的等效材料。在图1与1A中的下部管板6与中部管板10之间的距离虽然并不需要是任何特定的距离，但当采用有适当长度的转化炉管2，采用的陶瓷管4的长度从约20至40英尺时，上述距离则最好从约1至约3英尺。当如图4与4A所示，采用了涂层9而不是金属衬里管8时，就不用中部管板10，而上部管板14与下部管板6之间的距离最好从约3至约6英尺，又允许催化剂的装载和原料气体的流动不受限制。
本发明的转化炉管2是计划用于任何相匹配的转化炉反应器的。图2示明了拟采用本发明的转化炉管的一种通用型的转化炉反应器20。此反应器20基本上包括一外壳22，此外壳上有原料气体入口24;产品气体出口26;在反应器20底部的入口28，用来让加热介质即热烟道气，通过一多孔的烟道气分布器45进入一加热段30;以及一个或多个烟道气排出口。上述加热段30在底部为分配器45限定，在顶部为下部管板6限定，基本上位于转化炉管2的陶瓷管4的整个长度范围内。烟道气排出口32位于或邻近加热段30的顶部，用于当加热介质已将其至少一部分热传递给转化炉管2为其提供反应热以后，从排出口32排出加热介质。
为了能承受进入室30的热烟道气的热，此多孔的分配器45最好由前面列出的用于陶瓷管4的那类陶瓷材料制成。
在此最佳实施例的作业期间，将原料气体引入到转化炉20时，是通过入口24进入室38的，此室为上部管板14的底面，与图1及1A中的中间管板10的顶面或与图4中的下部管板6的顶面所界定，采用了从约50至约600psig的恒压，而最好是从约120至300psig的恒压。
室38中的原料气体向下通过环域34间的催化剂床，借助于催化剂反应形成产品气体。反应所需热来自热烟道气，此种烟道气在压力下于外部形成时是通过反应器20底部加热介质入口28送入室30，或者，如美国专利3958951号所述，此种热烟道气可于内部形成。上述热烟道气通过多孔分配器45向上流动，与在环域34中所充填的催化剂内流动的工艺气体逆向流动，而在此烟道气的一部分热已移出时，即在室30顶部或其附近排出，经烟道气出口32排放到反应器20之外。
上述转化作业一般是在约2300°F或更高的温度下，利用进入室30的热烟道气进行的。这种加热介质的压力虽可以用任何适当的压力，但最好是从约120psig至一等于原料气体在管内的压力，在本例中，也即为300psig。当热烟道气通过转化炉管2并将热传递给此转化炉管2，到从室30排出时，烟道气的温度降至约1050°F至约1500°F。这一温度降至少部分取决于管2的长度，当此种管较短，出口的烟道气温度也较高，而需要适应较高温度的密封件与部件。
尽管图1与1A所示的金属衬里管8的o.d.在室温下并不触及陶瓷管4的i.d.，但在工作温度下，金属衬里管8的o.d.一般会与陶瓷管4的i.d.接触，这是因为当加热至工作温度时，陶瓷的膨胀系数远比金属的低。所以，在工作温度下，金属衬里管8的o.d.基本上相同于因而一般地会接触到陶瓷管4的内径。
自然，图4与4A所示的金属或非金属涂层9总是与陶瓷管4接触。
在上述参数下，中央管12最好具有约1″的o.d.，因此，在中央管12外壁与衬里8或9内壁之间充填有催化剂的环域39最好在工作温度下保持约1″的环隙宽度。
已经通过环域34的催化剂床且穿越格栅36的工艺气体，在衬里8或9的封闭端改变方向，从中央管12的敞开底端周围，进入中央管12向上流动。然后产品气体从中央管12的敞开顶端排到上部管板14上方，进入室40并由产品气体出口26排出。
进入环域34的原料气体的压力通常大于陶瓷管4外侧的压力，并继续保持到整个转化作业过程。例如一此原料气体的压力有可能是300psig，而陶瓷管4外侧加热介质的压力则可能为120psig。但是，在陶瓷管4内外侧压力基本相等或其间有某种差距的条件下操作，也是可取的。
在上述原料气体压力和最佳实施例的尺寸下，此过程的反应时间，即从原料气体进入环域34，在高温下同催化剂接触之时起，到产品气体逸出环域34时止，约为2秒。在约1900°F下的热产品气体沿中央管12向上运动，并随着将热量传递给环域34而冷却。
用陶瓷管可以获得的较高的处理温度使得甲烷原料气体的转化率几乎达到完全的即99%的程度，而在传统的转化炉中，由于受制于金属管的上限温度，这种转化率仅约为85%。陶瓷管壁的温度可接近2300°F(使用2300°F的烟道气)，而允许在环域34底部的过程出口温度约为1900°F。作为比较，现行工艺水平下的金属管在转化条件下的管壁温度限制为约1850°F，即允许的处理温度仅约为1600°F。
尽管本发明已在其最佳实施例中作了描述，但对于熟悉本项工艺的人所显然可知的各种改型，都应认为属于本发明的精神与范围内，而只受后附权利要求书的限制。前面所援引的各号专利已综合于本发明中作为参考。
权利要求
1.一种用于对流式转化炉反应器的转化炉管组合体，它包括原料气体进口装置、产品气体出口装置、产品气体出口装置、同此进口与出口装置协同工作的一批转化炉管，以及将加热介质供应给这些转化炉管外部的装置，转化炉管包括一种陶瓷管，此陶瓷管有内、外径、敞开的顶端、封闭的底端以及基本上接附在此开顶端处的支承装置；一耐腐蚀的衬里，此衬里大体上与陶瓷管内侧形状相符，有内径、有在工作温度下基本上等于陶瓷管内径的外径、开顶端、闭底端，以及一中央配置的金属管，而此金属管有内径、外径、开顶端、开底端以及基本上接附在此开顶端处的支承装置，其中，此中央配置的金属管的开底端不与此衬里的闭底端接触，且其中，此中央配置的金属管的外径显著地小于衬里的内径，从而在它们之间形成一环域，在此环域中设置有催化剂，使得在工作期间将原料气体引向此衬里与中央配置的金属管之间的催化剂反应生成产品气体，此产品气体通过金属管开底端与闭底端之间，沿金属管内部上移，再经产品气体出口排放到转化炉反应器之外。
2.如权利要求1所述的转化炉管组合体，其特征是陶瓷管由下述各材料中之一制成α碳化硅、反应键合的碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铝/碳化硅的复合物、以及以碳化硅为基础的类似复合物。
3.如权利要求1所述的转化炉管组合体，其特征是陶瓷管外径约为3 1/2 ″，内径约为3″，而长度从约20至约40英尺。
4.如权利要求1所述的转化炉管组合体，其特征是陶瓷管的敞开端还包括一用来接附到支承装置上的金属端。
5.如权利要求1所述的转化炉管组合体，其特征是其衬里包括一种金属衬里管，此管的外径在室温时小于陶瓷管的内径，且此管的敞开顶端最好延伸到超出陶瓷管4的敞开顶端但不及中央管的敞开顶端，同时此衬里还包括有基本上接附在此金属衬里管敞开端的支承装置。
6.如权利要求5所述的转化炉管组合体，其特征是金属衬里管是由下述各材料中之一制成镍、INCOLOY 800HT、304H型不锈钢、316H型不锈钢或类似材料。
7.如权利要求6所述的转化炉管组合体，其特征是金属衬里的厚度约为0.05至0.125英寸。
8.如权利要求1所述的转化炉管组合体，其特征是此衬里包括在陶瓷管上的金属涂层。
9.如权利要求8所述的转化炉管组合体，其特征是金属涂层料选自下述各金属之一镍、INCOLOY 800HT、304H型不锈钢、316H型不锈钢或类似金属。
10.如权利要求8所述的转化炉管组合体，其特征是其涂层厚度在约0.0005至约0.001英寸范围内。
11.如权利要求1所述的转化炉管组合体，其特征是此衬里包括一种在陶瓷管内侧上的非金属涂层。
12.如权利要求11所述的转化炉管组合体，其特征是其非金属涂层料选自下述各材料中之一各型氧化铝、氧化铝氮化物、氧化锆、陶瓷与陶瓷复合材料。
13.如权利要求10所述的转化炉管组合体，其特征是其涂层厚度是在约0.0005至约0.001英寸范围内。
14.如权利要求1所述的转化炉管组合体，其特征是中央配置管是由选自下述各金属合金中之一制成INCONEL 617、INCOLOY 800H、INCOLOY 800HT及类似材料。
15.如权利要求1所述的转化炉管组合体，其特征是其中央配置金属管具有约1″的外径。
16.如权利要求15所述的转化炉管组合体，其特征是其中央配置金属管的开底端与衬里的闭端间的距离，于操作过程中保持为从约1/2″至约6″。
17.如权利要求1所述的转化炉管组合体，其特征是中央配置金属管的开顶端延伸到陶瓷管敞开端的上方。
18.如权利要求1所述的转化炉管组合体，其特征是中央配置金属管的支承装置是一上部管板，围绕着此中央配置金属管的周边密封。
19.如权利要求18所述的转化炉管组合体，其特征是此上部管板是由下述各金属材料中之一制成2 1/4 Cr-1Mo钢、1 1/4 Cr-0.5Mo钢与类似材料。
20.如权利要求19所述的转化炉管组合体，其特征是上部管板是通过焊接密封到中央配置管的外周边上。
21.如权利要求18所述的转化炉管组合体，它还包括一带有出口的室，顶部为转化炉反应器顶部界定，其底部为上部管板界定，此室与中央配置金属管的内部和产品气体出口成流体连通，从中央配置金属管出来的产品气体经产品气体出口排送到反应器之外。
22.如权利要求5所述的转化炉管组合体，其特征是金属衬管的支承装置包括一环绕金属衬里管外周密封的中间管板。
23.如权利要求22所述的转化炉管组合体，其特征是中间管板是由下列各金属之一制成304型不锈钢、2 1/4 Cr-1Mo钢及其类似材料。
24.如权利要求23所述的转化炉管组合体，其特征是金属衬里管的外周边是经焊接密封到中间管板上。
25.如权利要求22所述的转化炉管组合体，其特征是它还包括一带出口的室，此室的顶部为转化炉反应器的顶部界定而底部为上部管板界定，且与中央配置金属管的内部和产品气体出口成流体连通，从中央配置金属管出来的产品气体经产品气体出口而排送到反应器之外，其中金属衬里管的支承件包括一密封到金属衬里管外周边上的中间管板，此转化炉管组合体还包括一带入口的室，此室由中间管板与上部管板之间的空隙界定，并同原料气入口以及金属衬里管与中央配置金属管之间的环域形成流体连通。
26.如权利要求25所述的转化炉管组合体，其特征是上部管板与中部管板的间距从约3英尺至约6英尺。
27.如权利要求1所述的转化炉管组合体，其特征是陶瓷管支承装置是一下部管板。
28.如权利要求27所述的转化炉管组合体，其特征是下管板是由下述各金属材料之一制成304H或316H型不锈钢、INCOLOY 800H及类似材料。
29.如权利要求28所述的转化炉管组合体，其特征是陶瓷管的外周边是由围绕此外周边的一种陶瓷/金属接头密封到下部管板上的。
30.如权利要求27所述的转化炉管组合体，其特征是它还包括有顶部为上部管板而底部为下部管板所界定的带原料气体入口的室，此室同衬里与中央配置管间的环域成流体连通，而此原料气体入口与反应器连通。
31.如权利要求30所述的转化炉管组合体，其特征是上部管板至下部管板的距离约3英尺至6英尺。
32.如权利要求4所述的转化炉管组合体，其特征是陶瓷管的支承装置为下部管板。
33.如权利要求32所述的转化炉管组合体，其特征是下部管板是由下述各金属材料之一制成304H或316H型不锈钢、INCOLOY 800H以及类似材料。
34.如权利要求33所述的转化炉管组合体，其特征是金属端的外周是通过焊接密封到下部管板上。
全文摘要
用于转化炉反应器的一种转化炉管组合体，它包括具有开顶端与闭底端的陶瓷管、用于此陶瓷管的也具有开顶端与闭底端的抗腐蚀衬里、以及具有开顶端与开底端的中央配置金属管，后者的直径显著小于衬里的直径，以便在衬里内侧与此金属管外侧间形成一放置反应用催化剂的环域，且此金属管开底端与衬里闭底端之间留有间隙，允许从填充催化剂的环域出来的工艺气体沿衬里的闭底端通过，且沿金属管内部上行。
文档编号C01B3/38GK1085652SQ9310895
公开日1994年4月20日 申请日期1993年7月20日 优先权日1992年7月20日
发明者J·J·威廉斯, R·A·罗森堡, L·J·麦克唐劳 申请人:史东及韦伯斯特工程公司