具有射流冲击热传递的管状反应器的制作方法

专利名称：具有射流冲击热传递的管状反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于由反应物混合物生产产物混合物的方法和管 状反应器。更具体地说，本发明涉及改进管状反应器中的热传递。
背景技术：
含有具有催化剂的包装的反应器已经有所描述，例如，在蒸汽 曱烷转化中使用的管状反应器。包装可以是诸如催化剂微粒的随机 包装或者所谓的结构化包装。与随机包装相比，结构化包装可产生 更低的压降，不容易液化，并且不易于沉积或粉碎。由于管状反应 器常常从外部加热或冷却，这种反应器的另一个重要特征涉及外部 热源/水槽与反应器内的处理液之间的热传递。
管状反应器可含有随机包装或者结构化包装，其中包装包括用 于期望反应的催化剂。与随机包装相比，结构化包装巳经被相信具 有更低的压降。
人们已经认识到管状反应器中的热传递很重要。有关改进管状 反应器中的热传递的努力已经有所描述。
Davidson在美国专利No.4340501中描述了反应器容器中的结 构，其中流体间歇性但可控制地与容器壁接触。结果，Davidson 声称这能够得到具有微粒床的热传递特性的蜂窝结构的平滑流动 特性。
在Davidson的发明中，用于使流体与容器壁接触的工艺的特 征在于，使流体交替流经(a)容器内的结构和(b)所述结构与容 器壁之间的空隙。Davidson还描述了用于进行该工艺的设备，包括 容器和容器内部的结构。
Repasky等人的美国专利公开文献No.2007/0297956公开了用于增加具有结构化包装的管状反应器中的热传递的方法和由该方 法所制备的反应器。该方法是在构造过程中使结构向着管状反应器 的壁膨胀，从而减小壁与包装之间的间隙。流体被挤压在包装和管 壁之间。减小的间隙增加了流体的速度，从而增加了热传递。
这种方法和热传递依赖于结构与管壁之间的间隙的任何方法 所具有的问题在于，在高温高压下的延伸操作之后，管会经历时间
依赖性塑性变形，通常称为"塑性变形(creep)"，导致管直径增加 以及管壁与结构化包装之间的间隙相应增加。由于热传递的机制依 赖于该间隙中流体的速度，当间隙变大时速度降低，当管塑性变形 时热传递降低。当热传递降低时反应器性能降低。
期望在管状反应器的整个寿命期内，尤其是在管发生塑性变形 时都要保持管状反应器中的热传递效率。本发明解决了在管状反应 器中由管的塑性变形导致的热传递降低的问题。

发明内容
本发明涉及用于在管状反应器中生产产物混合物的方法。管状 反应器包括具有管壁的管，和位于管内的插入物。管状反应器具有 管状反应器入口和位于管状反应器入口下游的管状反应器出口 。插 入物包括催化剂，并且插入物具有用于形成流体射流的多个孔。所 述多个孔的特征由水力直径d和与管壁的间隔h来描述，其中，对 于多个孔来说，h/d的范围为从0.5到10或者从1到10。间隔h 的范围可以从0.5mm到10mm。所述方法包括
(a)将包括一种或多种反应物的反应物混合物在第一压力pi以 入口表观轴向速度vs引入到管状反应器入口中；
(b )使来自反应物混合物的一种或多种反应物与插入物的第一 部分上的催化剂接触，以使一种或多种反应物在对形成包括一种或 多种反应物和一种或多种产物的第 一 中间体混合物有效的反应条件 下进4于反应；
(c )利用第 一 中间体混合物的至少 一 部分形成多个第 一 流体射流；
(d) 使多个第一流体射流冲击在管壁上，从而在管与来自多个 第 一 流体射流的第 一 中间体混合物之间传递热量；
(e) 使来自多个第一流体射流的第一中间体混合物的至少一部 分远离管壁转向，从而形成包括一种或多种反应物和一种或多种产 物的回流；
(f) 使来自回流的 一种或多种反应物与插入物的第二部分上的 催化剂接触，以使一种或多种反应物在对形成包括一种或多种反应 物和一种或多种产物的第二中间体混合物有效的反应条件下进行反
应；
(g )利用第二中间体混合物的至少 一部分形成多个第二流体射 流，第二多种流体射流位于多个第一流体射流下游；
(h) 使多个第二流体射流沖击在管壁上，从而在管与第二中间 体;昆合物之间传递热量；
(i) 使来自多个第二流体射流的第二中间体混合物的至少 一部 分远离管壁转向；和
(j)在第二压力p2将包括一种或多种产物的产物混合物从管状 反应器出口抽出；
其中，管状反应器中的累积压降Ap射流从经过多个孔的流动得到，
并且
AP射流/ (Pi誦P2) AP射流/ (p广p2)可以大于或等于0.75或者
大于或等于0.9。
多个第一流体射流可具有范围为2xvs到25xvs的径向速度分 量，并且多个第二流体射流可具有范围为2x^到25xvs的径向速度分量。
多个第一流体射流可具有范围为10xvs到25xvs的径向速度分 量，并且多个第二流体射流可具有范围为10xvs到25xvs的径向速 度分量。
该方法可进一 步包括从外部对管壁进行加热，使管与第 一 中间
8体气体混合物之间的热传递是从管向第 一 中间体气体混合物进行 的。
该方法还包括在燃烧反应中在管壁外面燃烧燃料，并将来自燃 烧反应的热量传递到管壁，使管与第 一 中间体混合物之间的热传递 是从管向第 一 中间体混合物进行的。
该方法可进一步包括提供管状反应器。
一种或多种反应物可包括CH4和H20,并且一种或多种产物可 包括H2和CO。
在该方法中使用的催化剂可以是蒸汽转化催化剂。
对形成第一中间体混合物有效的反应条件可包括从40(TC到 1000。C范围的温度和从100KPa到4200KPa范围的压力，并且对形 成第二中间体混合物有效的反应条件可包括从400。C到1000。C范 围的温度和从lOOKPa到4200KPa范围的压力。
所述方法可进一步包括从外部对管壁进行冷却，使管与第一中 间体气体混合物之间的热传递是从第 一 中间体气体混合物向管进行的。
本发明还涉及具有管状反应器入口和位于管状反应器入口下 游的管状反应器出口的管状反应器，其中管状反应器包括具有管壁 的管，和位于管内的插入物。插入物包括催化剂和沿管的纵向长度 方向连续设置的多个金属结构，多个金属结构的每一个都具有上游 端，下游端和围绕上游端和下游端之间的中央空间的侧壁，其中上 游端限定到中央空间的入口 ，中央空间在下游端处至少部分4皮封 闭，侧壁具有适于形成从中央空间指向管壁的流体射流的多个孔， 多个孔的特征由水力直径d和与管壁的间隔h来描述，其中，对于 多个孔来说，h/d的范围为从0.5到10，多个金属结构的每一个在 管壁与多个金属结构的每一个的侧壁之间限定外部空间，外部空间 与相邻的下游金属结构的入口和/或管状反应器出口流体连通。
多个金属结构的每一个的侧壁可在外部空间中限定多个腔。
中央空间可在下游端被封闭或者密封。催化剂可支撑在多个金属结构上。 催化剂可由催化剂微粒支撑。
催化剂微粒可位于多个金属结构的每一个的中央空间中。 插入物可包括位于多个金属结构的金属结构的中央空间中的 金属子结构，其中催化剂支撑在金属子结构上。
管的特征在于横截面积At，并且用于多个金属结构的每一个的 外部空间可具有的特征在于横截面积Aa,其中，在上游端与下游 端之间的任意位置处，0.1^Aa/At^0.7。
用于多个金属结构的每一个的多个孔可具有累积流通面积A。， 其中,A0/At<Aa.A0 /At ，At可小于或等于0.5 。
多个金属结构可包括位于上游端处的导流板，其中导流板围绕 入口 。
导流板可以在导流板与管壁之间限定间隙面积Ab的间隙为特 征，其中0.01^Ab/At^A。/At。
多个金属结构中的第一个的下游端可与多个金属结构中的第 二个间隔一距离D，其中，多个金属结构中的所述第一个与多个金 属结构中的所述第二个相邻并位于其下游，其中，0.5cm<D<50cm。 在管状反应器中使用的催化剂可以是蒸汽转化催化剂。 间隔h的范围可从0.5mm到10mm,或者可从lmmm到10mm。 本发明还涉及具有管状反应器入口和位于管状反应器入口下 游的管状反应器出口的管状反应器，其中管状反应器包括具有管壁 和纵向轴线的管，和位于管内的插入物。在该实施方式中，插入物 包括催化剂和限定多个基本平行的通道的金属结构。多个基本平行 的通道中的每一个具有和与管的纵向轴线平行的虚线形成锐角a 的纵向轴线，其中a的范围为从10。到80。，或者从30。到60。。每 个基本平行的通道具有上游端和下游端，上游端具有纟黄截面积A八。， 下游端终止于具有横截面积A孔的孔中，其中，对于多个基本平行 的通道来说，A孔/A入。的范围为0.001到0.7或者从0.001到0.25。 用于多个基本平行的通道的每一个的孔的特征由水利直径d和与管壁的间隔h来描述，其中，对于多个孔来说，h/d的范围为从0.5 到IO或者从1到10。
用于多个基本平行的通道的孔的间隔h的范围可从0.5mm到 10mm，或者可/人lmm到10mm。
在该实施方式中，金属结构可由波紋金属片和折叠的平金属片 形成。
在管状反应器中使用的催化剂可以是蒸汽转化催化剂。 A孔的范围可以从0.1mm2到50mm2，或者其范围可乂人O.lmm2 到20mm2。
金属结构可支撑催化剂。


图1是管状反应器的一般视图，示出了管壁内表面上的射流冲击。
图2是显示具有用于在管壁上形成射流冲击的插入物的管状 反应器的一部分的视图。
图3是显示具有用于在管壁上形成射流冲击的具有替代几何 结构的插入物的管状反应器的一部分的视图。
图4A和4B示意性地示出了具有插入物的管状反应器的一部 分，包括用于在管壁上形成射流冲击的结构化包装。
图5是经过管状反应器的热传递系数对压力梯度的曲线图，对 比了实验数据与计算流体动力学模拟结果。
图6是经过管状反应器的热传递系数对压力梯度的曲线图，对 比了实验数据与计算流体动力学模拟结果。
图7是通过计算流体动力学模拟计算的经过管状反应器的热. 传递系数对压力梯度的曲线图，对比了常规波紋结构化包装与根据 本发明的结构化包装。
图8是通过计算流体动力学模拟计算的经过管状反应器的热 传递系数对压力梯度的曲线图,.对比了常规波紋结构化包装与根据
ii本发明的结构化包装。
具体实施例方式
当应用于在说明书和权利要求书中描述的本发明的实施方式 中的任何部件时，在本文中使用的不定冠词"一"和"一个"指的是一
个或多个。除非特别指明，"一"和"一个"的使用并不是将其意思限 定为单个部件。在单数和复数名词或名词短语前面的定冠词"所述"
表示一个或多个特别指明的部件，并且根据其被使用的上下文可具 有单数或者复数含义。形容词"任何"指的是一个、 一些或者所有不 加选择的任何数量。
短语"至少 一部分"指的是"部分或者全部"。
本发明涉及由反应物混合物生产产物混合物的方法和管状反 应器。更具体地说，本发明涉及改进管状反应器中的热传递。
所述方法和管状反应器可特别适用于氢和/或合成气体(合成
气)的生产，其中产物混合物可包括H2和CO。所述方法和管状反 应器还可被用于其他反应过程，诸如水煤气转换、部分氧化、氢化、 哈柏(Haber)过程，.曱烷化、气体脱硫、催化氧化和氨氧化。
管状反应器在化学和石化工业中是公知的。管状反应器包括围 绕支撑物上的催化剂的管。催化剂可被支撑在催化剂微粒或者所谓 的结构化包装上。用于所需反应的合适催化剂在本领域是已知的。 在生产氢和/或合成气体的情况下，催化剂可以是蒸汽转化催化剂。 用于蒸汽甲烷(碳氢化合物)转化的合适催化剂在本领域是已知的。 任何合适的催化剂都可被选择并在所述方法和/或反应器中使用。
本发明涉及非绝热管状反应器，其中热量可经过管壁施加到管 状反应器或者经过管壁从管状反应器除去。
参见图1,显示了管状反应器l,管状反应器1包括管3和插 入物30。管具有管壁5。管状反应器1具有管状反应器入口 10和 位于管状反应器入口 10下游的管状反应器出口 20。插入物30包 括催化剂31。插入物30位于管3内。管在这里被限定为用于在管内传导或输送流体的任何中空主 体。管可具有圆形横截面、正方形横截面或者其他期望的形状。管 具有沿纵向长度方向长延伸并沿着管的横截面的几何中心定位的 纵向轴线。纵向长度方向与从反应器的入口到出口的方向相对应。
插入物30可具有如图2-4所示的各种几何形状。插入物30具 有用于形成流体射流71的多个孔70。如在本文中使用的那样，孔 为物质可通过的开口 (诸如小孔)。孔可以是圆形小孔，或者可具 有诸如裂缝或槽的其它期望形状。如本文中使用的那样，多个意味 着两个或者更多。
所述方法包括将包括一种或多种反应物的反应物混合物40在 第一压力Pi以入口表观轴向速度Vs引入到管状反应器入口 10中。
反应物混合物可以是气体或者其可以是液体。在生产合成气体 和/或氢的情况下， 一种或多种反应物可包括CH4和H20。曱烷可 由天然气提供，所述天然气包括具有乙烷、丙烷和丁烷形式的少量 杂质的初级甲烷。
表观轴向速度是体积流速除以管的横截面积(不考虑插入物占 据的面积)。体积流速与入口条件(压力和温度)下的体积流速对 应。反应器的入口与其中在管的横截面内含有插入物(排除任何定 位片或者连接杆或者支撑杆)的最上游位置对应。第一压力Pi为 反应器入口处的压力。
所述方法进一步包括使来自反应物混合物40的一种或多种反 应物与插入物30的第一部分上的催化剂接触，以使一种或多种反 应物在对形成第一中间体混合物有效的反应条件下发生反应，所述 第 一 中间体混合物包括 一 种或多种反应物和 一 种或多种产物。仅仅
一部分反应物在插入物30的第一部分中被转化。第一中间体混合 物可以是气体或液体。在生产氢和/或合成气体的情况下， 一种或 多种产物包括H2和CO。用于期望反应的合适反应条件在本领域是 已知的。例如，对于生产氲和/或合成气体的情况来说，对形成第 一中间体混合物有效的反应条件可包括从400。C到1000。C范围的
13温度和从100kPa到4200kPa范围的压力。
所述方法进一步包括以第 一 中间体混合物的至少 一部分形成 多个第一流体射流71。多个第一流体射流71通过使第一中间体混 合物穿过插入物的第一部分中的多个孔70形成。孔将流体射流引 向管壁5。
多个孔的特征在于水力直径d和与管壁的间隔h,其中h/d的 范围为从0,5到IO或者从1到10。出于本发明的目的，间隔h是 孔的几何中心与管壁上最接近孔的几何中心的点之间的距离。水力 直径由常规方式定义，d-4x横截面积/润周。间隔h和水力直径d 是参数，而非特定值。对于多个孔的每一个来说，间隔h和水力直 径d的值不必是相同的。该值可以在不同插入物部分之间甚至在插 入物部分内有目的地变化。间隔h的范围可以是0.5mm到10mm。
本发明的方法的特定优点在于，热传递不会由于延伸操作之后 管壁发生塑性变形而递降。在依赖于流体在插入物与管壁之间挤压 的现有方法中，由于当管壁直径增大时，插入物与管壁之间的间隙 增大，因此导致流体速度更低，热传递递降。更低的速度导致热传 递降低。
相反，本发明的方法有目的地不依赖插入物与管壁之间的间隙 来提供有效的热传递，而是射流速度。由于孔的水力直径在管状反 应器的延伸操作后不发生变化，对于给定流速来说，流体速度也不 发生变化，因此热传递效率得到保持。
本发明的方法进 一 步包括使多个第 一 流体射流冲击管壁，从而 在管和来自多个第 一 流体射流的第 一 中间体混合物之间传递热量。 射流沖击通过使可沿着管壁建立的边界层最小化而增强了管壁与 第 一 中间体混合物之间的热传递。射流可指向与管壁表面基本垂直
或者与管壁成一角度。角度可在与管壁垂直的士45。范围之内。热量 在管与第一中间体混合物之间传递意味着热量可从管传递到第一 中间体混合物或者从第 一 中间体混合物传递到管。
所述方法进一步包括使来自多个第一流体射流的至少一部分第一中间体混合物转向或远离管壁通过，从而形成包括一种或多种 反应物和一种或多种产物的回流。在第 一 中间体混合物作为流体射 流冲击管壁之后，其远离管壁运动。远离管壁的运动可得到插入物 形状的帮助，例如使流体通过孔排之间的腔。回流由至少一部分第 一中间体混合物形成。催化剂可设置在管壁上，并且一种或多种反 应物可进一步被转化。理想的是由所有第一中间体混合物形成回 流，但是部分第一中间体混合物可绕过回流路径。
所述方法进一步包括使来自回流的一种或多种反应物与插入
物30的第二部分上的催化剂接触，以使一种或多种反应物在对形
成第二中间体混合物有效的反应条件下发生反应，所述第二中间体 混合物包4舌一种或多种反应物和一种或多种产物。仅仅一部分反应
物在插入物30的第二部分中被转化。第二中间体混合物可以是气 体或液体。在生产氬和/或合成气体的情况下， 一种或多种产物包 括H2和CO。与在插入物的第一部分中的反应一^",用于期望反应 的合适反应条件在本领域是已知的。例如，对于生产氢和/或合成 气体的情况来说，对形成第二中间体混合物有效的反应条件可包括 从400。C到1000。C范围的温度和从100kPa到4200kPa范围的压力。 第二中间体混合物可具有比第 一 中间体混合物更大的一种或多种
产物浓度。
所述方法进 一 步包括以第二中间体混合物的至少第 一 部分形 成多个第二流体射流72。多个第二流体射流72通过使第二中间体 混合物穿过插入物的第二部分中的多个孔形成。多个第二流体射流 定位在多个第一流体射流的下游。孔将流体射流引向管壁5。
本发明的方法进一步包括使多个第二流体射流冲击管壁5,从 而在管与来自多个第二流体射流的第二中间体混合物之间传递热
量。射流沖击通过使可沿着管壁建立的边界层最小化而增强了管壁 与第二中间体混合物之间的热传递。多个第二流体射流可指向与管
壁表面基本垂直或者与管壁成一角度。
所述方法进 一 步包括使来自多个第二流体射流的至少 一 部分第二中间体混合物转向或者远离管壁通过。在第二中间体混合物作 为流体射流冲击管壁之后，其远离管壁运动。
当反应物从管状反应器入口到管状反应物出口通过时，可重复
多次以下顺序(i)使一种或多种反应物与插入物的一部分中的 催化剂接触以使一种或多种反应物发生反应，(ii)形成多个流体 射流，(iii)使流体射流冲击管壁并使流体返回以〗更在插入物的另 一部分中进一步反应。
所述方法进一步包括在第二压力p2从管状反应器出口 20抽取 包括一种或多种产物的反应混合物50。第二压力p2是反应器出口 处的压力。反应器出口与在管的横截面内含有插入物(排除任何定 位片或者连接杆或支撑杆)的最下游位置对应。产物混合物可以是 气体或者液体。
所述方法的特征在于管状反应器中的累积压降AP射流由经过多 个孔的流动得到，其中AP射流/(p广p2)大于或等于0.5,AP射流/(p广p2) 可以大于或等于0.75或者AP射流/ (Pl-p2)可以大于或等于0.9。由 经过多个孔的流动得到的管状反应器中的累计压降AP射流是管状反 应器中与经过孔的流动有关的总压降。管状反应器中与经过孔的流 动相关的这种总压降可通过经过具有孔的两个或多个管状反应器 的流动测试来确定，其中已经除去或者极大地降低了与这些孔相关 的压力限制。为了确定没有孔的压降，可在孔的水力直径增大到经 过孔的压降相对于管状反应器中的其他压降很小的程度下进行流 动测试。本领域技术人员可使用计算流体动力学(CFD)模拟、其 它理论计算或者通过实验来估计由经过多个孔的流动得到的管状 反应器中的累积压降AP 射流o
经过多个孔的压降是用于描述本发明的方法的合适参数。流体 射流的速度影响流体与管壁之间的热传递。经过孔的压降直接取决 于经过孔的速度。因此，热传递的特征可通过经过多个孔的压降来 描述。
在本发明的方法中，多个第一流体射流可具有范围为2xvs到25xvs或者范围为10xvs到25xvs的径向速度分量。并且多个第二流 体射流可具有范围为2xvs到25xvs或者范围为10xvs到25xvs的径 向速度分量。
使用管状反应器的 一些反应过程是吸热的，例如蒸汽甲烷转化 过程。因此，本发明的方法可进一步包括从外部对管壁进行加热， 使管与第 一 中间体气体混合物之间的热传递是从管向第 一中间体 气体混合物进行的。管壁的外部加热可通过燃烧反应、电加热或者 其它热源来提供。
所述方法可进一步包括在管壁之外在燃烧反应中燃烧燃料，并 将热量从燃烧反应传递到管壁，从而使管与第 一 中间体气体混合物 之间的热传递是从管向第 一 中间体气体混合物进行的。
所述方法可进一步包括提供管状反应器，所述管状反应器包括 具有管壁的管，管状反应器具有管状反应器入口和位于管状反应器 入口下游的管状反应器出口 ，其中管状反应器具有包括催化剂的插 入物，插入物位于管内，并且插入物具有用于形成流体射流的多个 孔，多个孔的特征由水力直径d和与管壁的间隔h来描述，其中， 对于所述多个孔来说，h/d的范围为从0.5到IO或者从I到10。
使用管状反应器的一些反应是放热的，例如水煤气转换、甲烷 化、部分氧化和氩化。所述方法可进一步包括从外部对管壁进行冷 却，使管与第 一 中间体气体混合物之间的热传递是从第 一 中间体气 体混合物向管进行的。管的冷却可通过任何常规方式来提供，例如 向冷却液的传递热或者在管外部使液体(例如水)蒸发。
图2示出了适用于进行本发明的方法的管状反应器的一种实 施方式，管状反应器的一部分在图2中显示。
管状反应器具有管状反应器入口和位于管状反应器入口下游 的管状反应器出口，如图l所示。参见图2，管状反应器包括具有 管壁5的管3和位于管3内的插入物30。插入物30包括催化剂和 多个金属结构32。
管3可由适用于期望应用的任何材料制成。对于氢和/或合成气体生产来说，用于管状反应器的合适材料在本领域是已知的。
多个金属结构可通过常规金属加工方法来制备。合适的构造材 料可被选择用于特定应用。对于氢和/或合成气体生产来说，合适 的构造材料在本领域是已知的。
多个金属结构32沿着管的纵向长度方向连续设置。多个金属 结构32的每一个具有上游端34、下游端36和围绕上游端34与下 游端36之间的中央空间的侧壁38。上游端限定了到中央空间的入 口 42。中央空间在下游端36处至少部分^:封闭。中央空间在下游 端36处可^^皮完全封闭或密封。
侧壁大体上是刚性的，意即侧壁不会由于压力差而膨胀或者收 缩超过0.05mm。侧壁可由于热膨胀而膨胀或收缩。
侧壁38具有适于形成从中央空间指向管壁5的流体射流的多 个孔70。在图2中，孔70被显示为槽。作为替代，孔可以是圆形 小孔。孔可具有任何期望的形状。多个孔70的特征由水力直径d 和与管壁的间隔h来描述，其中，对于所述多个孔来说，h/d的范 围为0.5到10或者1到10。间隔h的范围可从0.5mm到10mm。 插入物与管壁的间隔可通过定位件或者定心销或者其它合适的部 件来保持。
多个金属结构的每一个在管壁5和多个金属结构32的每一个 的侧壁38之间限定了外部空间44。多个金属结构32的每一个具 有其各自的外部空间44。外部空间44与多个金属结构32的相邻 的下游金属结构的入口 42流体连通，或者在最下游金属结构的情 况下，与管状反应器出口流体连通。
外部空间44用于在流体冲击管壁5之后收集流体并使流体通 过相邻的下游金属结构32的入口 42。与相邻的下游金属结构流体 连通的外部空间意p未着至少 一 部分流经外部空间的流体进入相邻 的下游金属结构的入口中。用于最下游金属结构的外部空间44可 与管状反应器出口流体流动连通并因此可使流体流到管状反应器 出口 。相邻意味着在附近，可以包括或不包括接触，但要求二者之间 没有相同种类的任何物质。
在金属结构的下游端36与相邻的下游金属结构的上游端34之 间可以存在体量/空间。相邻金属结构之间的距离可以为0.1到1 个管直径。当管为非圆形时，水力直径被用于确定该距离。该距离 可以是0.5cm到50cm。
多个金属结构的每一个的侧壁可具有与管的横截面互补的形 状。多个金属结构的每一个的侧壁可以为圆柱形形状。
多个金属结构的每一个的侧壁可在外部空间44中限定多个腔 46。腔为被压缩或者较低部分表面中的空间或者空腔，例如凹部。
腔可以是V形、U形、正弦形状或者其它任何期望的形状。在 图2中，腔46被显示为V形腔。
外部空间中的多个腔通过为冲击管壁之后流体的回流提供空 间而改善了由多个孔形成的射流的流动特性。多个腔还为流体向着 相邻的下游金属结构的入口和/或管状反应器出口运动提供了通 道。
催化剂可支撑在多个金属结构上。催化剂可通过任何方式例如 将催化剂涂敷、浸渍或者粘贴到金属结构的至少一部分上而支撑在 金属结构上。
催化剂可支撑在催化剂微粒(未显示)上。催化剂微粒可被定 位在多个金属结构的每一个的中央空间中。
催化剂可支撑在金属子结构(未显示)上，例如所谓的结构化 包装上。金属子结构可位于多个金属结构的金属结构的中央空间 中。金属子结构可与金属结构物理连接或者作为金属结构一部分， 或者可不与金属结构连接但设置在金属结构中。
催化剂可以是蒸汽转化催化剂。
理想的是在外部空间的区域中提供足够的流动面积，以使相邻 流体射流之间的相互作用最小化并使该区域中的压降最小化。管的 特征可由横截面积At来描述，并且包括用于多个金属结构的每一
19个的腔的外部空间可具有的特征在于横截面积Aa。对于横截面来
说，横截面积Aa是用于所有腔的累积面积。对于多个金属结构的 每一个来说，金属结构的上游端与下游端之间的任意位置处的
Aa/At的范围为0.1到0.7。管的横截面积与用于外部空间的横截面
积被限定在与管轴线垂直并且在相同的纵向长度位置处的平面上。
管的横截面积At可在从lcn^到11112的范围或者从lcn^到500cm2
的范围。
相反，孔被预期来提供经过管状反应器的压降的显著部分。因 此，对于用于多个金属结构的每一个的多个孔来说，累积流动面积 Aa可以是At的1%到25%。
孑L的面积在这里^皮限定为孔在经过孔的几4可中心的平面上的 投影面积，其中所述平面与由与孔的几何中心对应的点和管壁上最 接近与孔的几何中心对应的点的点限定的虚线垂直。
多个金属结构32的每一个可包括位于金属结构32的上游端 34处的导流板60。导流板可围绕入口 42，如图2中所示。导流板 为使流体流动偏转的任何装置，诸如平板、壁或者屏。
导流板可具有的特征在于在导流板60与管壁5之间限定间隙 面积Ab的间隙，其中Ab大于或等于管横截面积At的1%，最大为 管横截面积At的大约15%。
金属结构的下游端可以与相邻的下游金属结构的上游端间隔 距离D,其中，D的范围从0.5cm到50cm。该间隔可通过定位件 (在图2中未显示)来提供或者多个金属结构的每一个可与中央杆 (在图2中未显示)连接，所述中央杆连接到多个金属结构的每一 个上并沿着管的长度延伸。
图3示出了用于前面的实施方式的另一种几何结构。管状反应 器包括具有管壁5和插入物30的管3。
插入物包括催化剂和沿着管3的纵向长度方向连续设置的多 个金属结构32。多个金属机构32的每一个具有上游端34、下游端 36和围绕上游端34与下游端36之间的中央空间的侧壁38。上游
20端34限定了到中央空间的入口 42。中央空间在下游端36处至少 部分被封闭。侧壁38具有适于形成从中央空间指向管壁5的流体 射流的多个孔70。多个孔70的特征由水力直径d和与管壁5的间 隔h来描述，其中用于多个孔70的h/d的范围为从0.5到10或者 从1到10。多个金属结构32的每一个在管壁5和多个金属结构32 的每一个的侧壁38之间限定外部空间44,其中，多个金属结构32 的每一个的侧壁38在外部空间44中限定多个腔46。外部玄间44 与相邻的下游金属结构32的入口 42和/或管状反应器出口流体连 通。
图3中显示的金属结构可由打褶(折叠)然后形成圆柱形形状 的金属片制成，这里被称为"打褶的圆柱"。褶的高度可以在打褶圆 柱的外径的5%到40%的范围内。褶的外边缘具有沿着褶的纵向长 度方向间断地隔开的孔。为了制造，外部折叠可在打褶圆柱的上游 端处被切割成较短的距离，大约为褶的高度的50%到200%,从而 形成松弛的挡板，并且挡板的末端可成对连接在一起。为了说明的 目的，挡板绕着打褶圆柱的周边从1到N连续编号。挡板2与挡 板3连接，挡板4与挡板5连接，挡板6与挡板7连接，这样继续 下去直到挡板N与挡板1连接。与挡板1相邻的边缘和与挡板N 相邻的边缘之间的打褶圆柱的内边缘也净皮连接。
下游端处的开口中央可通过形状与多个腔适当互补的另一挡 板片封闭以避免封闭外部空间与相邻的下游金属结构的入口之间 和/或外部空间与管状反应器出口之间的流体连通。
当设置在管中时，轴向流动通道形成在打褶圆柱的外表面与管 壁的内表面之间。这些通道的上游端基本上由已经在通道的上游端 处连接在一起的挡板封闭。在通道的下游端处，通道是开放的。
用于形成金属结构的金属片的厚度可被选择成使得金属结构 基本上是刚性的。其它特征可以是如上面对应于图2的几何结构描 述的那些。
图4A和4B示出了适于进行本发明的方法的管状反应器的另一种实施方式。管状反应器的一部分在图4A和4B中显示。
如图1中的一般图示所显示的那样，管状反应器具有管状反应 器入口和位于管状反应器入口下游的管状反应器出口。参见图4A
和4B,管状反应器包括管3和位于管3内的插入物30。管具有管 壁5和纵向轴线107。插入物130包括催化剂和金属结构132。催 化剂可以是蒸汽转化催化剂。蒸汽转化催化剂可以是本领域已知的 适用于蒸汽甲烷(蒸汽碳氢化合物)转化的任何催化剂。催化剂可 支撑在金属结构132上。催化剂可通过任何方式例如将催化剂涂 敷、浸渍或者粘贴到金属结构132的至少一部分上而支撑在金属结 构上。
金属结构132限定多个基本平行的通道140。多个基本平行的 通道的意思是多个通道在3°范围内平行。多个基本平行的通道140 的每一个具有纵向轴线145,纵向轴线145与和管的纵向轴线107 平行的虚线形成锐角a。基本平行的通道140的纵向轴线一般不与 管的纵向轴线107位于同一平面。因此需要建立与管的纵向轴线 107平行的虚线以确定锐角a。锐角是测定小于90度的角。 锐角a的范围为从10°到80°,或者从30。到60°。 限定多个基本平行的通道的金属结构，每一个具有与管的纵向 轴线平行的虚线形成锐角a的纵向轴线的多个基本平行的通道在 本领域是已知的并且表示一种类型的结构化包装。金属结构可由波 紋金属片和平的金属片制成。金属结构可由膨胀金属或者分层堆叠 或者螺旋缠绕的金属线筛制成。
已知的结构化包装与该实施方式的关键区别在于孔特征。 基本平行的通道140具有上游端和下游端，上游端具有横截面 积A人口，下游端终止于具有横截面积A孔的孔170，其中，对于多 个基本平行的通道来说，A孔/A八。的范围为0.001到0.7或者从0.001 到0.25。 A孔的范围可以是0.1mm2到50mm2,或者是0.1mm2到 20mm2。
多个基本平行的通道的每一个的孔170的特征由水力直径d和与管壁的间隔h来描述，其中，h/d的范围为0.5到IO或者1到 10。与前面的实施方式类似，间隔h是孔的几何中心与管壁上最接 近孔的几何中心的点之间的距离。水力直径与前面定义的 一样。
在基本平行的通道的下游端处包括孔的金属结构可使用波紋 金属片180和折叠的平金属片190制成。
虽然在图4A中显示为小孔，但孔可以是圆形小孔、槽、裂缝 或者其他期望形状。基本平行的通道140可终止于具有相同或不同 横截面积的一个或多个孔。在多个基本平行的通道之一的下游处存 在多个孔的情况下，A ^与多个孔的累积面积对应。
两个或多个孔可由覆盖两个或多个相邻的平^f亍通道的切口形
成。对于特定的通道来说，孔的面积是其切口沿着通道的纵向轴线 方向投影在通道的下游横截面上的面积。
对于多个基本平行的通道140的每一个的孔来i兌，间隔h可以 是从0.5mm到10mm的范围，或者从lmm到10mm的范围。
实施例
利用计算流体动力学(CFD )模拟对用于射流冲击热传递的多 个孔的技术效果进行研究。
CFD模拟验证热传递实验。
对各种包装进行热传递实验。测量作为经过管的压降的函数的 热传递系数。使用空气作为流体进行实验，并且对管进行电加热。 大约在大气压和环境温度下进行实验。各种流速的热传递系数通过 壁温测量来计算。
对于与图2中示出的结构类似的"杯设计(cup design)"来 说，将CFD模拟结果与图5中的实验数据进行比较。在"杯设计" 中，孔开口与管壁之间的距离大约为3mm。金属结构的长度为大 约66mm,相邻金属结构之间的距离为18mm。金属结构具有开放 的顶部和密封的底部。侧壁的直径大约为86mm。侧壁共具有28 个裂缝，每个裂缝的宽度为大约lmm。每个金属结构的上游端具 有导流板以封闭金属结构壁与管壁之间的流动通道。对于与图4中示出的结构类似，但不具有本发明的多个孔的常 规"波紋片设计"，将CFD模拟结果与图6中的实验数据进行比较。 每个金属结构包括30个波紋和31个0.2mm铝箔的平片。金属结 构被切割成长101mm且宽度不等的矩形形状，使得当波紋和平片 交替堆叠在一起时，堆叠形成长lOlmm和直径为98mm的圆柱形 形状。波紋和平片限定了通道，其横截面与高为大约3mm和底为 6mm的等腰三角形类型。波紋片被设置成使流动方向在层与层之 间交替的朝向。在"波紋片设计"中，波紋相对于管轴线的角度为大 约60度，并且结构的边缘与管壁之间的间隔为lmm。
CFD模拟结果与热传递实验之间的紧密一致性表明了 CFD模 拟的适度可靠性。
图7显示了用于"杯设计"和常规"波紋片设计"的CFD模拟。 在"波紋片设计"中，波紋相对于管轴线的角度大约为45度。
在图7中，显示了在金属结构与管壁之间具有lmm间隔和在 金属结构与管壁之间具有2mm间隔的常规"波紋片设计"的结果。 间隔增大表示管塑性变形之后的状态。CFD模拟结果显示了对于 常规波紋片设计来说，热传递系数是如何通过间隔的增大而降低 的。
图7还显示了"杯设计"的CFD模拟结果。显示了表示初始状 态的孔开口与管壁之间的间隔为6mm的情况下和表示管发生4mm 塑性变形的孔开口与管壁之间的间隔为8mm的情况下的结果。 CFD模拟结果显示了对于"杯设计"来说，热传递系数随着孔与管壁 之间的间隔距离的变化而基本上不发生改变。这与热传递系数由于 间隔增大而显著下降的常规"波紋片设计"相反。
图8显示了常规"波紋片设计"和具有多个孔的"波紋片设计"的 CFD模拟结果。常规"波紋片设计"与图7的描述相同。在具有多个 孔的"波紋片设计"中，波紋相对于管轴线的角度大约为30度，并 且槽开口与流动通道之间的面积比大约为0.5。显示了表示初始状 态的孔开口与管壁之间的间隔为2mm的情况下和表示管经历了2mm塑性变形的间隔为3mm的情况下的结果。结果显示了对于具 有多个孔的设计来说，当间隔增大(即在管塑性变形之后)时热传 递系数不会下降得象常规设计那样多。
2权利要求
1、一种用于在管状反应器中生产产物混合物的方法，所述管状反应器包括具有管壁的管，所述管状反应器具有管状反应器入口和位于管状反应器入口下游的管状反应器出口，其中管状反应器具有包括催化剂的插入物，所述插入物位于所述管内，并且所述插入物具有用于形成流体射流的多个孔，所述多个孔的特征在于水力直径d和与管壁的间隔h，其中对于所述多个孔来说，h/d的范围为从0.5到10，所述方法包括(a)将包括一种或多种反应物的反应物混合物在第一压力p1以入口表观轴向速度vs引入到所述管状反应器入口中；(b)使来自反应物混合物的一种或多种反应物与所述插入物的第一部分上的催化剂接触，以使所述一种或多种反应物在对形成包括一种或多种反应物和一种或多种产物的第一中间体混合物有效的反应条件下进行反应；(c)利用所述第一中间体混合物的至少一部分形成多个第一流体射流；(d)使所述多个第一流体射流冲击在管壁上，从而在管与来自多个第一流体射流的第一中间体混合物之间传递热量；(e)使来自多个第一流体射流的第一中间体混合物的至少一部分远离管壁转向，从而形成包括一种或多种反应物和一种或多种产物的回流；(f)使来自回流的一种或多种反应物与所述插入物的第二部分上的催化剂接触，以使所述一种或多种反应物在对形成包括一种或多种反应物和一种或多种产物的第二中间体混合物有效的反应条件下进行反应；(g)利用所述第二中间体混合物的至少一部分形成多个第二流体射流，所述多个第二流体射流位于所述多个第一流体射流的下游；(h)使多个第二流体射流冲击在管壁上，从而在管与第二中间体混合物之间传递热量；(i)使来自多个第二流体射流的第二中间体混合物的至少一部分远离管壁转向；和(j)在第二压力p2将包括一种或多种产物的产物混合物从管状反应器出口抽出；其中，管状反应器中的累积压降Δp射流从经过多个孔的流动得到，并且ΔP射流/(p1-p2)≥0.5，更优选地，ΔP射流/(p1-p2)≥0.75。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中，多个第一流体射流具有范围为2xvs到25xvs的径向速度分量，并且多个第二流体射流具有范围为2x^到25xvs的径向速度分量。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中，使来自多个第一流体射流的第 一 中间体混合物的至少 一部分远离管壁转向的步骤包括使所述第 一 中间体混合物的至少 一部分通过形成于管壁与插入物之间的多个腔。
4、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在燃烧反应中在管壁外面燃烧燃料，和将来自燃烧反应的热量传递到管壁，使所述管与所述第 一 中间体混合物之间的热传递是从管向所述第 一 中间体混合物进行的。
5、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括提供管状反应器。
6、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述一种或多种反应物包括CH4和H20，所述一种或多种产物包括112和CO,并且，所述催化剂是蒸汽转化催化剂。
7、 根据权利要求1所述的方法，其中，对形成第一中间体混合物有效的反应条件包括从400。C到1000°C范围的温度和从100KPa到4200KPa范围的压力，并且，对形成第二中间体混合物有效的反应条件包括从400°C到1000°C范围的温度和从100KPa到4200KPa范围的压力。
8、 一种具有管状反应器入口和位于管状反应器入口下游的管状反应器出口的管状反应器，所述管状反应器包括 具有管壁的管，和位于所述管内的插入物，其中，所述插入物包括催化剂；和沿所述管的纵向长度方向连续设置的多个金属结构，所述多个金属结构中的每一个都具有上游端、下游端和围绕上游端和下游端之间的中央空间的侧壁，其中，所述上游端限定到中央空间的入口 ，所述中央空间在所述下游端处至少部分被封闭，且所述侧壁具有能够形成从中央空间指向管壁的流体射流的多个孔，所述多个孔的特征在于水力直径d和与管壁的间隔h,其中，对于所述多个孔来说，h/d的范围为从0.5到10，且所述多个金属结构的每一个在管壁和所述多个金属结构的每 一 个的侧壁之间限定外部空间，所述外部空间与相邻的下游金属结构的入口和/或管状反应器出口流体连通。
9、 根据权利要求8所述的管状反应器，其中，所述多个金属结构的每一个的侧壁在所述外部空间中限定多个腔。
10、 根据权利要求8所述的管状反应器，其中，所述催化剂支撑在所述多个金属结构上或者由催化剂微粒支撑，并且所述催化剂微粒位于所述多个金属结构的每一个的中央空间中。
11、 根据权利要求8所述的管状反应器，其中，所述插入物包括位于所述多个金属结构的金属结构的中央空间中的金属子结构，且催化剂被支撑在所述金属子结构上。
12、 根据权利要求8所述的管状反应器，其中，管的特征在于横截面积At,并且用于多个金属结构的每一个的外部空间具有累积横截面积Aa，其中，在所述上游端与下游端之间的任意位置处，0.1^Aa/A^0.7。
13、 根据权利要求12所述的管状反应器，其中，对于多个金属结构的每一个来说，所述多个孔具有累积流通面积A。，其中Ao/At<Aa/At^0.5。
14、 根据权利要求8所述的管状反应器，其中，所述多个金属结构的每一 个包括位于上游端处的导流板，所述导流板围绕所述入。
15、 根据权利要求14所述的管状反应器，其中，所述导流板的特征在于在导流板与管壁之间限定间隙面积为Ab的间隙，其中0.01^Ab/At^A。/At。
16、 根据权利要求8所述的管状反应器，其中，所述多个金属结构的第 一个的下游端与所述多个金属结构的第二个间隔一距离D,且所述多个金属结构的所述第二个与所述多个金属结构中的所述第一个相邻并位于其下游，其中，0.5cm<D<50cm。
17、 一种具有管状反应器入口和位于管状反应器入口下游的管状反应器出口的管状反应器，其中管状反应器包括具有管壁和纵向轴线的管，和位于所述管内的插入物，其中，所述插入物包括催化剂；和限定多个基本平行的通道的金属结构，所述多个基本平行的通道中的每一个具有纵向轴线，该纵向轴线和与管的纵向轴线平行的虛线形成锐角a，其中，a的范围为从10。到80。，所述基本平行的通道中的每一个具有上游端和下游端，所述上游端具有横截面积A入。，所述下游端终止于具有横截面积A孔的孔中，其中，对于多个基本平行的通道来说，A孔/A入口的范围为0.001到0.7,更优选地，A孔/A入口的范围为从0.001到0.25,用于多个基本平行的通道的每一个的孔的特征在于水力直径d和与管壁的间隔h,其中，h/d的范围为从0.5到10。
18、 根据权利要求17所述的管状反应器，其中，所述金属结构支撑所述催化剂。
19、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述管状反应器是根据权利要求8或权利要求17所述的管状反应器。
全文摘要
本发明公开一种具有射流冲击热传递的管状反应器。本发明还公开一种用于在管状反应器中生产产物混合物的方法，其中，管状反应器包括具有用于形成使流体冲击在管壁上的流体射流的孔的内部催化插入物。在非绝热反应器中，射流冲击被用于改善管内的流体与管壁之间的热传递。管状反应器和方法可被用于诸如蒸汽甲烷转化的吸热反应和诸如甲烷化的放热反应。
文档编号B01J8/04GK101648124SQ20091016384
公开日2010年2月17日 申请日期2009年8月12日 优先权日2008年8月13日
发明者D·加格, R·R·布罗克休斯, S·C·坦塔雷里, W·R·利希特, 何筱毅, 波 金 申请人:气体产品与化学公司