带有反应器集管和集成阀的反应器的制作方法

专利名称：带有反应器集管和集成阀的反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及反应器，例如逆流反应器，反应器的构造包括与反应器集管相关联的阀，其减小了在阀和反应器床之间的死体积，并提供了耐久的阀布置。本发明还广义地涉及使用该反应器的方法。
背景技术：
逆流反应器(RFR)为本领域已知，例如Wulff热解和再生反应器以及其它再生反应器，包括再生热氧化器(RT0)。这些反应器通常用于执行周期性的、批量生成·(batch-generation)的高温化学反应。再生反应器循环是对称的(沿两个方向有相同的化学反应)或不对称的(化学反应随着循环中的步骤变化)。对称循环通常用于相对温和的放热化学反应，例如再生热氧化(RTO)和自热重整(ATR)。不对称循环通常用于执行吸热化学反应，且期望的吸热化学反应与不同的放热化学反应配对，该放热化学反应放出热(通常是燃烧)，以便提供用于吸热反应的反应热。不对称循环的示例是WulfT热解工艺和变压重整工艺(PSR)。为了操作RFR，应当考虑各种操作特征。例如，RFR的一个特征是气体的每小时空间速度，它是气体经过给定反应器体积的空间速度。通常，高的每小时空间速度(和因此的反应器生产率)具有小的反应器循环时间，而低的气体每小时空间速度具有更长的反应器循环时间。对于使用RFR的热解工艺，需要高的速度来实现将会有利于转变成优选产物的短的留滞时间。第二个特征是在一个循环结束时RFR中的剩余气体体积(空隙体积)应当在下一个循环开始之前进行治理，即清除，但这种气体体积治理会导致低效率和附加成本。第三个特征是提供快速传热(以产生陡的热梯度并导致高的效率)的床结构(填充物)还会导致高的压降。因此，RFR设计应当考虑空间速度、空隙体积和填充物特性，以便适当地管理系统。出于以上原因，传统RFR中的某些缺陷(例如传统填充物特性和长的循环时间)阻碍了这些反应器广泛应用于能源和石油化学领域。RFR已历史性地利用不同的填充物材料在床结构中。通常，这些逆流反应器利用格子砖、卵石床或其它可用填充物。这种床结构通常具有低的几何表面积(av)，其减小了每单位反应器长度上的压降，但也降低了体积传热速率。不对称逆流反应器的一个基本原理是在一个步骤中储存热，并在第二步骤中使用热来完成期望的吸热化学反应。因此，每单位反应器体积所能实现的期望化学反应量与体积传热速率直接相关。由此，较低的传热速率需要较大的反应器体积，从而实现相同量的期望化学生产。较低的传热速率会从RFR流中捕获热不充分，从而导致更大的明显热损失和因此更低的效率。较低的传热速率还会导致更长的循环时间，因为储存的热被更缓慢地使用并由此在给定的床温度规格下将持续更长的时间。历史上的具有av低的格子砖或卵石床填充物的RFR更大(例如更长或更耗费资金)，循环时间为两分钟或更久。因此，这些反应器限制了反应器效率和实际反应器尺寸。作为改进，ー些RFR会在床结构中使用工程填充物。工程填充物可以包括设有特殊构造的材料，例如蜂窝材料、陶瓷泡沫等。与其它床结构相比，这些工程填充物具有更高的几何表面积(av)。使用这种填充物会实现更高的气体每小时空间速度、更高的反应器体·积生产率、更高的热效率以及更小更经济的反应器。不过，这些更经济的反应器使用热更加快速，因此会要求循环时间減少。变压重整エ艺(PSR)便是这种优选RFR的ー种示例。此外，由于使用这种填充物材料，反应器的尺寸会减小，从而明显节省了资金。不过，反应器填充物材料的调整影响到其它的操作特征。例如，体积性表面积(av)的増加通常借助更小的流动通道来实现，但更小的流动通道导致每単位反应器长度的压降更高。为了对此进行补偿，这些改进的RFR被构造成具有短的长度。当应用于大型石油化学应用场合时，直径被增加以便能够实现高的生产率，可由于长度受到压降限制而导致高的直径长度比(D/L)。传统的反应器设计通常收集从床涌出的流体，并将这些流体经管道线运送给某些外部阀。管道线体积与反应器直径成一定比例，因为管道线需要从整个直径收集气体。因此，对于具有高D/L比的传统反应器，管道线体积相比床内部体积会非常大。因此，对改进RFR使用传统反应器设计导致大的空隙体积(主要在管道线中)，从而出现治理气体体积问题。不幸的是，传统反应器体积系统的某些限制使得它们无法对改进的高生产率反应器(例如循环时间短的紧凑型反应器)适当地操作。例如，传统反应器阀系统通常不能满足RFR的耐久性要求，也无法治理短的循环时间。石油化学阀可以有大约500000次循环的最大循环使用寿命(对应于小于一年的工作)，这对具有快速循环时间的石油化学应用场合不够用。此外，传统阀被放置在反应器的外部，使用歧管管线在床和阀之间运送气体，并在整个床上提供均匀的流体分配。如果RFR的床宽且短，那么歧管管线有大的气体体积不得不在毎次循环变化时加以治理。作为示例，Taga的日本专利申请No. 280921/1999公开了ー种高温换热器，其具有多个高温气体切换提升阀对，这些高温气体切换提升阀对对高温预热空气和高温废气在再生换热元件上的流动加以控制。Keusenkothen等人的美国专利申请公开No. 2009/0008292公开了在一种逆流型
再生热解反应器系统中热解烃。Hershkowitz等人的美国专利No. 7491250公开了通过循环的填充床操作来生产合成气体，该操作包括通过预热第一区进行重整、将含烃供料与蒸汽一起引入通过第一区的进ロ、以及在第一区中在催化剂上进行重整来形成合成气体，该合成气体被通向第二区域加以冷却。Hershkowitz 等人的美国专利申请公开 No. 2007/0144940 和 Sankaranarayanan 等人的美国专利申请公开No. 2008/0142409教导了ー种再生床逆流反应器，其中，对放热反应的地点进行控制。再生反应器床通过以下步骤进行再生将第一反应物通过第一通道供给第一再生床并将第二反应物通过第二通道供给第一再生床；将第一和第二反应物在气体混合器中组合；以及进行反应以便产生受热反应产物，受热反应产物经过第二再生床将热传递给第二再生床。
Keusenkothen等人的美国专利申请公开No. 2009/008292教导了在再生热解反应器系统中热解包含不挥发物质的烃。进料被加热以提供蒸气相，该蒸气相被供给热解反应器系统并被转变以形成热解产物。Greco的美国专利申请公开No. 2008/0314550教导了ー种再生换热器，该再生换热器使用进ロ提升阀和出口提升阀，进ロ提升阀与出口提升阀串联操作，并定位在换热器集管空间的外部。因此，希望能够提供这样ー种逆流反应器系统，它使得在阀与反应器床之间的死体积最小化，并使得阀的使用寿命被延长到在反应器进出ロ处的恶劣高温条件下能够进行数百万次循环。此外，有需要用于执行エ业规模高GHSV的RFR的改进的方法和装置来，其具有改进RFR循环时间并治理在循环之间的流体清洗的阀。本发明的技术提供了克服上文描述到的一个或多个缺陷的方法和装置。

发明内容
在第一方面，本发明涉及一种反应器，该反应器包括a)反应器主体；b)第一集管，该第一集管与所述反应器主体接合；c)第一导管，该第一导管从所述第一集管的外部延伸到至少部分地通过所述集管；以及d)第一阀，该第一阀与所述第一导管流动连通，并控制沿着从所述第一阀延伸通过所述反应器主体的流动路径的流体流动。为本发明的目的，“流动路径”的特征可以是流体通过的总体积，包括敞开流动路径(open flow path)。为本发明的目的，“集管”可以是盘形集管，就是说集管在内部呈基本凹形的形状，例如它可以为基本圆形的、基本椭圆形的、基本准球形的、或者基本半球形的。在第二方面，本发明涉及一种反应器，该反应器包括a)反应器主体，该反应器主体部分地包围反应和/或换热区域，并包括两个基本相対的敞开的端部山)第一集管，该第一集管覆盖所述反应器主体的一个端部；c)第二集管，该第二集管覆盖所述反应器主体的相対的端部；d)固定床，该固定床包括邻近所述第一集管的区域、邻近所述第二集管的区域以及布置在这两个区域之间的中心区域，所述固定床布置在所述反应器主体内，并包括能够促使气体流的反应和/或换热的固体材料；e)与所述第一集管相关联的至少ー个气体流进ロ，该气体流进ロ打开通过所述第一集管进入所述反应器主体中的通路；以及与所述第ニ集管相关联的至少ー个气体流出ロ，该气体流出ロ打开从所述反应器主体通过所述第二集管的通路；f)至少ー个进ロ提升阀，该进ロ提升阀控制所述气体流进ロ，并和与所述气体流进ロ相关联的集管集成，所述进ロ提升阀包括能线性促动的阀杆；g)至少ー个出口提升阀，该出口提升阀控制所述气体流出ロ，并和与所述气体流出ロ相关联的集管集成，所述出ロ提升阀包括能线性促动的阀杆；以及h)至少ー个促动器，该促动器可与f )和/或g)的所述能线性促动的阀杆接合，并通过使得所述提升阀作线性运动而打开和关闭所述提升阀，以便允许气体从所述反应器的外部通到所述反应器主体的内部，并从所述反应器主体的内部通到所述反应器的外部，从而提供能改变的流动操作。在第三方面，本发明涉及一种用于在逆流反应器中对至少两种流进行快速流切換的方法，所述逆流反应器包括反应器主体，该反应器主体部分地包围反应和/或换热区域，并包括两个基本相対的敞开的端部；第一集管，该第一集管覆盖所述反应器主体的ー个端部；第二集管，该第二集管覆盖所述反应器主体的相対的端部；以及固定床，该固定床布置在所述反应器主体内，并包括能够促使气体流的反应和/或换热的固体材料，所述方法包括i)从ー个或多个进ロ气体源引入至少ー个第一气体流至与所述第一集管相关联的至少ー个气体流进ロ，使所述第一气体流通过所述第一集管进入所述反应器主体，并且从所述反应器主体移除治理后的第一气体流，使治理后的第一气体流通过所述第二集管至与所述第二集管相关联的至少ー个气体流出ロ ；其中，上述引入的操作和上述移除的操作分别由位于所述第一集管中的至少ー个进气提升阀和位于所述第二集管中的至少ー个排气提升阀来控制；和ii)从ー个或多个进ロ气体源引入至少ー个第二气体流至与所述第二集·管相关联的至少ー个气体流进ロ，使所述第二气体流通过所述第二集管进入所述反应器主体，并且从所述反应器主体中移除处理后的第二气体流，并使处理后的第二气体流通过所述第一集管至与所述第一集管相关联的至少ー个气体流出ロ ；其中，上述引入的操作和上述移除的操作分别由位于所述第二集管中的至少ー个进气提升阀或者其它进气流动控制装置和位于所述第一集管中的至少ー个排气提升阀来控制。


图I是根据本发明实施例的具有单个集管和相关联的阀组件的不对称逆流反应器的视图。图2是根据本发明实施例的具有相対的扁平集管以及相关联的阀组件和歧管的不对称逆流反应器的视图。图3是与用在根据本发明实施例的反应器中的扁平反应器集管相关联的阀组件和歧管的视图。图4是合并入根据本发明实施例的不对称逆流反应器的盘状椭圆形集管中的阀组件和歧管的视图。
具体实施例方式本发明人已发现，可以借助将阀基本集成在反应器集管内的反应器构造或设计来获得ー种逆流反应器系统，该逆流反应器系统具有在阀和反应器床之间的、减小的敞开流动路径体积，且即使在高温条件下也具有延长的阀寿命。这样的设计使得能够以最小的压降、低的死体积以及基本均匀的流动分配来引入和去除总体上大的流动体积。为了说明目的，敞开流动路径体积对应于在执行气体处理的反应器床或反应器的外部的体积，沿着流动路径在阀和反应器/换热器的床之间。该敞开流动路径体积对反应器中的气体处理贡献很小，但是可以保持大体积的、应当在反应器工作循环中的流动方向毎次逆转时加以治理(manage)的气体，通过将ー个步骤的气体容纳于相对步骤的产品流中或者通过提供装置和/或流体在相対的流动方向的步骤之间将气体冲出反应器外来实现这种治理。本发明的逆流反应器设计使用用于各エ艺流的ー个或多个阀，例如提升阀，其通常包括盘元件，该盘元件改变由阀控制的开ロ ；以及杆元件，驱动装置可以在该杆元件上操作。应当知道，提升阀可以包括执行与盘元件基本类似功能的其它元件，例如视特殊构造而定的其它几何形状(例如椭圆形或半球形形状)或者不同的型面。各个阀可以基本位于反应器集管内。可以为直径大的集管使用多个阀，并且歧管管线可以位于阀的外部以便给阀运送供料并从阀运走
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书
明
说
5/29 页逆流反应器甚至还有再生换热器通常对经其通过的气体执行某种处理。当流动反向时，进ロ附近的区域变成出口附近的区域，对ー个步骤是典型进ロエ艺条件的气体组成或エ艺条件突然接近甚至流入下一个步骤的出ロ。对于不对称逆流反应器，在交替步骤中的气体会大不相同。在一个步骤中的杂质可能并不适合下ー个步骤。例如，在蒸汽重整中，再生流会大部分由氮气组成，而重整流则会大部分由氢气组成，产生的问题会是来自再生エ艺的余留氧气是重整产品氢气中的污染物。现有技术中通过提供这样ー种反应器来使 污染问题的程度最小化，即，这种反应器使得在步骤结束时留在反应器中的气体体积最小化。附加的步骤会被执行以减轻气体携帯的程度或影响。可以在ー个步骤结束时清洗反应器来消除问题组分。在上述蒸汽重整示例中，可以引入惰性气体到反应器中，以便在开始制造氢气之前清除余留的氧气。清洗气体可以使用在本申请中所描述的附加的提升阀组来引入，或者可以经由较传统的装置(例如经外部有较传统的治理阀和歧管的集管通过的导管)来引入。如本文所描述地，实现床速度的高均匀性对于清洗蒸汽来说会没有对反应蒸汽那么重要，因为对处理这些清洗蒸汽的期望有所降低。备选地，对于因循环而生的污染物，可以在反应器后エ艺(post-reactor process)中来调节。例如,在蒸汽重整步骤后余留在反应器中的烃可以作为燃烧产品污染物借助烟气中的催化转变器来处理，以便烧掉剩余的燃料。反应器后エ艺和/或清洗要求的量通过使用如本文所描述的反应器得以最小化，该反应器使余留在反应器内的不必要的气体体积最小化。在第一方面，如前所述，本发明涉及一种反应器，它包括a)反应器主体；b)第一集管，该第一集管与反应器主体接合；c)第一导管，该第一导管从集管外部延伸到至少部分地通过所述集管；以及d)第一阀，该第一阀与第一导管流动连通，并控制沿着从第一阀延伸通过反应器主体的流动路径的流体流动。在特定实施例中，术语“导管”所描述的那些反应器部分可以提供从反应器主体外部地点(location)朝向反应器主体通过集管的至少ー部分或者与集管相关联的阀座的流体流动的路径。在一些实施例中，导管完全延伸通过集管并进入反应器主体中。在某些实施例中，导管可以包括歧管或者反应器的引导流体从反应器主体外部朝向反应器主体流动的其它部分。为了本发明的目的，“流动路径”的特征可以是在反应器内供反应物和/或产品流动通过的空间。流动路径体积通常由以下组成i)在反应器床的固体-流体接触部分内的填充流动路径体积(将在下文描述其特征)和ii)在阀与反应器床以及反应器床内的任何敞开流动部分之间的敞开流动路径体积(将在下文描述其特征)。通常，反应物或产品流体通过控制进ロ阀流入反应器中，并通过控制出ロ阀流出反应器外。流体在进ロ阀和出口阀之间穿行时行经与反应器内容物基本接触的区域(称为填充流动路径体积)以及与反应器床内容物几乎不接触的区域(称为敞开流动路径体积)。反应器体积内的当流动流体从进ロ阀到出ロ阀时能够通向流动流体的路径的总和在本文中被认作流体“流动路径”，它包括填充反应器体积和敞开反应器体积。通常，这两个体积总计为在处于流动路径的相对两端处控制沿流动路径的流体流动的阀之间的、可用于流动的总反应器体积。有利的是，这些体积在阀处于关闭位置时进行測量和计算。通常，在反应器容器周边处的隔离材料的体积并不认为是任ー个流动路径体积的一部分，因为不会期望有任何行经隔离处的实质性流动。只要固体以优选为距流体流动路径小于2厘米(cm)的距离合理地接近流体流动路径，那么基于本体(bulk)计算的体积要包括在反应器组成部件内的固体和空隙空间。
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在本发明的一些实施例中，反应器还包括以下部件中的至少ー个e)第二集管，该第二集管与反应器主体接合ば)第二导管，该第二导管从第一集管或第二集管的外部延伸到至少部分地通过相应的集管；以及g)第二阀，该第二阀与第二导管流动连通，并控制沿着包括从反应器主体延伸至第二阀的部分的流动路径的流体流动。在一些实施例中，当流动路径中的流体沿第一流动流动方向时，第一阀处于基本打开的位置中，而当流动路径中的流体沿相対的第二流动方向流动时，第一阀处于基本关闭的位置中。反应器具有在至少一部分流动路径的相对两侧上的第一阀对，其中，当流动路径中的流体沿第一流动方向流动时，第一阀和第二阀各自处于基本打开位置中，而当流动路径中的流体沿相対的第二流动方向流动时，第一阀和第二阀各自处于基本关闭位置中。在一些实施例中，反应器还包括h)第三导管，该第三导管从第一集管或第二集管外部延伸到至少部分地通过相应的集管；i)第三阀，该第三阀与第三导管流动连通，并控制沿包括从反应器主体延伸至第三阀的部分的流动路径的流体流动；j)第四导管，该第四导管从第一集管或第二集管的外部延伸到至少部分地通过相应的集管；以及k)第四阀，该第四阀与第二导管流动连通，并控制沿包括从反应器主体延伸至第四阀的部分的流动路径的流体流动。反应器具有第二阀对，其包括在流动路径的至少一部分的相对两侧上的第三阀和第四阀，并控制沿相反的第二流动方向的流动，其中，当流动路径中的流体沿第一流动方向流动时，第三阀和第四阀各自处于基本关闭位置中，而当流动路径中的流体沿相反的第二流动方向流动时，第三阀和第四阀各自处于基本打开位置。在某些实施例中，反应器是能够通过対称的再生反应器循环(即在两个方向具有相同的化学反应或反应)来操作的再生反应器。对称循环通常用于相对温和的放热化学反应，示例是再生热氧化(RTO)和热重整(ATR)。在其它实施例中，反应器是能够通过不对称的再生循环来操作的再生反应器(即不对称逆流反应器，其中，化学反应或反应根据循环中的每个步骤或方向性流动而变化)。不对称循环可以用于执行吸热化学反应，且期望的吸热化学反应与不同的放热(通常燃烧)化学反应配对，以便提供用于吸热反应的反应热。不对称循环的示例是WulfT裂解エ艺和变压重整エ艺(PSR)。不对称逆流反应器通常有用于顺流的进ロ，反应物被供给该进ロ，反应物与用于逆流的进ロ所提供的反应物不同。例如，变压重整(PSR)是这样的方法，它在用于顺流的进口中提供氧化气体作为其ー个反应物，井向反应器的用于逆流的进ロ提供烃-蒸汽气体混合物作为第二反应物。可以沿顺流方向引入多个反应物来提供组合的顺流，也可以沿逆流方向引入不同的反应物组合来提供组合的逆流。在任何情况下，不对称逆流反应器都要求组合的顺流和组合的逆流在组成上不同。在其它实施例中，反应器包括ー个或多个附加阀，每个附加阀经由附加导管而与第一导管、第二导管、第三导管或者第四导管中的一个导管流动连通，该附加导管至少部分地延伸通过所述附加导管的相应的集管，每个附加阀与和所述附加导管流体连通的任意其它阀同相操作，并控制沿着包括从反应器主体延伸至相应的阀的部分的流动路径的流体流动。在这些实施例中，术语“流动连通”或“流体连通”的意思是直接流动连通，即没有插入阀或其它关闭装置来阻碍流动，还意味着在集管或附装的歧管内的流动连通，即并不借助反应器流动路径来进行流体连通。这种实施例所包括的附加导管有整个地位于集管内将流体运送至其相关联阀的附加导管。例如，导管从集管的外部进入集管(作为主导管)，井分支
12成伸向不同阀的ー个或多个“附加导管”(或次级导管)，这些阀控制从导管通过阀到流动路径的流动，该流动路径被引导通过反应器主体。同一流动路径可以被由沿顺向方向和向后方向两个方向的流体流使用，方向根据反应器中的哪些阀是打开的而哪些阀是关闭的来决定。为了本发明的目的，根据特定反应器设计，“附加导管”可以是主导管或次级导管。因此，在一些实施例中，两个相邻的阀(通常在同一集管中)承载同一反应物或气体流，并同相操作。在本说明书多处使用的术语“同相操作”涉及两个或更多个进ロ阀或两个或更多个出口阀基本上一起打开和关闭，基本上一起也就是说具有至少80%的重叠、或者说至少90%的重叠(100%的重叠是相同的或完全地同相)。例如，考虑到阀处于某种状态(即打开或关闭)中的时间间隔，至少80% (或者说至少90%)的时间间隔对干“同相”的所有阀来说是普遍的。在其它实施例中，阀相位的公差更紧些，使得在阀变化之间的时间余量更少。在这种实施例中，考虑到阀正在改变状态(即打开或关闭)的时间间隔，至少80% (优选地至少90%)的时间间隔对干“同相”的所有阀来说是普遍的。在本发明技术的某些实施例中，同相的阀可以有从打开开始运行至关闭的一定时间范围。作为示例，第一阀可以在时间O开始打开，且处于同一相中的最后阀可以在将来的某个时间b (通常是阀打开时间或者在ー些实施例中为阀打开中时间的很小一段时间)开始打开，并仍然具有相同的流体流动组成和方向。同相的阀可以打开至相同或不同的升程高度。对于同相的阀，从升程高度最高的阀至升程高度最低的阀，最低的升程高度可以低至为升程高度最高的阀的升程高度的20%，或者甚至50%。第一导管可以穿过集管的上外表面，而“附加导管”则可以整个包含在集管内，尽管在一些实施例中与附加导管相关联的阀的驱动机构虽在集管中但可以穿过集管。备选地，这种相关联的阀可以由与促动主导管相关联的阀的同一促动机构来促动。在操作过程中，反应器的这些实施例通常包括用于顺流进ロ(或进气ロ)、顺流出ロ(或排气ロ)、逆流进ロ(或进气ロ)和逆流出ロ(或排气ロ)的四个基本主导管，并且具有与每个主导管相关联的至少ー个阀。在一些实施例中，多个阀可以与至少ー个基本导管相关联。附加阀増加了与其相关联的导管的容量。通常，与特定主导管相关联或者与该主导管的相关联次级导管相关联的阀基本上一起同相操作，以便提供在ー个方向上沿特定流动路径的流动。反应器的某些实施例仅利用在集管外部延伸的主导管，而没有次级导管存在。这样以来，对这些可从反应器的外部接近的相关联的阀维修起来会更加方便。在反应器的某些实施例中，反应器主体包括反应器床，并且流动路径的体积包括i )在反应器床的固体-流体接触部分内的填充流动路径体积和i i )在阀和反应器床之间的敞开流动路径体积，以及在反应器床内的任何敞开流动部分。通常，填充流动路径体积包括在反应器床内的、距固体-流体接触表面的距离小于2cm(优选地距固体-流体接触表面的距离小于Icm)的所有体积。这样定义时，填充流动路径体积包括沿流动路径的固体和流体体积。通常，它表示反应器床的区域的本体体积，反应器床包含床填充物并且流体通过该反应器床流动。在反应器床的固体-流体接触部分的所有区域中，反应器床的固体-流体接触部分具有大于O. 5cm2/cm3的润湿面积。在本文中使用的术语“润湿面积”表示被単位体积除开的在该单位体积中的流体/固体边界的面积。在本发明中使用的“润湿”的意思只是在流体和固体之间的交界面，而并不意味着与特定流体例如水接触。在本领域中，润湿面积也称为填充物表面积，有时称为几何表面积，且本领域中应当知道包括与通过床的本体流动相关的通道中的流体/固体边界。因此，润湿面积通常并不包括可能在填充物或通道壁中的任何微孔内的面积。在一些实施例中，敞开流动路径体积与填充流动路径体积的比率小于1，优选地小于O. 5。填充流动路径体积通常通过计算当流体经过反应器主体时在流动路径中产生固体-流体接触的体积。敞开流动路径体积构成在反应器主体的流动路径中的体积的剩余部分，不仅可以包括反应器主体中在反应器床上方和下方的那些空间，还可 以包括在反应器床内并不发生固体-流体接触的区域，例如混合区或者在反应器床内没有提供固体与沿流动路径流动的流体紧密接触的表面的任意其它区。为了方便，敞开流动路径体积通常在所有阀都处于其关闭位置时进行计算。在一些实施例中，反应器床包括固定的床芯，该固定的床芯包括能够换热的固体材料。该固体材料选择为耐受反应器内的物理和化学条件，并能够包括金属、陶瓷或其它材料(视期望的反应类型而定)。例如，低温蒸汽重整或蒸汽裂化应用场合可以使用金属或硅-铝材料，而温度更高的热解反应器可以使用高纯度的氧化铝组成部件。反应器床的结构能够包括具有混合装置的中心混合区，例如在公布的美国专利申请公开No. 2007/0144940中的反应器床的那些结构通过引用被并入本文中。在某些实施例中，至少ー个阀是提升阀，该提升阀包括与阀杆元件连接的盘元件。提升阀的盘元件通常有面对邻近的反应器床表面的表面，与在内燃机中所遇到的类似。盘元件的表面可以基本为圆形(round)，以便安坐在基本圆形的开口中。为了本发明的目的，术语“基本圆形”可以包括椭圆形形状，例如在某些高性能发动机中所找到的一祥。该表面也可以是平的或具有型面。在某些实施例中，提升阀的盘元件可以相对于该开ロ(盘元件在该开口上操作)向内或向外形成型面。在一些实施例中，提升阀的表面基本平行于邻近的反应器表面。用于本发明技术的其它合适阀为本领域技术人员已知，并能够包括旋转阀、套阀、滑阀、柱塞阀和蝶形阀。制成阀的材料能够承受在反应器中的特殊阀地点遇到的条件，例如温度、暴露于蒸汽和/或反应物、压力、反应器维护计划等。对于极高温度条件能够使用陶瓷，而金属阀适用于低于该温度的大部分应用场合。根据反应器的设计，提升阀朝向反应器床打开，或者背离反应器床打开。提升阀朝向反应器床打开的某些实施例会是优选的，因为容易治理在管路和/或集管设计中的流量和压降。提升阀背离反应器床打开的某些实施例会由于两个原因而成为优选。第一，为了释放例如当压力足以克服由偏压关闭弹簧产生的作用力时在过压反应器中的压力。这能够消除使用単独的减压阀的需要，且当反应器易于快速积累压カ时可以是有用的。而且，这种实施例与提升阀朝向反应器床打开的实施例相比提供了在反应器中的更小死空间。在这样的实施例中，流量分配器是有用的，以便控制形成不同流动图形，并填充在反应器中的附加死区空间。在某些其它实施例中，气体分配器机构可以位于阀和床表面之间。示例性气体分配器机构在美国专利申请公开No. 2007/0144940中得以描述。气体分配器机构可以用于将气体导向床内的选定通道。在优选实施例中，在完全打开的阀和床表面之间的间距(例如在盘元件直径的5%至200%之间)提供了用于这种分配器的足够空间。不过，这种机构的存在以及其它的反应器特征件(例如床支撑结构)会导致变化的间距和/或导致床-阀间距在优选范围的较高端处加以选择。
通常，在操作过程中，在处于完全打开位置的提升阀盘元件的平的或具有型面的表面与反应器床表面之间的距离在盘元件直径的5%和200%之间，优选是在盘元件直径的20%和80%之间。提升阀通常包括提升阀杆元件或杆，其延伸至在它的集管外部的地点。阀杆可以由衬套和/或阀引导件围绕，该衬套和/或阀引导件对阀提供支撑，并允许沿线性路径的运动以便在操作过程中引导并在一些情况下密封阀。在一些实施例中，阀杆密封件与阀杆相关联，所述阀杆密封件例如是在往复式压缩机中通常可见的杆填充物。对于本发明 的目的，在一些示例中，尽管单独的阀密封件更不易于在使用中磨损，但是阀杆密封件可以与衬套或阀引导件相同。在反应器的某些实施例中，每个阀与可从外部接近的阀座相关联，该阀座装配在它的通向反应器主体的相应进口内和/或离开反应器主体的相应出口内，并通过任意合适的密封装置密封至集管，密封装置例如是垫圈，该垫圈通过将阀组件附装至它的相应进ロ的凸缘来保持就位。备选地，阀组件能够经由可旋转的锁定机构(例如转动锁定或卡扣机构)附装至它的相应进ロ。在其它实施例中，阀座可以通过使用拧入式或压入式座件或者通过将阀座机械加工至集管自身而与阀组件分离地安装在集管中。在一些实施例中，提升阀包括能线性促动的阀杆，该阀杆可与促动器接合，以便通过使阀作线性运动而打开和关闭阀。促动器是在至少ー个方向上进行气动促动、液压促动、电磁促动的促动器中的至少ー种。在其它实施例中，促动器能够由凸轮轴沿至少ー个方向促动。还能够使用例如弹簧的备选返回机构，其在某些实施例中例如带有阀关闭偏压。备选促动方法采用在共用于特定的流体流动流的线性对齐的多个阀上的公共促动器。在某些实施例中，提升阀能够包括圆形的盘元件，该圆形的盘元件与固体柱形杆元件连接。提升阀的直径(Dp)(下标“P”用于提升阀)能够横越盘元件来測量。升程(Lp)可以作为提升阀平移以产生用于流动的敞开面积的距离来测量。提升阀的特征还可以在于阀之间的间距。间距(Sp)描述中心至中心的间距。因此，如果两个等直径(Dp)阀具有正好等于Dp的间距(即Dp的100%)，两个提升阀的盘元件可以恰好在它们的周边上相互接触。阀间距或者在阀之间的间距的特征可以在于阀的中心至中心的测量值作为阀直径(Dp)的百分数。当阀更靠近在一起吋，它们将对反应器的内部产生流动限制，还对外部产生可构造性问题。另外，较大的阀间距产生关于流动面积充分性和进入床中的流量分配的顾虑。因此，合适的阀间距应当平衡这些对立因素。阀的间距通常在阀直径的120%和400%之间，优选是在140%和200%之间。对于在直径不同的阀之间的间距，可以使用平均直径作为除数。这样的优选间距应用于在给定集管上的相邻阀中的每个阀，而不管这些阀是否运送相同的流。并不期望相邻阀中的每个阀都具有相同的间距，但优选是相邻阀中的每个阀具有在所提供范围内的间距。在某些实施例中，与特定集管相关联的圆形提升阀为基本圆形，直径均匀，且中心至中心的间距为提升阀盘元件的平均直径的120%至400%，优选是中心至中心的间距为提升阀盘元件的平均直径的140%至200%。在一些实施例中，反应器提供了以下的至少ー种当流体流动通过阀时的阀压降，该阀压降为反应器内部压降的1%至100% ;ii)对于进ロ流和出ロ流中的一个流的总流提升阀流动面积与反应器流动面积的比率，该比率具有从1%至30%的范围；iii)提升阀直径，该提升阀直径在最小值Dpmin和最大值Dpmax之间,最小值Dpmin由以下等式I (el)确定
(Dpmin)[英寸]=O. 1484+0. 4876*DB[英尺] el(Dpmin) [cm] =0. 3769+0. 0406*DB[cm]ela其中，DBi流动面积直径，単位在方括号中表示，而最大值Dpmax由以下等式2 (e2)确定(Dpmax)[英寸]=1.6113+1. 8657*DB[英尺] e2(Dpmax) [cm] =4. 0927+0. 1555*DB[cm]e2a其中，Db是流动面积直径，単位在方括号中表示；iv) Lp/Dp (阀升程与提升阀直径的比率)，具有在3%和25%之间的范围；以及V)至少50微妙的阀提升时间。可以知道，提升阀流动面积Apfi与阀的直径、升程和数目相关，并由以下等式3 (e3)来确定Apfi=Nfi* π *Dpfi*Lpfie3其中，FI表示“顺流进ロ”，A是面积，N是阀数目，D是直径，L是升程。通常，反应器提供了以下的至少ー种i)当流体流动通过阀时的阀压降，该阀压降为所述反应器的内部压降的5%至20% ；ii)对于进ロ流和出ロ流中的一个流的总流提升阀流动面积与反应器流动面积的比率，该比率具有从2%至20%的范围；iii)提升阀直径，该提升阀直径在最小值(Dpmin)[英寸]=0· 1484+0. 4876*Db[英尺]与最大值(Dpmax)[英寸]=1.6113+1. 8657*DB[英尺]之间，其中，Db是以英尺计的流动面积直径；iv) LP/DP (阀升程与提升阀直径的比率)，具有在5%和20%之间的范围；以及V)在100和500微秒之间的阀提升时间。此外，对于特定进ロ流或出ロ流的总流提升阀流动面积与反应器流动面积的比率在1%至30%之间，优选是在2%和20%之间。在某些实施例中，反应器的特征也可以是在提升阀和床填充物之间形成的距离或间隙。例如，开ロ间隙( )是当阀打开时在反应器床表面和面对邻近的反应器床表面的提升阀的平的或有型面的表面之间的距离，并限定关闭间隙(G。)作为阀关闭时的距离。在多个实施例(例如图3所示实施例)中，这些值( - )之间的差值等于升程LP。使用提升阀可以在阀打开时借助大的流动面积来实现高的流速。流动面积总体上已知为阀周长U *DP)和阀升程(Lp)的乘积。在提升阀中，与其它阀中相同，在流体流过阀时发生一定程度的压カ減少(称为压降)。类似的，还有当流体流过在阀之间的包括反应器内部内容物的流动路径时产生的压降。阀压降与总反应器压降的比率的合适范围能够平衡对立因素，其中，低的阀压降对于在床内的流动分配来说是优选的，而高的阀压降对于高流速和更小/更少的阀来说是优选的。因此，阀压降通常在反应器内部压降的1%和100%之间，优选是在反应器内部压降的5%和20%之间。提升阀逆流反应器的很多应用场合有利地依据作为反应器流动面积百分数的用于各流的提升阀流动面积来規定，且各流的提升阀的流动面积从在该流中的提升阀数目和特征计算，且反应器流动面积被计算为反应器床接纳或排放流量的横截面积。例如，考虑到用于流(该流在用于顺流方向的流动进ロ)的ー组Nfi个提升阀(其中，FI=顺流进ロ)，总提升阀流动面积(Apfi)为Nfi* π *Dpfi*Lpfi。对于典型的柱形反应器(具有沿柱体轴线的流动)，Db是床直径，因此反应器流动面积是1/4 π Db2。用于总流提升阀流动面积与反应器流动面积的比率的典型合适范围平衡了对立因素，这与压降的情况相同。用于每个特定进ロ或出ロ流的阀的数目和尺寸能够选择，以便提供在1%至30%之间并优选在2%和20%之间的对于特定进ロ或出ロ流的提升阀流动面积与反应器流动面积比率。换句话说，通过对于顺流进ロ或逆流出口的提升阀流动面积的流动可以作为反应器流动面积的百分数在反应器流动面积的1%至30%之间，优选是在2%和20%之间。在一些实施例中，逆流反应器的很多应用场合有利地依据特定提升阀直径和升程来規定。提升阀直径(Dp)被有利地规定为与反应器流动面积的直径(Db)成比例。对于非柱形反应器流动面积，等效直径可以计算为(4A/η )1/2。合适范围的直径将满意地平衡对于高流速、均匀流动分配和最小复杂性的对立需求。优选的提升阀直径并不是简单的直径的分数，而通常是在床直径变化时也连续改变。·提升阀直径的范围能够在最小值(Dpmin)和最大值(Dpmax)之间，其中，这些最小值和最大值在下面的等式中表示为床直径的函数Dpmin[英寸]=0. 1484+0. 4876*Db[英尺]和DPMAX[英寸]=1· 6113+1. 8657*DB[英尺]。阀升程(Lp)与提升阀直径(Dp)的比率的合适范围平衡了阀压降、阀效率、床流动均匀性和改善的机械复杂性的因素。阀升程比率(LP/DP)通常在3%和25%之间，优选是在5%和20%之间。进ー步对于提升阀流动面积、直径和升程的上述尺寸，提升阀流动面积能够通过以下几何等式而与阀的直径、升程和数目相关apfi=nfi* π *dpfi*lpfi (例如对于ー个流；下标FI表示顺流进ロ)。反应器中的合适阀数目是根据为其它參数而定的规格的反应器设计的結果。根据这里提供的规格进行的设计得出平衡多个对立目标的阀数目。使用更少阀将导致这些阀更大，以便满足流动面积要求。更大的阀要求更大的升程和更大的阀-床间隙(GJ，因此增加了在反应器集管和反应器床之间的距离，从而导致更多的敞开流动路径体积。太多的阀除了需要更多的复杂歧管，它们自身还增加了反应器成本。包括这些特征的示例性设计能够在示例I和示例2以及图I和图2中直到。在本发明的一个或多个实施例中的反应器使得在阀组件和进入反应器床的进ロ之间有不期望的小间隙。使该间隙最小化将有利地使不利于逆流反应器效率的反应器敞开流动路径体积最小化。敞开流动路径体积与反应器床和阀之间的空间相关联。敞开流动路径体积没有任何实质量的催化剂、填充物或传热固体，因此对于在反应器内进行的气体流处理基本没有贡献。不过，在敞开流动路径体积内的流体仍然在流动路径内，因此当流动方向逆转时会从ー个步骤传递至下一个步骤，或者会在流动方向逆转之前需要清洗流体来进行恢复。本发明的一个或多个实施例減少了敞开流动路径体积，从而导致从一个步骤至下一个步骤的更低的清洗需要和/或更低产品损耗。使用的填充物的主要传热特性在变压重整领域中为公知，且当以本发明所规定的方式使用和定位提升阀时会导致不期望的流动分配特性。分配空间(特征在于在开ロ提升阀和反应器床表面之间的高度)可以在反应器中最小化。对于进ロ阀，床至提升阀的高度(Gq)通常为提升阀直径的20%至80%。由于良好的流动分配更少考虑出口或排气阀，因此最小的床至提升阀高度可以比对于进ロ或进气阀的床至提升阀高度更小。通常，对于出口阀，床至提升阀的高度( )的范围为提升阀直径的5%至80%。这些阀具有有利的最小间隙尺寸。更大的间隙可以用于适应其它反应器间隔，例如床支撑件或燃料分配系统。在エ业柴油发动机的典型示例中，阀提升时间为大约O. 004秒(4微秒)。通常，这些阀利用凸轮轴来打开，且阀在某个曲柄角度上打开，通常在曲柄轴旋转大约25度时从完全关闭至完全打开。在反应器中使用的阀可以利用气动促动器来打开，井能够在关闭之前保持在完全打开位置一段时间。用于阀的打开和关闭时间基于反应器的总循环时间。在本
17发明的一些实施例中使用的提升阀所具有的提升时间在提升阀发动机领域中是不曾预测到的。阀打开定时是有区别性的，因为阀打开速率控制在逆流床系统内的速度变化，且这些变化影响床性能和耐久性。在本发明技术中并不希望太快的阀提升时间(例如在发动机中采用的阀提升时间)，因为这样的时间导致床速度的太快变化。通常，阀的提升时间可以大 于50微秒，例如在50和1000微秒之间，优选是在100和500微秒之间。整个循环的持续时间定义为τ，阀的总升程定义为λ。通常，采用了反应器的エ艺要使用一组两个或更多反应器，这样，一个或多个反应器沿顺向方向操作，而ー个或多个其它反应器沿逆向方向操作。单个反应器可以保持在顺流或逆流步骤中的持续时间为总循环时间(τ )的大约15%至大约80%，根据反应器的数目和循环的设计而定。阀的提升时间可以具有从0.01 τ至O. 05 τ的范围。 如前所述地，在第二方面，本发明涉及一种反应器，它包括a)反应器主体，该反应器主体部分地包围反应和/或换热区域，并包括两个基本相対的敞开的端部；b)第一集管，该第一集管覆盖反应器主体的一个端部；c)第二集管，该第二集管覆盖反应器主体的相对的端部；d)固定床，该固定床包括邻近第一集管的区域、邻近第二集管的区域以及布置在这两个区域之间的中心区域，固定床布置在反应器主体内，并包括能够促使气体流的反应和/或换热的固体材料；e)与第一集管相关联的至少ー个气体流进ロ，该气体流进ロ打开通过第一集管进入反应器主体中的通路；以及与第二集管相关联的至少ー个气体流出ロ，该气体流出ロ打开从反应器主体通过第二集管的通路；f)至少ー个进ロ提升阀，该进ロ提升阀控制气体流进ロ，并和与气体流进ロ相关联的集管集成，进ロ提升阀包括能线性促动的阀杆；g)至少ー个出ロ提升阀，该出ロ提升阀控制气体流出ロ，并和与气体流出ロ相关联的集管集成，出ロ提升阀包括能线性促动的阀杆；以及h)至少ー个促动器，该促动器可与f)和/或g)的能线性促动的阀杆接合，并通过使得提升阀作线性运动而打开和关闭提升阀，以便允许气体从反应器的外部通到反应器主体的内部，并从反应器主体的内部通到反应器的外部，从而提供能改变的流动操作。在该方面的特定实施例中，反应器还包括i)与第二集管相关联的至少ー个气体流进ロ，该气体流进ロ打开通过第二集管和反应器主体的通路；以及与第一集管相关联的至少ー个气体流出ロ，该气体流出ロ打开通过反应器主体和第一集管的通路；还有与f)、g)和h)类似的相关联的进ロ提升阀或其它进ロ流动控制装置、出口提升阀以及促动器。前文所述的第三方面涉及ー种用于在逆流反应器中对至少两种流进行快速流切换的方法，逆流反应器包括反应器主体，该反应器主体部分地包围反应和/或换热区域，并包括两个基本相対的敞开的端部；第一集管，该第一集管覆盖反应器主体的一个端部；第二集管，该第二集管覆盖反应器主体的相対的端部；以及固定床，该固定床布置在反应器主体内，并包括能够促使气体流的反应和/或换热的固体材料，所述方法包括i)从ー个或多个进ロ气体源引入至少ー个第一气体流至与第一集管相关联的至少ー个气体流进ロ，使第一气体流通过第一集管进入反应器主体，并且从反应器主体移除处理后的第一气体流，使处理后的第一气体流通过第二集管至与第二集管相关联的至少ー个气体流出ロ ；其中，上述引入的操作和上述移除的操作分别由位于第一集管中的至少ー个进气提升阀和所述第二集管中的至少ー个排气提升阀来控制；和ii)从ー个或多个进ロ气体源引入至少ー个第二气体流至与第二集管相关联的至少ー个气体流进ロ，使第二气体流通过第二集管进入反应器主体，并且从反应器主体中移除处理后的第二气体流，并使处理后的第二气体流通过第一集管至与第一集管相关联的至少ー个气体流出ロ ；其中，上述引入的操作和上述移除的操作分别由位于第二集管中的至少ー个进气提升阀或者其它进气流动控制装置和位于第一集管中的至少ー个排气提升阀来控制。特别关注的逆流反应器应用场合可以将吸热反应与放热反应(通常为燃烧)联接。 特别关注的吸热反应包括蒸汽重整、干(CO2)重整、热解、催化裂解、脱氢和脱水中的ー种。典型的热解反应包括蒸汽裂解反应(例如こ烷、石脑油和轻柴油裂解)、水热解反应(例如甲烷或重供料到こ炔的水热解)和无烃裂解反应(例如H2S到氢和硫的热解)。用于本发明技术的典型脱氢反应包括烷烃脱氢(例如丙烷脱氢)和烷基芳香烃脱氢(例如こ苯脱氢)。用于本发明技术的典型脱水反应包括甲醇和こ醇脱水。在这些应用场合中，反应器包含非常苛严的环境，因此在反应器中应用的材料的耐久性受到关注。具体而言，重整和热解环境包括高温，高温通常具有从500°C至2000°C的范围，例如从800°C至1800°C的范围，分压カ下的蒸汽具有从O至5000千帕(kPa)的范围，优选是从O至3000kPa，热循环的速率具有每分钟O. I至20个循环的范围，优选是每分钟I至15个循环的范围，氧化还原循环例如从主要存在自由氧的流至主要存在自由烃和氢的流，且总压力下的压カ变动具有从O至5000kPa的范围。本发明的反应器能够在这些环境中可靠地运行。这里介绍了示例，其中，这些示例将本发明的技术应用于变压重整(pressureswing reforming)和热解应用场合。在下面的图I中示出了示例性实施例。图I是根据本发明实施例的、带有单个集管和相关联的阀组件的不对称逆流反应器的视图。反应器101包括带有反应器床103的反应器主体102，该反应器床具有基本上不透气体的分隔件104，该分隔件将反应器床分成左侧反应器床105和右侧反应器床106。反应器床的上部由单个集管107覆盖，分隔件104延伸直至该集管。集管107中的进ロ开ロ 108定位在左侧反应器床105的上方，由第一导管109对该开ロ进行供给。例如导管109和115的导管可以是管或其它流体传送装置，其被设置成为歧管(未不出)的一部分或者从歧管延伸的延伸部。例如导管109和115的导管可以从集管107外部延伸到至少部分地通过所述集管。第一导管109可以从反应器主体102的外部朝着左侧反应器床105延伸通过集管107中的开ロ。顺流进ロ提升阀110可安坐(seat)在集管内，并在安坐时与插入集管内的単独的阀座(未示出)或集管自身接触，还控制从集管外部进入在左侧反应器床105上方的左侧上开ロ空间111中的流体流动。进ロ提升阀110在关闭退回位置中向上延伸，且当向下延伸时打开。当进ロ提升阀110打开时，流体从第一导管109顺流通过进ロ提升阀110进入流动路径，经由开ロ空间111通过左侧反应器床105进入反应器床103下方的下公共开ロ空间112中，然后流向右侧反应器床106和右侧上开ロ空间113,流动路径从该右侧上开ロ空间113延伸至顺流(f orward f I ow )出ロ提升阀114，该出口提升阀可安坐在集管107中，并当安坐时与单独的阀座(未示出)或集管自身接触。安坐在集管107内的出口提升阀114控制流动从右侧上开ロ空间113到第二导管115的，该第二导管从出口提升阀114延伸通过集管至集管外部的位置。与进ロ提升阀110类似地，出ロ提升阀114在关闭退回位置中向上延伸，并当向下延伸时打开(可以有这样的可选结构，其中，进ロ提升阀110和出口提升阀114在关闭退回位置中向下延伸，并在打开位置中向上远离反应器床延伸)。第二导管115能够是管或其它流体传送装置，其被设置成为歧管(未不出)的一部分或者从歧管延伸的延伸部。第二导管115可以从反应器主体102的外部朝着右侧反应器床106延伸通过集管107中的开ロ，并可以用来将来自反应器床103的反应产物引导至反应器101外部的位置。在操作过程中，进ロ提升阀110和出口提升阀114基本同相(inphase)，即它们基本同时一起打开和关闭。因此，当打开时，它们允许从第一导管109到第二导管115的流体流动。对应的ー组阀和导管(未示出)能够提供在逆向方向上沿流动路径通过反应器床的逆流，并具有在右侧反应器床106上方的逆流进ロ阀和在左侧反应器床105上方的逆流出ロ阀。通常，第二组阀也相对于彼此基本同相操作，并与第一组阀基本反相地操作。因此，当沿顺向方向(从反应器的左侧至右側)流动时，第一阀和第二阀(第一阀对)同时打开，而第三进ロ提升阀和第四出口提升阀(第二阀对)关闭。然后，第一阀对的第一阀和第二阀关闭而第二阀对打开，从而允许沿逆向方向流动。在可选实施例中，使用特别对称的阀图案的优点会指明阀的直径大于Dpmax,该Dpmax将在并不考虑対称的情况下选择。例如，人们可以使用与柱形反应器床设计的圆形端相关联的六个阀或七个阀的六边形图案。当中心至中心阀间距彡120%阀直径时，阀可以大至27. 8%反应器直径。而且，当中心至中心阀间距彡140%阀直径吋，阀可以大至23. 8%反应器直径。例如，直径为96英寸(2. 44米)的反应器床可以受益于直径为22. 85或26. 7英寸(58或67. 8cm)的阀。对于这样的实施例，根据等式Dpmax (英寸)=1. 6113+2. 858*DB (英尺)或者(Dpmax) (cm)=4. 0927+0. 238*DB (cm)，Dpmax可以是床直径的更大比例。应当知道，在本发明技术的范围内也可以设想其它变化形式。不对称逆流操作通常要求使得沿顺向方向流动的气体的组成与沿逆向方向流动的气体的组成不同。例如，沿顺向方向流动通过进气阀的气体与沿逆向方向流动通过进气阀的气体的组成不同。能够应用带有单个集管的这种反应器的反应示例包括再生热氧化器(regenerativethermal oxidizer),其在美国专利申请公开 No. 2007/0144940 和2008/0142409中得以进ー步介绍，这两篇文献的全部内容通过引用并入此文。应用于带有多个阀和导管的大規模热解反应器的本发明反应器的示例性实施例在下文的图2中示出。图2是根据本发明实施例的、带有两个相对的集管和相关联的阀组件的不对称逆流反应器的视图。反应器200包括柱形壁和柱形_离层(insulation layer),在横截面视图中绘出为左侧壁202、左侧隔离层204、右侧壁206和右侧隔离层208。反应器床210包括上反应器床部分212、下反应器床部分214以及可以包含混合结构的混合区216。反应器由上集管218和下集管220覆盖，从而形成上敞开区222和下敞开区224，这些敞开区域基本包括敞开流动路径体积。逆流反应器中的这种敞开流动路径体积所包含的气体当没有例如通过在循环的这些步骤之间进行冲洗来进行适当治理时会从循环的顺流步骤跨越至逆流步骤(反之亦然)。将敞开流动路径体积最小化有利地減少了在循环过程中要加以治理的体积，从而缩短了循环时间并提高了效率。上集管218和下集管220包含开ロ，阀结构可以插入开口中。在集管和反应器床之间的上敞开流动路径体积或者下敞开流动路径体积还可以包含将用于燃烧的燃料直接引入反应器200中的分配管线(未示出)。上集管218包含各种开ロ，例如用于顺流进ロ歧管230和逆流出ロ歧管232的示例性开ロ 226和228 (后一开ロ被绘出为由提升阀占据)。顺流进ロ阀234和逆流出口阀236通过歧管布置并控制开ロ。顺流进ロ阀234和逆流出ロ阀236是提升阀，包括(如在236的情况下所绘出地)与杆元件240连接的盘元件238，该杆元件可以定位在衬套或阀引导件241中。杆元件240与促动装置242连接，该促动装置使阀作线性运动。应当知道，开ロ 226和228以及相关联的歧管230和232可以形成从上集管218外部延伸到至少部分地通过上集管218以便流体流动的导管。该示例性实施例有利地具有与每个阀相关联的独立的促动装置，这使得对于单个阀的促动装置故障最小化。备选地，可以设置单个促动装置来控制多个阀。总体而言，假定经过进ロ的反应物体积要低于经过出口的产物体积，那么用于进ロ歧 管的开口和进ロ阀的直径比用于出口歧管的开口和出口阀的直径更小。在图2中，顺向进ロ阀被绘出为处于打开位置，而逆流出口阀被绘出为处于关闭位置。类似的歧管与阀的布置与下集管220相关联。下集管220包含各种开ロ，例如用于顺流出ロ歧管248的示例性开ロ 244和用于逆流进ロ歧管250的示例性开ロ 246 (由于逆流进ロ阀254被绘出为处于关闭位置，开ロ 246被部分地遮挡)。到246的“标记”是箭头，通过逆流进ロ阀254指入开ロ 246中。开ロ 244和246以及相关联的歧管248和250可以形成从下集管220的外部延伸到至少部分地通过所述下集管220以便流体流动的导管。顺流出ロ阀252和逆流进ロ阀254通过歧管布置并控制开ロ。再次地，顺流出ロ阀252和逆流进ロ阀254是提升阀，包括与杆元件连接的盘元件，该杆元件可以定位在衬套或阀引导件内。如对于顺流出ロ阀252所示出地，杆元件与促动装置256连接，与上文讨论类似地，该促动装置使阀作线性运动。该实施例有利地具有与每个阀相关联的独立的促动装置，这使得对于单个阀的促动装置故障最小化。备选地，可以设置单个促动装置来控制同相操作的多个阀，优选地是ー组多个逆流进ロ阀。反应器阀设计的一部分包括对反应器进行密封，具体而言是围绕着阀对反应器进行密封，从而消除反应物和产物气体的释放。合适的密封件包括杆填充物(rodpacking)，例如用于阀的杆元件或轴的往复式压缩机类型密封件。阀促动器装置提供了足够的作用カ和提升时间，并满足反应器的设计寿命。通常，促动器装置是气动控制促动器，该促动器靠弹カ回位(springreturned),并在促动器发生故障时被偏压至关闭状态。在图2中，逆流出ロ阀236被绘出为处于关闭位置，而顺流进ロ阀234被绘出为处于打开位置。因此，图2绘出反应物在从上集管218的顺流进ロ歧管230通过反应器床210并进入下集管220的顺流出ロ 244中的顺流中。这时逆流阀(逆流出ロ阀236和逆流进ロ阀254)都关闭。在循环的下个相位中，顺流进ロ阀(234和252)关闭，而下集管的逆流进ロ阀254与上集管218的逆流出ロ阀236 —起打开，促使气体从下集管220逆流通过反应器床210并从上集管218出来。通常，顺流阀对(每个阀对都包括顺流进ロ阀和顺流出ロ阀)与阀对的各个部件同相一起操作。一对顺流阀能够位于它们各自的集管上，彼此直接地相对，其阀杆与反应器侧边平行并由公共促动器装置来驱动。类似地，逆流阀对(每个阀对都包括逆流进ロ阀和逆流出ロ阀)彼此同相操作，并且如果需要的话可以位于它们各自的集管上，彼此直接地相对，它们的阀杆与反应器侧边平行并由公共促动器装置来驱动。通常，顺流阀对与逆流阀对直接相反地操作，使得当顺流阀对打开时，逆流阀对关闭，反之亦然。当反应器上的每个阀有它自己的促动器装置吋，反应器可以在仅单个阀发生故障时继续工作，并允许对单个阀进行移除和更换而无需拆卸整个反应器。备选地，控制同一供给/产物流的多个阀可以由公共促动器来驱动。
反应器床210包括上反应器床部分212、下反应器床部分214以及可以包含混合结构的混合区216。下反应器床也可以包括支撑床重量的结构(未示出)。典型反应器床材料包括蜂窝状整体料，其具有直的通道使压降最小化，并允许有更大的反应器长度。用在反应器中的蜂窝状整体料通常具有从大约每平方英寸16个通道(通道个数/in2)至大约每平方英寸3200个通道(通道个数/in2)范围内的通道密度(2. 5个ー 500个通道/cm2)。备选地，对床212和214的ー个或多个部分的填充物可以更具曲折性，例如泡沫整体料和填充床。用于本发明技术的典型泡沫整体料的孔密度具有从大约5ppi (孔个数/每英寸)至大约IOOppi (即2-40个孔/cm)的范围。用于本发明技术的典型填充床的填充物具有润湿表面积，该润湿表面积具有从大约每英尺60 (ft—1)至大约SOOOft—1 (即2-lOOcnT1)的范围。图2中的总流动路径由敞开区222和224中的体积以及在床212、214中的体积还有混合器216中的体积来表示。敞开流动路径体积绝大部分由敞开区222和224组成，而填充流动路径体积绝大部分由床212、214和混合器216的区组成。相对于传统的阀构造，将大的提升阀集成在反应器的集管中大大減少了在反应器床和阀之间的非生产性体积量。而且，该实施例很容易构造和操作，在反应器集管上布置有足够数量的阀来提供充足的流动区域，从而允许在期望压降下操作，通常为阀压降在反应器内部压降的1%和100%之间，优选地在反应器内部压降的5%和20%之间。在图2的上下文中，反应器内部压降可以包括在上开ロ区(222)和下开ロ区(224)之间的压力差。在图2的上下文中，阀压降包括在歧管(例如230)和恰好在打开阀(例如234)之外的开ロ区(例如222)之间的压力差。如前所述，阀压降通常在反应器内部压降的1%和100%之间，优选是在反应器内部压降的5%和20%之间。而且，从阀涌出的流体流能够充分地分配在床的整个宽度上。该实施例能够与反应器床一起使用，该反应器床基本包括沿流动方向的平行通道(如上一段中指出地)，例如能够消除流的任何径向分散的蜂窝状整体料。有利的逆流反应器技术提供了越过床横截面的高的速度均匀性(其例如经由速度的标准偏差来度量)，由此在通过床的轴向路径中的滞留时间可以是相近似的。具体而言，用于变压重整和热解的逆流反应器技术要求在反应器床填充的外部的敞开体积中的高度流量分配( 10￥(11811^13111；
=0. 1484+0. 4876*DB[英尺]与最大值(Dpmax)[英寸]=1. 6113+1. 8657*DB[英尺]之间，其中，队是以英尺计的流动面积直径；iv)LP/DP (阀升程与提升阀直径的比率)，具有在3%和25%之间的范围；以及V)至少50微秒的阀提升时间。
33.根据权利要求15所述的反应器，其中，所述反应器提供了以下的至少一种i)当流体流动通过阀时的阀压降，该阀压降为所述反应器的内部压降的5%至20%;ii)对于进口流和出口流中的一个流的总流提升阀流动面积与反应器流动面积的比率，该比率具有从2%至20%的范围；iii)提升阀直径，该提升阀直径在最小值(Dpmin)[英寸]=0. 1484+0. 4876*DB[英尺]与最大值(Dpmax)[英寸]=1. 6113+1. 8657*DB[英尺]之间，其中，队是以英尺计的流动面积直径；iv)LP/DP (阀升程与提升阀直径的比率)，具有在5%和20%之间的范围；以及V)在100和500微秒之间的阀提升时间。
34.一种反应器，该反应器包括 a)反应器主体，该反应器主体部分地包围反应和/或换热区域，并包括两个基本相对的敞开的端部； b)第一集管，该第一集管覆盖所述反应器主体的一个端部； c)第二集管，该第二集管覆盖所述反应器主体的相对的端部； d)固定床，该固定床包括邻近所述第一集管的区域、邻近所述第二集管的区域以及布置在这两个区域之间的中心区域，所述固定床布置在所述反应器主体内，并包括能够促使气体流的反应和/或换热的固体材料； e )与所述第一集管相关联的至少一个气体流进口，该气体流进口打开通过所述第一集管进入所述反应器主体中的通路；以及与所述第二集管相关联的至少一个气体流出口，该气体流出口打开从所述反应器主体通过所述第二集管的通路； f)至少一个进口提升阀，该进口提升阀控制所述气体流进口，并和与所述气体流进口相关联的集管集成，所述进口提升阀包括能线性促动的阀杆；g)至少一个出口提升阀，该出口提升阀控制所述气体流出口，并和与所述气体流出口相关联的集管集成，所述出口提升阀包括能线性促动的阀杆；以及 h)至少一个促动器，该促动器可与f)和/或g)的所述能线性促动的阀杆接合，并通过使得所述提升阀作线性运动而打开和关闭所述提升阀，以便允许气体从所述反应器的外部通到所述反应器主体的内部，并从所述反应器主体的内部通到所述反应器的外部，从而提供能改变的流动操作。
35.根据权利要求34所述的反应器，还包括i)与所述第二集管相关联的至少一个气体流进口，该气体流进口打开通过所述第二集管和所述反应器主体的通路；以及与所述第一集管相关联的至少一个气体流出口，该气体流出口打开通过所述反应器主体和所述第一集管的通路；还有与f)、g)和h)类似的相关联的进口提升阀或其它进口流动控制装置、出口提升阀以及促动器。
36.一种用于在逆流反应器中对至少两种流进行快速流切换的方法，所述逆流反应器包括反应器主体，该反应器主体部分地包围反应和/或换热区域，并包括两个基本相对的敞开的端部；第一集管，该第一集管覆盖所述反应器主体的一个端部；第二集管，该第二集管覆盖所述反应器主体的相对的端部；以及固定床，该固定床布置在所述反应器主体内，并包括能够促使气体流的反应和/或换热的固体材料，所述方法包括 i)从一个或多个进口气体源引入至少一个第一气体流至与所述第一集管相关联的至少一个气体流进口，使所述第一气体流通过所述第一集管进入所述反应器主体，并且从所述反应器主体移除处理后的第一气体流，使处理后的第一气体流通过所述第二集管至与所述第二集管相关联的至少一个气体流出口 ；其中，上述引入的操作和上述移除的操作分别由位于所述第一集管中的至少一个进气提升阀和位于所述第二集管中的至少一个排气提升阀来控制；和 ii)从一个或多个进口气体源引入至少一个第二气体流至与所述第二集管相关联的至少一个气体流进口，使所述第二气体流通过所述第二集管进入所述反应器主体，并且从所述反应器主体中移除处理后的第二气体流，并使处理后的第二气体流通过所述第一集管至与所述第一集管相关联的至少一个气体流出口 ；其中，上述引入的操作和上述移除的操作分别由位于所述第二集管中的至少一个进气提升阀或者其它进气流动控制装置和位于所述第一集管中的至少一个排气提升阀来控制。
37.一种反应器，该反应器包括 a)反应器主体，其中，该反应器主体形成在所述反应器主体中的反应区； b)填充材料，该填充材料布置在所述反应区中； c)一个或多个提升阀组件，所述一个或多个提升阀组件与所述反应器主体联接，与所述反应区流动连通，并控制在所述反应器主体的外部的地点与所述反应区内之间的流体流动。
38.根据权利要求37所述的反应器，其中，所述反应器主体包括集管和外壳，所述集管和所述外壳联接在一起，以便形成所述反应区；并且其中，所述一个或多个提升阀组件与所述集管联接。
39.根据权利要求38所述的反应器，其中，所述一个或多个提升阀组件包括 i)第一导管，该第一导管从所述集管的外部延伸到至少部分地通过所述集管；以及ii)第一阀，该第一阀与所述第一导管流动连通，控制沿着从所述第一阀延伸通过所述反应器主体的流动路径的流体流动。
40.根据权利要求39所述的反应器，其中，当流动路径中的流体流动在第一流动方向上时，所述第一阀具有基本打开位置，而当流动路径中的流体流动在相对的第二流动方向上时，所述第一阀具有基本关闭位置。
41.一种计算装置，包括 处理器； 存储器，该存储器与所述处理器联接；以及 提供给所述存储器的指令，其中，所述指令能够由所述处理器执行，从而 基于与反应器主体联接并与反应区流动连通的一个或多个提升阀组件来产生建模结果，其中，所述一个或多个提升阀组件控制在所述反应器主体的外部的地点与所述反应区内之间的流体流动； 储存所述建1吴结果。
42.根据权利要求41所述的计算装置，其中，所述建模结果进一步基于与所述反应器主体联接的一个或多个提升阀组件的间距。
43.根据权利要求37所述的反应器，其中，所述反应器为不对称逆流反应器。
44.根据权利要求37所述的反应器，其中，所述填充材料是蜂窝状填充材料。
全文摘要
一种具有最小死体积和特别适合逆流应用场合的反应器包括a)反应器主体；b)第一集管，该第一集管与所述反应器主体接合；c)第一导管，该第一导管从所述集管的外部延伸到至少部分地通过所述集管；以及d)第一阀，该第一阀与所述第一导管流动连通，控制沿着从第一阀延伸通过反应器主体的流动路径的流体流动。该反应器特别适合用于在逆流反应器中对至少两种流进行快速流切换的方法中。
文档编号B01J8/04GK102917784SQ201180026119
公开日2013年2月6日 申请日期2011年5月6日 优先权日2010年5月28日
发明者F·赫什科维茨, R·J·巴齐尔, J·W·弗莱德里克, J·W·富尔顿, P·F·柯森科斯恩, B·A·帕特尔, A·R·绍弗兰 申请人:埃克森美孚化学专利公司