專利名稱：利用板排列加熱和預(yù)熱反應(yīng)物的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于間接熱交換和加熱反應(yīng)物以控制反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度條件的板式交換器。
許多方案設(shè)法通過為反應(yīng)供熱來克服吸熱冷卻的副作用。許多傳統(tǒng)方法采用在絕熱反應(yīng)段之間的多段加熱。其它方法使用通過同步反應(yīng)的就地加熱或間接熱交換以保持反應(yīng)區(qū)內(nèi)的等溫或其它溫度模式。美國專利US-A-5,525,311提供一個與熱交換流體間接熱交換以控制反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度模式的實例。
多種方法可以使用與反應(yīng)區(qū)的間接熱交換以控制反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度模式。烴轉(zhuǎn)換反應(yīng)的一般實例包括烴的芳構(gòu)化，烴的重整，烴的脫氫和烴的烷基化。
其它實例為在蒸汽或碳的氧化物存在下通過重整甲烷生產(chǎn)氫和碳的氧化物的方法。蒸汽重整方法是眾所周知的，且包括原料和蒸汽的混合物在蒸汽重整催化劑上通過。典型的蒸汽重整催化劑含有載于耐火材料載體如α-氧化鋁或鋁酸鈣上的鎳且可以包含鈷。初級蒸汽重整反應(yīng)的強吸熱性要求提供熱量以維持反應(yīng)。熟練技術(shù)人員一般用烴的部分氧化來平衡重整的吸熱要求，以提供一個為初級重整階段提供熱量并進一步產(chǎn)生合成氣的二級重整反應(yīng)。US-A-4,985,231給出了產(chǎn)生合成氣體的絕熱重整爐的操作。US-A-5,300,275闡述了使用二級重整反應(yīng)提供熱氣以加熱初級重整反應(yīng)的另一種基本安排。專利US-A-4,810,472、4,750,986和4,822,521公開了在來自二級重整階段與初級重整階段之間的熱氣間接熱交換的熱交換反應(yīng)器的特殊排列。US-A-4,127,389給出了各種自二級重整反應(yīng)區(qū)向初級重整反應(yīng)提供熱量的管室設(shè)計。正如上述參考專利所確定的，對于初級和二級重整區(qū)之間的熱交換，本領(lǐng)域在技術(shù)上目前完全依靠管道排列，且最常見的是依靠被稱做“插接管”的雙層管。管式反應(yīng)器的幾何形狀提出了布置上的約束為達到要求的高熱傳遞效率需要大反應(yīng)器和巨大的管表面。
其它工藝方案用限定通道的薄板實現(xiàn)間接熱交換。這些通道交替地在一組通道內(nèi)保持催化劑和反應(yīng)物，在鄰近的通道內(nèi)保持熱傳遞流體以間接加熱或冷卻反應(yīng)物和催化劑。可以提供更全面的溫度控制的傳熱和反應(yīng)物通道的一種具體排列也可見于US-A-5,525,311；其內(nèi)容在此引用作為參考。其它用于間接傳熱的有用的板排列公開于US-A-5,130,106和US-A-5,405,586。
盡管由例如US-A-4,714,593的專利已知通過直接燃燒燃料間接加熱反應(yīng)區(qū)，但原料預(yù)熱仍然通常在反應(yīng)區(qū)之外提供。提供就地加熱以控制溫度的一般工藝安排也使用某些形式的進料加熱器。原料在進入反應(yīng)區(qū)之前，進料加熱器使其達到初始反應(yīng)溫度。進料加熱器增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。
因此，本發(fā)明的目的是提高使用就地間接熱交換方法加熱反應(yīng)物的效率。
本發(fā)明的另一目的是減少加熱反應(yīng)物過程中的設(shè)備需要。
包含反應(yīng)和加熱功能的窄加熱通道的存在構(gòu)成了本發(fā)明的本質(zhì)需求。加熱和反應(yīng)通道可以呈現(xiàn)許多不同的適合具體工藝和加熱流體的配置。反應(yīng)通道的預(yù)熱部分可以包含沿通道連續(xù)長度的一部分，或者預(yù)熱部分可以由一單獨的一段通道提供并輸送加熱的反應(yīng)物到單獨的反應(yīng)通道。在垂直延展的通道內(nèi)，催化劑在反應(yīng)通道內(nèi)的短裝載可以在初級重整部分的上面或下面提供空間以預(yù)熱原料。
加熱通道和反應(yīng)通道可以橫向、同向、或逆向通過流體。逆向流動可以向反應(yīng)通道的反應(yīng)部分提供最大的熱輸入，而同向流動將使反應(yīng)通道預(yù)熱部分的加熱最大化。
加熱通道可以包含促進燃料燃燒的燃燒促進催化劑。燃料在加熱通道內(nèi)燃燒時，可以改變?nèi)紵呋瘎┰诩訜嵬ǖ纼?nèi)的裝載量以適應(yīng)原料物流和反應(yīng)區(qū)的加熱要求。在通過熱交換表面的熱交換間接加熱反應(yīng)區(qū)的通道內(nèi)使用催化劑控制燃料的燃燒速率可以調(diào)節(jié)溫度，從而提高轉(zhuǎn)化率、選擇率或兩者。通過改變?nèi)紵俾收{(diào)節(jié)溫度還可以減少催化劑在反應(yīng)區(qū)內(nèi)失活。多種不同的方法可以用來改變?nèi)紵呋瘎┐龠M燃料在加熱通道的燃燒的速率。具體操作可以改變工藝條件如停留時間/空間速率。燃料反應(yīng)物的濃度也可以通過引入其它燃料或稀釋劑加以改變。其它的改變方法可以提高加熱通道內(nèi)催化劑的存在量。提高或減少整個加熱通道內(nèi)催化劑基體上的催化活性材料的裝載量可以改變?nèi)紵俾省３送ㄟ^改變金屬荷載量改變催化劑之外，還可以沿加熱通道長度改變催化劑的類型。此外，本發(fā)明方法可以通過沿通道單位流動長度改變催化劑體積的方法簡單地改變均勻催化劑的量。通過在加熱通道內(nèi)使用適當?shù)拇呋瘎┗钚苑植伎梢栽诔霈F(xiàn)原料轉(zhuǎn)化的地方強加一個使轉(zhuǎn)化率最大化的溫度分布。從機械角度出發(fā)，徑向流動反應(yīng)器截面寬度的內(nèi)在的增加或減小提供了改變沿加熱通道單位流動長度催化劑體積的現(xiàn)成方式。US-A-5,405,586給出了一種具有間接熱交換的徑向流動反應(yīng)器排列，其中可以根據(jù)本發(fā)明改進以包括燃料燃燒方面的改變。
板排列也可以改變加熱通道內(nèi)的催化劑裝載。板可以占據(jù)通道的一部分，以僅使熱交換通道的一部分的催化劑的裝載減少。厚板可以延伸通過部分加熱通道，并穩(wěn)定地從熱交換通道部分替換催化劑。成對的固體板可以延伸過部分熱交換通道，以限定亞通道空間體積。這種中心亞通道可以在其中需要相對少量燃燒的加熱通道的外邊產(chǎn)生催化劑薄層。使用穿孔板可以提供改變加熱通道內(nèi)催化劑裝載的特別有利的方法。穿孔的大小可阻擋催化劑進入加熱通道內(nèi)由穿孔板限定的通道亞區(qū)，同時仍然允許氣流通過。穿孔板也可選沿加熱通道的整個長度延伸，但改變穿孔的大小。在垂直取向的通道內(nèi)，上部板的小孔可以阻止顆粒進入板之間的上部空間，而板下部較大的孔使催化劑通過進入下部的亞通道區(qū)域以提高催化劑單位通道長度的相對體積。以此方式使用穿孔板可以大大便利燃燒催化劑的裝載和卸載，而且甚至允許在生產(chǎn)過程中改變?nèi)紵呋瘎┑难b載量。
沿通道路徑的分配室可以為中間注入反應(yīng)物或加熱介質(zhì)提供場所。根據(jù)需要，可以在通道端部或沿中間點設(shè)置分配室。這種歧管的一種安排是使用兩組或多組獨立的熱交換板組或“反應(yīng)組”，用隔離的排管進行不同的反應(yīng)和熱交換步驟。例如，反應(yīng)組內(nèi)的交替狹窄通道的一種排列可以僅包含用于加熱通道的催化劑，而下游反應(yīng)組在反應(yīng)和加熱通道都包含催化劑。歧管體系使隔離的預(yù)熱原料和加熱流體流出物進入加熱通道和反應(yīng)通道的另一段，并再次使加熱流體與反應(yīng)物間接接觸。歧管與外部管道的整合可以通過中間加入或排出加熱流體或反應(yīng)物進一步加強工藝控制。
適當?shù)陌迮帕锌墒褂镁哂性诎逯g間斷分布的中間間隔的較光滑的板以節(jié)約通道空間并引入湍流促進熱傳遞。螺旋纏繞的窄間隔通道可以提供高度接觸和熱交換。熱交換元件的優(yōu)選形式包含具有其中有波紋的較平的板。波紋起保持板間距的作用，同時也支撐板以提供良好的窄通道支撐系統(tǒng)。US-A-5,525,311也展示了這種板系統(tǒng)排列的其它詳細情況。
適當?shù)陌迮帕羞€可以包括穿孔板。最有利的穿孔板將允許控制量的反應(yīng)物作為原料直接由初級重整區(qū)通道進入二級重整區(qū)通道。穿孔板將在二級加熱通道的需要部分分散引入的反應(yīng)物。本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員將能確認那些為加熱和反應(yīng)通道的整合提供其它好處的板排列的其它變化方案。
因此，在一個實施方案中，本發(fā)明是一種在反應(yīng)區(qū)內(nèi)使反應(yīng)物與催化劑接觸并使反應(yīng)物與加熱介質(zhì)間接接觸的方法。該方法使反應(yīng)物流通過多個由間隔的主板限定的窄反應(yīng)通道，并在無催化劑條件下在所述窄反應(yīng)通道的第一部分加熱反應(yīng)物流。該方法還使加熱介質(zhì)通過多個主板限定的窄反應(yīng)通道，并在反應(yīng)通道的第一部分通過板間接加熱反應(yīng)物流，利用加熱通道預(yù)熱部分的加熱介質(zhì)在反應(yīng)通道內(nèi)提供預(yù)熱的反應(yīng)物。加熱的反應(yīng)物通過反應(yīng)通道的第二部分，并使加熱的反應(yīng)物流與反應(yīng)通道第二部分內(nèi)的催化劑接觸以產(chǎn)生反應(yīng)的物流，同時隨著加熱介質(zhì)通過加熱通道的初級加熱部分間接加熱反應(yīng)通道的第二部分。在本實施方案的更具體的方式中，甲烷進入加熱通道且進行氧化以提供加熱流體。優(yōu)選地，甲烷在加熱通道內(nèi)與燃燒催化劑或氧化催化劑接觸。
在另一個實施方案中，本發(fā)明包括使反應(yīng)物在反應(yīng)區(qū)內(nèi)與催化劑接觸、同時通過與生熱區(qū)形成的燃燒氣體接觸間接加熱反應(yīng)物的設(shè)備。該設(shè)備包括由多個主板限定的多個交替的反應(yīng)通道和加熱通道，在反應(yīng)通道的一端具有反應(yīng)物入口，反應(yīng)通道的另一端具有反應(yīng)物出口，加熱通道的一端具有加熱流體入口、另一端具有加熱流體的出口。反應(yīng)通道包括位于反應(yīng)物入口下游的將固體催化劑從反應(yīng)通道的預(yù)熱部分排除的裝置，和位于預(yù)熱部分下游的將固體催化劑保持在反應(yīng)通道催化部分的裝置。該設(shè)備可以包括將反應(yīng)物流輸送到反應(yīng)物入口和將反應(yīng)過的物流從反應(yīng)物出口排出的裝置，以及將加熱流體輸送到加熱流體入口并將加熱流體從加熱流體出口排出的裝置。在該實施方案的另一種形式中，加熱通道可以限定燃燒區(qū)并保持燃燒促進催化劑。優(yōu)選地，被保持的催化劑包含氧化催化劑和為加熱通道提供氧氣的氧氣管道。
加熱介質(zhì)可以通過單獨的物流、部分反應(yīng)的物流或部分反應(yīng)物物流提供。例如，在鏈烷烴異構(gòu)化的情況下經(jīng)常需要使一般伴隨鏈烷烴原料的苯飽和。由苯飽和產(chǎn)生的熱量可以間接加熱異構(gòu)化反應(yīng)區(qū)，同時還預(yù)熱進入異構(gòu)化區(qū)的原料。在該方法中，包含C4-C6鏈烷烴和一般至少2摩爾％苯的原料物流通過包含飽和通道的苯飽和區(qū)。通過多個被間隔的板與熱交換通道的冷卻流體的間接熱交換冷卻飽和反應(yīng)區(qū)的流出物。至少一部分至少部分飽和流出物作為異構(gòu)化原料通過異構(gòu)化區(qū)，通過與異構(gòu)化催化劑接觸使異構(gòu)化原料異構(gòu)化生產(chǎn)異構(gòu)化流出物。原料物流、混合原料、異構(gòu)化原料或異構(gòu)化區(qū)流出物中至少一種作為冷卻流體通過熱交換通道。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)區(qū)、加熱區(qū)、熱交換器排列的示意流程圖。
圖3是包括本發(fā)明排列的立式板式通道交換器的示意流程圖。
圖4是圖3中示意的熱交換反應(yīng)器的4-4截面的剖視圖。
圖5是圖3中示意的熱交換反應(yīng)器的5-5截面的示剖視圖。
圖6是圖3中示意的熱交換反應(yīng)器的6-6截面的水平剖視圖。
圖7是顯示波紋樣式的平板元件示意圖。
圖8是形成流動通道的波紋板的軸測圖。
圖9和10是用來說明根據(jù)本發(fā)明交替排列的反應(yīng)通道和加熱通道的原理圖。


圖11和12是顯示通道內(nèi)加熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)分布的圖表。
發(fā)明詳述圖1和圖2比較現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明。圖1中，工藝物流經(jīng)管道10進入流程設(shè)備并通過用于從反應(yīng)區(qū)流出物流(14)回收熱量的熱交換器12。部分加熱的原料由交換器12經(jīng)管道18進入進料加熱器16。管道17將燃料加入進料加熱器16。管道20運載加熱的原料物流進入吸熱反應(yīng)區(qū)22與催化劑接觸生成流出物物流14，物流14經(jīng)管道24由交換器12的流程下游排出。反應(yīng)區(qū)22通過傳熱板26與加熱區(qū)28熱交換。管道30將加熱介質(zhì)送入加熱區(qū)28。在區(qū)28熱交換之后，管道32將冷卻的加熱介質(zhì)排出。
在本發(fā)明的優(yōu)選方式中，加熱介質(zhì)包含用于在加熱區(qū)28燃燒的燃料物流。管道34使部分加熱介質(zhì)循環(huán)回到加熱區(qū)的入口。新鮮燃料經(jīng)管道36進入加熱介質(zhì)回路，同時管道38清除用過的燃料成分。加熱介質(zhì)可以包含甲烷和空氣或任何其它適當?shù)目扇既剂?。加熱區(qū)28還可以含有燃燒催化劑。
圖2通過添加預(yù)熱區(qū)40并除去加熱器16對圖1的現(xiàn)有技術(shù)排列加以改進。因而，原料物流也通過管道10進入流程并在交換器12中與向外流出的流出物流14進行熱交換。管道18’將部分加熱的原料送入反應(yīng)區(qū)41的預(yù)熱段40。預(yù)熱段40不含催化劑并起將剩余原料加熱到在反應(yīng)區(qū)41的催化反應(yīng)段42發(fā)生的反應(yīng)所需要的溫度的作用。熱交換后，產(chǎn)物物流通過管道24離開流程。在加熱側(cè)，加熱流體也通過加熱區(qū)28’并經(jīng)管道32離開加熱區(qū)。當加熱流體包含燃料物流時，管道36、34和38也可以提供添加、循環(huán)和清除作用。
加熱區(qū)28’通過熱交換板26’加熱反應(yīng)區(qū)41的預(yù)熱段40和催化反應(yīng)段42。預(yù)熱區(qū)40必需的加熱量以及加熱流體的溫度和熱容量將確定預(yù)熱區(qū)40的相對長度和由板26’的預(yù)熱段43提供的表面積。當由來自反應(yīng)區(qū)41反應(yīng)物或產(chǎn)物向加熱區(qū)提供燃料時，燃料可以從管道10或14轉(zhuǎn)移進入加熱區(qū)28’。燃料也可以從反應(yīng)區(qū)41通過板26’直接注入加熱區(qū)。從反應(yīng)區(qū)41到加熱區(qū)的足夠壓降可允許使用穿孔板并防止流體自加熱區(qū)返流到反應(yīng)區(qū)?？梢栽陬A(yù)熱區(qū)43、催化反應(yīng)區(qū)42或兩者在整個傳熱板上提供用于控制流動的大小的孔。
本發(fā)明可用于任何使用加熱介質(zhì)將反應(yīng)物流預(yù)熱到需要的反應(yīng)溫度且在此后使用加熱介質(zhì)保持反應(yīng)物流溫度的吸熱過程。特別適合使用本發(fā)明的過程是其中通過燃料燃燒加熱反應(yīng)物的那些過程。本發(fā)明特別適用于將其中反應(yīng)物或部分吸熱反應(yīng)的物流用做給吸熱反應(yīng)加熱的放熱反應(yīng)的燃料的自熱過程。該過程有關(guān)與板式交換器排列的相容性的附加要求一般要求放熱和吸熱區(qū)之間存在較低的ΔT，橫穿該板斷面的ΔP也較低。200℃或更低的溫差對本發(fā)明是優(yōu)選的。壓差優(yōu)選不超過0.7MPa。
生產(chǎn)烴和化學(xué)產(chǎn)品的許多反應(yīng)符合這些要求。自熱過程的實例包括原料氨合成氣體的生產(chǎn)、原料氫氣流的生產(chǎn)以及為轉(zhuǎn)換有機化合物的合成氣體的生產(chǎn)。
以原料合成氣體的生產(chǎn)為具體實例。這種過程一般包括用蒸汽重整烴原料的初級步驟，從而提供含有碳的氧化物、氫氣、甲烷和未反應(yīng)物流的氣體。在合成氣體的生產(chǎn)過程中，如天然氣的流體烴依照反應(yīng)(1)被轉(zhuǎn)化為熱的基本含有氫氣和一氧化碳的重整的氣體混合物(1)該反應(yīng)一般被稱為初級重整，并廣泛用于合成氣體或純氫氣的生產(chǎn)。在本發(fā)明的實踐過程中，該吸熱反應(yīng)通過使流體烴和蒸汽的氣態(tài)混合物先通過不含催化劑的反應(yīng)通道預(yù)熱段、然后通過反應(yīng)通道的含催化劑段進行。適當?shù)拇呋瘎┙M合物填充在反應(yīng)通道的催化段。
通過氧化流體烴燃料的二級重整反應(yīng)為該反應(yīng)通道提供必要的熱量。流體烴燃料可以包含來自流體烴原料的支流或初級重整流出物流的一部分。氧化反應(yīng)通過經(jīng)熱交換板的間接熱交換為初級重整器提供熱量。在包含二級重整區(qū)的加熱通道內(nèi)發(fā)生下列反應(yīng)(2)(3)，以及
(4)反應(yīng)(2)、(3)和(4)為趨于在二級反應(yīng)空間相當迅速發(fā)生的放熱反應(yīng)。作為氣體混合物通過二級重整區(qū)催化劑床的結(jié)果，剩余的甲烷通過與蒸汽按照上述反應(yīng)(1)反應(yīng)和與氧氣按照上述反應(yīng)(2)反應(yīng)而轉(zhuǎn)化，所以非常少量的甲烷留在該過程的產(chǎn)物氣體中。強吸熱反應(yīng)(1)是一個在通過二級重整區(qū)的催化床的氣體的整個通路上發(fā)生的較慢反應(yīng)，并由此使因反應(yīng)(2)、(3)和(4)達到高溫的氣體在二級反應(yīng)區(qū)的進料端處冷卻。在本發(fā)明的實踐中，通過整合的初級-二級重整器的氧氣和流體烴的比例維持基本或完全地自熱過程，基本無外部燃料需求。本發(fā)明的有利特點是能夠?qū)⒉糠譄N原料直接從二級重整區(qū)的進料端旁路進入二級重整區(qū)的靈活性。
生產(chǎn)原料合成氣體的一般操作溫度為420-950℃。所用的特定壓力原則上受使用重整氣體混合物的后續(xù)過程對壓力的要求影響。任何超常壓力均可以在多數(shù)重整操作中應(yīng)用，并適用于本發(fā)明方法和設(shè)備的多數(shù)應(yīng)用。過程中的操作壓力一般在2-10MPa范圍。在用于氨生產(chǎn)的合成氣體的生產(chǎn)中，初級重整步驟的流出物與含有氧氣和氮氣的混合物，一般為空氣，催化反應(yīng)以轉(zhuǎn)化其余部分甲烷并將氮氣引入產(chǎn)物流。在改變反應(yīng)和清除CO2后，原料氨合成氣體將具有約2.5-3.0的需要的氫氣與氮氣比。
反應(yīng)物流在每個反應(yīng)通道內(nèi)與催化劑接觸。在蒸汽重整中使用顆粒催化劑是公知的。二級重整區(qū)通常含有類似催化劑材料床。作為顆粒催化劑的替代，催化劑可以涂覆在各種重整區(qū)的板的表面。可能特別有利的是將初級重整催化劑涂覆在板上以獲得上部催化段和下部無催化段，所述板通過限定通道的板與催化二級重整段保持熱交換關(guān)系。
現(xiàn)在看圖3。對于本發(fā)明的交替流動排列，含有天然氣和蒸汽的蒸汽與甲烷比例為1.5-4的合成氣體原料經(jīng)管道11進入流程并在傳統(tǒng)熱交換器13中與管道15運載的合成氣體產(chǎn)物流進行熱交換。預(yù)熱的原料流經(jīng)管道17進入分配總管19。分配總管19為熱交換反應(yīng)器23中的分配空間21提供加熱的原料。如圖4的進一步顯示，分配空間21將加熱的合成氣體分配到通過板44限定的多個初級重整反應(yīng)通道29。反應(yīng)通道在上部29’保持重整催化劑，且無催化劑的預(yù)熱區(qū)在下部29”。反應(yīng)通道29的中部21’對氣流開放，但在其橫截面上具有適當?shù)钠帘尾牧弦苑乐勾呋瘎纳喜康袈?。加熱的重整反?yīng)物通過通道29。收集空間25收集通過通道29的開口27’的初級重整區(qū)流出物。如圖3所示，歧管31收集來自收集空間25的初級重整流出物并減去由管道15’運載部分后，經(jīng)管道33將流出物移至二級重整區(qū)。管道15’將初級重整區(qū)流出物直接旁路到管道15中的產(chǎn)物中。
管道33將初級流出物輸送到將熱氣體分配到分配空間47的分配歧管35。部分天然氣原料可以經(jīng)管道33’繞過反應(yīng)通道29直接進入二級重整區(qū)。管道34’為燃燒提供氧氣或空氣，并且根據(jù)需要可以為二級重整區(qū)提供附加燃料。初級重整流出物的某些初步反應(yīng)可以在歧管35和分配空間47中發(fā)生。O2與原料物流或初級反應(yīng)器流出物的混合必須以避免氧和其它可燃氣體在整體上或局部上存在的比例處于潛在爆炸范圍的方式進行。預(yù)防措施可包括使用混合元件以及特殊設(shè)計的聯(lián)管設(shè)計以保持混合物的安全比例。適當?shù)穆?lián)管設(shè)計可包括填充或氣體體積取代材料以使氧氣和二級重整反應(yīng)的燃料混合物上游體積最小化。
如描述圖3剖面的圖5的進一步顯示，分配空間47將熱氣體分配到加熱通道49的入口37。與分配空間21相對，分配空間47具有密閉氣體和催化劑的反應(yīng)通道29的底部，以阻止二級重整流出物進入其中。二級主反應(yīng)將在與加熱通道中包含的催化劑的接觸中進行。在加熱通道內(nèi)與適當?shù)亩壷卣呋瘎┙佑|直接產(chǎn)生熱量以間接加熱在反應(yīng)通道包含的初級重整區(qū)內(nèi)的反應(yīng)物。隨著熱氣體向上通過加熱通道49，由限定反應(yīng)和加熱通道的板提供的較大表面積有效地將熱量傳輸?shù)椒磻?yīng)通道29。
收集空間45收集來自加熱通道49的開放出口的46的冷卻的二級重整氣體。如圖3所示，歧管48集中所收集的二級重整流出物并將其轉(zhuǎn)移進入產(chǎn)物管道15，產(chǎn)物經(jīng)交換器13下游的管道50回收。
從圖6可以更全面地看出為選擇性收集初級重整流出物和二級重整流出物的收集空間25和26的排列。如圖6所示，反應(yīng)通道29中與收集空間25相對應(yīng)的部分保持出口27’開放以與之自由流通。相反，加熱通道49中那些與收集空間25相對應(yīng)的部分有一個防止流體與收集空間25流通的密封裝置28’。收集空間45與通道29和45具有相反的關(guān)系，其中通道49中的對應(yīng)部分通過出口46開放式流通，而通道29的相應(yīng)部分由密封裝置47阻斷與收集空間45的交換。為建立和限制流體與需要通道的交換，分配空間21和47具有類似的排列。圖6還顯示了將收集空間24與收集空間45內(nèi)部隔離的隔板51。
適合本發(fā)明的板是允許高傳熱速率的任何板。優(yōu)選薄板，厚度一般為1-2mm。該板一般由如不銹鋼的鐵或非鐵合金構(gòu)成。該板優(yōu)選的合金將承受極端溫度并含有高比例的鎳和鉻。該板可以成型為曲面或其它形狀，但對于堆疊目的優(yōu)選平板。該板可以是具有用來提供通道的溝槽的平板。每個板還可以是光滑的且如穿孔片的隔離物的附加元件可以在通道內(nèi)提供湍流。優(yōu)選地，每個板具有與反應(yīng)物和熱交換流體傾斜的波紋。
圖7顯示了優(yōu)選的波紋排列，其中將熱交換反應(yīng)器23的中心部分分為加熱通道和反應(yīng)通道的板44由具有如圖7所示波紋排列的板49’形成。波紋型式可起至少兩種功能。除了結(jié)構(gòu)上支撐臨近的板，波紋還促進了湍流，增強了狹窄反應(yīng)通道內(nèi)的熱交換效率。圖7顯示了由凸紋52和凹谷54限定的波紋。為促進任何變化的湍流程度，波紋的頻率或斜度可以根據(jù)需要變化。因此，如由凸紋52和凹谷54顯示的更淺的波紋將產(chǎn)生較少的湍流。相反，如由凸紋56和凹谷58顯示的較大波紋斜度，在需要的位置上可提供增強的湍流。波紋的斜度和頻率也可以在單個熱交換通道上變化，以在通道的不同部分改變傳熱因數(shù)。該通道可以在它們的外圍有圍繞著的平面部分60，以利于在所需的位置上圍繞邊和端部的通道的閉合。
圖8顯示了波紋板排列的典型斷面，其中板62的波紋沿與板64波紋相反的方向延伸，因此交替限定了反應(yīng)通道66和加熱通道68。圖8說明了波紋板的優(yōu)選排列，其中在相對波紋板表面的鋸齒形花紋沿相反方向延伸，而且相對板的表面相互接觸形成流動通道并為板提供支撐。
總體而言，本發(fā)明依靠較窄通道提供通過板的有效熱交換。通過波紋高度的限定，波紋維持了一個變化的通道寬度。通常，通道寬度平均低于1英寸，優(yōu)選平均寬度低于1/2英寸。在波紋情況下，平均通道寬度在實踐上大部分定義為通道的體積與板基面平行的截面的面積之商。根據(jù)此定義，具有基本直的斜邊壁的波紋將具有等于通道橫向最大寬度一半的平均寬度。
本發(fā)明方法的反應(yīng)區(qū)可以使熱交換流體在任何方向與反應(yīng)物間接接觸。因此，流動通道和反應(yīng)區(qū)的進口和出口可設(shè)計為反應(yīng)物流體相對熱交換流體同向流動、逆向流動或橫向流動。
本發(fā)明實踐中，沒有必要使每個反應(yīng)通道與加熱通道交替?？赡艿姆磻?yīng)段配置可以在每個反應(yīng)通道之間布置兩個或更多的加熱通道，以減少熱交換介質(zhì)一側(cè)的壓降。當用于此目的時，隔離相鄰加熱通道的板可以有穿孔。
被板限定的其它通道能夠提供各種輔助功能。除了用于加熱在預(yù)熱和催化段的原料的通道外，其它的通道功能可包括冷卻來自反應(yīng)區(qū)的流出物和相對其它流出物進一步預(yù)熱原料。具有多功能通道的反應(yīng)器排列69示于圖9和10。圖9顯示了一個具有示意圖中編號的不同通道功能的通道排列。字母“FP”代表原料預(yù)熱通道。字母“SR”代表用于預(yù)熱目的的二級反應(yīng)，字母“PR”代表初級反應(yīng)。
如圖9所示，流體以需要的方式流過通道需要兩種不同的收集和分配空間排列。流體流過分配/收集空間可按照與圖3-6描述和圖示類似的方式控制。再看圖9，初級反應(yīng)區(qū)的原料通過預(yù)熱通道70，在那里與二級反應(yīng)通道間接熱交換，將原料溫度升高到初級反應(yīng)通道74中的初始反應(yīng)需要的溫度。預(yù)熱的原料從通道70流入歧管空間76。歧管空間76使預(yù)熱的原料通入初級反應(yīng)通道74。預(yù)熱的原料向上通過初級反應(yīng)通道74并進入另一個歧管空間78。如部分產(chǎn)物作為燃料燃燒，含氧氣體和任選的其它燃料可以通過管口80進入歧管空間78。歧管空間78將任何經(jīng)管口80進入的流體與初級反應(yīng)區(qū)流出物混合并將該混合物作為原料分配到二級反應(yīng)通道72。二級反應(yīng)通道72優(yōu)選在其整個長度上含有燃燒促進催化劑，以促進放熱的二級反應(yīng)。隨著該混合物向下通過二級重整通道72，將含有初級反應(yīng)物的通道74以及原料預(yù)熱通道70加熱。
圖10顯示了構(gòu)成反應(yīng)器69一部分的附加分配空間82和收集空間84。隔板(未顯示，但與圖3顯示的隔板29相似)將分配空間82和收集空間84與空間78和76隔開。原料經(jīng)管口84進入反應(yīng)器69。分配空間通過開放的入口86將初級重整區(qū)分配到預(yù)熱通道70。密封板88堵塞了與分配空間82相鄰的初級反應(yīng)通道74和二級反應(yīng)通道72的頂端。一旦分配到原料通道，初級反應(yīng)原料如結(jié)合圖9所說明的那樣連續(xù)流過反應(yīng)器69。二級反應(yīng)流出物通過收集空間84離開反應(yīng)器69，其中收集空間84通過二級反應(yīng)通道72的底部90相連。出口90有適當?shù)钠帘尾牧弦詫⒋呋瘎┍３衷诙壏磻?yīng)通道內(nèi)，同時允許流體從該通道離開。初級反應(yīng)通道74的底部凡是通過收集空間84者都由密封板92閉合。二級反應(yīng)管口94將收集的二級流出物排出。初級和二級反應(yīng)區(qū)之間的任何原料旁路可以通過與分配空間82、收集空間84和歧管空間中的任何一個相連的外部管道實現(xiàn)。
附加預(yù)熱以及將放熱反應(yīng)區(qū)與吸熱反應(yīng)區(qū)自直接相連的狀態(tài)獨立出來可以通過改變催化劑在通道間的裝載位置容易地實現(xiàn)。通道一端的空間也可以用作二級反應(yīng)區(qū)的原料預(yù)熱區(qū)或流出物冷卻區(qū)。圖9和10通過催化劑水平線96示意地說明了催化劑在通道內(nèi)的部分裝載。初級反應(yīng)通道74可以從線96的下面到通道74的出口含有催化劑。在這種安排下，隨著原料向下流過原料預(yù)熱通道70，二級反應(yīng)區(qū)間接地用二級反應(yīng)通道72中的反應(yīng)段加熱原料。熱交換后，初級反應(yīng)原料進入初級反應(yīng)通道，在那里反應(yīng)。來自二級反應(yīng)通道72中反應(yīng)的熱量隨著原料向上通過通道74加熱在該通道下部的反應(yīng)區(qū)。來自初級反應(yīng)區(qū)的流出物連續(xù)接受來自通道72上部的熱量直到離開通道74并進入通道72的二級反應(yīng)區(qū)的頂端并與其中含有的催化劑接觸。
通道功能的多種其它組合可以結(jié)合在單程或多程排列中。板式熱交換反應(yīng)器的使用利于加熱通道的排列，在需要的功能性方面為單或多組套排列提供多種方案。
例如，理論上通過催化劑荷載線96分隔的通道74的上段和下段可以容易地物理分隔為兩個獨立的反應(yīng)區(qū)。與圖3-6和9和10所示類似的收集和分配歧管可用于在獨立的通道各段之間內(nèi)部交換流體物流。更有用的方式是，可以用歧管排列從外部來溝通含在單一反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)通道。外部交換便于將氣體物流控制到不同反應(yīng)區(qū)和熱交換區(qū)。外部控制還允許在不同通道排列間提供多種流徑。
在進一步說明的方法中，圖11和12是顯示在由板元件限定的多個通道中通道功能可能排列的編碼的圖表。代碼FP、SR、和PR前面已經(jīng)解釋。在圖表10和11中使用的其它代碼包括“EC”代表流出物冷卻；“HP”指含有來自二級反應(yīng)通道、用于加熱初級重整反應(yīng)通道的熱氣體物流的區(qū)域?！癏F”代表其中初級反應(yīng)區(qū)的原料通過相對于部分二級反應(yīng)通道的間接熱傳遞被進一步加熱的區(qū)域。
圖11以功能重復(fù)的方式圖示了相互連接的平行通道設(shè)計的三種方案。圖10的方案1代表圖8-9描述的通道的排列，其中二級反應(yīng)通道將原料預(yù)熱和初級反應(yīng)通道分開，因此整體上每6個通道中存在一個初級反應(yīng)通道。方案2代表的排列為用進入原料冷卻來自二級反應(yīng)通道的流出物并整體上每3個通道提供一個初級反應(yīng)通道。方案3是另一種通道排列每6個通道提供一個初級反應(yīng)通道和兩個二級反應(yīng)通道。
圖12代表其他排列，其中多反應(yīng)組套提供雙排通道，所述通道可以提供極多不同通道功能的方式內(nèi)部或外部相互連接。圖12中的所有構(gòu)造是具有不同功能的上部和下部雙程熱交換排列的簡化圖，其中用先前描述的代碼和附加的代碼，而“HP”代表用于間接加熱初級反應(yīng)區(qū)的通道。
圖12的方案1顯示雙程交換器的斷面。在下面的通道排中，初級反應(yīng)原料與在相對側(cè)包含二級重整反應(yīng)的板進行間接熱交換。上面的通道排使預(yù)熱的原料在初級反應(yīng)區(qū)反應(yīng)，而該初級反應(yīng)的相對側(cè)含有來自二級反應(yīng)區(qū)的熱流出物并加熱初級反應(yīng)區(qū)。外部連接的歧管將初級反應(yīng)區(qū)的流出物轉(zhuǎn)移到二級重整反應(yīng)區(qū)。
圖12的方案代表性地闡述了另一個雙組套通道排列。上面的通道部分通過相對側(cè)進入原料物流的間接熱交換冷卻來自二級反應(yīng)區(qū)的產(chǎn)物流。從功能上說，上面部分主要用作與圖3中交換器13相同的目的。下面的通道段提供對從二級反應(yīng)區(qū)直接到初級反應(yīng)區(qū)的間接加熱。
圖12方案3也是另一種有關(guān)流程的替代方案，其中在兩排加熱通道間使用歧管以建立與圖12方案1所示類似的熱交換排列。情況3與情況1的區(qū)別在于讓流體以逆流方式流動，而方案1中為同向流體流動。
最后，方案4顯示了一種其中使用兩個獨立加熱通道與二級反應(yīng)區(qū)的連接的排列。二級反應(yīng)區(qū)可以與所述通道為一整體或可以位于通道排的外部。二級反應(yīng)區(qū)也可以用作通道間的連接歧管。在該排列中，原料進入原料預(yù)熱區(qū)，相對于來自二級反應(yīng)區(qū)的流出物進行間接熱交換。然后原料由預(yù)熱區(qū)流入初級反應(yīng)區(qū)。來自二級反應(yīng)區(qū)的熱氣通過間接熱交換加熱初級反應(yīng)區(qū)。初級反應(yīng)區(qū)的流出物進入可被安排為二級反應(yīng)催化劑通道或床的二級反應(yīng)區(qū)。來自二級反應(yīng)區(qū)的流出物供應(yīng)熱氣體以加熱初級反應(yīng)區(qū)，然后該熱氣體用進來的初級反應(yīng)原料進一步間接冷卻。
通過中間注入氧化流體或附加燃料可以進一步增強溫度控制。初級反應(yīng)物的逆流或順流操作使通道的邊可用于中間氧化物流體或燃料橫向注入。橫向流動類型對特定位置的熱量產(chǎn)生提供了附加控制，從而使調(diào)整二級反應(yīng)區(qū)的溫度曲線成為可能。在二級反應(yīng)區(qū)與初級反應(yīng)區(qū)直接熱交換的情況下，中間注入也可以用來影響初級反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度曲線。
在該流程模擬中，經(jīng)管道10運載且具有表1所給組成的原料流流入熱交換器12，將原料流溫度從約370提高到390℃。同時，具有所給出的相對組成的脫氫區(qū)流出物物流14經(jīng)交換器12由管道24排出。
管道18’將部分預(yù)熱的原料流運載到接受來自加熱區(qū)28’的熱量的預(yù)熱區(qū)40。隨著離開預(yù)熱區(qū)40，通過一系列傳熱板的間接熱交換原料溫度提高到約480℃。預(yù)熱和催化反應(yīng)區(qū)部分的流程模擬是從使用具有250層催化劑的板式熱交換束為基礎(chǔ)，預(yù)熱區(qū)長度約1.1m，催化區(qū)長度約0.37m。板限定與加熱通道交替的反應(yīng)通道，其厚度約1.2mm，具有約10mm深的波紋，約5500mm寬。這些板以交替的波紋型彼此相鄰放置，使波紋的峰相互接觸。反應(yīng)通道和加熱通道在約20psig的壓力下操作。
加熱的原料流進行脫氫以生產(chǎn)具有先前描述的管道14所具有組成的產(chǎn)物流。自加熱區(qū)28’的連續(xù)間接加熱使來自催化區(qū)42的產(chǎn)物流的出口溫度保持在474℃。催化反應(yīng)段包含典型的含有載于氧化鋁載體的鉑的脫氫催化劑。
管道30將甲烷、氧氣和一氧化碳的混合物輸送到加熱區(qū)28’，為預(yù)熱區(qū)和催化區(qū)供應(yīng)間接熱量。大約74,000kg moles/hr的循環(huán)加熱氣體經(jīng)管道38從出口32排出，同時加熱混合物的剩余物與7,000kg moles/hr甲烷和空氣流回到輸入管道30，并提供14,000kg moles/hr的氧氣。
表1


權(quán)利要求
1.一種使反應(yīng)物與反應(yīng)區(qū)(40)中的催化劑接觸并通過與加熱介質(zhì)接觸間接加熱反應(yīng)物的方法，該方法包括a)使反應(yīng)物通過多個由主板(44)間的空間限定的窄反應(yīng)通道(29)，并在該窄反應(yīng)通道的第一部分(29’)中，在不存在催化劑的條件下加熱反應(yīng)物流；b)使加熱介質(zhì)通過多個由主板(44)限定的窄加熱通道(49)，并用在加熱通道預(yù)熱部分的加熱介質(zhì)通過板間接加熱在反應(yīng)通道的第一部分的反應(yīng)物流，以在反應(yīng)通道內(nèi)提供預(yù)熱的反應(yīng)物；c)使該加熱的反應(yīng)物通過反應(yīng)通道(29)的第二部分(29’)，并使加熱的反應(yīng)物流與該反應(yīng)通道第二部分內(nèi)的催化劑接觸以產(chǎn)生反應(yīng)的物流；以及d)隨著加熱介質(zhì)通過加熱通道(49)的主加熱部分間接加熱反應(yīng)通道的第二部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中加熱通道含有氧化催化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中主板限定交替的反應(yīng)通道和加熱通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中加熱介質(zhì)含有甲烷和氧氣，并且甲烷的燃燒為反應(yīng)通道提供至少部分熱量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中反應(yīng)通道的第一和第二部分以及加熱通道的預(yù)熱和加熱部分是連續(xù)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中板限定波紋且波紋維持板的間距。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中反應(yīng)通道內(nèi)的催化劑含有保留在通道內(nèi)的顆粒材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中反應(yīng)通道具有小于1英寸的平均寬度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中通過與熱量生產(chǎn)區(qū)形成的氣體接觸加熱反應(yīng)物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中燃燒催化劑包括保留在加熱通道內(nèi)的顆粒材料。
11.一種使反應(yīng)物與反應(yīng)區(qū)內(nèi)的催化劑接觸同時通過與與熱量生產(chǎn)區(qū)形成的氣體接觸加熱反應(yīng)物的設(shè)備，該設(shè)備包括由多個主板(44)限定的多個交替的反應(yīng)通道(29)和加熱通道(49)，反應(yīng)通道的一端具有反應(yīng)物入口，相對的一端具有反應(yīng)物出口，加熱流體的入口在加熱通道的一端，加熱流體的出口在加熱通道的另一端；位于反應(yīng)物入口下游的將固體催化劑從反應(yīng)通道預(yù)熱部分排除的、和位于預(yù)熱部分下游的將固體催化劑保持在反應(yīng)通道催化部分的裝置；將反應(yīng)物流輸送到反應(yīng)物入口并將反應(yīng)的物流從反應(yīng)物出口排出的裝置；以及將加熱流體輸送到加熱流體入口并將加熱流體從加熱流體出口排出的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中加熱通道限定燃燒區(qū)且加熱通道保留燃燒促進催化劑。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中燃燒促進催化劑含有氧化催化劑且氧氣通道為加熱通道提供氧氣。
全文摘要
一種通過間接熱交換間接預(yù)熱和加熱反應(yīng)物生產(chǎn)反應(yīng)產(chǎn)物的方法和設(shè)備。預(yù)熱步驟的使用通過消除了外部交換器的需要簡化了反應(yīng)區(qū)的設(shè)計且對限定間接熱交換窄通道的板的排列特別適用。窄通道優(yōu)選以波紋板限定。主反應(yīng)通道(在段42)將含有用于促進由主反應(yīng)物生成需要產(chǎn)物的催化劑。加熱流體(30)通過相鄰的加熱通道(在段28)以提供需要的間接加熱。至少部分加熱通道與反應(yīng)通道(在段40)的無催化劑部分熱交換以預(yù)熱在反應(yīng)通道內(nèi)催化段(在段42)前面的反應(yīng)物。加熱通道(在段28)內(nèi)的催化燃燒可以為加熱介質(zhì)(30)提供就地熱量輸入。適合加熱通道的催化劑可以含有氧化促進催化劑。
文檔編號C01B3/02GK1474717SQ00819995
公開日2004年2月11日 申請日期2000年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月27日
發(fā)明者R·C·馬爾瓦尼, H·W·丹德卡爾, R C 馬爾瓦尼, 丹德卡爾 申請人:環(huán)球油品公司