專利名稱：熱交換轉(zhuǎn)化方法和反應(yīng)器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化方法和實現(xiàn)該方法的反應(yīng)器系統(tǒng)。特別是，本發(fā)明涉及在催化劑存在下烴類的水蒸汽轉(zhuǎn)化方法，在該方法中通過產(chǎn)物氣體與工藝氣體之間的間接熱交換，利用轉(zhuǎn)化氣產(chǎn)物物流的過程熱來提供烴和水蒸汽的工藝氣體中的吸熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的熱。
在烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生的吸熱反應(yīng)可用下列反應(yīng)圖式表示(1)CH4+H2O<＝>CO+3H2(-△H°298＝-49.3千卡/摩爾)(2)CH4+2H2O<＝>CO2+4H2(-△H°298＝-39.4千卡/摩爾)對于高級烴的水蒸汽轉(zhuǎn)化可列出相應(yīng)的反應(yīng)圖式。當(dāng)烴類在水蒸汽轉(zhuǎn)化條件下通過水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑時，在工藝氣體中發(fā)生吸熱反應(yīng)(1)和(2)。反應(yīng)(1)和(2)所需的熱可通過在輻射爐室中燃料的燃燒而容易地提供，在爐室中催化劑放在延伸通過爐室的立管中。
利用轉(zhuǎn)化氣體的產(chǎn)物物流作為熱源來提供部分熱，這是公知的。這種方法在美國專利4162290中提到過，其中在一級和二級轉(zhuǎn)化程序中一部分烴進(jìn)料是在熱交換反應(yīng)器中通過與來自與進(jìn)行一級轉(zhuǎn)化的烴進(jìn)料逆流的二級轉(zhuǎn)化流出物進(jìn)行間接熱交換而加熱的。在水蒸汽轉(zhuǎn)化過程中與二級轉(zhuǎn)化爐的產(chǎn)物物流的逆流熱交換的方法在歐洲專利194067和113198中也作了介紹。
美國專利4678600和4830834公開了一種與燃燒爐的煙道氣和轉(zhuǎn)化產(chǎn)物氣體逆流和并流熱交換的轉(zhuǎn)化方法和熱交換轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，該熱交換轉(zhuǎn)化反應(yīng)器包括用于進(jìn)行熱交換水蒸汽轉(zhuǎn)化過程的同軸安裝的燃燒室、內(nèi)催化劑室和外催化劑室。根據(jù)公開的方法和反應(yīng)器，烴進(jìn)料和水蒸汽工藝氣體通過外催化劑室，同時與來自燃燒室的適度的熱煙道氣和離開內(nèi)催化室的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物物流進(jìn)行逆流間接熱交換。該工藝氣體接著并流通過第二催化劑室，并與來自燃燒室的熱煙道氣進(jìn)行間接熱交換。
已知的熱交換轉(zhuǎn)化方法通過利用二級轉(zhuǎn)化過程得到的熱氣體來提供一級轉(zhuǎn)化過程所需的熱量，從而改善了該方法的經(jīng)濟(jì)性。然而，沒有一個已知方法對用于熱交換轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的材料發(fā)生的腐蝕問題采取預(yù)防措施。
我們知道高含量一氧化碳的含烴的轉(zhuǎn)化氣體會使與這些氣體接觸的設(shè)備所用的金屬材料發(fā)生很強(qiáng)的碳化反應(yīng)。結(jié)果材料表面層局部機(jī)械破裂，接著保護(hù)層局部腐蝕或破裂，成為細(xì)絲或細(xì)粉。這種被稱作金屬粉化的現(xiàn)象對不同的金屬材料將在不同的溫度范圍內(nèi)發(fā)生。因此，為了防止金屬粉化和接著對轉(zhuǎn)化過程的破壞，在熱交換轉(zhuǎn)化過程中應(yīng)避免某些禁用的金屬溫度范圍出現(xiàn)。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化的方法，通過該方法，來自轉(zhuǎn)化產(chǎn)物氣體物流的熱量在最佳條件下得到了利用，并且避免了發(fā)生金屬粉化的禁用的金屬溫度。
本發(fā)明的另一個目的是提供了一種實現(xiàn)該方法的反應(yīng)器系統(tǒng)。
依據(jù)本發(fā)明的主要思想，上述和其他目的在通過一級和二級轉(zhuǎn)化的烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化的改進(jìn)方法中得到了實現(xiàn)，改進(jìn)之處包括(ⅰ)含烴類進(jìn)料和水蒸汽的工藝氣體物流在裝有水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑的第一氣體加熱反應(yīng)器中通過與來自第二氣體加熱反應(yīng)器的殼程的適度的熱產(chǎn)物氣體物流進(jìn)行間接熱交換而反應(yīng)生成部分一級轉(zhuǎn)化工藝氣體物流，引入到第一氣體加熱反應(yīng)器的殼程的該適度的熱產(chǎn)物氣體物流與在第一氣體加熱反應(yīng)器中的反應(yīng)工藝氣體物流是逆流的;
(ⅱ)將第一氣體加熱反應(yīng)器的部分一級轉(zhuǎn)化工藝氣體物流分成第一和第二次物流;
(ⅲ)第一次物流在水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑存在下在對流加熱管式反應(yīng)爐中反應(yīng)生成一級轉(zhuǎn)化氣體物流;
(ⅳ)第二次物流在第二氣體加熱反應(yīng)器中在水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑存在下通過與來自絕熱第二轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的熱產(chǎn)物氣體物流進(jìn)行間接熱交換而反應(yīng)，引入到第二氣體加熱反應(yīng)器殼程中的熱產(chǎn)物氣體物流與第二氣體加熱反應(yīng)器中的反應(yīng)的第二次物流并流，以提供一級轉(zhuǎn)化氣體物流，并將熱產(chǎn)物氣體物流冷卻成適度的熱產(chǎn)物氣體物流;
(ⅴ)將步驟(ⅲ)和(ⅳ)得到的一級轉(zhuǎn)化氣體物流混合;和(ⅵ)混合的一級轉(zhuǎn)化氣體物流在絕熱的二級轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中在第二水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑存在下與氧化劑氣體反應(yīng)生成熱產(chǎn)物氣體物流。
一級轉(zhuǎn)化過程的烴進(jìn)料可以是任何烴、烴餾份或通常用作為水蒸汽烴轉(zhuǎn)化的進(jìn)料的烴類混合物。一般，進(jìn)料是天然氣，煉廠排出氣，液化石油氣和各種石腦油餾分如輕質(zhì)石油餾分。為了適合作為水蒸汽轉(zhuǎn)化的進(jìn)料，烴進(jìn)料通常要經(jīng)過脫硫，以使總的硫含量低于1ppm(重量)。
水蒸汽以一定的量加入到烴進(jìn)料中，該水蒸汽量應(yīng)使工藝氣體所具有的水蒸汽與碳的比率高到足以防止當(dāng)工藝氣體穿過催化劑時碳沉積在轉(zhuǎn)化催化劑上。在下文所用的水蒸汽與碳的比率是用每個碳原子摩爾水蒸汽表示。
工藝氣體中的一級水蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)是通過進(jìn)料與第一氣體加熱反應(yīng)器中的水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑接觸而開始的。催化劑入口處的工藝氣體的溫度一般為400℃-700℃，并且水蒸汽轉(zhuǎn)化是在水蒸汽與碳的比率為1.1-7.0，最好2.0-4.5下進(jìn)行的。為了經(jīng)濟(jì)起見，水蒸汽轉(zhuǎn)化過程是在約2-60巴的升高的壓力下進(jìn)行。在該壓力范圍內(nèi)操作壓力可調(diào)節(jié)至這樣一個壓力，在這個壓力下產(chǎn)物物流將用于或進(jìn)行進(jìn)一步加工，例如調(diào)節(jié)至30-40巴。
用于管式反應(yīng)爐和絕熱二級轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的條件是常規(guī)條件。因此，一級轉(zhuǎn)化所用的水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑可以是任何市售的水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑。這種催化劑的催化活性組份是金屬鎳，并通常載在陶瓷載體物質(zhì)上。適用于二級轉(zhuǎn)化的催化劑是鎳或氧化鎳和金屬氧化物的混合物，例如，美國專利3926583所公開的用氧化鐵、氧化鈷或氧化鎂助催化的氧化鎳催化劑。
絕熱反應(yīng)器入口處的混合一級轉(zhuǎn)化氣體物流的溫度可在700℃-900℃范圍內(nèi)變化，這取決于一級轉(zhuǎn)化過程中的操作條件，通過與氧化劑氣體反應(yīng)，絕熱反應(yīng)器出口處的混合一級轉(zhuǎn)化氣體物流的溫度升高至800℃-1100℃。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，氧化劑是由得到用做生產(chǎn)氨的產(chǎn)物氣體的空氣組成，最好使用氧氣或富氧空氣，例如，在用于生產(chǎn)氧化烴如醇類、醚類或羧基化合物的合成氣體的制備中所用的氣體。
因此，在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案中，使用氧氣或富氧空氣作為二級轉(zhuǎn)化過程中的氧化劑氣體。
本發(fā)明方法的主要特性是絕熱反應(yīng)器的產(chǎn)物氣體中所含的熱量的分配。離開絕熱反應(yīng)器的溫度在900℃-1100℃之間的熱產(chǎn)物氣體通到第二氣體加熱反應(yīng)器，它在反應(yīng)器的殼程中與在反應(yīng)器管程中的工藝氣體并流間接熱交換，從而將熱量提供給一級轉(zhuǎn)化反應(yīng)。因此，該熱產(chǎn)物氣體被冷卻成適度的熱產(chǎn)物氣體，該適度的熱產(chǎn)物氣體的熱量被用于第一氣體加熱反應(yīng)器中，通過與跟適度的熱工藝氣體逆流的工藝氣體進(jìn)行間接熱交換而將熱量提供給轉(zhuǎn)化反應(yīng)。
通過并流和逆流熱交換，并通過調(diào)節(jié)離開第一氣體加熱反應(yīng)器和分配給反應(yīng)爐和第二氣體加熱反應(yīng)器的部分一級轉(zhuǎn)化氣體的分配比例，可使氣體加熱反應(yīng)器中反應(yīng)管的溫度保持在臨界溫度范圍以外，我們知道在臨界溫度范圍內(nèi)用作反應(yīng)管的金屬材料將發(fā)生嚴(yán)重的金屬粉化。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種實現(xiàn)該改進(jìn)方法的反應(yīng)器系統(tǒng)，該反應(yīng)器系統(tǒng)包括(ⅰ)一個裝有轉(zhuǎn)化管的第一氣體加熱反應(yīng)器，該轉(zhuǎn)化管是用于烴進(jìn)料與水蒸汽進(jìn)行部分一級轉(zhuǎn)化，適于通過與引入到該反應(yīng)器的殼程中的適度的熱產(chǎn)物氣體物流進(jìn)行間接逆流熱交換而接收熱量;
(ⅱ)將來自第一氣體加熱反應(yīng)器的部分轉(zhuǎn)化工藝氣體分成第一和第二次物流的設(shè)備;
(ⅲ)一個管式反應(yīng)爐，該反應(yīng)爐裝有轉(zhuǎn)化管和通過燃燒燃料而產(chǎn)生輻射熱的設(shè)備，適于接收和反應(yīng)第一次物流，以生產(chǎn)一級轉(zhuǎn)化氣體物流;
(ⅳ)一個裝有轉(zhuǎn)化管的第二氣體加熱反應(yīng)順，該轉(zhuǎn)化管是用于接收和一級轉(zhuǎn)化第二次物流，適于通過與引入到該反應(yīng)器的殼程中的熱產(chǎn)物氣體物流進(jìn)行間接并流熱交換而接收熱量，并將熱產(chǎn)物氣體物流冷卻成適度的熱產(chǎn)物氣體物流;
(ⅴ)用于混合在管式反應(yīng)爐和第二氣體加熱反應(yīng)器中得到的一級轉(zhuǎn)化氣體物流并將它們送入絕熱二級轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中的設(shè)備;
(ⅵ)用于將氧化劑氣體送入絕熱二級轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中的設(shè)備;
(ⅶ)適用于接收混合的一級轉(zhuǎn)化氣體物流和氧化劑氣體并使二者反應(yīng)生成熱產(chǎn)物氣體物流的絕熱反應(yīng)器;
(ⅷ)用于將來自絕熱反應(yīng)器的熱產(chǎn)物氣體物流送向和引入第二氣體加熱反應(yīng)器殼程的設(shè)備;和(ⅸ)用于將來自第二氣體加熱反應(yīng)器的適度的熱產(chǎn)物氣體物流送向和引入第一氣體加熱反應(yīng)器的設(shè)備。
本發(fā)明的上述和其他目的以及觀點通過下列關(guān)于附圖的詳細(xì)說明將變得更加清楚，其中

圖1顯示了本發(fā)明方法的一個簡化流程圖;
圖2是一個根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的氣體加熱反應(yīng)器系統(tǒng)的縱剖面圖;
圖3是圖2所示的反應(yīng)器系統(tǒng)的部分放大圖。
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案在一個含有兩個串聯(lián)的氣體加熱反應(yīng)器的反應(yīng)器系統(tǒng)中進(jìn)行的水蒸汽轉(zhuǎn)化過程的流程圖。該圖是簡化圖，在本專業(yè)中公知的各種設(shè)備如閥、泵和用于預(yù)熱和純化烴進(jìn)料的設(shè)備在該圖中沒有畫出。
純化過的含有烴進(jìn)料和水蒸汽的工藝氣體物流10用已知的方法通過與氣體加熱反應(yīng)器11流出的溫度約550-650℃的產(chǎn)物氣體物流26進(jìn)行熱交換而預(yù)熱到約500-600℃。預(yù)熱過的工藝氣體被分布并通過許多安裝在第一氣體加熱反應(yīng)器11中的伸長管31。管31裝有常規(guī)的轉(zhuǎn)化催化劑。離開絕熱反應(yīng)器17溫度約950-1050℃的熱產(chǎn)物氣體22在第二氣體加熱反應(yīng)器19中被冷卻成適度的熱產(chǎn)物氣體，下面將進(jìn)一步說明。適度的熱產(chǎn)物氣體24在約810-900℃溫度下引入第一氣體加熱反應(yīng)器11的殼程，以便向轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供熱量，工藝氣體通過管31，并與在管31的殼程中與工藝氣體逆向流動的適度的熱產(chǎn)物氣體進(jìn)行相互熱交換，從而向轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供了熱量。因此，管31的壁溫在入口端保持在約500-600℃，在管31的出口端保持在約650-770℃。
工藝氣體在通過第一氣體加熱反應(yīng)器11的過程中轉(zhuǎn)化成了部分一級轉(zhuǎn)化氣體12，該氣體12在離開反應(yīng)器11時的溫度約為610-670℃。氣體12在三通30處被分成次物流14和次物流18。三通30可以是閥控制的，使氣體12按不同的分配比例分成次物流14和18。約20-60%(體積)的部分一級轉(zhuǎn)化氣體12作為次物流18送入第二氣體加熱反應(yīng)器19。氣體12的剩余部分作為次物流14引入常規(guī)的管式轉(zhuǎn)化爐15，該轉(zhuǎn)化爐15裝有側(cè)面燒火的轉(zhuǎn)化管35，管35中裝有對次物流14中的部分一級轉(zhuǎn)化氣體進(jìn)行最后的一級轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化催化劑。
次物流18中的部分一級轉(zhuǎn)化氣體通過伸長管33被轉(zhuǎn)化成一級轉(zhuǎn)化氣體，伸長管33是裝在反應(yīng)器19中并裝有一級轉(zhuǎn)化催化劑。氣體中吸熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的熱量是通過與由絕熱反應(yīng)器17引入到反應(yīng)器19的殼程中并與管33中的氣體18并流的熱產(chǎn)物氣體22進(jìn)行間接熱交換而提供的。該熱產(chǎn)物氣體22也因此被冷卻，即從反應(yīng)器19的入口處約950-1100℃的溫度被冷卻到約810-900℃的出口溫度，并且作為適度的熱產(chǎn)物氣體24而送入第一氣體加熱反應(yīng)器11，正如上面所述。
管33的壁溫范圍是從入口端的860℃-910℃到管33的出口端的780-890℃。因此，實際溫度取決于通入反應(yīng)器19的次物流18的量，次物流18的量是通過三通30調(diào)節(jié)氣體12的分配比例而調(diào)節(jié)的。
因此，通過分別控制由次物流18送入到反應(yīng)器19的部分一級轉(zhuǎn)化氣體的量和在氣體加熱反應(yīng)器11和19中的逆流和并流熱交換，可以控制用于氣體加熱反應(yīng)器的金屬材料的溫度。因此，避免了達(dá)到臨界溫度范圍，在這個臨界溫度范圍內(nèi)，與含有高含量一氧化碳的產(chǎn)物氣體22和24接觸的氣體加熱反應(yīng)器11和19中的管壁上會發(fā)生嚴(yán)重的金屬粉化。
把從反應(yīng)器15和19流出并含有一級轉(zhuǎn)化氣體16和20的流出物混合并送入含有常規(guī)二級轉(zhuǎn)化催化劑29床層的絕熱反應(yīng)器17中。為了進(jìn)行二級轉(zhuǎn)化過程，氧化劑氣體28也被送入反應(yīng)器17。在一級轉(zhuǎn)化氣體中所含的氫氣和烴部分氧化過程中所放出的熱使該氣體的溫度從絕熱反應(yīng)器17入口處的約800-900℃升高到出口處的約1000-1100℃。
離開絕熱反應(yīng)器17的二級轉(zhuǎn)化氣體作為熱產(chǎn)物氣體22被送入反應(yīng)器19的殼程中，正如上面更詳細(xì)的敘述，在反應(yīng)器19中該氣體被冷卻成適度的熱產(chǎn)物氣體24，氣體24被進(jìn)一步送入反應(yīng)器11的殼程。
本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)的具體設(shè)備的構(gòu)造和操作由圖2說明，圖2顯示了氣體加熱反應(yīng)器的縱剖面。
反應(yīng)爐和絕熱反應(yīng)器是常規(guī)的，在該圖中沒有畫出。
氣體加熱反應(yīng)器系統(tǒng)包括逆流熱交換反應(yīng)器11和用連接部分24連接到反應(yīng)器11上的并流熱交換反應(yīng)器19。
反應(yīng)器11和19分別有上部分111，191和被受壓殼體110，210鄰接的下部分113，193，其中下部分113，193由接近受壓殼體110、210的耐熱絕熱材料120、220絕熱。適合的絕熱材料可以是任何耐熱材料，如耐火磚和可經(jīng)受高溫度的混凝土。
反應(yīng)器11和19的上部分111和191分別裝有連接管150、250，包括入孔130、230和蓋140和240。
反應(yīng)器11和19含有許多轉(zhuǎn)化管31、33，這些轉(zhuǎn)化管的入口端311、331延伸穿過管板313、333，并用膨脹接頭314、334固定在管板313、333上，下文中將更詳細(xì)說明(參考圖3)。轉(zhuǎn)化管31、33的入口端311、331作成瓶頸的形式，以確保流入或來自管31、33的殼程的氣體最佳分布。管31、33在反應(yīng)器的弓形底部312、332處連接到反應(yīng)器11和19的下部分113、193內(nèi)部的氣體出口管315、335上。氣體出口管315、335分別延伸通過受壓殼體110和210的底部，在出口管315、335的通過點處用園筒形溫度梯度補(bǔ)償管316、336密封，這些管包住了靠近通過點的氣體出口管315、335，并固定在受壓殼體110、210的外側(cè)。
工藝氣體由連接到入口部件150上的入口管10通到反應(yīng)器11，并從反應(yīng)器11的上部份111中的室112進(jìn)一步分配到轉(zhuǎn)化管31。該氣體通過裝在轉(zhuǎn)化管31中的轉(zhuǎn)化催化劑而部分一級轉(zhuǎn)化。如上所述，轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的熱量是由反應(yīng)器19流出并經(jīng)連接部分24進(jìn)入反應(yīng)器11的殼程的適度的熱產(chǎn)物氣體提供的。為了避免適度的熱產(chǎn)物氣體的熱損失，連接部分24襯有耐熱的絕熱材料241。適度的熱產(chǎn)物氣體是在靠近管31底部的位置引入，并在管31的殼程中與管中的反應(yīng)工藝氣體逆流，并通過靠近管31的入口端311的出口26離開反應(yīng)器11。從而通過與適度的熱產(chǎn)物氣體進(jìn)行間接熱交換而將熱量傳遞給反應(yīng)工藝氣體。
部分一級轉(zhuǎn)化氣體經(jīng)氣體出口管線315離開管31，并收集在連接到反應(yīng)器11外部出口管315的氣體收集器318中。該氣體從收集器318經(jīng)管線12流向三通30。三通30裝有節(jié)流閥141，它可調(diào)節(jié)經(jīng)管18和連接部件250引入到反應(yīng)器19的部分轉(zhuǎn)化氣體的量。從位于反應(yīng)器19的部分191中的室192該氣體被分配到裝有一級轉(zhuǎn)化催化劑的轉(zhuǎn)化管33中。部分一級轉(zhuǎn)化氣體通過催化劑被轉(zhuǎn)化成一級轉(zhuǎn)化氣體，并在出口管335離開反應(yīng)器19。管335連接到反應(yīng)器19外部的氣體收集器330。收集在氣體收集器330中的一級轉(zhuǎn)化氣體經(jīng)管線20流入絕熱反應(yīng)器(沒畫出)進(jìn)行進(jìn)一步處理。管33中部分一級轉(zhuǎn)化氣體發(fā)生的轉(zhuǎn)化過程所需的熱量是由來自絕熱反應(yīng)器的熱產(chǎn)物氣體提供的。該熱氣體通過靠近管33入口端331的入口22引入反應(yīng)器19。該熱產(chǎn)物氣體從而以并流的方式在管33的殼程中流動并與管33中的反應(yīng)氣體相互熱交換，并且冷卻成適度的熱產(chǎn)物氣體，該氣體通過連接部分24離開反應(yīng)器19進(jìn)入反應(yīng)器11。
圖2所示的氣體加熱反應(yīng)器11，19的具體實例的優(yōu)越特性在于轉(zhuǎn)化管31、33的結(jié)構(gòu)和安裝，正如圖3更詳細(xì)的說明，圖3是反應(yīng)器11中轉(zhuǎn)化管31的入口端的放大視圖。反應(yīng)器19中轉(zhuǎn)化管的入口端及其安裝是以類似于反應(yīng)器11的方法安裝的，圖中沒有畫出。
每個轉(zhuǎn)化管31在延伸通過管板313的入口端311處做成瓶頸的形式。管31用膨脹接頭314固定在管板313上。
膨脹接頭314是以金屬波紋管的形式同軸圍繞在管31的上端，該膨脹接頭314a延伸通過管板313。膨脹接頭314的上端314固定在管31的入口31a上，其下端314b固定在管板313上，從而使管31在管板313中可伸縮地懸吊著，這樣管子可以熱膨脹，如上所述，入口端311是瓶頸形式，這樣一方面通過減小管子所占的空間有助于管子在管板313中懸吊，另一方面由于管的入口端311的直徑減小得到了增大的空間，從而降低了壓力降，使得產(chǎn)物氣體在管31的殼程中得到最佳的氣體流動。
實施例在下列實施例中，本發(fā)明使用了三種計算型式來說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的方法和反應(yīng)器系統(tǒng)在制備用于氨生產(chǎn)的合成氣體中的優(yōu)點。
將具有下列組成(摩爾%)的工藝氣體預(yù)熱到510℃，然后通到第一氣體加熱反應(yīng)器11(圖1)中O20.00H21.01H2O 70.45N20.35CO0.00CO20.04
Ar0.00CH428.14工藝氣體通過反應(yīng)器11，與適度的熱產(chǎn)物氣體24進(jìn)行間接熱交換而反應(yīng)成部分一級轉(zhuǎn)化氣體12。該部分一級轉(zhuǎn)化氣體12按物流14∶18為3.4(計算型式1)、1.8(計算型式2)和0.7(計算型式3)的分配比例分成次物流14和次物流18。
然后，次物流18中的部分一級轉(zhuǎn)化氣體通過反應(yīng)器19，與熱產(chǎn)物氣體22間接熱交換而轉(zhuǎn)化成一級轉(zhuǎn)化氣體20，然后氣體20與在常規(guī)轉(zhuǎn)化爐15中通過轉(zhuǎn)化次物流14中的部分一級轉(zhuǎn)化氣體而得到的一級轉(zhuǎn)化氣體16混合。
混合的氣體20和16在常規(guī)絕熱二級轉(zhuǎn)化爐17中通過與也加入到轉(zhuǎn)化爐17中的空氣28反應(yīng)最后轉(zhuǎn)化成二級轉(zhuǎn)化產(chǎn)物氣體22。
離開反應(yīng)爐17的熱產(chǎn)物氣體22被送入反應(yīng)器19的殼程中，因此被冷卻成適度的熱產(chǎn)物氣體24，然后，氣體24被引入到反應(yīng)器11的殼程中，該氣體通過反應(yīng)器11后作為產(chǎn)物氣體26而流出，用于氨的合成中。
上述和其他工藝參數(shù)列于下表1-3中，表1-3分別代表計算型式1-3得到的結(jié)果。
表中涉及的位置/物流號碼與上述號碼和圖1中所示的號碼一致。
表Ⅰ位置/物流號碼1012182014溫度(℃)560.0660.8660.8865.7660.8壓力(巴)35.534.634.634.534.6流量(Nm3/h) 121,830 139,680 31,453(§)38,457 108,227(§)氣體組成(摩爾%)O20.00 0.00 0.00 0.00 0.00H21.01 24.88 24.88 48.73 24.88H2O 70.45 50.23 50.23 30.91 50.23N20.35 0.31 0.31 0.25 0.31CO0.001.561.569.321.56CO20.04 4.86 4.86 5.04 4.86Ar0.000.000.000.000.00CH428.14 18.16 18.16 5.74 18.16位置/物流號碼1628222426溫度(℃)810.0550.01024.1895.9603.3壓力(巴)32.733.031.030.830.8流量(Nm3/h) 124,528 50,413 229,306 229,303 229,298氣體組成(摩爾%)O20.00 20.90 0.00 0.00 0.00H242.63 0.00 39.71 39.71 39.71H2O 35.74 0.41 27.83 27.83 27.83N20.27 77.72 17.27 17.27 17.27CO6.530.0010.6010.6010.60CO25.60 0.03 4.16 4.16 4.16Ar0.000.940.210.210.21CH49.23 0.00 0.21 0.21 0.21氣體加熱反應(yīng)器1119催化劑體積(m3) 19.6 7.2轉(zhuǎn)化管號碼217127轉(zhuǎn)化管的壁溫(℃)入口576.9902.2出口755.5884.6壓力降(巴)殼程0.010.16(§)物流號的分配比例14:18=3.4
表Ⅱ位置/物流號碼1012182014溫度(℃)535.0642.1642.1816.5642.1壓力(巴)35.034.634.634.334.6流量(Nm3/h) 121,830 137,679 49,503(§)58,528 88,176(§)氣體組成(摩爾%)O20.00 0.00 0.00 0.00 0.00H21.01 22.66 22.66 44.02 22.66H2O 70.45 52.09 52.09 34.62 52.09N20.35 0.31 0.31 0.26 0.31CO0.001.261.267.051.26CO20.04 4.53 4.53 5.55 4.53Ar0.000.000.000.000.00CH428.14 19.15 19.15 8.48 19.15位置/物流號碼1628222426溫度(℃)825.0550.01024.1859.8587.1壓力(巴)32.733.031.030.930.8流量(Nm3/h) 104,515 50,413 229,305 229,302 229,293氣體組成(摩爾%)O20.00 20.9 0.00 0.00 0.00H244.22 0.00 39.71 39.71 39.71H2O 34.48 0.41 27.83 27.83 27.83N20.26 77.72 17.27 17.27 17.27CO7.230.0010.6010.6010.60CO25.47 0.03 4.16 4.16 4.16Ar0.000.940.210.210.21CH48.34 0.00 0.21 0.21 0.21氣體加熱反應(yīng)器1119催化劑體積(m3) 19.6 7.2轉(zhuǎn)化管號碼217127轉(zhuǎn)化管的壁溫(℃)入口555.5879.1出口729.6840.8壓力降(巴)殼程0.020.15(§)物流號分配比例14:18=1.8
表Ⅲ位置/物流號碼1012182014溫度(℃)510.0624.2624.2766.1624.2壓力(巴)35.534.634.633.934.6流量(Nm3/h) 121,830 135,861 79,201(§)90,202 56,660(§)氣體組成(摩爾%)O20.00 0.00 0.00 0.00 0.00H21.01 20.54 20.54 38.50 20.54H2O 70.45 53.87 53.87 39.03 53.87N20.35 0.32 0.32 0.28 0.32CO0.001.021.024.821.02CO20.04 4.18 4.18 5.84 4.18Ar0.000.000.000.000.00CH428.14 20.07 20.07 11.53 20.07位置/物流號碼1628222426溫度(℃)900.0550.01027.5825.5571.2壓力(巴)32.733.031.030.930.8流量(Nm3/h) 73,022 50,413 229,355 229,357 229,362氣體組成(摩爾%)O20.00 20.9 0.00 0.00 0.00H250.97 0.00 39.71 39.71 39.71H2O 29.18 0.41 27.84 27.84 27.84N20.24 77.72 17.27 17.27 17.27CO10.580.0010.6310.6310.63CO24.66 0.03 4.14 4.14 4.14Ar0.000.940.210.210.21CH44.37 0.00 0.20 0.20 0.20氣體加熱反應(yīng)器1119催化劑體積(m3) 19.6 7.2轉(zhuǎn)化管號碼217127轉(zhuǎn)化管的壁溫(℃)入口534.2830.3出口705.5793.2壓力降(巴)殼程0.020.15(§)物流號分配比例14:18=0.7
從表1-3中的結(jié)果可以看出，氣體加熱反應(yīng)器11和19中與含一氧化碳的氣體接觸的管壁的溫度可以通過改變分配比例而調(diào)節(jié)至不同的溫度范圍，并不影響離開絕熱轉(zhuǎn)化爐17的產(chǎn)物氣體22的組成，其中來自第一氣體加熱反應(yīng)器11的部分一級轉(zhuǎn)化氣體并流通到常規(guī)加熱一級轉(zhuǎn)化爐15和第二氣體加熱反應(yīng)器19中。因此，將溫度控制在金屬粉化臨界溫度范圍之外是可能的。
經(jīng)過對本發(fā)明如此詳細(xì)的敘述，我們應(yīng)知道上述敘述和實施例僅僅是說明和舉例說明了本發(fā)明，那些對本專業(yè)熟練的技術(shù)人員來說是顯而易見的改變和替換都將在本發(fā)明的預(yù)料范圍之內(nèi)，本發(fā)明的范圍僅僅受到下列權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種通過一級和二級轉(zhuǎn)化的烴轉(zhuǎn)化方法，其改進(jìn)之處包括(i)含烴類進(jìn)料和水蒸汽的工藝氣體物流在第一氣體加熱反應(yīng)器中在水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑存在下通過與由第二氣體加熱反應(yīng)器的殼程引入到第一氣體加熱反應(yīng)器的殼程中的適度的熱產(chǎn)物氣體物流進(jìn)行間接熱交換而反應(yīng)生成部分一級轉(zhuǎn)化工藝氣體物流，在第一氣體加熱反應(yīng)器中，該適度的熱產(chǎn)物氣體物流與該反應(yīng)工藝氣體物流是逆流的；(ii)將第一氣體加熱反應(yīng)器的部分一級轉(zhuǎn)化工藝氣體物流分成第一和第二次物流；(iii)第一次物流在水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑存在下在對流加熱管式反應(yīng)爐中反應(yīng)生成一級轉(zhuǎn)化氣體物流；(iv)第二次物流在第二氣體加熱反應(yīng)器中在水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑存在下通過與由絕熱第二轉(zhuǎn)化反應(yīng)器引入到第二氣體加熱反應(yīng)器殼程中的熱產(chǎn)物氣體物流進(jìn)行間接熱交換而反應(yīng)，熱氣體物流在第二氣體加熱反應(yīng)器中與反應(yīng)的第二次物流并流，以提供一級轉(zhuǎn)化氣體物流，并將熱產(chǎn)物氣體物流冷卻成適度的熱產(chǎn)物氣體物流；(v)將步驟(iii)和(iv)得到的一級轉(zhuǎn)化氣體物流混合；和(vi)混合的一級轉(zhuǎn)化氣體物流在絕熱的二級轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中在第二水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑存在下與氧化劑氣體反應(yīng)生成熱的產(chǎn)物氣體物流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中氧化劑氣體由空氣組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中氧化劑氣體由富氧空氣組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一氣體加熱反應(yīng)器殼程的壁溫在500℃-770℃之間，第二氣體加熱反應(yīng)器殼程的壁溫在770℃-920℃之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一氣體加熱反應(yīng)器殼程的壁溫在550～730℃之間，第二氣體加熱反應(yīng)器殼程的壁溫在835℃-885℃之間。
6.一種用于實現(xiàn)權(quán)利要求1所要求的烴轉(zhuǎn)化方法的反應(yīng)器系統(tǒng)，它包括(ⅰ)一個裝有轉(zhuǎn)化管的第一氣體加熱反應(yīng)器，該轉(zhuǎn)化管是用于烴進(jìn)料與水蒸汽進(jìn)行部分一級轉(zhuǎn)化，適于通過與引入到該反應(yīng)器的殼程中的適度的熱產(chǎn)物氣體物流進(jìn)行間接逆流熱交換而接收熱量;(ⅱ)將來自第一氣體加熱反應(yīng)器的部分轉(zhuǎn)化工藝氣體分成第一和第二次物流的設(shè)備;(ⅲ)一個管式反應(yīng)爐，該反應(yīng)爐裝有轉(zhuǎn)化管和通過燃燒燃料而產(chǎn)生輻射熱的設(shè)備，并適于接收和反應(yīng)第一次物流，以生產(chǎn)一級轉(zhuǎn)化氣體物流;(ⅳ)一個裝有轉(zhuǎn)化管的第二氣體加熱反應(yīng)器，該轉(zhuǎn)化管用于接收和一級轉(zhuǎn)化第二次物流，適于通過與引入到該反應(yīng)器的殼程中的熱產(chǎn)物氣體物流進(jìn)行間接并流熱交換而接收熱量，以產(chǎn)生一級轉(zhuǎn)化氣體物流，并將熱產(chǎn)物氣體物流冷卻成適度的熱產(chǎn)物氣體物流;(ⅴ)用于混合在管式反應(yīng)爐和第二氣體加熱反應(yīng)器中得到的一級轉(zhuǎn)化氣體物流并將它們送入絕熱二級轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中的設(shè)備;(ⅵ)用于將氧化劑氣體送入絕熱二級轉(zhuǎn)化反應(yīng)器中的設(shè)備;(ⅶ)適于接收混合的一級轉(zhuǎn)化氣體物流和氧化劑氣體并使二者反應(yīng)生成熱產(chǎn)物氣體物流的絕熱反應(yīng)器;(ⅷ)用于將來自絕熱反應(yīng)器的熱產(chǎn)物氣體物流送向和引入第二氣體加熱反應(yīng)器殼程的設(shè)備;和(ⅸ)用于將來自第二氣體加熱反應(yīng)器的適度的熱產(chǎn)物氣體物流送向和引入第一氣體加熱反應(yīng)器殼程的設(shè)備。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中第一和第二氣體加熱反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化管具有瓶頸式的入口端。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)化管的瓶頸式入口端在該管的入口端處可伸縮的懸吊在管板中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)化管的可伸縮的懸吊是通過波紋管同軸包圍管的入口，并將管的入口固定在管板上而實現(xiàn)的。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中用于分開部分轉(zhuǎn)化工藝氣體的設(shè)備包括閥。
全文摘要
在一種催化劑存在下進(jìn)行烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化的方法和反應(yīng)器系統(tǒng)。在此方法以及在此反應(yīng)器系統(tǒng)中利用已轉(zhuǎn)化氣體的產(chǎn)品氣流的熱量，采用該產(chǎn)品氣體和烴類工藝過程氣體間接熱交換的方式，為該工藝過程氣體的吸熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供所需的熱量。
文檔編號C01B3/38GK1056850SQ9110111
公開日1991年12月11日 申請日期1991年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1990年2月2日
發(fā)明者杰斯珀·內(nèi)斯克 申請人:赫多特普索化工設(shè)備公司