專利名稱：吸熱反應(yīng)裝置的制作方法
本申請為1991年12月19日提交的美國申請?zhí)枮?7/810，237申請的后續(xù)申請，該申請中所公開的內(nèi)容在本申請中作為參考。
早期公開的與1990年4月3日提交的美國專利申請07/504375相應(yīng)的歐洲專利申請0450872A1中所公開的內(nèi)容在本申請中亦作參考，該申請公開了一種吸熱反應(yīng)裝置或吸熱反應(yīng)爐，以實現(xiàn)各種諸如甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化、乙烷熱解為乙烯之類的吸熱反應(yīng)。為了進(jìn)行吸熱反應(yīng)，將包括一根陶瓷燃燒管及一根位于該燃燒管之內(nèi)的燃料供給管的熱源部分置于爐內(nèi)。分別由獨(dú)立的燃料供給管和燃燒管供給的燃料的空氣經(jīng)混合，點(diǎn)火并在燃燒管內(nèi)燃燒面產(chǎn)生熱。將吸熱反應(yīng)劑送入爐內(nèi)燃燒管內(nèi)燃燒管的外側(cè)，由于燃燒管內(nèi)產(chǎn)生了熱量，吸熱反應(yīng)劑在燃燒管外側(cè)發(fā)生反應(yīng)。
在一個優(yōu)選的實施例中，在一側(cè)吸熱反應(yīng)劑和產(chǎn)品氣(下文中稱之為“反應(yīng)氣”)流過爐子，在另一側(cè)可燃燒料、空氣和可燃產(chǎn)品氣(下文中稱之為“可燃?xì)狻?相互逆向流過爐子。采用這種措施，可將公開供給的可燃燃料和空氣在混合劑加熱到燃料自動點(diǎn)火溫度之了，這種措施還可使?fàn)t子設(shè)計大大簡化。
這種設(shè)計有很多優(yōu)點(diǎn)。在很多吸熱反應(yīng)中會出現(xiàn)非常高的溫度，陶瓷管能耐極高溫，在這一點(diǎn)上它優(yōu)于大多數(shù)金屬管。通過外加一個壓彎力，或者采用如將管子兩端夾緊之類的機(jī)械手段、或者在發(fā)生吸熱反應(yīng)的管子外表面增加壓力或者同時采用兩種手段可加工出強(qiáng)度更高因而更薄的陶瓷管。
令人遺憾的是在很多應(yīng)用中，尤其是陶瓷管很厚時，陶瓷管存在極大的熱應(yīng)力。在需要緊緊地安裝很多又長又薄的陶瓷管的大體積的應(yīng)用中，要用的又長又薄的陶瓷管在制造上也是很困難的。通常陶瓷具有脆性，因而存在潛在的安全問題。
據(jù)此，本發(fā)明的任務(wù)是要提供一種改進(jìn)的吸熱反應(yīng)裝置或吸熱反應(yīng)爐，該裝置不用陶瓷管而采用金屬管而這種金屬管在極高的吸熱反應(yīng)溫度下仍然適用，尤其適用于需要集化安裝大量管子的大體積的情況。
采用本發(fā)明的吸熱反應(yīng)爐可完成上述任務(wù)及其他任務(wù)。按照本發(fā)明，將吸熱反應(yīng)爐設(shè)計成在一根或多根金屬反應(yīng)管的內(nèi)側(cè)完成吸熱反應(yīng)，上述金屬反應(yīng)管中設(shè)有通過燃料和空氣自動點(diǎn)火而產(chǎn)生熱的熱發(fā)生裝置。將位于一側(cè)的反應(yīng)氣流通道和位于另一側(cè)的可燃?xì)馔ǖ涝O(shè)置成使得空氣和可燃燃料在混合之前分別被加熱到高于它們的自動點(diǎn)火溫度，并使全部產(chǎn)品氣在流出爐子之前顯著地冷卻下來。
采取這種安排，即使燃?xì)獾幕鹧鏈囟确浅８?，也可使反?yīng)管內(nèi)、外壁的溫度保持在合適的低的水平上。這樣就可以采用金屬而不采用陶瓷管。使可燃?xì)庾詣狱c(diǎn)火也不需要供點(diǎn)燃和/或穩(wěn)定燃燒而用的獨(dú)立的點(diǎn)火裝置和/或火焰穩(wěn)定器。這些特點(diǎn)對大型多管轉(zhuǎn)化爐而言尤其重要，因為這樣一來可將燃燒管集化安裝，而且還不用對出故障的點(diǎn)火裝置進(jìn)行維修，也避免了因停工而造成的浪費(fèi)。


圖1為本發(fā)明的轉(zhuǎn)化裝置的橫向剖面圖;
圖2表示圖1中裝置穩(wěn)定運(yùn)行時其中的反應(yīng)氣、燃燒氣以及反應(yīng)管壁的溫度分布曲線。
下面結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
如圖1所示，本發(fā)明的反應(yīng)裝置一般用標(biāo)號100表示，該裝置包括帶有脹連部分103的細(xì)長容器102，有確定界限的第一端或第一頭部104的第二端或第二頭部106、絕熱部分107及內(nèi)部108。因為開始時裝置為冷狀態(tài)，用一個外部燃燒器(未示出)將供給空氣預(yù)熱到約550℃，以便將反應(yīng)預(yù)熱到高于自動點(diǎn)火的溫度。燃料點(diǎn)火后使該燃燒器熄火。
在內(nèi)部108中裝有一根吸熱反應(yīng)管110，借助于如焊接(標(biāo)出)之類的合適的密封手段將該管固定在兩端板或“管板”109和111上。從圖1所見，管板109和111被剛性固定在容器102的壁上，使兩個管極不可能在容器中沿軸向相對于容器與管板相連的部分移動，這在現(xiàn)有技術(shù)中稱之為“固定式管板設(shè)計”。而且，在這個特殊的實施例中，沒有支撐結(jié)構(gòu)，例如象傳統(tǒng)的設(shè)計中為防止在壓力負(fù)荷下的管子產(chǎn)生橫向移動及彎曲而在容器管際空間中部位置設(shè)置的支撐管子的桿或隔板，而在傳統(tǒng)的設(shè)計中為了防止反應(yīng)極管橫向運(yùn)動以及在各種壓力負(fù)荷條件下管子彎曲常采用支撐構(gòu)件。
在反應(yīng)管110的內(nèi)側(cè)限定出完成吸熱反應(yīng)的吸熱反應(yīng)通道，而反應(yīng)管110的外側(cè)空間確定出完成燃燒的燃燒通道。反應(yīng)管110內(nèi)充填有一種形狀和尺寸均合適的吸熱反應(yīng)催化劑112。在所示的實施例中，催化劑112為直徑約5mm的球狀體。為使傳熱更快而減小反應(yīng)管110的傳熱梯度，燃燒區(qū)116附近的吸熱催化劑114的尺寸較小，例如直徑為3mm。在吸熱催化劑112/114的另外兩端裝入惰性材料122和124也可改善傳熱。
頭部104和管板109一起確定出一個入口總管126，以容納從入口128送入的吸熱反應(yīng)劑。頭部106和管板111一起確定了出口集氣管130，以便通過出口132排出吸熱產(chǎn)品。
空氣端板134與管板111一起限定了容納從入口138送入的空氣的空氣集氣管136。與反應(yīng)管110同軸的空氣管140與空氣集氣管136相通，以便經(jīng)環(huán)形通道142將空氣充入燃燒區(qū)116。燃料端板144與空氣端板134一起確定出燃料總管146，以便容納從燃料入口148送入的氣態(tài)燃料。也和反應(yīng)管110及空氣管140同軸的燃料管150與燃料總管146相通，以便經(jīng)燃料環(huán)形通道152將燃料送入燃燒區(qū)116?？扇?xì)飧舭?54與管板109一起確定出燃燒氣集氣管156，以便通過可燃?xì)猸h(huán)形通道162和燃?xì)獬隹?58將在容器內(nèi)部108燃燒的燃料和空氣所生成的可燃?xì)馀懦?，上述燃燒氣環(huán)形通道162由反應(yīng)管110及與之同軸的排出通道160形成。如圖1所示，空氣管140和燃料管150應(yīng)配置成使得反應(yīng)區(qū)116位于容器102的內(nèi)部，此外如下面所述，還應(yīng)使反應(yīng)區(qū)離反應(yīng)氣出口和可燃?xì)獬隹谧銐蜻h(yuǎn)，以使吸熱產(chǎn)品氣和可燃產(chǎn)品氣在排出容器之前都能顯著地冷卻下來。
運(yùn)行中，一旦達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，吸熱反應(yīng)劑，如甲烷和水蒸汽的混合物被送進(jìn)入口128，而從出口132提取吸熱產(chǎn)品，燃料和空氣分別被送入燃料入口148和空氣入口138，而從燃燒出口158取出燃燒氣。這使得流過燃燒管110的反應(yīng)氣和流過容器102內(nèi)部108的可燃燒氣之間為逆流流動。選擇不同的反應(yīng)劑率和不同的產(chǎn)品流率以及不同管子的尺寸和形狀，使得空氣和燃料在燃燒區(qū)116中混合時能達(dá)到或高于自動點(diǎn)火溫度。采用這種裝置，不需要采用如熱線點(diǎn)火塞、火花塞之類的單獨(dú)的點(diǎn)火器就可使燒料和空氣混合、點(diǎn)火并燃燒。吸熱反應(yīng)劑氣體和燃燒氣體逆向流動也有助于改善反應(yīng)管壁相對側(cè)的反應(yīng)氣和燃燒氣之間的傳熱。這本身又可使局部過熱或到最小，并使管子使用壽命延長。
圖2中用曲線表示出了這種有益的效果，該曲線表示出不同工藝氣體以及圖1所示的裝置中的反應(yīng)管110的管壁表面的溫度。圖2中橫座標(biāo)代表離開燃燒區(qū)116的距離測量值，以燃燒區(qū)116的起點(diǎn)作為座標(biāo)零點(diǎn)，縱座標(biāo)為各種氣體及管壁的溫度測量值。在該圖中，164表示吸熱反應(yīng)劑溫度分布，166表示吸熱產(chǎn)品的溫度分布，168表示燃料溫度分布，170表示空氣溫度分布，172表示火焰溫度分布，174表示燃燒氣溫度分布，178表示反應(yīng)管外壁溫度分布，180表示反應(yīng)管內(nèi)壁的溫度分布，182表示不活潑材料122與吸熱催化劑112之間的邊界溫度，而184表示燃料/空氣燃燒的自動點(diǎn)火溫度。
從圖2中可以看出，即使燃燒氣火焰溫度非常高，反應(yīng)管110的內(nèi)外壁溫度仍然較低，因而可以大大延長這些管子的使用壽命，而且在高溫應(yīng)用中可用金屬管而不用陶瓷管。此時，排出該裝置的各種氣體(吸熱產(chǎn)品氣和可燃?xì)?都被冷卻到合適的溫度，同時在本發(fā)明的爐內(nèi)，可燃?xì)獗患訜岬礁哂谄潼c(diǎn)火溫度，并向吸熱反應(yīng)劑提供足夠的熱量以使所希望的吸熱反應(yīng)順利進(jìn)行。還可克服使用陶瓷管有時可能出現(xiàn)熱應(yīng)力過大的缺點(diǎn)。
就理論上而言，本發(fā)明的反應(yīng)裝置適于大規(guī)模生產(chǎn)，例如利用氣態(tài)碳?xì)浠衔镎羝D(zhuǎn)化尤其是甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化批量生產(chǎn)合成氣。溫度較高，例如800℃至1000℃對蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)用利，而870℃到920℃尤其可取，同時在高壓下，例如至少在10atm下，可取的是在20至60atm下更可取的是在30至50atm下，利用下游的大部分合成氣例如甲醇合成和Fisher-Tropseh合成的合成氣也是有利的。因此進(jìn)行這類反應(yīng)時，往往希望裝置(至少臨近管際空間)在上述高壓和高溫的條件下運(yùn)行。
供大爐子用的大直徑反應(yīng)管在這種高溫和高壓下工作時，無論這種管是由陶瓷制成還是由昂貴的合金制成都要能耐高溫，都要求具有很厚的壁，而且其內(nèi)部的溫度分布都很不理想。此外造價也很高。因此，為了降低成本，供在高溫度壓下進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化之用的大爐子必須由大量長的、小直徑管集化排列而成。在本發(fā)明的實施例中，由于采用金屬管，在管內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，燃燒氣自動點(diǎn)火不需要點(diǎn)火器和/或火焰穩(wěn)定器來確保燃燒火焰穩(wěn)定，因此可以將大量小直徑管安裝得很緊密。這對容器內(nèi)管際空間附近沒有管支撐構(gòu)件的情況(最好如此，但并非本發(fā)明的必要特征)也是有利的。
在這方面重要的是應(yīng)注意到當(dāng)本發(fā)明裝置工作時的壓力高于管側(cè)附近的大氣壓時例如在涉及甲烷轉(zhuǎn)化的全部過程中，在繼之而來進(jìn)一步順流高壓處理的第一步，管子將受到拉伸力。這是因為，管側(cè)附近的壓力產(chǎn)生一個軸向力，軸向力往往會推頭部104和106，因而也推入口總管126和出口集氣管130，如脹連部分可防止容器102的壁抵消拉伸力。在本發(fā)明的實施例中，反應(yīng)管受到拉伸是一個重要的特點(diǎn)，因為這些管子(尤其是為了節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用需要采用又長又薄的管子時，在受壓狀態(tài)下強(qiáng)度較小，因而施加在軸向或橫向的任何較大負(fù)荷都會使管子因彎曲和變形而變得不能可靠地工作。由管管子受到拉伸會使管子的強(qiáng)度增加，從而克服了管子變彎的缺陷，因而可使管子更薄，從而造價更便宜。
此外，在大多數(shù)吸熱反應(yīng)所出現(xiàn)的高溫條件下，管子首先沿軸向會產(chǎn)生固有的蠕變，即高溫變形。例如，據(jù)估計，在典型的甲烷轉(zhuǎn)化環(huán)境中大允25英尺長的管子將延伸約3英尺。反應(yīng)管軸向蠕變變形可使所有管子之間自動均勻地分配軸向負(fù)荷，這與傳統(tǒng)固定管板的管殼式熱交換器及管式熱交熱器完全不同，在這些熱交換器中，管板彎曲會引起管內(nèi)軸向負(fù)荷明顯地橫向偏過管板?？偟恼f來，將軸向負(fù)荷自動地橫向平均分配在很多管子上有利于延長裝置的使用壽命，因為它可避免出現(xiàn)如現(xiàn)有設(shè)計中所存在的因不適當(dāng)?shù)母咻S向負(fù)荷所引起的早損壞管子的現(xiàn)象。
因此，在一個優(yōu)選實施例中，本發(fā)明所提供的燃燒爐至少裝有100根燃燒管，可取的是至少裝500根，最好至少裝1000根甚至裝5000根燃燒管，每根燃燒客的內(nèi)徑與長度之比為50至1000，較好的是150至500，最好為250至350。
就理論上而言，本發(fā)明尤其適于至少裝有100根燃燒管的大體積、高容量爐，每一根燃燒管的長度與內(nèi)徑之比至少為100。這類爐子適于在高溫(至少850℃)高壓(至少為10atm)下工作。更可取的爐子裝有至少500根燃燒管，每根燃燒管的長度與內(nèi)徑之比至少為200。對于大體積爐子更加可取的是安裝至少1000根管子，每根管子的長度與內(nèi)徑之比至少為250。后一類爐子尤其可用于在增高壓力(例如至少約為500psia)及增高溫度(例如，至少約為875℃)的條件下大容積工作的情況。
正如下面討論所指出的那樣，在一項特殊應(yīng)用中，本發(fā)明爐子的最佳設(shè)計和最佳運(yùn)行條件的確定取決于很多因素。例如，高溫和低壓對甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化(及大多數(shù)在此關(guān)注的其它吸熱反應(yīng))有利。然而，對于產(chǎn)品合成氣的很多應(yīng)用都要求合成氣處于高壓狀態(tài)。用壓縮機(jī)壓縮合成氣成本非常高，而且能量消耗很大。
本發(fā)明在任何希望的壓力直到約60atm的條件下可有效地生產(chǎn)合成氣。當(dāng)然，可取的壓力是以后使用產(chǎn)品氣所需的最低壓力，這意味著可以完全省去現(xiàn)有裝置中所需的合成氣壓縮機(jī)。
與常規(guī)的情況相同，在燃燒流通道中的空氣、可燃料和燃產(chǎn)品的壓力可以是環(huán)境壓力。然而，在增高壓力的條件下進(jìn)行吸熱反應(yīng)的地方，希望將燃?xì)怏w的壓力維持在較高壓力，例如維持在2至10個大氣壓或更高，因為這樣可減小反應(yīng)管上的應(yīng)力，因而可加工出更薄的反應(yīng)管。
反應(yīng)管的內(nèi)徑與長度之比的優(yōu)選值取決于所選擇的實施例、要求的近似溫度及實際應(yīng)用中允許的氣體壓力降。例如，圖1的實施例最好選取L/D的比值為250比350。
盡管可以選用任何內(nèi)徑的管子但為節(jié)約起見，最好反應(yīng)管的內(nèi)徑較小，例如內(nèi)徑為5mm到50mm，可取的內(nèi)徑為15到30mm。對于相同溫度和相同的壓差，小直徑管要求的壁厚比大直徑管薄，因而成本較低。但如果管子直徑太小，管子的數(shù)目就會變得非常大，因而成本又會增加。另外，直徑很小還可能出現(xiàn)催化劑填實的問題，而導(dǎo)致局部傳熱更差。直徑較大的管子還存在有害的徑向溫度梯度。
在多管設(shè)計的情況中最好管子的間距相當(dāng)小?？扇〉氖窍噜徆芙M(即，燃料供給管150，空氣管140和反應(yīng)管110)之間的中線間距為燃料供給管150的外徑的1.25倍。間距小可減小容器尺寸。在本發(fā)明中，反應(yīng)管也可不用金屬而用陶瓷或其他材料制成。但由于金屬管長度與直徑之比的可用性較大、有較大的可延展性、密封簡單(通過焊接)、可靠、成本較低并具有耐熱應(yīng)力的性能，因此金屬管比陶瓷管更可取。
確定最佳管數(shù)時，尤其對于需要處理大量工藝氣體的工業(yè)過程而言，必須作出選擇，是采用單個非常大的反應(yīng)器還是采用若干較小的反應(yīng)器。通常，在單個反應(yīng)器中采用數(shù)千根管以上對降低總費(fèi)用而言，幾乎沒有好處。可取的最小管數(shù)為要求處理的氣體量所需要的管數(shù)。在圖1的實施例中若選取反應(yīng)管的內(nèi)徑為0.8英尺，在一個實例中每根管生產(chǎn)的合成氣約為2.7公斤-摩爾/小時。
本發(fā)明反應(yīng)爐中所用的合金應(yīng)具有高的熱穩(wěn)定性(抗蠕變及蠕變斷裂)、高的抗氧化性能和高的抗工藝氣體腐蝕性能。在上述合金中適于一般應(yīng)用的合金是各種鎳基高溫合金。例如，若想將本發(fā)明的反應(yīng)爐用作甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化之用，則高溫鎳基合金含鉻鎢和鉬是可取的，例如可購買印地安那州Kokomo的HaynesInternatinal，Inc生產(chǎn)的Haynes230合金(含Cr22%，鎢14%，鉬2%，其余為鎳)。如果需要，還可以在金屬管上設(shè)有合適的復(fù)蓄層，以防止受金屬粉塵及其它生成物的腐蝕。這類復(fù)蓋層都是已知的，alonizing就是一個特殊例子。
可取的最大荷載處理溫度與壓力選擇、管材料，供給的混合物組分及外部工藝過程的需要有關(guān)。經(jīng)常還希望在選擇條件下管子具有滿意的使用壽命的最高溫度下工作。在這類情況中，金屬管最好在約850℃到1000℃范圍內(nèi)工作。在另外一些情況中，若工作溫度略低于上述溫度則可以使過程的熱平衡良好，并可節(jié)省整體費(fèi)用，就金屬管而言，可取的最大荷載溫度約為875℃至925℃。
在本發(fā)明的一個具體的優(yōu)選實施例中，使本發(fā)明的反應(yīng)爐的設(shè)計和運(yùn)行滿足下述條件，即當(dāng)其為穩(wěn)定運(yùn)行時，使燃料和空氣在燃燒區(qū)中混合之前被加熱的溫度與最高吸熱反應(yīng)溫度之間的溫度差(此溫度差在圖2中用△表示)小于200℃。此溫差的可取值為50℃到100℃。由于大多數(shù)普通氣態(tài)燃料與空氣自動點(diǎn)火的溫度約為400℃到450℃，由于大多數(shù)此處所關(guān)注的吸熱反應(yīng)是在約850℃到950℃條件進(jìn)行的，這意味著按照上述優(yōu)選實離例在正常運(yùn)行中，空氣和氣態(tài)燃料在燃燒區(qū)116中混合之前將被加熱到大大高于(400℃到500℃)其自動點(diǎn)火溫度。加熱范圍的擴(kuò)大也會引起吸熱產(chǎn)品氣的冷卻范圍擴(kuò)大。
同樣，還希望反應(yīng)爐的設(shè)計和運(yùn)行滿足“將可燃產(chǎn)品氣排出爐子之前產(chǎn)品氣明顯被冷卻下來”的條件。通過正確設(shè)計并使?fàn)t子處于正常運(yùn)行，既可確保爐子在中等溫度、例如低于500℃的條件下進(jìn)行燃燒，也可保證排出爐子的吸熱產(chǎn)品氣溫度適中(例如在500℃以下)。在這種情況下裝置的熱效率高，而且連接管道和裝置的溫度適中。
本發(fā)明適用于各種不同的吸熱反應(yīng)，例如運(yùn)用于輕烴尤其是甲烷、乙烷和天然氣的蒸汽轉(zhuǎn)化以及乙烷、丙烷之類的烷烴熱解成與之相應(yīng)的烷烴、乙烯等等。這些工藝過程都是公知的。
當(dāng)有其它要求時，上述工藝過程中的某些工藝也可以不采用催化劑或都通常采用合適的催化劑。在采用催化劑的地方，應(yīng)使催化劑在此處所遇到的高層溫的條件下在整個長周期時間內(nèi)都保持良好的活性。催化劑還應(yīng)能極其充分地承載催化劑層重。催化劑顆粒尺寸應(yīng)很小，以便能很好地填入管子之間的空間內(nèi)但又能將通過催化劑層的壓降減小到適當(dāng)值。催化劑不應(yīng)燒結(jié)得過頭或者使其長時間地在高溫下自身之間或與管子接合在一起。一種可能的選擇是催化劑由在鋁上覆蓋鎳而制得，當(dāng)然其它適合的催化劑也已有報道。
就制備氫氣而言，最佳的放入反應(yīng)器中冷卻處理氣的區(qū)、段的催化劑可以是高溫轉(zhuǎn)換催化劑和/或低溫度轉(zhuǎn)換催化劑，該反應(yīng)是利用大部分一氧化碳與過量水蒸汽反應(yīng)后成大量氫氣和二氧化碳，氫氣可作為一種副氣品(這稱之為“水-煤轉(zhuǎn)換反應(yīng))。
為了更詳盡地解釋本發(fā)明，下面特列舉一個理想的實例。
實例將含有下面給出的組分的進(jìn)料在350℃及下面所給出的壓力和流率的條件下送入圖1的裝置中。根據(jù)化學(xué)平衡熱力學(xué)可在溫度近似為893℃及壓力約為522psia條件下計算出產(chǎn)品氣的組分。該產(chǎn)品的排出溫度為490℃。在溫度為120℃、壓力為131psia條件下供給空氣的速率為2139Kmol/hr。該供給燃燒氣中含氫氣82%，其余組分為其他一些氣體。燃料和空氣被預(yù)熱到接近850℃，其排出溫度約為495℃。
摩爾%供給氣產(chǎn)品氣H21.19 45.28CO-14.93CO28.18 5.66CH430.86 6.86N26.29 4.35H2O 53.57 22.90壓力(psia)638508流率(升摩爾/小時)32224583轉(zhuǎn)化最大荷載處溫度:900℃燃燒管數(shù):17000轉(zhuǎn)化最大荷載處理溫度900℃燃燒管數(shù)1700
燃燒管內(nèi)徑19.8mm燃燒管總長度7260mm燃燒管長度/直徑367上表表明在所要求的高壓以及溫度低到足以使很多市售的高溫合金都適用的條件下，可以使甲烷高度轉(zhuǎn)化為合成氣。這意味著本發(fā)明的爐子可用金屬管而不同陶瓷管構(gòu)成，它還意味著即使常常在高壓下將甲烷高度轉(zhuǎn)化為合成氣，金屬管的使用壽命仍然很長。
如上所述，可對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行很多改變。例如，如果需要，可以切換氣態(tài)燃料流通道和空氣流通道。這些通道也不必如上所述是與反應(yīng)管同心的環(huán)形通道，而可以是任何結(jié)構(gòu)，只是這些結(jié)構(gòu)可使燃料和空氣在燃燒區(qū)混合之前分開加熱到高于自動點(diǎn)火溫度。還不必對每一根反應(yīng)管都設(shè)一臺單獨(dú)的產(chǎn)生熱的裝置，只需由爐內(nèi)一個或幾個產(chǎn)生熱的裝置供給足夠的熱量以進(jìn)行吸熱反應(yīng)就可以了。此外，如果需要，也可使一側(cè)的可燃?xì)馀c另一側(cè)的吸熱反應(yīng)氣同向流動而不是逆向流動。
可以作出其它改變。例如，處理的流體蒸汽可以為各種不同型式，其中包括氣體、沸騰狀液體、液體或含細(xì)小的固體顆粒的懸浮液。還可以要求在反應(yīng)器的最冷區(qū)域氣體能冷凝成液體。此外，除用電阻加熱器外還可選擇其他裝置對開始工作時處于冷狀態(tài)的反應(yīng)器進(jìn)行預(yù)熱。例如，可通過反應(yīng)器中的輔助噴咀選入熱燃燒氣并使其在所希望的區(qū)域內(nèi)循環(huán)。也可在壓力容器內(nèi)部采取各種不同型式的絕熱措施。此外，通過調(diào)節(jié)燃燒組分及燒料和空氣的流率可以改變管外側(cè)燃燒氣的最高溫度。逐漸增加空氣的流率使之高于理想配比率可使最高的局部溫度逐漸降低。在燃料中附加水蒸汽也能降低最高溫度。
最后，如果希望將合成氣用于氨的合成，可以在天然氣和水蒸汽中加入適當(dāng)比例(通常為小比例)的壓縮空氣，這樣，產(chǎn)品合成氣中所含的氫氣與氮?dú)獾谋壤齽t能符合要求(通常為3∶1)。加熱期間附加空氣在催化劑層中反應(yīng)，但是空氣溫度仍很低，而不致于使催化劑層中出現(xiàn)局部過熱。整個反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)。該方法用于氨的合成除加入空氣外不需要另加氧氣，與某些需要從空氣中分離氧的有競爭力的工藝相比，本方法可以達(dá)到節(jié)省費(fèi)用的目的。
所有這些改變都包括在僅由下述權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.用于實現(xiàn)一種吸熱反應(yīng)的裝置，在該反應(yīng)中通過空氣和一種可燃燃料氣的燃燒加熱吸熱反應(yīng)劑氣體，從而使上述反應(yīng)劑氣體轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼰岙a(chǎn)品氣，上述裝置包括a)一個容器；b)一根位于上述容器中的金屬反應(yīng)管，上述容器的內(nèi)部劃分為反應(yīng)流通道和燃燒流通道，反應(yīng)流通道位于金屬反應(yīng)管內(nèi)，用于進(jìn)行吸熱反應(yīng)，燃燒流通道限定出空氣和燃料進(jìn)行燃燒的燃燒區(qū)，反應(yīng)流通道和燃燒流通道彼此可進(jìn)行熱傳遞，因而燃燒流通道中的熱量傳到反應(yīng)流通道；c)用于將反應(yīng)氣送入上述反應(yīng)流通道及將吸熱產(chǎn)品氣從該反應(yīng)流通道取出的第一供給設(shè)備；d)分別將空氣的燃料送入燃燒區(qū)的第二供給設(shè)備，上述燃燒區(qū)位于容器內(nèi)，因而空氣和可燃燒料在達(dá)到燃燒區(qū)之前可被加熱到高于它們的自動點(diǎn)火溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該裝置包括一些反應(yīng)管，每根反應(yīng)管都有與之關(guān)聯(lián)的燃燒區(qū)，上述第二供給設(shè)備分開將空氣和燃料氣送入上述每一燃燒區(qū)中。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中上述第二供給設(shè)備限定出用于每一根管的燃料供給通道和空氣供給通道，每根管的相關(guān)聯(lián)的空氣供給通道與燃料供給通道是同軸的。
4.如權(quán)利要求2所述的位置，其中反應(yīng)管的長度與內(nèi)徑之比足以使可燃燃料和空氣在燃燒區(qū)混合之前被加熱到的溫度比反應(yīng)流通道中最高溫度低200℃以下。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中上述裝置包括一些金屬反應(yīng)管，每根反應(yīng)管的一端與容納反應(yīng)劑氣體的入口總管相連;另一端與容納吸熱產(chǎn)品氣的出口集氣管相連，上述進(jìn)口總管和出口集氣管彼此可以相對移動，致使當(dāng)在反應(yīng)管內(nèi)壓力高于大氣壓的條件下進(jìn)行吸熱反應(yīng)時，出口總管和出口集氣管受力而彼此遠(yuǎn)離，因而反應(yīng)管處于拉伸狀態(tài)，上述由金屬制成的反應(yīng)管的厚度應(yīng)在吸熱反應(yīng)所出現(xiàn)的溫度下，使反應(yīng)管的金屬發(fā)生蠕變，因而將管上的軸向負(fù)荷自動地分配給各管。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中該裝置呈具有固定式管極設(shè)計的殼管式熱交換器的形式。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中上述各反應(yīng)管兩端的中間部位是非支撐的。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中上述反應(yīng)管大體為直的且大體平行安裝。
9.在吸熱反應(yīng)爐中進(jìn)行吸熱反應(yīng)的工藝，該吸熱反應(yīng)中吸熱反應(yīng)劑通過空氣和可燃燒料氣燃燒被加熱致使反應(yīng)劑轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼰岙a(chǎn)品，上述反應(yīng)爐包括1)一個容器，以及2)至少一根位于容器中的金屬反應(yīng)管，上述容器內(nèi)部分為位于反應(yīng)管內(nèi)用于進(jìn)行吸熱反應(yīng)的反應(yīng)流通道，和位于反應(yīng)管外側(cè)用于使空氣和氣態(tài)燃料燃燒的燃燒流通道，該工藝包括a)使上述混合物反應(yīng)流通流動;以及b)分開沿燃燒流通道送入空氣、氣態(tài)燃料及由此而產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)品，限定了燃燒區(qū)的燃燒流通道和反應(yīng)流通可進(jìn)行熱傳遞，因此，燃燒區(qū)中產(chǎn)生的熱量傳到反應(yīng)流通道，從而導(dǎo)致吸熱反應(yīng)發(fā)生，將上述燃燒流通道和反應(yīng)流通道安排成使得空氣和可燃燒料在達(dá)到燃燒區(qū)之前可加熱到高于它們的自動點(diǎn)火溫度，因而當(dāng)空氣和燃料達(dá)到燃燒區(qū)時就能混合、自動點(diǎn)火并燃燒。
10.如權(quán)利要求9所述的工藝，其中上述反應(yīng)爐包括一些金屬反應(yīng)管，每根反應(yīng)管的一端與容納上述混合物的入口總管相連，另一端與容納合成氣的出口集氣管相連，上述進(jìn)口總管和出口集氣管彼此可以相對移動，進(jìn)行吸熱反應(yīng)的同時使反應(yīng)管中的壓力高到足以使入口總管和出口集氣管因受力而彼此遠(yuǎn)離而使每板反應(yīng)管都處于拉伸狀態(tài)，使反應(yīng)爐溫度高到足以使制成反應(yīng)管的金屬發(fā)生蠕變，因而將管上的軸向負(fù)荷自動地分配給各管。
11.如權(quán)利要求10所述的工藝，其中所述的反應(yīng)爐呈具有固定或管板設(shè)計的殼管式熱交換器的形式。
12.如權(quán)利要求11所述的工藝，其中上述各反應(yīng)管兩端的中間部位是非支撐的。
13.如權(quán)利要求12所述的工藝，其中上述反應(yīng)管大體是直的且大體平行安裝。
14.如權(quán)利要求13所述的工藝，其中上述反應(yīng)流通道中的壓力至少為10atm，而且反應(yīng)流通道中的溫度至少為800℃。
15.如權(quán)利要求13所述的工藝，其中所述的碳?xì)浠衔锸羌淄椤?br> 16.如權(quán)利要求9所述的工藝，其中所述的吸熱反應(yīng)劑是一種氣態(tài)碳?xì)浠蠐Q和水蒸汽的混合物，因而上述吸熱產(chǎn)品是合成氣。
17.如權(quán)利要求16所述的工藝，其中金屬反應(yīng)管中充填有一種吸熱反應(yīng)催化劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種吸熱反應(yīng)爐，它包括一根或若干根限定出吸熱反應(yīng)流通道的細(xì)長管以及一條為進(jìn)行吸熱反應(yīng)而提供熱量的燃燒流通道，將燃燒流通道安排成使得燃料和燃燒空氣在進(jìn)入使它們混合自動點(diǎn)火并燃燒的燃燒區(qū)混合之前分開由爐內(nèi)的熱量加熱到大大高于它們的自動點(diǎn)火溫度。
文檔編號B01J8/04GK1075790SQ92115348
公開日1993年9月1日 申請日期1992年12月17日 優(yōu)先權(quán)日1991年12月19日
發(fā)明者R·C·盧爾, S·哈德曼, M·R·凱尼恩, R·A·麥發(fā)蘭 申請人:標(biāo)準(zhǔn)石油公司