[发明专利]低压差蒸汽重整交换器

说明书

技术领域

本发明涉及生产合成气的蒸汽重整交换器，特别是催化剂管内径与催化剂颗粒尺寸之比值较小的蒸汽重整交换器。

背景技术

以蒸汽重整烃来制造合成气是众所周知的方法。通行的一种技术是用自热式蒸汽重整炉结合一台重整变换器，如Le Blance于美国专利5,011,625中所述。该专利的整体内容已综合在一起作为参考。简单地说，是把烃与氧源供给此自热式蒸汽重整炉中，以燃烧反应是放热反应，并为此自热式重整炉内发生的催化重整反应提供所需的热，该催化重整反应是吸热反应，产生出相对热的重整气体。来自此自热式蒸汽重整炉的热气体然后便用作该蒸汽重整交换器的热源，而此蒸汽重整交换器则起到吸热催化蒸汽重整区的作用。在蒸汽重整交换器内供给包括蒸汽和烃的混合物，使其通过装有催化剂的那些管子。这些管的出口端排出吸热反应重整气体，在壳程入口附近与来自自热式蒸汽重整炉的热气体混合。此热气体混合物然后逆向横穿这些管，间接进行热交换以供给发生吸热重整反应所需的热。

蒸汽重整交换器在市场上能买到，例如，产自Kellogg Brown &Root，lnc.公司的贸易品牌KRES就是。对上述蒸汽重整交换器的各种改进设计已经出现，例如Cizmar et al.于美国专利5,362,454中所述。该专利的整体内容已综合在此以作参考。

本发明改进之处是蒸汽重整交换器的基础设计。最初设计所考虑的是使设备的投资费用最小，这是个复杂的难题，因为昂贵的合金必须用于该管束和管板结构，以适应运行时较高的温度和压力。另一个设计所考虑的是在实际制造能力的范围内使该蒸汽重整交换器的容积最大，而且希望该蒸汽重整交换器的尺寸和重量最小，易于维护工作，这种维护工作需要移动管束。

我们在减少投资和增大上述该蒸汽重整交换器容量的方法是增大可用于热转换的表面积以增加热的转换率。然而，在现有重整交换器中，增加常规的装有催化剂的管子的长度不实际；因为管程压差(ΔP)会增加，超出容许不用过度复杂的管板和管板支架设计，以及要增加上升蒸汽流运行压力和加压费用。此外，长管将使维护工作变得复杂，包括移动管束。

其他增大热转换面积的方法是减小装有催化剂管的直径。然而，重整反应器一般的设计者认为，热转换管的最小内径必须是催化剂颗粒直径或其他边缘尺寸的5倍。按此准则，因为有装填、挂料、气流通路以及其他潜在的问题。例如，James T.Richardson所著“催化剂研制原理(Principles of Catalyst Development)”(Plenum出版社，纽约，P.8(1986)(引用E.G.Christoffel)，“实验室反应器与非均质催化剂的处理”Catal.Rev.-Sci.Eng.Vol24，P.159(1982))的报告指出，反应器对颗粒直径之比值应该为5-10，反应器的长度至少50-100倍于颗粒直径，以保证流体为湍流，均匀的，以及近似于柱塞流。

观察这些设计规范，意味着减小管径与增加管数作为一种增加表面积的方法，需要用较小结构的催化剂。例如，管的内径(ID)为2英寸时，所用的催化剂的形状在重整交换器中普遍使用，为轴向有孔的圆柱形，典型的尺寸为外径(OD)0.315英寸，内径0.125英寸，长0.31英寸，像周知的拉希格圈。当规定用小内径的管，考虑催化剂的颗粒必须相应地减小，遵守惯用的方程D_t/D_p＞5。这里D_t为蒸汽重整交换器内管的内径，D_p为催化剂结构最大的边缘尺寸。遗憾地是因为用较小的催化剂颗粒于较小的管内，观察通常的设计规范，管程压差增大的结果不能接受。相反，因为现有蒸汽重整交换器设计，催化剂颗粒的尺寸对管的内径之比值已经是或是接近最大值，则在现行的管子设计催化剂颗粒的尺寸增加，以作为一种装置来降低管的单位长度的压差以便采用长管是不可能的，显然设计的蒸汽重整交换器已经达到最大容量的限制，再增大热交换似无实用的办法。

发明内容