[发明专利]将催化剂致密装填到蒸汽重整反应器‑交换器的嵌套管中的系统

说明书

发明领域

本发明涉及装填使用高度吸热或高度放热反应的管式反应器中所用的催化管的领域。因此，本发明特别适用于天然气或各种烃馏分的蒸汽重整反应器以生产被称作合成气的CO+H₂混合物。

可以区分两大类蒸汽重整反应器：

由位于反应器内的一系列燃烧器供热的反应器，和通过传热流体，通常燃烧烟气供热的那些，所述燃烧在蒸汽重整反应器本身外进行。

这种后一类型的某些反应器（下文中称作交换器-反应器）使用简单管。另一些使用双壁同心管，其也被称作嵌套管（bayonet tubes）。嵌套管可以被定义为内管被与该内管同轴的外管包围，内管和外管之间的环形空间通常被催化剂填充。在下文中，术语“环形空间”或“催化区”用于指示由嵌套管划定的所述环形空间。

在本发明的上下文中，经由该环形区以自顶向下的流向引入天然气或更通常烃进料，并以自底向上的流向将反应流出物收集在内管的中心部分中。

用于制氢的天然气的蒸汽重整反应是高度吸热的并因此通常在炉中或在如上定义的交换器-反应器中进行。

该反应在通常900℃的极高温度下和在通常20至30巴的压力下进行。在这些条件下，由于材料的机械性能，该反应如果在管内时则仅能在可行的经济条件下进行。

催化交换器-反应器因此由许多管构成，在每小时生产100000 Nm³氢气的装置中通常为大约200至350个管，这一系列的管封装在接收热流体的壳体中，这意味着可以供应蒸汽重整反应所需的热。

这种热流体或传热流体通常由来自在交换器-反应器外进行的燃烧的烟气构成。

因此，催化剂必须以从一个管到另一个管规则的方式安装在所有蒸汽重整管中，以在管之间具有相同的压降。

这一条件对确保试剂在这一系列催化管中的良好分布和防止某一个管供给不足（例如这会造成构成该管的材料的严重过热，这种过热显著降低该管的使用寿命）是非常重要的。

类似地，重要的是在管内不存在空隙，即无催化剂或催化剂不足的区域，因为该管在其内不存在催化反应的情况下会局部过热。此外，催化剂在反应区中的分布的任何不均匀都可能造成反应流体的流动失衡。

因此，本发明的装置的目标是在构成交换器-反应器的一部分的各嵌套管中实现致密和均匀的装填。

现有技术调查

在传统重整炉中，传统上使用装有催化剂的袋子（其在床表面上方打开）装填通常具有10厘米内径的管。这一装填模式被技术人员称作“套袜装填(sock loading)”并已知不会带来高装填密度。

然后通过用锤子或机械振动系统敲打而手动振动该管，以促使催化剂颗粒适当就位并使空隙最小化和因此提高装填密度。但是，过度振动可能造成催化剂颗粒破裂和压降的显著提高。

但是，借助这种方法难以产生优质装填并且通常必须重复振动操作数次才能获得在管之间类似的压降。

已经以技术术语Unidense^TM（最先由Norsk Hydro开发）或以技术术语Spiraload^TM（由Haldor Topsøe开发）提出其它改进的程序和设备。这些技术适用于单管，但不适用于嵌套管。

申请人的专利FR 2 950 822描述了用3个装填管装填嵌套管的解决方案，存在机械制动或气动制动。这种装填方法可用于实现嵌套管的致密均匀装填。其是“逐粒”法并经证实太慢且不适用于包含几百个管的工业反应器规模。

一般而言，可以说在蒸汽重整管的催化剂装填领域中有许多文献。其中大多使用减速工具（slowing means）或带有斜面形式的或多或少刚性的障碍物的工具。

但是，这些文献无一适用于嵌套管——装填环形区，避开中心管。

本发明的装置因此可以被定义为用于将催化剂致密装填到蒸汽重整交换器-反应器中所带的嵌套管的环形区中的装置，该装置用于在与工业规模启动的要求相容的时期内实现交换器-反应器的各管中的均匀装填密度。

此外，在某些情况下，本发明的装置必须能够适应由沿管变化的机械和热应力造成的外管的内径变化并因此适应环形区的尺寸变化。现有技术的装置无一考虑这种补充的限制。

附图简述

图1a代表在环形区4具有与外管6的直径变化相关的尺寸变化的情况中的本发明的装置。

图1b代表在透视图中的本发明的减速元件。

图1c代表从上往下看的本发明的装置和定心件12。

图2a代表在环形区4具有尺寸变化且内管5穿过其上部的情况中的本发明的装置。