[发明专利]用于小于10Nm3/h的氢气生产的毫米级交换器‑反应器

说明书

本发明涉及毫米级反应器-交换器、它们的制造方法以及它们的用途。

毫米级反应器-交换器是其中材料和热量的交换通过通道的几何结构而被加强的化学反应器，这些通道的特征尺寸如水力直径是毫米的量级。这些毫米级交换器-反应器还使得可能以减小的体积开发显著的交换表面，这使得它们紧凑。构成毫米级交换器-反应器的几何结构的通道是圆柱形形式，这种形式是通过在粉末床下通过增材制造或通过粉末喷雾生产这个压力容器而获得的。术语：(i)“级(stage)”应理解为定位在同一水平上并且其中发生化学反应和/或热交换的一组通道，(ii)“壁”应理解为在安排在同一水平上的两个连续通道之间的分隔分区，(iii)“分配器”或“分配区域”应理解为是指与一组通道连接并且安排在同一级或一组通道上的体积，其目的是将来自歧管并进入交换器-反应器的气体引导到这些通道中或者将离开交换器-反应器的气体引导到歧管中，(iv)“歧管”应理解为与一组通道连接并且安排在同一级上的体积，并且在其中使从交换器-反应器外部引导的反应物循环到一组通道，或使从该组通道引导的反应产物循环到交换器-反应器外部(图1)。

交换器-反应器的操作在图1中被限定，歧管供应并且排出气体；在输入处，烃进料-蒸汽混合物并且在输出处，所产生的合成气体。在750℃与950℃之间下的热传递流体将热量加入该系统中以产生烃进料的蒸汽重整。可以根据在这个级的通道中循环的流体来区分三种类型的级：

-包括所谓的“反应物”通道的级，其中总体上在蒸汽重整的情况下使烃进料和蒸汽混合物循环，

-包括所谓的“返回”通道的级，其中使蒸汽重整反应的产物循环。蒸汽重整反应的产物将蒸汽重整反应必需的一部分热量给予烃进料-蒸汽混合物，

-包括所谓的“热量补充”通道的级，其中使热传递流体循环，使得可能加入蒸汽重整反应必需的热量。

交换器-反应器由这三种类型级的堆叠组成。

这些装置的热整合可以是深入优化的主题，使得可能凭借在数个级上的流体的空间分布并且使用数个分配器和歧管来优化在不同温度下在该装置中循环的流体之间的热交换。为了在目标的工业方法中充分利用使用毫米级交换器-反应器或毫米级交换器的益处，此种设备必须具有以下特性：

-能够在高的压力×温度乘积下工作的可能性，该乘积的最小值一般是12000巴.℃的量级(对应于600℃的最低温度和1巴直到超过20巴的最小压力)。

-极高值的表面/体积比，其典型值位于40000m²/m³与700m²/m³之间并且其允许强化在壁处的现象以及特别地在交换器-反应器的情况下用于热交换的热传递和用于反应的材料传递。此外，与竞争技术(壳管式等)相比，这些非常高值的表面与体积比使得可能在减小的设备容积的情况下开发相当大的交换表面。

若干设备制造商提供了毫米级交换器-反应器，这些装置中的大多数由板组成，这些板由通过喷雾或浸没通过化学加工获得的通道组成。这种制造方法导致获得通道，这些通道的截面具有近似于半圆形的形式并且由于加工方法本身，其尺寸从一个制造批次到另一个制造批次是近似的并且难以再现。实际上，在化学加工操作中，使用的浴被从板上撕裂的金属颗粒污染，并且尽管该浴被再生，但是由于操作成本的原因，当制造大系列的板时难以维持相同的效率。在下文中，“半圆形截面”将理解为是指通道的截面，该通道的特性遭受先前描述的并由制造方法如化学蚀刻和冲压引起的尺寸限制。

即使这种通道制造方法从经济的观点来看是不吸引人的，但是有可能想像通过传统加工制造构成板的通道。在这种情况下，通道的截面将不是半圆形类型，而是矩形的，然后被描述为“矩形截面”。

由如此获得的半圆形或直角截面的通道组成的板总体上通过扩散焊接或扩散钎焊组装在一起。

这些半圆形或矩形截面装置的尺寸标注是基于应用ASME(美国机械工程师学会)第VIII部分第1分册附录13.9，其结合了由蚀刻板组成的毫米级交换器和/或交换器-反应器的机械设计。为了获得所希望的机械强度而有待限定的值在图2中指出。因为ASME规范不提供这些区域的分析尺寸标注，所以具有可变几何结构(壁和通道宽度)的分配区域和歧管的尺寸标注由有限元计算完成。