[发明专利]具有代表性流动催化剂的反应器填料

说明书

本发明涉及装填有催化剂体系的反应器管，所述催化剂体系用于有意地将工艺气体流朝向热管段和远离冷段偏置，以便降低周向管温度变化。

技术领域

本发明涉及装填有催化剂体系的反应器管，所述催化剂体系用于有意地将工艺气体流朝向高于平均入射热通量的管壁侧偏置，本文称为“高通量侧”，并且远离低于平均入射热通量的管壁侧，本文称为“低通量侧”，并且如下文进一步定义，以便降低周向管温度变化。

背景技术

蒸汽甲烷重整工艺广泛用于工业中以制备氢气和/或一氧化碳。通常，在蒸汽重整工艺中，将含烃的进料(诸如天然气)、蒸汽和任选的再循环流(诸如二氧化碳)进料到催化剂填充的管中，在催化剂填充的管中它们经历一系列净吸热反应。催化剂填充的管位于蒸汽甲烷重整器的辐射区段中。由于重整反应是吸热的，因此通过燃烧器向蒸汽甲烷重整器的该辐射区段中喷火来向管提供热量以支持反应。用于燃烧器的燃料来自来源诸如来自变压吸附(PSA)单元的吹扫气体以及一些组成天然气。在催化剂装填的管内部发生以下反应：

C_nH_m+nH₂O＝(n+0.5m)H₂+nCO

CO+H₂O＝CO₂+H₂

将来自重整器的粗合成气体产物(即，合成气)(其主要含有氢气、一氧化碳、二氧化碳和水)在下游单元操作中进一步加工。蒸汽甲烷重整器操作的示例公开于Drnevich等人(美国专利号7,037,485)中，并且全文以引用方式并入本文。

蒸汽重整器的常规操作限制了加热炉的焙烧，以使重整器管壁的温度保持在或低于给定工艺应力、蠕变至破裂管寿命目标(通常100,000小时)和安全界限的最大允许工作温度(MAWT)。例如，蒸汽甲烷重整器加热炉中的HP模管可具有针对100,000小时蠕变至破裂目标寿命的1800℉的设计温度和1750℉的MAWT，从而提供50℉的安全界限。蒸汽重整器的最佳焙烧在最大化热传递和最大化管寿命之间达到平衡。这种最佳操作点发生在理想化方案中，此时整个管表面以MAWT操作，使得用于热传递的驱动力较大，并且整个管在达到和超过设计蠕变至破裂管寿命目标后立即失效。

实际上，管壁温度在重整器内不是均匀的，而是主要根据局部辐射环境以及内部管热传递系数、工艺气体温度和组成、催化剂活性和管导热率而变化。

在重整器中，催化剂管上的入射热通量因管-管屏蔽、壁屏蔽或其他辐射效应而周向变化，从而引起周向管壁温度梯度。周向管壁温度梯度导致用于热传递的非最佳管表面利用率和减少的管寿命。局部辐射环境主要取决于加热炉的几何形状以及相对热表面和冷表面之间的相应取向。在圆柱形或“罐”重整器中，其中管围绕加热炉的圆周布置，其中燃烧器位于中心空间中，火焰侧管表面可经历显著更高的辐射通量并且比管的面向耐火壁的侧面显著更热。相似地，在其中管被布置成排并且燃烧器在管排的任一侧上焙烧的箱重整器中，管的火焰侧接收比面向耐火壁或另一管的管侧显著更多的辐射通量。通常，管表面的火焰侧比接收较少入射辐射通量的管侧更热。该温度变化在本领域中被称为“屏蔽”或“遮蔽”效应。局部的辐射环境也因加热炉内的高度而有所不同。例如，由于在加热炉入口处存在峰值火焰温度，向下焙烧的加热炉的顶部50％中的周向变化可比底部强。这些周向管温度变化导致其中管的一些区域以较少的热驱动力操作以进行热传递的状况。重整器作为一个整体被最热的管壁温度(高达MAWT)所瓶颈，这只能在管的一小部分上观察到。