[其他]用于烃类一次及二次催化水蒸汽转化的联合方法及设备

说明书

本发明涉及流体烃类的水蒸汽转化。特别是涉及一个改进方法及设备，以减少这类水蒸汽转化操作的燃料消耗。

在流体烃类诸如天然气的一次水蒸汽转化过程中，进料和水蒸汽通过装有催化剂的垂直悬挂的转化装置的管束，在管式反应器的炉子部分靠辐射热传递，和（或）与燃烧气接触传热以维持高温。转化装置管束的热流出气，可以通过一个废热回收区以发生水蒸汽，而水蒸汽又可用于蒸汽转化操作。常规的一次水蒸汽转化操作，通常约在750℃到850℃或更高的温度下进行，水蒸汽与烃类进料的摩尔比约为2/1到4/1。

一次水蒸汽转化反应是一个高度吸热的反应，所需要的大量的热通常是由外部燃料在转化炉中接近常压下进行燃烧所供给的。转化装置管束的管壁一定要能经受住严苛的操作条件，诸如表皮温度约为750-880℃，而且压差约为15-40巴。因而，转化装置的管束通常用高级合金制造，在如此严苛的条件下，昂贵的材料只有有限的操作寿命。转化装置管束内部的反应温度一般约低于850℃，故从一次转化装置得到的流出气，通常含有2-6%的甲烷。

此外，根据常规的做法，一次转化的流出物有时通入二次转化区，转化气体混合物中未转化的甲烷与空气、氧气或其它合适的含氧气体在此进行催化反应。甲烷与氧的二次转化反应是一个放热燃烧反应，反应中温度一般约升到950℃以上，而且不用像一次转化时的那样外部供热。二次转化反应器的器壁可以用耐火材料保护，而且，比起一次转化装置管束的情况，可保持在低得多的温度，例如300℃。单个大直径的二次转化反应器可用来代替反应管束，可采用价值较低的材料，而一次转化装置必须应用昂贵的材料。由于采用了很高的反应温度，从二次转化装置反应器排出的流出物气体中只剩下很少量的未转化的甲烷。

不论用这种水蒸汽转化操作方法，还是通过部分氧化反应，都生成大量氢气或含氢气和氮气的氨合成气混合物。部分氧化像二次转化一样，是一个放热、自供热和内部燃烧的过程。二次转化也是一个催化过程，然而，各种已知的部分氧化过程都采用非催化反应，因而操作在较高的反应温度约在1300℃左右。应用二次转化或应用部分氧化过程所得到的重大利益，在某种程度上由于需要将含氧气体压缩到要求的反应压力或者还高的压力而被抵销了。二次转化和部分氧化过程的另外一个缺点，是部分进料气体燃烧生成了二氧化碳和水而不是要求的产品。因此，虽然自供热过程不需要任何燃料，但仍要求较多的天然气或其它进料气体，以生成一定量的氢气或者合成气。相反，典型的一次转化的燃料消耗速率介于进料速率的30%和50%之间。

熟悉此工艺的人员知道，不把进料气体进行初始的一次转化，而单独应用二次转化过程是不实际的。所以，在实际工业操作中，生产纯氢气产品的最常用的过程，是单独的一次转化或者用氧气的部分氧化。另一方面，当要求生产含有氢气和氮气的氨合成气体混合物时，最常用的是紧接着一次转化进行二次转化的组合，二次转化中使用空气而不用氧气。这种一次及二次转化的组合是部分自供热的，其二次转化装置不需要外部燃料，不过其缺点是要求应用比较大的一次转化装置，而且热效率较低。此技术的这种缺点已被认识，并已努力回收热量以减小外部烧燃料的一次转化装置炉子的尺寸，以改进整个方法。在夸特利等的美国专利3，264，066中，讲到了为生产氨合成气体的一次及二次转化操作特有的问题，包括需要大尺寸的设备，和在理想的操作条件下要用大量的水蒸汽和燃料。夸特利等公开了在一次及二次转化装置之间应用一个热交换器，用以使一次及二次转化装置的流出物进行间接的热交换。作为二次转化装置进料的一次转化装置流出物的温度由此提高了，同时，二次转化装置流出物的温度降低了。在克罗福特等的美国专利4，079，017中的另一个方法，是建议将同样的两个水蒸汽转化装置用于烃类进料的一次转化。一部分进料用辐射热的方法加热，即采用水蒸汽转化炉，同时另一部分进料在一个热交换器-反应器单元中，与二次转化操作出来的流出物进行间接热交换来加热。上述两个专利的方法是回收热量以用于转化反应，这样缩小了外部烧燃料的一次转化装置，或者如同美国专利3，264，066中的全部进料，或者如同美国专利4，079，017中至少进料的主要部分，通过这种一次转化装置。常规型热交换器在转化所要求的相对的高温下操作，会引起困难的机械设计问题，因而两个专利也都有通常遇到的典型的设备问题的不利方面。