專利名稱：熱交換工藝和反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱交換工藝和反應(yīng)器，用于使反應(yīng)流與傳熱介質(zhì)進(jìn)行間接熱交換的轉(zhuǎn)化。特別是，本發(fā)明涉及熱交換反應(yīng)器，其在反應(yīng)器的雙層傳熱管的壁上具有改進(jìn)的傳熱。
背景技術(shù)：
雙層管類型的熱交換反應(yīng)器在化學(xué)領(lǐng)域中是眾所周知的。它們特別適用于需要間接熱交換以便為特定反應(yīng)提供熱量或從中排出熱量的場合。
最簡單形式的雙層管裝置包括設(shè)在外管中的內(nèi)管，從而在管之間的空間內(nèi)形成了環(huán)形體積。內(nèi)管在外管中的位置對于雙層管的功能而言是非常重要的。在許多情況下，可通過將內(nèi)管居中設(shè)于外管中來實現(xiàn)最佳的功能，但在其它一些情況下，內(nèi)管的不對稱放置更加有效。在所有情況下，采用間隔件來實現(xiàn)兩個管相互之間的正確放置。間隔件的功能是在橫截面上將內(nèi)管相對于外管固定住，同時允許在管之間存在縱向上的自由運(yùn)動。
雙層管裝置在化學(xué)反應(yīng)器中具有若干用途。這樣的一種用途是用于雙層管反應(yīng)器，其中傳熱流體在雙層傳熱管的環(huán)形體積中輸送，傳熱流體用于為發(fā)生于外管之外和/或內(nèi)管之內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)提供熱量或者從中得到熱量。往來于在環(huán)形體積中輸送的傳熱流體的熱傳輸條件沿著外傳熱管或者特定情況下為內(nèi)傳熱管的周長通常不是均勻的。在本領(lǐng)域中已知有多種旨在改進(jìn)傳熱流體的傳熱的傳熱裝置。
雙層管反應(yīng)器具有一個或多個雙層傳熱管。通常在內(nèi)管中設(shè)有催化劑。然而，雙層管反應(yīng)器也可用于其中雙層傳熱管設(shè)在催化床內(nèi)的構(gòu)造中。在內(nèi)管內(nèi)可設(shè)有流體、催化劑，或者是空的。內(nèi)管也可由棒來取代。因此，該構(gòu)造中的各雙層管被催化劑粒子所包圍，這些催化劑粒子可催化放熱或吸熱反應(yīng)。
在其中于雙層傳熱管之外的催化床中發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)的情況下，所產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致了外傳熱管的外部加熱。
所產(chǎn)生的熱量至環(huán)形體積內(nèi)的傳熱流體的傳遞有時會帶來問題，這是因為外傳熱管的不均勻加熱導(dǎo)致在外管周長的周圍只有一些部分受到外部加熱。在環(huán)形體積中流動的傳熱流體具有直的流型，外傳熱管的不均勻加熱導(dǎo)致在一些部分中傳熱流體的較高溫度。
在其中于雙層傳熱管之外發(fā)生吸熱化學(xué)反應(yīng)的情況下，啟動反應(yīng)發(fā)生所需的熱量由環(huán)形體積中的熱的傳熱流體來提供。當(dāng)一個雙層傳熱管與其它雙層傳熱管一起使用時，在距最近的熱的雙層管較短的區(qū)域中會出現(xiàn)較高的溫度。在雙層傳熱管之間存在較大距離的情況下會出現(xiàn)較低的溫度。這種不均勻的氣體溫度分布導(dǎo)致了對催化劑粒子的不均勻加熱，這對發(fā)生在反應(yīng)器中的化學(xué)反應(yīng)具有不合要求的影響。在環(huán)形體積中流動的傳熱流體具有直的流型時，催化床中的這種不均勻溫度分布還導(dǎo)致了傳熱流體的不均勻溫度分布。
本發(fā)明的一個目的是利用具有螺旋流動路徑的傳熱介質(zhì)來提供熱交換工藝，用于與流體或固體介質(zhì)之間進(jìn)行間接傳熱。
本發(fā)明的另一目的是提供用于上述工藝中的雙層管類型的熱交換反應(yīng)器，其采用了傳熱介質(zhì)來與圍繞著管的流體或固體介質(zhì)之間進(jìn)行間接傳熱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括雙層管類型的熱交換反應(yīng)器，其具有位于雙層傳熱管的環(huán)形體積中的間隔件。間隔件形成為使流動的傳熱介質(zhì)在流過環(huán)形體積時圍繞雙層管的軸線旋轉(zhuǎn)。所得流型為螺線或螺旋的形式，這與沒有旋轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)雙層管反應(yīng)器相比、即與環(huán)形體積中的傳熱介質(zhì)的直線流動相比具有若干優(yōu)點(diǎn)。
因此，本發(fā)明提供了一種用于執(zhí)行熱交換反應(yīng)的工藝，包括將反應(yīng)物流引入到熱交換反應(yīng)器中的設(shè)于至少一個雙層壁式傳熱管之外的催化材料床中，使反應(yīng)物流與催化材料接觸，并與位于該至少一個雙層壁式傳熱管的環(huán)形體積中的傳熱介質(zhì)進(jìn)行間接熱交換，所述環(huán)形體積包括一個或多個間隔件，其在所述至少一個雙層壁式傳熱管的內(nèi)傳熱管的周圍形成了傳熱介質(zhì)的螺旋流動路徑。
本發(fā)明還提供了一種可用于上述熱交換工藝中的熱交換反應(yīng)器，其包括設(shè)在催化材料床中的至少一個雙層壁式傳熱管，所述至少一個雙層壁式傳熱管包括設(shè)在外傳熱管內(nèi)的內(nèi)傳熱管，從而形成了用于使傳熱介質(zhì)在外傳熱管的內(nèi)表面與內(nèi)傳熱管的外表面之間流動的環(huán)形體積，該環(huán)形體積包括沿著所述雙層傳熱管的長度布置的一個或多個間隔件，所述間隔件接觸或幾乎接觸到內(nèi)、外傳熱管這兩者，間隔件在內(nèi)傳熱管的周圍形成了傳熱介質(zhì)的螺旋流動路徑。
當(dāng)沿著外管的周長存在著往來于在雙層傳熱管的環(huán)形體積中傳輸?shù)膫鳠峤橘|(zhì)中的不均勻傳熱條件時，使流型旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致流體的任何部分沿著周長經(jīng)歷不同的條件，從而降低或消除在雙層管長度上的任意位置處的圍繞著周長的流體溫度差。


圖1是顯示了設(shè)在催化材料中的四個雙層傳熱管的示意圖。
圖2和2a是顯示了安裝在內(nèi)管的外表面上的間隔件的示意圖。
圖3是顯示了安裝在外管的內(nèi)表面上的間隔件的示意圖。
圖4是顯示了通過壓力保持在環(huán)形體積的壁之間的間隔件的示意圖。
圖5和5a是顯示了集成于內(nèi)管中的間隔件的示意圖。
圖6和6a是顯示了集成于外管中的間隔件的示意圖。
圖7是顯示了間隔件相對于管軸線的旋轉(zhuǎn)的圖。
圖8顯示了集成有間隔件的無褶皺內(nèi)管的平面圖。
圖9顯示了圖8所示的剖面a-a。
圖10顯示了帶有間隔件的無褶皺式內(nèi)傳熱管的平面圖，其中間隔件沿著內(nèi)管長度是連續(xù)的，并且圍繞著雙層管進(jìn)行了三圈完整的旋轉(zhuǎn)。
具體實施例方式
當(dāng)在至少一個雙層傳熱管的環(huán)形體積內(nèi)的傳熱介質(zhì)與外部的催化材料床之間進(jìn)行間接傳熱時，本發(fā)明的工藝和反應(yīng)器是適用的。當(dāng)在反應(yīng)器中設(shè)有若干雙層傳熱管時，本發(fā)明的反應(yīng)器特別有利，并顯示出改進(jìn)的傳熱。
如果需要的話，可在內(nèi)管中設(shè)置額外的催化材料。
為了說明與帶有位于催化床內(nèi)的雙層傳熱管的傳統(tǒng)反應(yīng)器中的傳熱相關(guān)的問題，參考圖1。
圖1是顯示了設(shè)在用于催化吸熱化學(xué)反應(yīng)的催化材料中的四個雙層傳熱管的示意圖。因此，傳熱介質(zhì)、通常為熱氣體為發(fā)生在催化床中的雙層傳熱管之外的反應(yīng)提供了熱量。箭頭1和2表示了在不同位置處從雙層傳熱管的環(huán)形體積中的傳熱介質(zhì)至管之外的催化材料的熱傳輸方向。通過傳熱介質(zhì)經(jīng)雙層傳熱管的環(huán)形體積的傳統(tǒng)非循環(huán)式直線流，就可以在其中設(shè)置了更大量催化材料的方向上穿過外管壁而傳輸更多的熱量。
較高熱傳輸?shù)姆较蛴杉^1表示。因此，這會導(dǎo)致在這些位置處的環(huán)形體積中的傳熱介質(zhì)出現(xiàn)較低的溫度，而在距鄰近的雙層傳熱管為較短距離的附近處傳熱介質(zhì)的溫度將比較高，如箭頭2所示，其表示較低熱傳輸?shù)姆较颉?br> 在處于需要較多熱傳輸?shù)姆轿幌铝鬟^環(huán)形體積時，傳熱介質(zhì)的增大的溫度下降將反過來降低這些方位下的熱傳輸。其結(jié)果是，在給定橫截面處圍繞著周邊的傳熱介質(zhì)流的不均勻溫度分布加劇，以及在雙層傳熱管之外存在不均勻的催化劑溫度分布，即在管相互接近處出現(xiàn)較高的催化劑溫度，而在距最近管為較遠(yuǎn)距離的位置處出現(xiàn)較低的催化劑溫度。
對于放熱化學(xué)反應(yīng)而言，圖1所示的熱傳輸箭頭1和2指向與吸熱反應(yīng)中的相反的方向。在這種情況下，傳熱介質(zhì)在方向1上出現(xiàn)較高溫度，在方向2上出現(xiàn)較低溫度。
在這兩種類型的反應(yīng)中，不均勻的溫度分布是不合要求的，這是因為這會引發(fā)較低效率的傳熱和催化劑利用，導(dǎo)致需要構(gòu)建具有較大傳熱面和更多催化劑的更長的反應(yīng)器。
本發(fā)明解決了與雙層傳熱管的環(huán)形體積中的傳熱介質(zhì)的直線流有關(guān)的問題。為了避免較大反應(yīng)器的額外成本，在環(huán)形體積中引入了間隔件，間隔件的存在使傳熱介質(zhì)的流動在環(huán)形體積中旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致傳熱介質(zhì)在其整個體積中經(jīng)歷類似的條件，這是因為傳熱介質(zhì)流過了其中交錯地產(chǎn)生較低和較高熱傳輸?shù)膮^(qū)域。所導(dǎo)致的在反應(yīng)器中給定橫截面處的提高的溫度均勻性減小了反應(yīng)器的必需尺寸，并且還降低了與不同熱膨脹有關(guān)的機(jī)械應(yīng)力和/或彈性或塑性變形。
在本發(fā)明的熱交換反應(yīng)器中，不同的流體或固體介質(zhì)可占據(jù)外管之外的體積。如果需要的話，形成于內(nèi)管的內(nèi)表面之內(nèi)的通道也可包含流體或固體介質(zhì)，例如催化材料。作為備選，它可包括實心管或者空心管。固體和流體介質(zhì)可具有不同的成分、溫度、壓力和流速。另外，不同的體積可被部分地填充有催化劑，并且可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。分隔介質(zhì)的管壁允許在一種介質(zhì)與另一種介質(zhì)之間發(fā)生傳熱。
環(huán)形體積包含傳熱流體。然而，倘若不會與傳熱介質(zhì)的螺旋流發(fā)生干擾的話，則可以額外地提供一些催化材料。催化材料例如可采取催化硬件(catalysed hardware)或者催化劑粒子的形式。
雙層傳熱管包括設(shè)在外管中的內(nèi)管，從而在這些管之間的空間內(nèi)形成了環(huán)形體積。內(nèi)管包括具有內(nèi)表面和外表面的壁。內(nèi)管壁的外表面有助于形成環(huán)形體積。外管也包括具有內(nèi)表面和外表面的壁。外管壁的外表面與催化床接觸，而外管壁的內(nèi)表面也有助于形成環(huán)形體積。
間隔件可安裝在內(nèi)管的外表面或外管的內(nèi)表面上。這顯示于圖2的實施例中，其中間隔件安裝在內(nèi)管的外表面上。圖2a的實施例顯示了圖2中的橫截面d-d。在圖3的實施例中，間隔件安裝在外管的內(nèi)表面上。
實施例2和3的間隔件形成為與管分開，并通過焊接連接在管的表面上。此外，間隔件的連接可通過釬焊、膠粘、螺紋連接、銷連接、鉚接和緊固領(lǐng)域中的其它方法來進(jìn)行。它們的橫截面形狀可以為任何形式，例如正方形、矩形、圓形、三角形，或者在形狀上是可變化的，只要能夠連接在管的表面上即可?？v向截面的形狀也可具有任何形式。
作為安裝在管的一個表面上的替代，間隔件也可通過內(nèi)管和外管的壁所施加的壓緊力或摩擦力而保持就位。這在圖4中顯示。
如果一個或兩個管形成為使得內(nèi)管精確地安裝在外管中，則間隔件也可集成在管壁的一個或兩個上。圖5顯示了間隔件的縱向截面，其中外管被剖開以顯示集成于內(nèi)管上的間隔件。圖5a顯示了沿著圖5的線b-b的兩個管的橫截面。
圖6和6a同樣分別顯示了集成于外管中的間隔件的縱向截面以及沿著線c-c的兩個管的橫截面。
內(nèi)管與外管之間的形成了精確配合的接觸可以是點(diǎn)接觸、線接觸或者較大接觸面積的形式。
間隔件可具有任意形狀。然而，在圖7中顯示了一個優(yōu)選實施例。間隔件具有沿著管軸線2的起點(diǎn)1和終點(diǎn)3，其分別對應(yīng)于間隔件上沿著管軸線的第一點(diǎn)和最后一點(diǎn)。終點(diǎn)3相對于固定起點(diǎn)圍繞管軸線旋轉(zhuǎn)。間隔件的角度θ是縱向方向與間隔件之間的角度。在圓柱面上繪出的從間隔件起點(diǎn)1至間隔件終點(diǎn)3的直線相對于管的縱向具有角度θ。這便形成了傳熱介質(zhì)的螺旋流動路徑。從起點(diǎn)1至終點(diǎn)3，間隔件例如可以為直線的、曲線的、S形的或者多曲線的形狀，并且具有如上所述的可變或固定的橫截面形狀。
較低的角θ導(dǎo)致適度的環(huán)形流旋轉(zhuǎn)，較高的角θ導(dǎo)致較高的環(huán)形流旋轉(zhuǎn)。角θ大于0°且小于90°。然而，θ的最合適的范圍為5°-60°。
作為對比，傳統(tǒng)間隔件的θ值為0°，因此它們不具備螺旋流動路徑。
圖8顯示了無褶皺內(nèi)管的平面圖，其帶有集成在內(nèi)管上的如圖5和5a所示的間隔件。外管未示出。剖面a-a顯示了間隔件的橫截面。該圖顯示了兩級間隔件，其相互分開一段距離b，各間隔件在縱向上具有一定長度c。各級具有均勻地分布在管周邊上的兩個間隔件。從一級至另一級的間隔件的圖形旋轉(zhuǎn)表明，一級上的間隔件可以相對于前一級上的間隔件圍繞管的周邊移動較大的角度，在這里為90°。還顯示了內(nèi)管的周長e。
圖9顯示了圖8所示間隔件的剖面a-a。間隔件f在徑向上具有高度d。該橫截面與無褶皺外管g一起顯示出。
圖10顯示了包括有顯示為處于無褶皺內(nèi)管中的較長間隔件的另一優(yōu)選實施例。較長間隔件完成了圍繞雙層管軸線進(jìn)行的三圈完整的旋轉(zhuǎn)。作為備選，它可沿著內(nèi)管的整個長度是連續(xù)的。間隔件與圖2和3所示的實施例類似，它們形成為與管分開，并如上所述地通過例如焊接或其它方式連接在管表面上。它們的橫截面形狀可以為任何形式，例如正方形、矩形、圓形或三角形，只要能夠連接在管表面上即可。縱向截面的形狀也可具有任何的形式。從縱向至間隔件所測得的間隔件的角度θ大于0°且小于90°。間隔件的長度4是沿著縱向軸線2從起點(diǎn)3至終點(diǎn)1的距離。
在本發(fā)明的另一實施例中，催化劑粒子設(shè)在形成于內(nèi)管的內(nèi)表面中的通道內(nèi)。因此，催化材料處于外管之外和內(nèi)管之內(nèi)。
上述所有實施例具有形成了用于傳熱介質(zhì)的螺旋流動路徑的優(yōu)點(diǎn)。
烴類原料的催化蒸氣重整是這樣一種工藝，其中烴類原料(通常為甲烷)根據(jù)以下吸熱反應(yīng)與蒸氣進(jìn)行反應(yīng)，形成富含氫氣和一氧化碳的合成氣體
重整反應(yīng)是平衡反應(yīng)，產(chǎn)物流主要包含氫氣和一氧化碳，以及少量的二氧化碳、甲烷和蒸氣。在平衡條件下，溫度為500-1000℃，壓力為0.1-4Mpa。
可用于上述反應(yīng)的合適熱交換反應(yīng)器是氣體加熱的重整裝置。在這種情況下，傳熱介質(zhì)可以是重整后的氣體，它可為在催化劑床中發(fā)生的重整反應(yīng)提供熱量。
示例使用了具有如圖1所示的設(shè)在催化床中的雙層傳熱管的雙層管式氣體加熱的重整裝置。雙層傳熱管的內(nèi)管中的通道也含有催化劑粒子。間隔件如圖5、8和9所示地集成于內(nèi)管中。
將處于360℃溫度下的甲烷和蒸氣的反應(yīng)物流混合物引入到重整裝置中，其中在催化接觸過程中，在內(nèi)管之內(nèi)和外管之外并在880℃的溫度下氣體發(fā)生反應(yīng)，形成氫氣、CO、CO2、甲烷和蒸氣的混合物。用于吸熱反應(yīng)和加熱反應(yīng)氣體所需的大量熱量源于傳熱介質(zhì)，其包括處于重整裝置的環(huán)形體積中的1000℃下的重整氣體的熱氣流。該熱氣流在存在催化劑的情況下與經(jīng)過了蒸氣重整的氣體進(jìn)行熱交換，并且在650℃下離開該環(huán)形體積。
以下給出的尺寸數(shù)據(jù)是針對圖8和9而言的雙層傳熱管的數(shù)量 61傳熱管長度 11000毫米間隔件級的數(shù)量 14各級處的螺旋間隔件 2
各級上的間隔件分布 隔開180°(均勻地)從一級至下級的間隔件圖形旋轉(zhuǎn)90度間隔件級之間的距離(B) 775毫米間隔件長度(C) 187毫米間隔件高度(D) 8毫米間隔件角度(θ) 13.2度這些結(jié)果顯示，在流過整個雙層管長度的期間，環(huán)形氣體圍繞雙層管軸線的螺旋形旋轉(zhuǎn)的數(shù)量為六圈。間隔件所造成的壓力降的增加為70％，這是可以接受的。
權(quán)利要求
1.一種用于執(zhí)行熱交換反應(yīng)的工藝，包括將反應(yīng)物流引入到熱交換反應(yīng)器中的設(shè)在至少一個雙層壁式傳熱管之外的催化材料床中，使反應(yīng)物流與所述催化材料接觸，并與位于所述至少一個雙層壁式傳熱管的環(huán)形體積中的傳熱介質(zhì)進(jìn)行間接熱交換，所述環(huán)形體積包括一個或多個間隔件，其在所述至少一個雙層壁式傳熱管的內(nèi)傳熱管的周圍形成了傳熱介質(zhì)的螺旋流動路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述熱交換反應(yīng)是蒸氣重整反應(yīng)。
3.一種可用于根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝中的熱交換反應(yīng)器，包括設(shè)在催化材料床中的至少一個雙層壁式傳熱管，所述至少一個雙層壁式傳熱管包括設(shè)在外傳熱管內(nèi)的內(nèi)傳熱管，從而形成了用于使傳熱介質(zhì)在外傳熱管的內(nèi)表面與內(nèi)傳熱管的外表面之間流動的環(huán)形體積，所述環(huán)形體積包括沿著所述雙層傳熱管的長度布置的一個或多個間隔件，所述間隔件接觸或幾乎接觸到所述內(nèi)、外傳熱管這兩者，所述間隔件在所述內(nèi)傳熱管的周圍形成了傳熱介質(zhì)的螺旋流動路徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述一個或多個間隔件具有端點(diǎn)，其相對于固定的起點(diǎn)圍繞所述管軸線旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述一個或多個間隔件的端點(diǎn)相對于所述管軸線旋轉(zhuǎn)了一個大于0°且小于90°的角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述一個或多個間隔件緊固于或整體地形成于所述內(nèi)管上。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述一個或多個間隔件緊固于或整體地形成于所述外管上。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述環(huán)形體積包含有催化材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述內(nèi)傳熱管包含有催化材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求3-9中任一項所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述熱交換反應(yīng)器為蒸氣重整反應(yīng)器。
全文摘要
一種用于執(zhí)行熱交換反應(yīng)的工藝，包括將反應(yīng)物流引入到設(shè)在熱交換反應(yīng)器中的至少一個雙層壁式傳熱管之外的催化材料床中，使反應(yīng)物流與催化材料接觸，并與位于該至少一個雙層壁式傳熱管的環(huán)形體積中的傳熱介質(zhì)進(jìn)行間接熱交換，該環(huán)形體積包括一個或多個間隔件，其在該至少一個雙層壁式傳熱管的內(nèi)傳熱管的周圍形成了傳熱介質(zhì)的螺旋流動路徑。本發(fā)明還包括用于執(zhí)行上述反應(yīng)的熱交換反應(yīng)器。
文檔編號B01J19/00GK1702419SQ20051007606
公開日2005年11月30日 申請日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月29日
發(fā)明者M·博, S·G·湯姆森 申請人:赫多特普索化工設(shè)備公司