專利名稱：壓縮環(huán)式密封在化學(xué)反應(yīng)裝置中的應(yīng)用的制作方法
本申請為一在先申請的分案申請，原申請?zhí)枮?71224706，申請日為1997年11月11日，名稱為“重整裝置”。
本發(fā)明是關(guān)于一種重整裝置，它有間接熱交換區(qū)，以便進行把包括甲烷和蒸汽的氣體流轉(zhuǎn)化為CO、CO2和H2的重整反應(yīng)。
在下面的說明書和權(quán)利要求中、術(shù)語“甲烷”通常應(yīng)理解為能提供氫和碳來源的原料，例如甲烷本身或者是諸如天然氣與礦物油之類的液態(tài)和/或氣態(tài)碳氫化合物的混合物。
眾所周知，在甲烷重整領(lǐng)域中，為了得到合成諸如氨和/或甲醇等產(chǎn)物所必需的氫與碳而要求制出適用的設(shè)備的呼聲日益高漲，該設(shè)備一方面要能得到盡可能完全的甲烷重整反應(yīng)，在另一方面還要求低能耗、低投資與低的維修費用，并且易于實現(xiàn)。
為了滿足上述要求，工業(yè)界中已提出一種交換器型重整裝置，即它有進行甲烷重整反應(yīng)的熱交換區(qū)。
在該裝置中，吸熱型重整反應(yīng)所需的大量的熱是由與供入該裝置的熱氣體流之間進行間接熱交換提供的。
特別是在制氨廠中，其中甲烷重整反應(yīng)是在兩個被稱為初級與次級重整區(qū)段中進行的，后者的工作溫度高于前者，這樣就有可能利用來自次級重整區(qū)的熱反應(yīng)氣體作為初級重整區(qū)的熱源。
交換器型重整裝置在本領(lǐng)域中通常是用于氨、甲烷或氫的合成工藝中，用以代替現(xiàn)有的初級重整爐，EP-A-0 298 525中所描述的便是一例。
雖然在很多方面有其優(yōu)點，但上述裝置仍顯示出一系列的缺點，首先是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，需要高的投資費用。
實際上，該裝置包括許多插銷式(卡口式)管道，即它有帶盲端的外管元件，用來在熱氣流與氣態(tài)反應(yīng)物(甲烷與蒸汽)之間進行間接的熱交換；以及抽取反應(yīng)產(chǎn)品的內(nèi)管。
很容易想象到，這種類型的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，建造昂貴，而且難于進行維修工作；它還包括大直徑的重整裝置。
此外，由于該重整反應(yīng)是屬于催化式的，于是就需要在外管元件與內(nèi)管之間所確定的環(huán)形空間中均勻地充滿催化劑，而且該催化劑還要定期更換。由于存在內(nèi)管，顯然會妨礙這些操作，至少是使其變得困難。
最后，即使從能量觀點來看，使用插銷式管道也存在許多缺點，因為在反應(yīng)后的氣流與反應(yīng)中氣流間存在著所不希望的大量熱交換，而且還會帶來內(nèi)管產(chǎn)生金屬飛粉腐蝕的危險，這是在后者過度冷卻時由反應(yīng)后氣體引發(fā)的。
JP-A-4154601中描述了一種交換器式重整裝置，它包括許多充滿催化劑的獨立的管道，其外部流過熱氣體。
各管的端部固定在各自的管盤上，管盤則適宜地固定在該重整裝置上。
雖然其結(jié)構(gòu)與操作比插銷式管簡單，JP-A-4154601中所述的熱交換管也顯現(xiàn)出其嚴重的缺點，在承受高溫時-如在重整反應(yīng)中的情況-管道不能自由膨脹，這就帶來會使其出現(xiàn)裂紋或者甚至破裂的危險，于是就會造成反應(yīng)氣體與加熱氣體混合，并會損傷該裝置。
再者，這種型式的裝置不僅在更換有缺陷管道時需要高的維修費用，而且不能確保狀態(tài)良好而可靠地長期運行。
由于這些缺點，盡管在工業(yè)上非常需要，可是迄今為止現(xiàn)有技術(shù)的交換式重整裝置仍然很少應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是制出適用的重整裝置，它易于實現(xiàn)、可靠，并能以低投資、低的運行與維修成本以及低能耗而提供盡可能完全的甲烷重整反應(yīng)。
按照本發(fā)明，借助于把甲烷和蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)镃O、CO2和H2的重整裝置使上面提到的問題得到解決，它包括基本為圓柱形的外殼，其中限定出間接熱交換區(qū)和把包括甲烷與蒸汽的氣流供至該間接熱交換區(qū)的區(qū)域；在上述外殼上形成的開口，用于向上述間接熱交換區(qū)供應(yīng)作為上述轉(zhuǎn)換的熱源的熱氣流；
其特征在于，它還包括許多頭部可浮動的管道、其內(nèi)包含重整用催化劑，管道沿上述間接熱交換區(qū)縱向延伸，并與上述供入?yún)^(qū)流體相通；一個腔室，用于收集包括從上述轉(zhuǎn)換中獲得的CO、CO2和H2的氣流體，該腔室位于上述管道的下游；在上述收集室中開口的管道，用于從殼體中抽取包含CO、CO2和H2的氣體流。
在下面的說明與權(quán)利要求中，術(shù)語“頭部可浮動管”應(yīng)理解為至少管道的一端(頭部)在結(jié)構(gòu)上可自由運動(浮動)，以允許管道熱膨脹。
最好，按照本發(fā)明，其重整裝置要有收集室，以使反應(yīng)氣與內(nèi)含催化劑的多根管路流體相通，還要有從殼體中抽取該氣體的管道。
以這種方式，一旦發(fā)生重整反應(yīng)，所有氣體就被收集在同一腔室內(nèi)，并由一根單一的管道抽出。
正是由于這種特殊的結(jié)構(gòu)，使之有可能得到一種可靠的、構(gòu)造極簡單的、成本低的交換式重整裝置，同時又是不存在現(xiàn)有裝置典型缺點的有效的甲烷重整裝置。
特別是，由于有許多彼此獨立的、單獨的頭部可浮動管，使得維修工作和在管道中填裝與更換催化劑能方便地進行。
此外，由于反應(yīng)氣體全部被收集在一個單一腔室中并通過一個與熱交換管熱力學(xué)無關(guān)的管道從殼體中抽出氣體，就能很好地消除反應(yīng)后氣體與反應(yīng)中氣體之間的所不希望有的熱交換，從而可避免抽氣管上發(fā)生金屬起粉腐蝕的危險，與現(xiàn)有裝置相比還能降低運行成本。
按照本發(fā)明裝置的一個最佳實施例，其抽氣管最好安排成與上述殼體同軸，從收集室到在殼體上開口的氣體出口穿過間接熱交換區(qū)與供入?yún)^(qū)而平行于上述各管路延伸。
以這種方式，就能得到一種非常簡單而緊湊的結(jié)構(gòu)，它同時又能補償該裝置不同部件因這些部件承受不同的熱應(yīng)力引起的以及由于使用不同材料引起的熱膨脹。
特別是能夠適宜的、可靠地補償熱交換管與反應(yīng)氣體抽氣管上所承受的不同的膨脹率，因而從結(jié)構(gòu)方面無須放棄極為簡單的裝置。
實際上，正是由于抽氣管的這種特殊安排，可極有利地得到一收集室，它亦為浮動式，而熱交換管和抽氣管則可在相對于供入?yún)^(qū)相互在相反方向上自由膨脹。
以這種方式，各種材料的不同膨脹率不僅不會給該裝置造成機械故障，在某種情況下還能做到相互補償。
按照這一實施例，最好在上述抽氣管與位于上述供入?yún)^(qū)與上述熱交換區(qū)之間的管盤之間，如同在上述抽氣管與殼體之間那樣設(shè)置適當(dāng)?shù)臍饷芊庋b置，以防止反應(yīng)氣或反應(yīng)后氣體的不希望的旁漏，同時還允許該裝置有不同的熱膨脹率。
正是本發(fā)明把保證裝置正常工作的氣密封裝置減少到最小數(shù)量，而且只集中在抽氣管、管盤和外殼上。
最好把氣密封裝置安排到靠近上述出口處，以便于接近該氣密封裝置，這樣就會簡化并有助于其維修。
下面，參照附圖以非限定地舉例方式對一個實施例進行說明，從而提出本發(fā)明的各種特征與優(yōu)點。
在附圖中

圖1示出本發(fā)明重整裝置的縱剖視圖；圖2示出圖1中裝置的一部分的縱剖視圖，其中按照本發(fā)明的最佳參照圖1～3，序號1表示本發(fā)明重整裝置的整體，該裝置用于產(chǎn)生包括甲烷和蒸汽的氣體流重整反應(yīng)。
裝置1包括基本為圓柱形的外殼2，殼體中有橫跨其整個截面延伸的管盤3，它把殼體2分成間接熱交換區(qū)5和把包括甲烷和蒸汽的氣體流供到區(qū)域5中的區(qū)域4。
全部用序號6代表的許多頭部可浮動的熱管在間接熱交換區(qū)5中從管盤3縱向延伸。
各管6在其中確定出一個用于容納公知類型重整催化劑的區(qū)域(未示出)。此外，管6有第一端7與第二端8，第一端7與區(qū)域4流體相通，第二端8與收集從重整反應(yīng)中獲得的包括CO、CO2和H2的氣體流的收集室9流體相通。
序號10指管盤，它設(shè)置在管6與室9之間，在第二端8的位置上。
殼體2上還設(shè)有-在間接熱交換區(qū)5中-開口11與12，它們分別為用作重整反應(yīng)熱源的熱氣的入口與出口。
殼體2的區(qū)域4上也設(shè)有開口13與14，分另為包括甲烷和蒸汽的反應(yīng)氣體入口及包括CO、CO2和H2的反應(yīng)后氣體的出口。
為了抽取裝置1中的反應(yīng)后氣體，最好在殼體2中設(shè)置管道15。管道15與收集室9和氣體出口14流體相通。
由于它有許多獨立管6而且是與收集室9和反應(yīng)后氣體抽取管道15相結(jié)合的特殊結(jié)構(gòu)，就能確保該裝置在機械結(jié)構(gòu)上非常簡單并易于實現(xiàn)，而且還在能量與重整反應(yīng)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)率方面也非?？煽亢陀行А?br> 在圖1的例子中，抽氣管道15配置成與殼體2同軸，并穿過間接熱交換區(qū)5和供入?yún)^(qū)4平行于管6延伸。
按照本發(fā)明的一個變化了的實施例(未示出)，管道15從收集室9延伸到裝置1的下端，出口14設(shè)在殼體2下端并與之同軸。
對于圖1中的例子，以這種方式可加大區(qū)域5中用于配置管6的有效空間，這樣可以增大熱交換面積。
序號16是指避免反應(yīng)氣體或反應(yīng)后氣體產(chǎn)生不希望的旁漏的氣密封裝置。裝置16還可以允許，特別是，管6和管道15有不同的熱膨脹，以保證裝置1最佳而可靠地工作。
參見圖1，氣密封裝置16安排在管道15和管盤3之間，以及管道15和殼體2之間，而在圖2的例子中，它們是安排在管道15與管盤3之間和管盤3與殼體2之間的。
按照圖1的實施例，該氣密封裝置16最好全部安裝在裝置1的一個部件上，即抽氣管道15上，以盡可能地簡化在該裝置中這些裝置的配置。
如圖2中所示，為便于氣密封裝置16的維修，應(yīng)把它們安排在靠近反應(yīng)后氣體的出口14處。
按照本發(fā)明的這一最佳實施例，氣密封裝置16是相對于管盤3的管狀附件17配置的，它從管盤3向開口14延伸。
氣密封裝置16最好是迷宮式或壓縮環(huán)式，以壓縮環(huán)式為最佳。
在下面的說明中，術(shù)語“迷宮式密封裝置”應(yīng)理解為一種密封，它由一付通常為管狀的兩個部件構(gòu)成，一個為陽部件一個為陰部件，使第一部件具有帶凹槽的外表面，于是一旦配合起來就會在相配合的部件之間產(chǎn)生許多實體隆脊和空間(迷宮)，從而阻止氣體通過。
在下面的說明中，術(shù)語“壓縮環(huán)密封裝置”應(yīng)理解是由安置在相配合的陽部件與陰部件之間的壓縮環(huán)所形成可阻止氣體通過的密封。
正是這種型式的密封裝置16，可保證氣密封，甚至對于如重整裝置情況下的連續(xù)的大膨脹率也能提供可靠而持久的膨脹補償。
圖3為圖2中的重整裝置1局部放大圖，清楚地示出在抽氣管道15和管盤3的管狀附件17之間的壓縮環(huán)式氣密封裝置16。
該氣密封裝置16包括多個壓縮環(huán)18(至少有兩個)，容納在固定在抽氣管道15的端部21上的圓柱形件20的各自槽穴19中，上述的固定最好是可拆卸的，例如用螺栓(未示出)。
在抽氣管道15(陽部件)和附件17(陰部件)之間有壓縮環(huán)18存在就能阻塞反應(yīng)后的氣體進入熱交換區(qū)5的通道，同時還允許抽氣管道15沿附件17運動以補償其熱膨脹。
在圖1與2的實施例中，其重整裝置1的氣密封裝置16最好采用圖3中所示的型式。
相對于迷宮式密封，使用壓縮環(huán)具有一系列的優(yōu)點，其中值得提出的有氣密更加有效(通過密封旁漏的氣體更少)，結(jié)構(gòu)的靈活性更大(陽與陰部件間的間隙可比迷宮式密封大到10倍)，以及密封裝置更加緊湊(對于相同的密封而言更短)。
這意味著活塞環(huán)式密封裝置能保護有更好的氣密性，即使在陰、陽件損傷和/或未對準的情況下亦如此；此外還在重整裝置1上進行安裝與調(diào)整工作中有較大的適應(yīng)性，對于外界物體的進入敏感性小，而且很少有卡住的危險、使用活塞環(huán)式密封裝置一般最好使之延伸到進行放熱或吸熱化學(xué)反應(yīng)的裝置上，例如甚至到氨或甲醇合成反應(yīng)器上，以確保有不同熱膨脹率的結(jié)構(gòu)上截然不同部件之間的氣密性。
在圖1與2中，箭頭F1與F2分別指示在該重整裝置1中包括甲烷和蒸汽(反應(yīng)氣體)的路徑和作熱交換用的熱氣體流所走的路徑。
下面，說明本發(fā)明重整裝置的運作。
在本說明書中所指的溫度工作條件是對初級重整裝置而言的。
參見圖1，被預(yù)熱到30℃至500℃之間的包含甲烷和蒸汽(反應(yīng)氣體)的氣體流F1，通過氣體入口13被供入裝置1的供入?yún)^(qū)4，并使其在管6(管側(cè))中通過以便在500℃與1000℃之間的溫度下進行重整反應(yīng)。為此目的，管6應(yīng)適當(dāng)?shù)爻涮畲呋瘎?br> 借助于溫度在900℃與1100℃之間的熱氣流F2的熱傳導(dǎo)就可以實現(xiàn)重整反應(yīng)，熱氣流是經(jīng)氣體入口11而送至熱交換區(qū)5的。熱氣流F2流過管6外側(cè)(殼體側(cè))并經(jīng)過氣體出口12以300℃與600℃之間的溫度排放到殼體2之外。
特別是，熱氣體流F2是以間接熱交換方式向較冷的反應(yīng)氣流F1傳遞反應(yīng)熱的。
氣體流F1包括從重整反應(yīng)中獲得的CO、CO2和H2從管6經(jīng)端部8被排出，并被收集在收集室9內(nèi)，然后通過抽氣管道15和氣體出口14以500℃到1000℃之間的溫度從裝置1中抽出。
如上面所提到的，氣體流F1一旦被收集并送入抽氣管道15中就不再與通過管6的反應(yīng)氣體發(fā)生熱關(guān)系，于是就很好地避免了反應(yīng)后氣體與反應(yīng)氣體之間存在所不希望的熱交換。
此外，該裝置的不同部件-特別是管6與管道15-由于材料不同與所受的熱應(yīng)力不同而產(chǎn)生的不同膨脹率已被有效地補償，這借助于收集室9與管道15的特殊結(jié)構(gòu)，也借助于密封裝置16的安排，它在允許各部件運動的同時能防止不希望的氣體泄漏。
應(yīng)強調(diào)，這些密封裝置的使用不會對本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)簡單性造成負面影響。
在圖1與2的例子中，管6最好安排成管束狀，以便獲得最佳的熱交換區(qū)5的占有率(填滿率)。
此外，為增加有效表面積，從而改善熱交換，該管束最好裝設(shè)有適宜的膜片22，而且管6還應(yīng)有翅片(未示出)。
對于氨合成工藝來說，其熱氣流F2最好包括來自次級重整區(qū)的氣體流。
從上面所述可以清楚地看到使用本發(fā)明所取得的眾多優(yōu)點，特別是能得到結(jié)構(gòu)簡單，易于建造、并能以低能耗、低運行與維修成本進行甲烷重整的可靠的重整裝置。
權(quán)利要求
1.一種壓縮環(huán)式密封在進行吸熱或放熱的化學(xué)反應(yīng)裝置中的應(yīng)用，以確保具有不同熱膨脹率的結(jié)構(gòu)上不同的部件之間的氣密封。
全文摘要
一種重整裝置，包括用于把包含甲烷和蒸汽的氣流變成CO、CO
文檔編號B01J8/00GK1536252SQ20041002827
公開日2004年10月13日 申請日期1997年11月11日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月12日
發(fā)明者埃爾曼諾·菲利皮, 恩里科·里西, 里西, 埃爾曼諾 菲利皮 申請人:阿莫尼·卡薩爾公司, 阿莫尼 卡薩爾公司