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(qǐng)為一在先申請(qǐng)的分案申請(qǐng)，原申請(qǐng)?zhí)枮?71224706，申請(qǐng)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(jìn)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(shuō)明書和權(quán)利要求中、術(shù)語(yǔ)“甲烷”通常應(yīng)理解為能提供氫和碳來(lái)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?xì)浠衔锏幕旌衔铩?br> 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(fèi)用，并且易于實(shí)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(jìn)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(jìn)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(gè)被稱為初級(jí)與次級(jí)重整區(qū)段中進(jìn)行的，后者的工作溫度高于前者，這樣就有可能利用來(lái)自次級(jí)重整區(qū)的熱反應(yīng)氣體作為初級(jí)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(jí)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(diǎn)，但上述裝置仍顯示出一系列的缺點(diǎn)，首先是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，需要高的投資費(fèi)用。
實(shí)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(lái)在熱氣流與氣態(tài)反應(yīng)物(甲烷與蒸汽)之間進(jìn)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(jìn)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(huì)妨礙這些操作，至少是使其變得困難。
最后，即使從能量觀點(diǎn)來(lái)看，使用插銷式管道也存在許多缺點(diǎn)，因?yàn)樵诜磻?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(huì)帶來(lái)內(nèi)管產(chǎn)生金屬飛粉腐蝕的危險(xiǎn)，這是在后者過(guò)度冷卻時(shí)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(dú)立的管道，其外部流過(guò)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(jiǎn)單，JP-A-4154601中所述的熱交換管也顯現(xiàn)出其嚴(yán)重的缺點(diǎn)，在承受高溫時(shí)-如在重整反應(yīng)中的情況-管道不能自由膨脹，這就帶來(lái)會(huì)使其出現(xiàn)裂紋或者甚至破裂的危險(xiǎn)，于是就會(huì)造成反應(yīng)氣體與加熱氣體混合，并會(huì)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(shí)需要高的維修費(fèi)用，而且不能確保狀態(tài)良好而可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行。
由于這些缺點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)、可靠，并能以低投資、低的運(yùn)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(wèn)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(dòng)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(gè)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(shuō)明與權(quán)利要求中，術(shù)語(yǔ)“頭部可浮動(dòng)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(yùn)動(dòng)(浮動(dòng))，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(jiǎn)單的、成本低的交換式重整裝置，同時(shí)又是不存在現(xiàn)有裝置典型缺點(diǎn)的有效的甲烷重整裝置。
特別是，由于有許多彼此獨(dú)立的、單獨(dú)的頭部可浮動(dòng)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(jìn)行。
此外，由于反應(yīng)氣體全部被收集在一個(gè)單一腔室中并通過(guò)一個(gè)與熱交換管熱力學(xué)無(wú)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(xiǎn)，與現(xiàn)有裝置相比還能降低運(yùn)行成本。
按照本發(fā)明裝置的一個(gè)最佳實(shí)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(guò)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(jiǎn)單而緊湊的結(jié)構(gòu)，它同時(shí)又能補(bǔ)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(bǔ)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(wú)須放棄極為簡(jiǎn)單的裝置。
實(shí)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(dòng)式，而熱交換管和抽氣管則可在相對(duì)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(huì)給該裝置造成機(jī)械故障，在某種情況下還能做到相互補(bǔ)償。
按照這一實(shí)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(shí)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(huì)簡(jiǎn)化并有助于其維修。
下面，參照附圖以非限定地舉例方式對(duì)一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，從而提出本發(fā)明的各種特征與優(yōu)點(diǎn)。
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?qǐng)D1～3，序號(hào)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(gè)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(hào)6代表的許多頭部可浮動(dòng)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(gè)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(hào)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(dú)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(jī)械結(jié)構(gòu)上非常簡(jiǎn)單并易于實(shí)現(xiàn)，而且還在能量與重整反應(yīng)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)率方面也非常可靠和有效。
在圖1的例子中，抽氣管道15配置成與殼體2同軸，并穿過(guò)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(gè)變化了的實(shí)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(duì)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(hào)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(jiàn)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?qǐng)D1的實(shí)施例，該氣密封裝置16最好全部安裝在裝置1的一個(gè)部件上，即抽氣管道15上，以盡可能地簡(jiǎn)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(shí)施例，氣密封裝置16是相對(duì)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(shuō)明中，術(shù)語(yǔ)“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(gè)部件構(gòu)成，一個(gè)為陽(yáng)部件一個(gè)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(lái)就會(huì)在相配合的部件之間產(chǎn)生許多實(shí)體隆脊和空間(迷宮)，從而阻止氣體通過(guò)。
在下面的說(shuō)明中，術(shù)語(yǔ)“壓縮環(huán)密封裝置”應(yīng)理解是由安置在相配合的陽(yáng)部件與陰部件之間的壓縮環(huán)所形成可阻止氣體通過(guò)的密封。
正是這種型式的密封裝置16，可保證氣密封，甚至對(duì)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(bǔ)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(gè)壓縮環(huán)18(至少有兩個(gè))，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(yáng)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(jìn)入熱交換區(qū)5的通道，同時(shí)還允許抽氣管道15沿附件17運(yùn)動(dòng)以補(bǔ)償其熱膨脹。
在圖1與2的實(shí)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(duì)于迷宮式密封，使用壓縮環(huán)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，其中值得提出的有氣密更加有效(通過(guò)密封旁漏的氣體更少)，結(jié)構(gòu)的靈活性更大(陽(yáng)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(duì)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(hù)有更好的氣密性，即使在陰、陽(yáng)件損傷和/或未對(duì)準(zhǔn)的情況下亦如此；此外還在重整裝置1上進(jìn)行安裝與調(diào)整工作中有較大的適應(yīng)性，對(duì)于外界物體的進(jìn)入敏感性小，而且很少有卡住的危險(xiǎn)、使用活塞環(huán)式密封裝置一般最好使之延伸到進(jìn)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(shuō)明本發(fā)明重整裝置的運(yùn)作。
在本說(shuō)明書中所指的溫度工作條件是對(duì)初級(jí)重整裝置而言的。
參見(jiàn)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(guò)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(guò)以便在500℃與1000℃之間的溫度下進(jìn)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(shí)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(guò)管6外側(cè)(殼體側(cè))并經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(bǔ)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(yùn)動(dòng)的同時(shí)能防止不希望的氣體泄漏。
應(yīng)強(qiáng)調(diào)，這些密封裝置的使用不會(huì)對(duì)本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性造成負(fù)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(duì)于氨合成工藝來(lái)說(shuō)，其熱氣流F2最好包括來(lái)自次級(jí)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(diǎn)，特別是能得到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于建造、并能以低能耗、低運(yùn)行與維修成本進(jìn)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(jìn)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(hào)B01J8/00GK1536252SQ20041002827
公開日2004年10月13日 申請(qǐng)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(qǐng)人:阿莫尼·卡薩爾公司, 阿莫尼 卡薩爾公司