專利名稱：具有射流沖擊熱傳遞的管狀反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于由反應物混合物生產產物混合物的方法和管 狀反應器。更具體地說，本發(fā)明涉及改進管狀反應器中的熱傳遞。
背景技術：
含有具有催化劑的包裝的反應器已經有所描述，例如，在蒸汽 曱烷轉化中使用的管狀反應器。包裝可以是諸如催化劑微粒的隨機 包裝或者所謂的結構化包裝。與隨機包裝相比，結構化包裝可產生 更低的壓降，不容易液化，并且不易于沉積或粉碎。由于管狀反應 器常常從外部加熱或冷卻，這種反應器的另一個重要特征涉及外部 熱源/水槽與反應器內的處理液之間的熱傳遞。
管狀反應器可含有隨機包裝或者結構化包裝，其中包裝包括用 于期望反應的催化劑。與隨機包裝相比，結構化包裝巳經被相信具 有更低的壓降。
人們已經認識到管狀反應器中的熱傳遞很重要。有關改進管狀 反應器中的熱傳遞的努力已經有所描述。
Davidson在美國專利No.4340501中描述了反應器容器中的結 構，其中流體間歇性但可控制地與容器壁接觸。結果，Davidson 聲稱這能夠得到具有微粒床的熱傳遞特性的蜂窩結構的平滑流動 特性。
在Davidson的發(fā)明中，用于使流體與容器壁接觸的工藝的特 征在于，使流體交替流經(a)容器內的結構和(b)所述結構與容 器壁之間的空隙。Davidson還描述了用于進行該工藝的設備，包括 容器和容器內部的結構。
Repasky等人的美國專利公開文獻No.2007/0297956公開了用于增加具有結構化包裝的管狀反應器中的熱傳遞的方法和由該方 法所制備的反應器。該方法是在構造過程中使結構向著管狀反應器 的壁膨脹，從而減小壁與包裝之間的間隙。流體被擠壓在包裝和管 壁之間。減小的間隙增加了流體的速度，從而增加了熱傳遞。
這種方法和熱傳遞依賴于結構與管壁之間的間隙的任何方法 所具有的問題在于，在高溫高壓下的延伸操作之后，管會經歷時間
依賴性塑性變形，通常稱為"塑性變形(creep)"，導致管直徑增加 以及管壁與結構化包裝之間的間隙相應增加。由于熱傳遞的機制依 賴于該間隙中流體的速度，當間隙變大時速度降低，當管塑性變形 時熱傳遞降低。當熱傳遞降低時反應器性能降低。
期望在管狀反應器的整個壽命期內，尤其是在管發(fā)生塑性變形 時都要保持管狀反應器中的熱傳遞效率。本發(fā)明解決了在管狀反應 器中由管的塑性變形導致的熱傳遞降低的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及用于在管狀反應器中生產產物混合物的方法。管狀 反應器包括具有管壁的管，和位于管內的插入物。管狀反應器具有 管狀反應器入口和位于管狀反應器入口下游的管狀反應器出口 。插 入物包括催化劑，并且插入物具有用于形成流體射流的多個孔。所 述多個孔的特征由水力直徑d和與管壁的間隔h來描述，其中，對 于多個孔來說，h/d的范圍為從0.5到10或者從1到10。間隔h 的范圍可以從0.5mm到10mm。所述方法包括
(a)將包括一種或多種反應物的反應物混合物在第一壓力pi以 入口表觀軸向速度vs引入到管狀反應器入口中；
(b )使來自反應物混合物的一種或多種反應物與插入物的第一 部分上的催化劑接觸，以使一種或多種反應物在對形成包括一種或 多種反應物和一種或多種產物的第 一 中間體混合物有效的反應條件 下進4于反應；
(c )利用第 一 中間體混合物的至少 一 部分形成多個第 一 流體射流；
(d) 使多個第一流體射流沖擊在管壁上，從而在管與來自多個 第 一 流體射流的第 一 中間體混合物之間傳遞熱量；
(e) 使來自多個第一流體射流的第一中間體混合物的至少一部 分遠離管壁轉向，從而形成包括一種或多種反應物和一種或多種產 物的回流；
(f) 使來自回流的 一種或多種反應物與插入物的第二部分上的 催化劑接觸，以使一種或多種反應物在對形成包括一種或多種反應 物和一種或多種產物的第二中間體混合物有效的反應條件下進行反
應；
(g )利用第二中間體混合物的至少 一部分形成多個第二流體射 流，第二多種流體射流位于多個第一流體射流下游；
(h) 使多個第二流體射流沖擊在管壁上，從而在管與第二中間 體;昆合物之間傳遞熱量；
(i) 使來自多個第二流體射流的第二中間體混合物的至少 一部 分遠離管壁轉向；和
(j)在第二壓力p2將包括一種或多種產物的產物混合物從管狀 反應器出口抽出；
其中，管狀反應器中的累積壓降Ap射流從經過多個孔的流動得到，
并且
AP射流/ (Pi誦P2) AP射流/ (p廣p2)可以大于或等于0.75或者
大于或等于0.9。
多個第一流體射流可具有范圍為2xvs到25xvs的徑向速度分 量，并且多個第二流體射流可具有范圍為2x^到25xvs的徑向速度分量。
多個第一流體射流可具有范圍為10xvs到25xvs的徑向速度分 量，并且多個第二流體射流可具有范圍為10xvs到25xvs的徑向速 度分量。
該方法可進一 步包括從外部對管壁進行加熱，使管與第 一 中間
8體氣體混合物之間的熱傳遞是從管向第 一 中間體氣體混合物進行 的。
該方法還包括在燃燒反應中在管壁外面燃燒燃料，并將來自燃 燒反應的熱量傳遞到管壁，使管與第 一 中間體混合物之間的熱傳遞 是從管向第 一 中間體混合物進行的。
該方法可進一步包括提供管狀反應器。
一種或多種反應物可包括CH4和H20,并且一種或多種產物可 包括H2和CO。
在該方法中使用的催化劑可以是蒸汽轉化催化劑。
對形成第一中間體混合物有效的反應條件可包括從40(TC到 1000。C范圍的溫度和從100KPa到4200KPa范圍的壓力，并且對形 成第二中間體混合物有效的反應條件可包括從400。C到1000。C范 圍的溫度和從lOOKPa到4200KPa范圍的壓力。
所述方法可進一步包括從外部對管壁進行冷卻，使管與第一中 間體氣體混合物之間的熱傳遞是從第 一 中間體氣體混合物向管進行的。
本發(fā)明還涉及具有管狀反應器入口和位于管狀反應器入口下 游的管狀反應器出口的管狀反應器，其中管狀反應器包括具有管壁 的管，和位于管內的插入物。插入物包括催化劑和沿管的縱向長度 方向連續(xù)設置的多個金屬結構，多個金屬結構的每一個都具有上游 端，下游端和圍繞上游端和下游端之間的中央空間的側壁，其中上 游端限定到中央空間的入口 ，中央空間在下游端處至少部分4皮封 閉，側壁具有適于形成從中央空間指向管壁的流體射流的多個孔， 多個孔的特征由水力直徑d和與管壁的間隔h來描述，其中，對于 多個孔來說，h/d的范圍為從0.5到10，多個金屬結構的每一個在 管壁與多個金屬結構的每一個的側壁之間限定外部空間，外部空間 與相鄰的下游金屬結構的入口和/或管狀反應器出口流體連通。
多個金屬結構的每一個的側壁可在外部空間中限定多個腔。
中央空間可在下游端被封閉或者密封。催化劑可支撐在多個金屬結構上。 催化劑可由催化劑微粒支撐。
催化劑微?？晌挥诙鄠€金屬結構的每一個的中央空間中。 插入物可包括位于多個金屬結構的金屬結構的中央空間中的 金屬子結構，其中催化劑支撐在金屬子結構上。
管的特征在于橫截面積At，并且用于多個金屬結構的每一個的 外部空間可具有的特征在于橫截面積Aa,其中，在上游端與下游 端之間的任意位置處，0.1^Aa/At^0.7。
用于多個金屬結構的每一個的多個孔可具有累積流通面積A。， 其中,A0/At<Aa.A0 /At ，At可小于或等于0.5 。
多個金屬結構可包括位于上游端處的導流板，其中導流板圍繞 入口 。
導流板可以在導流板與管壁之間限定間隙面積Ab的間隙為特 征，其中0.01^Ab/At^A。/At。
多個金屬結構中的第一個的下游端可與多個金屬結構中的第 二個間隔一距離D，其中，多個金屬結構中的所述第一個與多個金 屬結構中的所述第二個相鄰并位于其下游，其中，0.5cm<D<50cm。 在管狀反應器中使用的催化劑可以是蒸汽轉化催化劑。 間隔h的范圍可從0.5mm到10mm,或者可從lmmm到10mm。 本發(fā)明還涉及具有管狀反應器入口和位于管狀反應器入口下 游的管狀反應器出口的管狀反應器，其中管狀反應器包括具有管壁 和縱向軸線的管，和位于管內的插入物。在該實施方式中，插入物 包括催化劑和限定多個基本平行的通道的金屬結構。多個基本平行 的通道中的每一個具有和與管的縱向軸線平行的虛線形成銳角a 的縱向軸線，其中a的范圍為從10。到80。，或者從30。到60。。每 個基本平行的通道具有上游端和下游端，上游端具有纟黃截面積A八。， 下游端終止于具有橫截面積A孔的孔中，其中，對于多個基本平行 的通道來說，A孔/A入。的范圍為0.001到0.7或者從0.001到0.25。 用于多個基本平行的通道的每一個的孔的特征由水利直徑d和與管壁的間隔h來描述，其中，對于多個孔來說，h/d的范圍為從0.5 到IO或者從1到10。
用于多個基本平行的通道的孔的間隔h的范圍可從0.5mm到 10mm，或者可/人lmm到10mm。
在該實施方式中，金屬結構可由波紋金屬片和折疊的平金屬片 形成。
在管狀反應器中使用的催化劑可以是蒸汽轉化催化劑。 A孔的范圍可以從0.1mm2到50mm2，或者其范圍可乂人O.lmm2 到20mm2。
金屬結構可支撐催化劑。


圖1是管狀反應器的一般視圖，示出了管壁內表面上的射流沖擊。
圖2是顯示具有用于在管壁上形成射流沖擊的插入物的管狀 反應器的一部分的視圖。
圖3是顯示具有用于在管壁上形成射流沖擊的具有替代幾何 結構的插入物的管狀反應器的一部分的視圖。
圖4A和4B示意性地示出了具有插入物的管狀反應器的一部 分，包括用于在管壁上形成射流沖擊的結構化包裝。
圖5是經過管狀反應器的熱傳遞系數(shù)對壓力梯度的曲線圖，對 比了實驗數(shù)據(jù)與計算流體動力學模擬結果。
圖6是經過管狀反應器的熱傳遞系數(shù)對壓力梯度的曲線圖，對 比了實驗數(shù)據(jù)與計算流體動力學模擬結果。
圖7是通過計算流體動力學模擬計算的經過管狀反應器的熱. 傳遞系數(shù)對壓力梯度的曲線圖，對比了常規(guī)波紋結構化包裝與根據(jù) 本發(fā)明的結構化包裝。
圖8是通過計算流體動力學模擬計算的經過管狀反應器的熱 傳遞系數(shù)對壓力梯度的曲線圖,.對比了常規(guī)波紋結構化包裝與根據(jù)
ii本發(fā)明的結構化包裝。
具體實施例方式
當應用于在說明書和權利要求書中描述的本發(fā)明的實施方式 中的任何部件時，在本文中使用的不定冠詞"一"和"一個"指的是一
個或多個。除非特別指明，"一"和"一個"的使用并不是將其意思限 定為單個部件。在單數(shù)和復數(shù)名詞或名詞短語前面的定冠詞"所述"
表示一個或多個特別指明的部件，并且根據(jù)其被使用的上下文可具 有單數(shù)或者復數(shù)含義。形容詞"任何"指的是一個、 一些或者所有不 加選擇的任何數(shù)量。
短語"至少 一部分"指的是"部分或者全部"。
本發(fā)明涉及由反應物混合物生產產物混合物的方法和管狀反 應器。更具體地說，本發(fā)明涉及改進管狀反應器中的熱傳遞。
所述方法和管狀反應器可特別適用于氫和/或合成氣體(合成
氣)的生產，其中產物混合物可包括H2和CO。所述方法和管狀反 應器還可被用于其他反應過程，諸如水煤氣轉換、部分氧化、氫化、 哈柏(Haber)過程，.曱烷化、氣體脫硫、催化氧化和氨氧化。
管狀反應器在化學和石化工業(yè)中是公知的。管狀反應器包括圍 繞支撐物上的催化劑的管。催化劑可被支撐在催化劑微?；蛘咚^ 的結構化包裝上。用于所需反應的合適催化劑在本領域是已知的。 在生產氫和/或合成氣體的情況下，催化劑可以是蒸汽轉化催化劑。 用于蒸汽甲烷(碳氫化合物)轉化的合適催化劑在本領域是已知的。 任何合適的催化劑都可被選擇并在所述方法和/或反應器中使用。
本發(fā)明涉及非絕熱管狀反應器，其中熱量可經過管壁施加到管 狀反應器或者經過管壁從管狀反應器除去。
參見圖1,顯示了管狀反應器l,管狀反應器1包括管3和插 入物30。管具有管壁5。管狀反應器1具有管狀反應器入口 10和 位于管狀反應器入口 10下游的管狀反應器出口 20。插入物30包 括催化劑31。插入物30位于管3內。管在這里被限定為用于在管內傳導或輸送流體的任何中空主 體。管可具有圓形橫截面、正方形橫截面或者其他期望的形狀。管 具有沿縱向長度方向長延伸并沿著管的橫截面的幾何中心定位的 縱向軸線?？v向長度方向與從反應器的入口到出口的方向相對應。
插入物30可具有如圖2-4所示的各種幾何形狀。插入物30具 有用于形成流體射流71的多個孔70。如在本文中使用的那樣，孔 為物質可通過的開口 (諸如小孔)?？卓梢允菆A形小孔，或者可具 有諸如裂縫或槽的其它期望形狀。如本文中使用的那樣，多個意味 著兩個或者更多。
所述方法包括將包括一種或多種反應物的反應物混合物40在 第一壓力Pi以入口表觀軸向速度Vs引入到管狀反應器入口 10中。
反應物混合物可以是氣體或者其可以是液體。在生產合成氣體 和/或氫的情況下， 一種或多種反應物可包括CH4和H20。曱烷可 由天然氣提供，所述天然氣包括具有乙烷、丙烷和丁烷形式的少量 雜質的初級甲烷。
表觀軸向速度是體積流速除以管的橫截面積(不考慮插入物占 據(jù)的面積)。體積流速與入口條件(壓力和溫度)下的體積流速對 應。反應器的入口與其中在管的橫截面內含有插入物(排除任何定 位片或者連接桿或者支撐桿)的最上游位置對應。第一壓力Pi為 反應器入口處的壓力。
所述方法進一步包括使來自反應物混合物40的一種或多種反 應物與插入物30的第一部分上的催化劑接觸，以使一種或多種反 應物在對形成第一中間體混合物有效的反應條件下發(fā)生反應，所述 第 一 中間體混合物包括 一 種或多種反應物和 一 種或多種產物。僅僅
一部分反應物在插入物30的第一部分中被轉化。第一中間體混合 物可以是氣體或液體。在生產氫和/或合成氣體的情況下， 一種或 多種產物包括H2和CO。用于期望反應的合適反應條件在本領域是 已知的。例如，對于生產氳和/或合成氣體的情況來說，對形成第 一中間體混合物有效的反應條件可包括從400。C到1000。C范圍的
13溫度和從100kPa到4200kPa范圍的壓力。
所述方法進一步包括以第 一 中間體混合物的至少 一部分形成 多個第一流體射流71。多個第一流體射流71通過使第一中間體混 合物穿過插入物的第一部分中的多個孔70形成?？讓⒘黧w射流引 向管壁5。
多個孔的特征在于水力直徑d和與管壁的間隔h,其中h/d的 范圍為從0,5到IO或者從1到10。出于本發(fā)明的目的，間隔h是 孔的幾何中心與管壁上最接近孔的幾何中心的點之間的距離。水力 直徑由常規(guī)方式定義，d-4x橫截面積/潤周。間隔h和水力直徑d 是參數(shù)，而非特定值。對于多個孔的每一個來說，間隔h和水力直 徑d的值不必是相同的。該值可以在不同插入物部分之間甚至在插 入物部分內有目的地變化。間隔h的范圍可以是0.5mm到10mm。
本發(fā)明的方法的特定優(yōu)點在于，熱傳遞不會由于延伸操作之后 管壁發(fā)生塑性變形而遞降。在依賴于流體在插入物與管壁之間擠壓 的現(xiàn)有方法中，由于當管壁直徑增大時，插入物與管壁之間的間隙 增大，因此導致流體速度更低，熱傳遞遞降。更低的速度導致熱傳 遞降低。
相反，本發(fā)明的方法有目的地不依賴插入物與管壁之間的間隙 來提供有效的熱傳遞，而是射流速度。由于孔的水力直徑在管狀反 應器的延伸操作后不發(fā)生變化，對于給定流速來說，流體速度也不 發(fā)生變化，因此熱傳遞效率得到保持。
本發(fā)明的方法進 一 步包括使多個第 一 流體射流沖擊管壁，從而 在管和來自多個第 一 流體射流的第 一 中間體混合物之間傳遞熱量。 射流沖擊通過使可沿著管壁建立的邊界層最小化而增強了管壁與 第 一 中間體混合物之間的熱傳遞。射流可指向與管壁表面基本垂直
或者與管壁成一角度。角度可在與管壁垂直的士45。范圍之內。熱量 在管與第一中間體混合物之間傳遞意味著熱量可從管傳遞到第一 中間體混合物或者從第 一 中間體混合物傳遞到管。
所述方法進一步包括使來自多個第一流體射流的至少一部分第一中間體混合物轉向或遠離管壁通過，從而形成包括一種或多種 反應物和一種或多種產物的回流。在第 一 中間體混合物作為流體射 流沖擊管壁之后，其遠離管壁運動。遠離管壁的運動可得到插入物 形狀的幫助，例如使流體通過孔排之間的腔?；亓饔芍辽僖徊糠值?一中間體混合物形成。催化劑可設置在管壁上，并且一種或多種反 應物可進一步被轉化。理想的是由所有第一中間體混合物形成回 流，但是部分第一中間體混合物可繞過回流路徑。
所述方法進一步包括使來自回流的一種或多種反應物與插入
物30的第二部分上的催化劑接觸，以使一種或多種反應物在對形
成第二中間體混合物有效的反應條件下發(fā)生反應，所述第二中間體 混合物包4舌一種或多種反應物和一種或多種產物。僅僅一部分反應
物在插入物30的第二部分中被轉化。第二中間體混合物可以是氣 體或液體。在生產氬和/或合成氣體的情況下， 一種或多種產物包 括H2和CO。與在插入物的第一部分中的反應一^",用于期望反應 的合適反應條件在本領域是已知的。例如，對于生產氫和/或合成 氣體的情況來說，對形成第二中間體混合物有效的反應條件可包括 從400。C到1000。C范圍的溫度和從100kPa到4200kPa范圍的壓力。 第二中間體混合物可具有比第 一 中間體混合物更大的一種或多種
產物濃度。
所述方法進 一 步包括以第二中間體混合物的至少第 一 部分形 成多個第二流體射流72。多個第二流體射流72通過使第二中間體 混合物穿過插入物的第二部分中的多個孔形成。多個第二流體射流 定位在多個第一流體射流的下游?？讓⒘黧w射流引向管壁5。
本發(fā)明的方法進一步包括使多個第二流體射流沖擊管壁5,從 而在管與來自多個第二流體射流的第二中間體混合物之間傳遞熱
量。射流沖擊通過使可沿著管壁建立的邊界層最小化而增強了管壁 與第二中間體混合物之間的熱傳遞。多個第二流體射流可指向與管
壁表面基本垂直或者與管壁成一角度。
所述方法進 一 步包括使來自多個第二流體射流的至少 一 部分第二中間體混合物轉向或者遠離管壁通過。在第二中間體混合物作 為流體射流沖擊管壁之后，其遠離管壁運動。
當反應物從管狀反應器入口到管狀反應物出口通過時，可重復
多次以下順序(i)使一種或多種反應物與插入物的一部分中的 催化劑接觸以使一種或多種反應物發(fā)生反應，(ii)形成多個流體 射流，(iii)使流體射流沖擊管壁并使流體返回以〗更在插入物的另 一部分中進一步反應。
所述方法進一步包括在第二壓力p2從管狀反應器出口 20抽取 包括一種或多種產物的反應混合物50。第二壓力p2是反應器出口 處的壓力。反應器出口與在管的橫截面內含有插入物(排除任何定 位片或者連接桿或支撐桿)的最下游位置對應。產物混合物可以是 氣體或者液體。
所述方法的特征在于管狀反應器中的累積壓降AP射流由經過多 個孔的流動得到，其中AP射流/(p廣p2)大于或等于0.5,AP射流/(p廣p2) 可以大于或等于0.75或者AP射流/ (Pl-p2)可以大于或等于0.9。由 經過多個孔的流動得到的管狀反應器中的累計壓降AP射流是管狀反 應器中與經過孔的流動有關的總壓降。管狀反應器中與經過孔的流 動相關的這種總壓降可通過經過具有孔的兩個或多個管狀反應器 的流動測試來確定，其中已經除去或者極大地降低了與這些孔相關 的壓力限制。為了確定沒有孔的壓降，可在孔的水力直徑增大到經 過孔的壓降相對于管狀反應器中的其他壓降很小的程度下進行流 動測試。本領域技術人員可使用計算流體動力學(CFD)模擬、其 它理論計算或者通過實驗來估計由經過多個孔的流動得到的管狀 反應器中的累積壓降AP 射流o
經過多個孔的壓降是用于描述本發(fā)明的方法的合適參數(shù)。流體 射流的速度影響流體與管壁之間的熱傳遞。經過孔的壓降直接取決 于經過孔的速度。因此，熱傳遞的特征可通過經過多個孔的壓降來 描述。
在本發(fā)明的方法中，多個第一流體射流可具有范圍為2xvs到25xvs或者范圍為10xvs到25xvs的徑向速度分量。并且多個第二流 體射流可具有范圍為2xvs到25xvs或者范圍為10xvs到25xvs的徑 向速度分量。
使用管狀反應器的 一些反應過程是吸熱的，例如蒸汽甲烷轉化 過程。因此，本發(fā)明的方法可進一步包括從外部對管壁進行加熱， 使管與第 一 中間體氣體混合物之間的熱傳遞是從管向第 一中間體 氣體混合物進行的。管壁的外部加熱可通過燃燒反應、電加熱或者 其它熱源來提供。
所述方法可進一步包括在管壁之外在燃燒反應中燃燒燃料，并 將熱量從燃燒反應傳遞到管壁，從而使管與第 一 中間體氣體混合物 之間的熱傳遞是從管向第 一 中間體氣體混合物進行的。
所述方法可進一步包括提供管狀反應器，所述管狀反應器包括 具有管壁的管，管狀反應器具有管狀反應器入口和位于管狀反應器 入口下游的管狀反應器出口 ，其中管狀反應器具有包括催化劑的插 入物，插入物位于管內，并且插入物具有用于形成流體射流的多個 孔，多個孔的特征由水力直徑d和與管壁的間隔h來描述，其中， 對于所述多個孔來說，h/d的范圍為從0.5到IO或者從I到10。
使用管狀反應器的一些反應是放熱的，例如水煤氣轉換、甲烷 化、部分氧化和氬化。所述方法可進一步包括從外部對管壁進行冷 卻，使管與第 一 中間體氣體混合物之間的熱傳遞是從第 一 中間體氣 體混合物向管進行的。管的冷卻可通過任何常規(guī)方式來提供，例如 向冷卻液的傳遞熱或者在管外部使液體(例如水)蒸發(fā)。
圖2示出了適用于進行本發(fā)明的方法的管狀反應器的一種實 施方式，管狀反應器的一部分在圖2中顯示。
管狀反應器具有管狀反應器入口和位于管狀反應器入口下游 的管狀反應器出口，如圖l所示。參見圖2，管狀反應器包括具有 管壁5的管3和位于管3內的插入物30。插入物30包括催化劑和 多個金屬結構32。
管3可由適用于期望應用的任何材料制成。對于氫和/或合成氣體生產來說，用于管狀反應器的合適材料在本領域是已知的。
多個金屬結構可通過常規(guī)金屬加工方法來制備。合適的構造材 料可被選擇用于特定應用。對于氫和/或合成氣體生產來說，合適 的構造材料在本領域是已知的。
多個金屬結構32沿著管的縱向長度方向連續(xù)設置。多個金屬 結構32的每一個具有上游端34、下游端36和圍繞上游端34與下 游端36之間的中央空間的側壁38。上游端限定了到中央空間的入 口 42。中央空間在下游端36處至少部分^:封閉。中央空間在下游 端36處可^^皮完全封閉或密封。
側壁大體上是剛性的，意即側壁不會由于壓力差而膨脹或者收 縮超過0.05mm。側壁可由于熱膨脹而膨脹或收縮。
側壁38具有適于形成從中央空間指向管壁5的流體射流的多 個孔70。在圖2中，孔70被顯示為槽。作為替代，孔可以是圓形 小孔?？卓删哂腥魏纹谕男螤?。多個孔70的特征由水力直徑d 和與管壁的間隔h來描述，其中，對于所述多個孔來說，h/d的范 圍為0.5到10或者1到10。間隔h的范圍可從0.5mm到10mm。 插入物與管壁的間隔可通過定位件或者定心銷或者其它合適的部 件來保持。
多個金屬結構的每一個在管壁5和多個金屬結構32的每一個 的側壁38之間限定了外部空間44。多個金屬結構32的每一個具 有其各自的外部空間44。外部空間44與多個金屬結構32的相鄰 的下游金屬結構的入口 42流體連通，或者在最下游金屬結構的情 況下，與管狀反應器出口流體連通。
外部空間44用于在流體沖擊管壁5之后收集流體并使流體通 過相鄰的下游金屬結構32的入口 42。與相鄰的下游金屬結構流體 連通的外部空間意p未著至少 一 部分流經外部空間的流體進入相鄰 的下游金屬結構的入口中。用于最下游金屬結構的外部空間44可 與管狀反應器出口流體流動連通并因此可使流體流到管狀反應器 出口 。相鄰意味著在附近，可以包括或不包括接觸，但要求二者之間 沒有相同種類的任何物質。
在金屬結構的下游端36與相鄰的下游金屬結構的上游端34之 間可以存在體量/空間。相鄰金屬結構之間的距離可以為0.1到1 個管直徑。當管為非圓形時，水力直徑被用于確定該距離。該距離 可以是0.5cm到50cm。
多個金屬結構的每一個的側壁可具有與管的橫截面互補的形 狀。多個金屬結構的每一個的側壁可以為圓柱形形狀。
多個金屬結構的每一個的側壁可在外部空間44中限定多個腔 46。腔為被壓縮或者較低部分表面中的空間或者空腔，例如凹部。
腔可以是V形、U形、正弦形狀或者其它任何期望的形狀。在 圖2中，腔46被顯示為V形腔。
外部空間中的多個腔通過為沖擊管壁之后流體的回流提供空 間而改善了由多個孔形成的射流的流動特性。多個腔還為流體向著 相鄰的下游金屬結構的入口和/或管狀反應器出口運動提供了通 道。
催化劑可支撐在多個金屬結構上。催化劑可通過任何方式例如 將催化劑涂敷、浸漬或者粘貼到金屬結構的至少一部分上而支撐在 金屬結構上。
催化劑可支撐在催化劑微粒(未顯示)上。催化劑微?？杀欢?位在多個金屬結構的每一個的中央空間中。
催化劑可支撐在金屬子結構(未顯示)上，例如所謂的結構化 包裝上。金屬子結構可位于多個金屬結構的金屬結構的中央空間 中。金屬子結構可與金屬結構物理連接或者作為金屬結構一部分， 或者可不與金屬結構連接但設置在金屬結構中。
催化劑可以是蒸汽轉化催化劑。
理想的是在外部空間的區(qū)域中提供足夠的流動面積，以使相鄰 流體射流之間的相互作用最小化并使該區(qū)域中的壓降最小化。管的 特征可由橫截面積At來描述，并且包括用于多個金屬結構的每一
19個的腔的外部空間可具有的特征在于橫截面積Aa。對于橫截面來
說，橫截面積Aa是用于所有腔的累積面積。對于多個金屬結構的 每一個來說，金屬結構的上游端與下游端之間的任意位置處的
Aa/At的范圍為0.1到0.7。管的橫截面積與用于外部空間的橫截面
積被限定在與管軸線垂直并且在相同的縱向長度位置處的平面上。
管的橫截面積At可在從lcn^到11112的范圍或者從lcn^到500cm2
的范圍。
相反，孔被預期來提供經過管狀反應器的壓降的顯著部分。因 此，對于用于多個金屬結構的每一個的多個孔來說，累積流動面積 Aa可以是At的1%到25%。
孑L的面積在這里^皮限定為孔在經過孔的幾4可中心的平面上的 投影面積，其中所述平面與由與孔的幾何中心對應的點和管壁上最 接近與孔的幾何中心對應的點的點限定的虛線垂直。
多個金屬結構32的每一個可包括位于金屬結構32的上游端 34處的導流板60。導流板可圍繞入口 42，如圖2中所示。導流板 為使流體流動偏轉的任何裝置，諸如平板、壁或者屏。
導流板可具有的特征在于在導流板60與管壁5之間限定間隙 面積Ab的間隙，其中Ab大于或等于管橫截面積At的1%，最大為 管橫截面積At的大約15%。
金屬結構的下游端可以與相鄰的下游金屬結構的上游端間隔 距離D,其中，D的范圍從0.5cm到50cm。該間隔可通過定位件 (在圖2中未顯示)來提供或者多個金屬結構的每一個可與中央桿 (在圖2中未顯示)連接，所述中央桿連接到多個金屬結構的每一 個上并沿著管的長度延伸。
圖3示出了用于前面的實施方式的另一種幾何結構。管狀反應 器包括具有管壁5和插入物30的管3。
插入物包括催化劑和沿著管3的縱向長度方向連續(xù)設置的多 個金屬結構32。多個金屬機構32的每一個具有上游端34、下游端 36和圍繞上游端34與下游端36之間的中央空間的側壁38。上游
20端34限定了到中央空間的入口 42。中央空間在下游端36處至少 部分被封閉。側壁38具有適于形成從中央空間指向管壁5的流體 射流的多個孔70。多個孔70的特征由水力直徑d和與管壁5的間 隔h來描述，其中用于多個孔70的h/d的范圍為從0.5到10或者 從1到10。多個金屬結構32的每一個在管壁5和多個金屬結構32 的每一個的側壁38之間限定外部空間44,其中，多個金屬結構32 的每一個的側壁38在外部空間44中限定多個腔46。外部玄間44 與相鄰的下游金屬結構32的入口 42和/或管狀反應器出口流體連 通。
圖3中顯示的金屬結構可由打褶(折疊)然后形成圓柱形形狀 的金屬片制成，這里被稱為"打褶的圓柱"。褶的高度可以在打褶圓 柱的外徑的5%到40%的范圍內。褶的外邊緣具有沿著褶的縱向長 度方向間斷地隔開的孔。為了制造，外部折疊可在打褶圓柱的上游 端處被切割成較短的距離，大約為褶的高度的50%到200%,從而 形成松弛的擋板，并且擋板的末端可成對連接在一起。為了說明的 目的，擋板繞著打褶圓柱的周邊從1到N連續(xù)編號。擋板2與擋 板3連接，擋板4與擋板5連接，擋板6與擋板7連接，這樣繼續(xù) 下去直到擋板N與擋板1連接。與擋板1相鄰的邊緣和與擋板N 相鄰的邊緣之間的打褶圓柱的內邊緣也凈皮連接。
下游端處的開口中央可通過形狀與多個腔適當互補的另一擋 板片封閉以避免封閉外部空間與相鄰的下游金屬結構的入口之間 和/或外部空間與管狀反應器出口之間的流體連通。
當設置在管中時，軸向流動通道形成在打褶圓柱的外表面與管 壁的內表面之間。這些通道的上游端基本上由已經在通道的上游端 處連接在一起的擋板封閉。在通道的下游端處，通道是開放的。
用于形成金屬結構的金屬片的厚度可被選擇成使得金屬結構 基本上是剛性的。其它特征可以是如上面對應于圖2的幾何結構描 述的那些。
圖4A和4B示出了適于進行本發(fā)明的方法的管狀反應器的另一種實施方式。管狀反應器的一部分在圖4A和4B中顯示。
如圖1中的一般圖示所顯示的那樣，管狀反應器具有管狀反應 器入口和位于管狀反應器入口下游的管狀反應器出口。參見圖4A
和4B,管狀反應器包括管3和位于管3內的插入物30。管具有管 壁5和縱向軸線107。插入物130包括催化劑和金屬結構132。催 化劑可以是蒸汽轉化催化劑。蒸汽轉化催化劑可以是本領域已知的 適用于蒸汽甲烷(蒸汽碳氫化合物)轉化的任何催化劑。催化劑可 支撐在金屬結構132上。催化劑可通過任何方式例如將催化劑涂 敷、浸漬或者粘貼到金屬結構132的至少一部分上而支撐在金屬結 構上。
金屬結構132限定多個基本平行的通道140。多個基本平行的 通道的意思是多個通道在3°范圍內平行。多個基本平行的通道140 的每一個具有縱向軸線145,縱向軸線145與和管的縱向軸線107 平行的虛線形成銳角a?；酒叫械耐ǖ?40的縱向軸線一般不與 管的縱向軸線107位于同一平面。因此需要建立與管的縱向軸線 107平行的虛線以確定銳角a。銳角是測定小于90度的角。 銳角a的范圍為從10°到80°,或者從30。到60°。 限定多個基本平行的通道的金屬結構，每一個具有與管的縱向 軸線平行的虛線形成銳角a的縱向軸線的多個基本平行的通道在 本領域是已知的并且表示一種類型的結構化包裝。金屬結構可由波 紋金屬片和平的金屬片制成。金屬結構可由膨脹金屬或者分層堆疊 或者螺旋纏繞的金屬線篩制成。
已知的結構化包裝與該實施方式的關鍵區(qū)別在于孔特征。 基本平行的通道140具有上游端和下游端，上游端具有橫截面 積A人口，下游端終止于具有橫截面積A孔的孔170，其中，對于多 個基本平行的通道來說，A孔/A八。的范圍為0.001到0.7或者從0.001 到0.25。 A孔的范圍可以是0.1mm2到50mm2,或者是0.1mm2到 20mm2。
多個基本平行的通道的每一個的孔170的特征由水力直徑d和與管壁的間隔h來描述，其中，h/d的范圍為0.5到IO或者1到 10。與前面的實施方式類似，間隔h是孔的幾何中心與管壁上最接 近孔的幾何中心的點之間的距離。水力直徑與前面定義的 一樣。
在基本平行的通道的下游端處包括孔的金屬結構可使用波紋 金屬片180和折疊的平金屬片190制成。
雖然在圖4A中顯示為小孔，但孔可以是圓形小孔、槽、裂縫 或者其他期望形狀?；酒叫械耐ǖ?40可終止于具有相同或不同 橫截面積的一個或多個孔。在多個基本平行的通道之一的下游處存 在多個孔的情況下，A ^與多個孔的累積面積對應。
兩個或多個孔可由覆蓋兩個或多個相鄰的平^f亍通道的切口形
成。對于特定的通道來說，孔的面積是其切口沿著通道的縱向軸線 方向投影在通道的下游橫截面上的面積。
對于多個基本平行的通道140的每一個的孔來i兌，間隔h可以 是從0.5mm到10mm的范圍，或者從lmm到10mm的范圍。
實施例
利用計算流體動力學(CFD )模擬對用于射流沖擊熱傳遞的多 個孔的技術效果進行研究。
CFD模擬驗證熱傳遞實驗。
對各種包裝進行熱傳遞實驗。測量作為經過管的壓降的函數(shù)的 熱傳遞系數(shù)。使用空氣作為流體進行實驗，并且對管進行電加熱。 大約在大氣壓和環(huán)境溫度下進行實驗。各種流速的熱傳遞系數(shù)通過 壁溫測量來計算。
對于與圖2中示出的結構類似的"杯設計(cup design)"來 說，將CFD模擬結果與圖5中的實驗數(shù)據(jù)進行比較。在"杯設計" 中，孔開口與管壁之間的距離大約為3mm。金屬結構的長度為大 約66mm,相鄰金屬結構之間的距離為18mm。金屬結構具有開放 的頂部和密封的底部。側壁的直徑大約為86mm。側壁共具有28 個裂縫，每個裂縫的寬度為大約lmm。每個金屬結構的上游端具 有導流板以封閉金屬結構壁與管壁之間的流動通道。對于與圖4中示出的結構類似，但不具有本發(fā)明的多個孔的常 規(guī)"波紋片設計"，將CFD模擬結果與圖6中的實驗數(shù)據(jù)進行比較。 每個金屬結構包括30個波紋和31個0.2mm鋁箔的平片。金屬結 構被切割成長101mm且寬度不等的矩形形狀，使得當波紋和平片 交替堆疊在一起時，堆疊形成長lOlmm和直徑為98mm的圓柱形 形狀。波紋和平片限定了通道，其橫截面與高為大約3mm和底為 6mm的等腰三角形類型。波紋片被設置成使流動方向在層與層之 間交替的朝向。在"波紋片設計"中，波紋相對于管軸線的角度為大 約60度，并且結構的邊緣與管壁之間的間隔為lmm。
CFD模擬結果與熱傳遞實驗之間的緊密一致性表明了 CFD模 擬的適度可靠性。
圖7顯示了用于"杯設計"和常規(guī)"波紋片設計"的CFD模擬。 在"波紋片設計"中，波紋相對于管軸線的角度大約為45度。
在圖7中，顯示了在金屬結構與管壁之間具有l(wèi)mm間隔和在 金屬結構與管壁之間具有2mm間隔的常規(guī)"波紋片設計"的結果。 間隔增大表示管塑性變形之后的狀態(tài)。CFD模擬結果顯示了對于 常規(guī)波紋片設計來說，熱傳遞系數(shù)是如何通過間隔的增大而降低 的。
圖7還顯示了"杯設計"的CFD模擬結果。顯示了表示初始狀 態(tài)的孔開口與管壁之間的間隔為6mm的情況下和表示管發(fā)生4mm 塑性變形的孔開口與管壁之間的間隔為8mm的情況下的結果。 CFD模擬結果顯示了對于"杯設計"來說，熱傳遞系數(shù)隨著孔與管壁 之間的間隔距離的變化而基本上不發(fā)生改變。這與熱傳遞系數(shù)由于 間隔增大而顯著下降的常規(guī)"波紋片設計"相反。
圖8顯示了常規(guī)"波紋片設計"和具有多個孔的"波紋片設計"的 CFD模擬結果。常規(guī)"波紋片設計"與圖7的描述相同。在具有多個 孔的"波紋片設計"中，波紋相對于管軸線的角度大約為30度，并 且槽開口與流動通道之間的面積比大約為0.5。顯示了表示初始狀 態(tài)的孔開口與管壁之間的間隔為2mm的情況下和表示管經歷了2mm塑性變形的間隔為3mm的情況下的結果。結果顯示了對于具 有多個孔的設計來說，當間隔增大(即在管塑性變形之后)時熱傳 遞系數(shù)不會下降得象常規(guī)設計那樣多。
2權利要求
1、一種用于在管狀反應器中生產產物混合物的方法，所述管狀反應器包括具有管壁的管，所述管狀反應器具有管狀反應器入口和位于管狀反應器入口下游的管狀反應器出口，其中管狀反應器具有包括催化劑的插入物，所述插入物位于所述管內，并且所述插入物具有用于形成流體射流的多個孔，所述多個孔的特征在于水力直徑d和與管壁的間隔h，其中對于所述多個孔來說，h/d的范圍為從0.5到10，所述方法包括(a)將包括一種或多種反應物的反應物混合物在第一壓力p1以入口表觀軸向速度vs引入到所述管狀反應器入口中；(b)使來自反應物混合物的一種或多種反應物與所述插入物的第一部分上的催化劑接觸，以使所述一種或多種反應物在對形成包括一種或多種反應物和一種或多種產物的第一中間體混合物有效的反應條件下進行反應；(c)利用所述第一中間體混合物的至少一部分形成多個第一流體射流；(d)使所述多個第一流體射流沖擊在管壁上，從而在管與來自多個第一流體射流的第一中間體混合物之間傳遞熱量；(e)使來自多個第一流體射流的第一中間體混合物的至少一部分遠離管壁轉向，從而形成包括一種或多種反應物和一種或多種產物的回流；(f)使來自回流的一種或多種反應物與所述插入物的第二部分上的催化劑接觸，以使所述一種或多種反應物在對形成包括一種或多種反應物和一種或多種產物的第二中間體混合物有效的反應條件下進行反應；(g)利用所述第二中間體混合物的至少一部分形成多個第二流體射流，所述多個第二流體射流位于所述多個第一流體射流的下游；(h)使多個第二流體射流沖擊在管壁上，從而在管與第二中間體混合物之間傳遞熱量；(i)使來自多個第二流體射流的第二中間體混合物的至少一部分遠離管壁轉向；和(j)在第二壓力p2將包括一種或多種產物的產物混合物從管狀反應器出口抽出；其中，管狀反應器中的累積壓降Δp射流從經過多個孔的流動得到，并且ΔP射流/(p1-p2)≥0.5，更優(yōu)選地，ΔP射流/(p1-p2)≥0.75。
2、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，多個第一流體射流具有范圍為2xvs到25xvs的徑向速度分量，并且多個第二流體射流具有范圍為2x^到25xvs的徑向速度分量。
3、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，使來自多個第一流體射流的第 一 中間體混合物的至少 一部分遠離管壁轉向的步驟包括使所述第 一 中間體混合物的至少 一部分通過形成于管壁與插入物之間的多個腔。
4、 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括在燃燒反應中在管壁外面燃燒燃料，和將來自燃燒反應的熱量傳遞到管壁，使所述管與所述第 一 中間體混合物之間的熱傳遞是從管向所述第 一 中間體混合物進行的。
5、 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括提供管狀反應器。
6、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述一種或多種反應物包括CH4和H20，所述一種或多種產物包括112和CO,并且，所述催化劑是蒸汽轉化催化劑。
7、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，對形成第一中間體混合物有效的反應條件包括從400。C到1000°C范圍的溫度和從100KPa到4200KPa范圍的壓力，并且，對形成第二中間體混合物有效的反應條件包括從400°C到1000°C范圍的溫度和從100KPa到4200KPa范圍的壓力。
8、 一種具有管狀反應器入口和位于管狀反應器入口下游的管狀反應器出口的管狀反應器，所述管狀反應器包括 具有管壁的管，和位于所述管內的插入物，其中，所述插入物包括催化劑；和沿所述管的縱向長度方向連續(xù)設置的多個金屬結構，所述多個金屬結構中的每一個都具有上游端、下游端和圍繞上游端和下游端之間的中央空間的側壁，其中，所述上游端限定到中央空間的入口 ，所述中央空間在所述下游端處至少部分被封閉，且所述側壁具有能夠形成從中央空間指向管壁的流體射流的多個孔，所述多個孔的特征在于水力直徑d和與管壁的間隔h,其中，對于所述多個孔來說，h/d的范圍為從0.5到10，且所述多個金屬結構的每一個在管壁和所述多個金屬結構的每 一 個的側壁之間限定外部空間，所述外部空間與相鄰的下游金屬結構的入口和/或管狀反應器出口流體連通。
9、 根據(jù)權利要求8所述的管狀反應器，其中，所述多個金屬結構的每一個的側壁在所述外部空間中限定多個腔。
10、 根據(jù)權利要求8所述的管狀反應器，其中，所述催化劑支撐在所述多個金屬結構上或者由催化劑微粒支撐，并且所述催化劑微粒位于所述多個金屬結構的每一個的中央空間中。
11、 根據(jù)權利要求8所述的管狀反應器，其中，所述插入物包括位于所述多個金屬結構的金屬結構的中央空間中的金屬子結構，且催化劑被支撐在所述金屬子結構上。
12、 根據(jù)權利要求8所述的管狀反應器，其中，管的特征在于橫截面積At,并且用于多個金屬結構的每一個的外部空間具有累積橫截面積Aa，其中，在所述上游端與下游端之間的任意位置處，0.1^Aa/A^0.7。
13、 根據(jù)權利要求12所述的管狀反應器，其中，對于多個金屬結構的每一個來說，所述多個孔具有累積流通面積A。，其中Ao/At<Aa/At^0.5。
14、 根據(jù)權利要求8所述的管狀反應器，其中，所述多個金屬結構的每一 個包括位于上游端處的導流板，所述導流板圍繞所述入。
15、 根據(jù)權利要求14所述的管狀反應器，其中，所述導流板的特征在于在導流板與管壁之間限定間隙面積為Ab的間隙，其中0.01^Ab/At^A。/At。
16、 根據(jù)權利要求8所述的管狀反應器，其中，所述多個金屬結構的第 一個的下游端與所述多個金屬結構的第二個間隔一距離D,且所述多個金屬結構的所述第二個與所述多個金屬結構中的所述第一個相鄰并位于其下游，其中，0.5cm<D<50cm。
17、 一種具有管狀反應器入口和位于管狀反應器入口下游的管狀反應器出口的管狀反應器，其中管狀反應器包括具有管壁和縱向軸線的管，和位于所述管內的插入物，其中，所述插入物包括催化劑；和限定多個基本平行的通道的金屬結構，所述多個基本平行的通道中的每一個具有縱向軸線，該縱向軸線和與管的縱向軸線平行的虛線形成銳角a，其中，a的范圍為從10。到80。，所述基本平行的通道中的每一個具有上游端和下游端，所述上游端具有橫截面積A入。，所述下游端終止于具有橫截面積A孔的孔中，其中，對于多個基本平行的通道來說，A孔/A入口的范圍為0.001到0.7,更優(yōu)選地，A孔/A入口的范圍為從0.001到0.25,用于多個基本平行的通道的每一個的孔的特征在于水力直徑d和與管壁的間隔h,其中，h/d的范圍為從0.5到10。
18、 根據(jù)權利要求17所述的管狀反應器，其中，所述金屬結構支撐所述催化劑。
19、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述管狀反應器是根據(jù)權利要求8或權利要求17所述的管狀反應器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有射流沖擊熱傳遞的管狀反應器。本發(fā)明還公開一種用于在管狀反應器中生產產物混合物的方法，其中，管狀反應器包括具有用于形成使流體沖擊在管壁上的流體射流的孔的內部催化插入物。在非絕熱反應器中，射流沖擊被用于改善管內的流體與管壁之間的熱傳遞。管狀反應器和方法可被用于諸如蒸汽甲烷轉化的吸熱反應和諸如甲烷化的放熱反應。
文檔編號B01J8/04GK101648124SQ20091016384
公開日2010年2月17日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權日2008年8月13日
發(fā)明者D·加格, R·R·布羅克休斯, S·C·坦塔雷里, W·R·利希特, 何筱毅, 波 金 申請人:氣體產品與化學公司