合成氣體的自熱生產的製作方法

2023-09-21 12:36:30 1

專利名稱:合成氣體的自熱生產的製作方法
本發明涉及生產富氫合成氣的方法和設備，如氨合成氣。
當然，從碳氫化合物供料氣流，如天然氣生產氨的方法，已眾所周知。使碳氫料氣和水蒸汽的混合物經過吸熱催化反應，生產一氧化碳和氫。這種反應通常稱作初始重整。然後通入氮氣，主要是通入空氣，以產生氨合成氣，這稱為二次重整。
早期商業化的氨合成方法，初始重整和二次重整步驟一般都在單獨的反應器中進行。當工廠為它種用途需要或希望生產蒸汽時，這種生產方法才是完全適用和令人滿意的。因此，在這個過程中，來自二次重整運行的熱反應流體被用來生產或加熱過熱蒸汽。或者用於氨合成的其他方面，或者排掉。
在不需要生產蒸汽的情況下，可為其它目的有效地利用合成氣體生產過程中來自二次重整步驟的熱量。來自二次重整步驟中的熱量，一種用途是為初始重整提供必要的熱量。本發明的主要目的是提供能實現這種高效利用熱量的方法和設備。
氨的生產，以及象從烴類製取甲醇之類的其它產品的生產，近幾年來已發展成為相當先進的技術。其中主要是改善成本效果，但很難實現，監
於這種觀點，如果能在同一反應器，中完成初始和二次重整步驟，那這是很理想的，通過減少昂貴的反應器，以及主要有關設備，完全能減少總的生產成本。
人們為製造令人滿意的反應器已做了各種努力，但也遇到了一定的困難。例如，美國第3751228號專利就描述了一種反應器，其中，熱的重整氣體產物從反應器底部被排掉，而不是用來為重整反應供熱，反之，卻從外界向反應器通氣，以提供重整步驟中所需要的熱量，美國第4127289號專利也描述了一種類似的反應器。
美國第4071330號專利描述了一種反應器，它被安裝在爐內，利用反應器殼體與火爐的熱傳遞為吸熱重整反應提供必要的熱量。反應器的殼體是用如高鎳鉻鋼一類的導熱金屬材料製成的。
美國第3549335號專利，用圖解描述了一種自熱反應器，它包括由內外殼體構成的夾套，其間為環狀通路，碳氫料氣和蒸汽混合從中通過，再通過反應器下部內殼體上的開口，並通過置放在管外的初始重整催化床。此後，氣體與燃燒反應產物接觸，最後從反應器排出。這一反應過程，由於利用空氣燃燒，所以不能有效地利用反應放出的熱量。這一技術在今天先進技術的競爭中具有很大的希望。
如前所述，本發明的目的是為富氫合成氣體如氨合成氣的自熱生產提供一種改進的方法和設備。在合成氣體生產過程中有效利用反應放出的熱量。
本發明的方法和設備是使蒸汽與碳氫料氣的混合物與過程中燃燒反應流體逆向流動通過催化床，實現初始重整。混合氣通過裝有初始重整催化劑的反應管，然後使其與氧氣或富氧空氣接觸完成燃燒。燃燒反應流體通過第二催化區進行二次反應，即二次重整反應，並產生合成氣體。合成氣體產物通過反應管外部，這樣利用燃燒放出的熱量為初始和二次反應提供熱量。
附圖是本發明的自熱反應器的最佳裝置剖面圖。
附圖中1表示自熱反應器，反應器包括熱交換室2，和為導入蒸汽和碳氫料氣，如天然氣的混合物的第一入口3。在管極5和6之間的熱交換室內裝有多個反應管4。(為清楚起見，只在圖上標出兩個)，所設置的反應管可以使初始催化固定床7能固定在裡面，當然催化劑可以是任何適用於重整的催化劑，如鎳，在先進技術中要選擇特殊催化劑為好。
如圖所示，帶有垂直擴張管11的圓錐形收集室10裝定在與反應管相連的鄰近管板6上，使來自反應管的部分反應重整氣通入到燃燒反應室12內。反應室12位於反應器1的底部。而反應室10的形狀為圓錐體。不難理解，也可以採用其它的形狀。
第二進氣口13，位於反應器底部，用以導入氧氣或富氧空氣以實現燃燒室內的燃燒鄰近垂直擴張管11的末端的隔板14，把燃燒室10與熱交換室2隔開。在隔板14上開有多個孔15，使燃燒反應流體可以從孔中流過，並進入第二催化劑區16。因此，流體通過催化劑區進行另一次或二次重整，產生所需要的合成氣體。再者，重整催化劑可以用那些典型中的任何一種，最好選擇那些效率高的物質。還有，為清楚地用圖說明，只畫出了一小部分催化劑，但應該明白，放入足夠量的催化劑構成整個催化區。
當生產出的合成氣體從第二催化劑區向上流動時，藉助於反應管4外面的擋板20導向，使反應管與熱流體直接接觸。這種運行方式保證有效地利用燃燒放出的熱量提供給反應管4內的吸熱反應。
在鄰近進口3處設有出口21，通過出口21可以排出合成氣體進行淨化，或進一步加工生產氨。(或其它產品，取決於特定的反應過程)附圖表示的反應器設有人孔22，與通常情況一樣，用於維修或保養。如果需要，反應器也可以開設附加出口和進口，其目的是為了分流，或把附加燃氣、蒸汽通入燃燒室內。
實際上本發明的轉化進程，當用於合成氨的生產時，蒸汽和天然氣或其它碳氫料氣的混合物，以大約900-1300°F的溫度通過進氣口3送入反應器1內，混合氣流經過板5上的開口，並通過反應管4，從反應室中排出後，進入錐形收集室10，流性管11，而後進入到反應器1的下部，以大約1100°-1400°F的高溫氣體進入燃燒室。把溫度大約為100°F的氧氣或富氧空氣通過進氣口13送入燃燒室內，實現燃燒，所產生的燃燒反應流體的溫度大約是2500°-3500°F，通過隔板14上的孔15，向上進入第二催化區16，至此，二次重整即可發生。
二次重整產生的合成氣混合物溫度大約是1500-2100°F，向上流動，正如上面的說明和描述，與反應管4直接接觸，因此，所需要要的熱交換即可發生，加熱管4中的蒸汽-碳氫料氣混合物，並冷卻合成氣體混合物，從上面出口21排出。此時合成混合物的溫度大致是1000°-1300°F。
反應器中的壓力範圍為大氣壓到合成氣體的轉化壓力。在現有技術中大約為1200psig(表壓-磅/時2)，隨相應的工藝條件而定。生產合成氨的壓力大約為700psig。
如果根據上面的描述運用本發明的方法和反應器來生產氨以外的其它產品，如甲醇、氫氣、氧化-乙醇，或者費-託法合成碳氫化合物，一定是很理想的。既然生產其它產品的主要步驟與上述合成氨的生產方法相同，就不必再用這些氣體的合成來描述本發明的方法了。
本發明方法的成功運行，重要的一點是把氧氣或富氧空氣通入燃燒室內實現燃燒，而不是大氣中的空氣。使用富氧空氣是指空氣混合物中(按體積計算)必須含有約25%或更多的氧氣量。氧氣的含量可以根據具體反應過程從25%到100%。在合成氨生產過程中，含氧是可從約25%到40%，或者更多些。不論對氨氣或對反應器來說，容積含氧量在35%左右為最佳。這樣用於本發明反應器的投資成本明顯低於標準燃燒重整器。另外，本發明可以很容易地用於高壓重整，而且也很適合於部件標準化。在發展中國家或近海氣體利用中，這一點是最重要的。再有，就是縮短了起動時間，節省了所使用的氣體，當合成設備利用氣體效率下降時，也能減少重整器的準備時間。本發明與現代利用的多路，多燃燒器的初始重整器相比，更適合於自動起動和控制。
也應該指出，這裡圖示和描述的自熱反應器，雖然是具有位於二次重整催化床之上的熱交換室和燃燒室的直立式反應器。當讀了這篇文獻後，這種反應器的其它結構形式，對於那些技術專家來說，將更加明確了。正象這裡圖示和描述的那樣，本發明的最佳形式是採用了具有催化劑的反應管。這裡所揭示的技術內容將屬於先進技術，為改進反應器中的流體循環路程，由二次或第二重整催化區排出的氣體產物通過該管子。而通入的蒸汽-料氣混合物將流過管外的催化床。當然，只要具備上述基本特點和原理的裝置就被認為是屬於本發明的範疇之內。
還應該提出，反應器1的殼體，或者說外壁，是內部絕熱的，使用諸如強化陶瓷一類的材料，以減少熱量穿過殼體，這就獲得了熱量儲備，保護了反應器周圍工作人員的安全。由於使用了如碳鋼一類的材料做殼體，從而降低了投資費用。另外，圖中25所示，管板5和6之間的反應管4是從反應器內壁上懸吊在反應器中的，這就可以採用薄壁管，而降低費用，同時要比厚壁管傳熱性能好。由於薄壁管能感受比壓縮更強的拉力，所以利用懸掛的辦法，把它們固定在反應容器內。若採用其他方式，管子將會變形，甚至破裂。
權利要求
1.在由碳氫料氣生產合成氣體的自熱生產方法中，改進之處包括使蒸汽和碳氫料氣的混合物與該過程中的燃燒反應流體逆向流動，通過催化劑進行反應，以冷卻反應流體，並對蒸汽--料氣混合物的反應提供熱量，和通入氧氣或富氮空氣以形成所說的燃燒反應流體。
2.根據權利要求
1所述的方法，其特徵是合成氣體是甲醇、氨、氫、氧代-乙醇或費-託法合成的碳氫化合物。
3.根據權利要求
1所述的方法，其特徵是所說的混合物通過裝有催化劑的管子，然後與氧氣或富氧空氣接觸實現燃燒，燃燒反應流體通過第二催化劑區進行二次反應，所說的氣體反應產物通過管子的外部，使燃燒放出的熱量提供給管內發生的吸熱反應。
4.根據權利要求
3所述的方法，其特徵是合成氣體指的是生產氨的氣體，蒸汽和料氣混合物通過管子時進行重整，當燃燒反應流體流經第二催化劑區時進行進一步重整。
5.從氨、甲醇、氫、氧代-乙醇和費-託法合成碳氫化合物的生產中選取合成氣體的自熱生產方法，包括使蒸汽-碳氫料氣的混合物與該過程中燃燒反應流體逆向流動，通過催化劑床進行初始重整，然後使部分重整氣與氧氣或富氧空氣接觸實現燃燒，當燃燒反應流體通過第二催化區時進行另一次重整，並產生所說的合成氣體，隨後，合成氣體與所說的蒸汽-碳氫料氣混合物進行熱交換，從而燃燒反應的釋放熱量提供給蒸汽-料氣混合物的吸熱反應，同時合成氣體通過熱交換而被冷卻。
6.從氨、甲醇、氫、氧代-乙醇和費-託法合成氣體的自然生產方法，包括使蒸汽-碳氫料氣的混合物與該過程中燃燒反應流體流向相反的流向，通過裝有催化劑床的反應管，進行初始重整，然後，使所說的部分重整氣與氧氣或富氧空氣接觸以實現燃燒，燃燒反應流體通過第二催化劑區進行二次重整，並產生所說的合成氣體，隨後使合成氣體流過反應管的外部，這樣燃燒反應中的放熱可提供給蒸汽-料氣混合物的吸熱反應，並通過熱交換冷卻了合成氣體。
7.一種生產合成氣體的自然反應器，其結構包括一個熱交換室，導入蒸汽和料氣進入熱交換室的第一進氣口，裝在熱交換室內的，並裝有實現初始重整反應的催化劑的反應管，連通反應管與燃燒室的裝置，把氧氣或富氧空氣導入燃燒室的第三進氣口，分隔熱交換室與燃燒室的隔板，該隔板上有充許燃燒反應流體通過的通孔，並構成第二催化區，因此，燃燒反應流體可通過隔板和第二催化劑區進行二次重整，並產生合成氣體，位於鄰近第一氣口的合成氣體排出口，使合成氣體在從出口排出前通過反應管的外部，為反應管內的初始重整反應供熱，同時冷卻合成氣體。
8.根據權利要求
7所述的反應器，其特點是在熱交換室內裝有為反應管外的燃燒反應流體導向的擋板。
9.根據權利要求
7所述的反應器，其特點是連通反應管的裝置是裝在臨近反應管底部的收集室，並帶有垂直向下的擴張管，因此，通過該部分而進入燃燒室內。
10.根據權利要求
7所述的反應器，其特點是反應器的壁是內部絕熱的，以增大熱量的利用。
11.根據權利要求
7所述的反應器，其特點是反應管以懸掛在反應器內壁上的方式裝在反應器內。
專利摘要
自熱生產富氫合成氣體的方法和裝置，使蒸汽-碳氫料氣混合物與該過程中燃燒反應流體逆向流動，通過催化劑進行反應。反應管固定在反應器的熱交換室內，適宜於催化劑和混合物實現反應，將氧氣或富氧空氣通入反應器的燃燒室內，以實現燃燒，燃燒反應流體通過第二催化區進行二次反應，隨後通過反應管的外部，實現與通過管子的混合物完成熱交換。來自燃燒的反應放熱提供給反應管中第二催化區中發生的吸熱反應。
文檔編號C01C1/04GK85101360SQ85101360
公開日1987年1月31日 申請日期1985年4月1日
發明者阿壽克·多馬爾帕裡·拉奧, 傑裡·李·劉易斯 申請人:福陸公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan