包括具有翅片的重整管的重整爐的製作方法

2023-08-01 10:54:11

本發明涉及一種用於生產氫氣的蒸汽重整爐，該重整爐包括多個重整管。目的是增加通過由輻射和對流加熱的重整管吸收的總熱量的傳遞，特別是在該蒸汽重整爐的上部部分中。

在這些蒸汽重整爐中，在填充有氧化鋁負載的鎳催化劑的重整管中、在高溫(900℃-980℃)和包括在10與40巴之間的壓力下通過蒸汽重整甲烷。甲烷的分解反應是吸熱的並且要求外部熱源來引發它。由於這個原因，該反應總體上通過加熱系統在配備有燃燒器的燃燒室內部進行。這些操作條件對該管提出了某些要求：確切地，這些由難熔合金製成的管需要耐高溫氧化並且耐蠕變。由於吸熱反應，這些操作條件導致具有在頂部(650℃/700℃)與底部(900℃/950℃)之間的具有顯著梯度的熱分布。為了達到這樣的溫度水平，重整器設計有多種多樣的管式燃燒器安排。通過管的設計(截面、長度、厚度)將熱量傳遞到催化劑。重整反應的限制步驟是通過現有管的配置供應到反應器的上部部分的熱量的量。為了改進這種缺點，提出了對當前商業管的改進。

許多文獻描述了如何通過在管內部放置傳熱結構來改進重整管中的熱傳遞：

-文獻us2013/0153188提出了與管的內部熱接觸的傳熱結構；

-文獻us8529849提出了部分地填充有至少一個形狀記憶合金元件以便增加傳熱係數的管。形狀記憶合金可以部署以保持與管接觸並填充在管與催化床之間的空間；

-文獻us2007/0297956提出了填充有提供較好的傳熱的可延伸結構的反應器；

-文獻us2010/0038593提出了具有通過噴射衝擊導致傳熱的結構的管式反應器。

此專利集合提出了改進管的內部的傳熱。這代表smr爐的以下缺點：將催化劑填充到管內以及將催化劑從管中排空的困難；由於附加結構的存在，管內部的壓降增加；通過管的流量分布的不均勻性的風險，效率增益不如用外部結構將達到的那樣大。

其他文獻描述了如何通過在管外部上放置傳熱結構來改進重整爐中的傳熱：通過舉例，文獻2012/0251407提出了在管的外表面上安裝翅片，但僅在用於裂解2個以上碳原子的烴的爐中。

最後，其他文獻(pct/fr2008/050170和fr1050645)提出了使用常規的管式反應器，要求了通過沿著反應器的長度加入在管的厚度中製成的波紋增加金屬表面積。這些更廣泛的元件將增加用於在管的內表面與催化材料之間的內部交換的表面積，並且因此改進了在管的上部部分中的傳熱效率。如果將附加表面加入到管的內壁上，則遇到如在管內部的附加結構的情況下的相同的缺點。

以此為起點，出現的一個問題是提供一種具有管的蒸汽重整爐，這些管的配置允許在吸收的熱量上的增加。

本發明的一種解決方案是一種用於生產氫氣的蒸氣重整爐，該重整爐包括多個重整管，這些重整管允許在這些管內部的烴和至少一種流體從頂部向下流動並且在其外部表面上具有一個或多個翅片，該一個或多個翅片的大部分位於上半部的至少一部分上，其中這些翅片具有包括在1mm與30mm之間的厚度、包括在3mm與100mm之間的寬度、以及包括在1m與等於所述爐的高度(常常12m)的長度之間的長度。該翅片的化學組成將與該管的化學組成(難熔合金)相同或非常接近。

優選地，該厚度包括在3mm與10mm之間，該寬度包括在10mm與30mm之間，該長度包括在1m與10m之間。

視情況而定，根據本發明的蒸汽重整爐可具有在下文中的特徵中的一項或多項：

-每管的翅片數目包括在1與50之間、優選地在2與26之間；

-該翅片可以具有呈矩形、梯形、三角形板、波紋板或倒角板的形式的板形狀；

-豎直地安裝這些翅片；

-在燃燒室中安裝這些重整管；

-在這些管內部與這些烴一起流動的流體是蒸汽。

優選地將這些翅片焊接到該管的最冷區域上。

在燃燒室內部安裝所有這些管。在這些重整管中流動的流體優選地是甲烷和蒸汽的混合物。有利地，甲烷可以含有最少量的h2(1％至10％、優選地2％至4％)。這種甲烷還可以含有某些雜質如co2或氮氣。

由於吸熱反應，在外部環境與每個管的上部部分之間的熱交換需要是儘可能高的，

-蒸汽甲烷重整：δh＝205.8kj/mol

-幹甲烷重整：δh＝246.9kj/mol

因此，為了迅速達到平衡，需要顯著量的能量。

為了說明由本發明所發揮的作用，對於各種工作配置和各種幾何結構，已經使用建模工具評估了傳熱改進方面的增益。在下文中，僅將考慮平行六面體翅片的情況。

圖1給出了具有4個平行六面體翅片的管的截面的實例。

這些翅片通常用於增加熱交換器中的熱交換的表面積。為了用翅片獲得熱量的最大增益，它需要被安裝在熱交換器的側面上，在該側面上熱阻是最高的。

在蒸汽重整爐的情況下，在該管的外部側面上的熱阻r外(0.0064mk/w)相對於該管的壁的傳導阻力rt(0.0012mk/w)和在該管的內表面與合成氣之間的熱阻r內(0.0029mk/w)是最高的(圖2)。

其中d外和d內分別是該管的外直徑和內直徑，λt是該管壁的熱導率並且h外和h內分別是在該管的外部側面和內部側面上的傳熱係數。

接下來，在這些燃燒氣體與該合成氣之間的總熱阻是這三個阻力的總和：

r刷＝r外+rt+r內＝0.0064+0.0012+0.0029＝0.0105m.k/w

事實上，外部熱阻r外代表總熱阻r總的約61％並且是內部熱阻r內的高達兩倍。確切地，如果傳熱係數h外加倍，則外部熱阻r外將減少一半並且總阻力r總減少31％。然而，如果傳熱係數h內加倍，那麼r內減少一半並且r總減少僅僅14％而不是如在第一情況下減少31％。

因此，為了獲得對在這些燃燒氣體與這些合成氣之間的總熱傳遞的最大影響，如圖1中示出的，這些翅片需要安裝在該管的外表面上，這提供了四個平行六面體翅片的安裝的實例。

「翅片」方法將在下文中使用並且基於以下近似：沿著該翅片的厚度的溫度分布相對於沿著該翅片的寬度的溫度分布接近均勻。如果畢奧數小於1，則此近似是有效的。矩形翅片的畢奧數是由以下式定義的：

其中hf是在該翅片與該翅片周圍的環境溫度之間的總熱係數(對於輻射和對流)並且λf是這些翅片的熱導率。假定該翅片周圍的傳熱係數與該管和該翅片周圍的傳熱係數恰好相同。

hf≈h外並且λf＝λt

在重整爐中，其中外部熱係數h外是約400w/m2.k並且這些翅片的熱導率λf是30w/m.k，只要這些翅片的厚度e小於15mm，則畢奧數小於0.1並且該近似是有效的。在下文中，我們應考慮滿足此條件。在這種情況下，沿著該翅片的寬度的溫度分布僅是1維(1-d)的。沿著該翅片的寬度的溫度分布(分布，其中x在坐標中，其中該管的底部x＝0)是由下式表示的：

該公式基於以下假定：在該翅片底部處的溫度不被該翅片的存在改變。

為了選擇用於這些翅片的最佳尺寸，我們將要引入被稱為m(尺寸m-1)的翅片參數用於該翅片的截面的恆定區域，該參數由下式定義：

其中p是該翅片的截面的周長並且ac是該翅片的截面面積。

在重整爐中，來自這些燃燒氣體和來自爐壁的熱輻射代表了在這些管上的總熱通量的95％。因此，在下文中，將忽略在這些管上的對流熱通量，有利於輻射熱通量。

圖3示出了在該管的外表面上的總傳熱係數h外和還被稱為在該爐頂部處該管周圍的入射溫度t入射的等效環境溫度作為距該爐的頂部的距離的函數的實例。使用以下關係並且知道在該爐內部的該管外部上的總熱通量和溫度，計算入射溫度：

其中φ1、φ輻射和φ對流分別是該管上的總熱通量、通過輻射的熱通量和通過對流的熱通量，ε是該管的外部發射率，σ是史蒂芬-玻耳茲曼常數(5.6710-8s.i.)並且t是以開爾文計的管的外部溫度。

如果我們假定該通量的總熱通量可以是線性化的，那麼如下的在該管的外表面上的總傳熱係數：

可以被引入。

沿著該管的整個高度的h外的平均值是393w/m2，並且環境溫度或入射溫度的平均值是1066℃。這些結果是隨著外部管溫度和熱通量從該重整爐內部的3-d數值流體動力學計算(計算流體力學)獲得的，該外部管溫度和熱通量在圖4中作為距離該爐的高度的距離的函數示出。

對於寬度w、厚度e和長度l的平行六面體翅片，我們具有該翅片的周長與該翅片的截面面積的比率等於：

因為該翅片的厚度與其長度相比是非常小的，所以該翅片的參數m實際上獨立於其長度。

在該翅片的底部與該翅片上的另一點之間的距離越大，在此點處的該翅片的溫度越接近達到環境溫度，並且該翅片從該距離向前變得越沒有用。因此，該翅片寬度應小於由以下等式確定的某一極限：

該翅片的此極限尺寸w極限對應於由無限翅片取得的最大熱量的99％。可以指出的是，對於這個極限尺寸的一半我們已經有了由無限翅片取得的熱量的90％(參見圖5)。這些結果通過2-維(2-d)數值計算證實。

在下文中，我們將該翅片的寬度限制到這個極限以便減少該管(具有翅片)的重量，而同時保持接近於最大值的熱量增益。

為了選擇安裝在管上的翅片的數目，我們首先將引入翅片效率參數ηf，其被定義為通過翅片傳遞的熱通量φf與沒有翅片的相同表面上傳遞的熱通量φt的比率：

當該翅片寬度是無限的時，獲得了最大翅片效率

(w→∞或mw≥3)。在這種情況下，翅片效率變成：

注意，在圖5中作為mw的函數表示

接下來，我們將使用帶翅片的管效率ηtf，其被定義為在傳送到配備有翅片的管的熱通量φtf與傳遞到沒有翅片的管(裸管)的熱通量φt之間的比率。

對於1-d方法並且假定該管外壁溫度是恆定，我們獲得：

其中nf是該管周長上的翅片的數目。

帶翅片的管的效率可以通過用在該管內部的邊界極限的2-d數值傳導計算確定的。這意味著在該翅片底部處的溫度不是固定的。

圖6和7示出了對於三種翅片厚度：1mm、3mm和7mm，作為通量增加的函數的翅片數目，其中具有關於標準的翅片寬度。

圖6比較了兩種1-d和2-d計算方法。因為1-d方法認為在該翅片底部處的溫度是恆定的，所以與2-d方法相比，在相同數目的翅片的情況下，通量增加被高估了。在下文中，其是2-d方法，該2-d將用作基礎，因為這與現實更接近。

圖7比較了對於兩種不同的管外部通量條件的管效率：101kw/m2，對於接近該爐的上部部分的管區域的特徵值；和67kw/m2，對於在高度方向上的該管的中間的特徵值。對於具有相同特徵的相同數目的翅片，帶翅片的管的效率隨通量略微變化。可以注意到，外部通量越大，效率增益越大。該帶翅片的管的效率隨著翅片特徵顯著變化。對於相同數目的翅片，該翅片越厚，管效率增加越多，但是管重量將越高。

圖8示出了由這些翅片引起的以％計的管重量增加(在該管的整個長度上假定的)，其等於以下比率：

對於三種翅片厚度1mm、3mm和7mm並且對於關於標準的翅片寬度，展示了作為以％計的熱通量增加(等於100*(ηtf-1))的函數的管重量增加。可以看出，對於相同的通量增加，該翅片越厚，管重量增加越大。

在圖9中，在由於這些翅片的熱通量增加與管重量增加之間的比率作為厚度的函數並且對於由定義的翅片寬度進行繪製。這示出了，對於給定的管重量增加，該翅片越薄，通過管拾取的熱量越大。這是由於較薄的翅片具有較大的交換表面。

翅片數目的另一個限制是在兩個翅片之間的最小距離。這個距離需要至少等於翅片的寬度，以便留下距離爐壁並且距離燃燒氣體足夠的用於輻射(輻射是其中熱量被傳遞到這些管的主要方式)的空間以加熱該管和這些翅片。在這種情況下，可以被放置在管上的翅片的最大數目等於：

因而，管上的翅片數目必須總是小於或等於此極限(nf≤nf最大)。

因為這些翅片改進了由該管拾取的熱通量，所以該管溫度增加。其結果是，有必要使用數值模擬來檢查帶翅片的管的表面溫度不超過mot(最大操作溫度)，特別地在該重整爐的下部部分中，在這裡管溫度已經接近於mot。為了對此進行說明，圖10示出了作為3mm厚且13.5mm寬的翅片的數目的函數並且對於兩種不同的外部通量值101kw/m2和67kw/m2的管溫度增加。可以看出，通量對此溫度增加具有顯著的影響。

為了確定該翅片對該重整爐的熱效率具有的影響，進行了在該燃燒室中的傳熱與這些管內部的傳熱之間耦合的1-d數值計算。

示出了該爐的熱效率可以增加高達3.5％。取決於管的高度，這用每個管可變數目的翅片來實現。目的是使由每個管吸收的總熱通量最大化，同時保持最大管溫度低於mot並且避免在這些管的上部部分中形成碳。

該爐的效率增加可以用於將對該管和氫氣生產的供應增加高達3.9％(用相同的燃燒器功率)，或者對於相同的氫氣生產將燃燒器功率減少多達4.2％。這一切都在保持合成氣爐的出口溫度恆定的同時完成。

在圖11中，對於參考情況「未帶翅片的」並且對於另外兩種「帶翅片的」情況(第一種情況：選擇增加生產和第二種情況：選擇減少燃燒器功率)，展示了作為距該爐的頂部的距離的函數的管的溫度分布。可以看出，在翅片數目的優化組成(圖12)的情況下，這些翅片增加了該爐的上部部分中的管溫度並且使在下部部分中的管溫度穩定。本實例涉及12m高、19m長和17m寬的爐，該爐含有400根管。該爐的每個管將在包括在0與1.5m之間的高度上配備有3個翅片，在包括在1.5m與3.3m之間的高度上配備有26個翅片，在包括在5.5m與7m之間的高度上配備有17個翅片並且在包括在10m與12m之間的高度上配備有26個翅片。過渡區將具有0.3m增量的恆定數目的翅片。

該管上的翅片的圓周位置還可以被優化以在給定高度處使溫度分布均勻。

得益於由該管的翅片引起的爐效率增加的另一種方式是通過將爐的高度減少多達3.5％或通過減少在這同一個爐中的管的數目來修改對於給定生產的爐的設計。還可能有利的是組合這後兩種可能性，但對於每種具有較低的百分比減少。

在上文給出的所有結果對應於矩形翅片形狀。

對於具有梯形或三角形截面的翅片，記錄了類似結果，證實了這些形狀的翅片在改進至管的傳熱上的優點。

總之，重整爐的管的翅片的最佳尺寸(其本身可以具有可變的高度)，被限定在以下範圍中：

-在1mm與30mm之間的厚度；

-在3mm與100mm之間寬度；

-包括在1m與等於該爐的高度的長度之間的長度；

-包括在1與50之間的每管的翅片數目。

進一步地，根據本發明的重整爐優選地用於生產氫氣。

最後注意，這些翅片可以通過焊接或通過鑄造或通過增材製造固定到重整管上。