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蒸汽重整

阅读：1052发布：2020-07-05

IPRDB可以提供蒸汽重整专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且描述了一种用于对烃进行蒸汽重整的设备，其包括热交换重整装置，在该热交换重整装置内设置有多个竖直的填充有催化剂的管，包括烃和蒸汽的气体混合物可以通过所述管，并且通过围绕管外表面流动的热交换介质，热量可以传递到所述管，其中，热交换适应装置设置在重整装置内，以使管具有从催化剂底部延伸达催化剂深度25％的低热交换区域，并且在该区域中没有设置热交换增强装置。还描述了一种利用所述设备来对烃进行蒸汽重整的方法。，下面是蒸汽重整专利的具体信息内容。

权利要求

1.用于对烃进行蒸汽重整的设备，包括热交换重整装置，其内设置有多个竖直的填充有催化剂的管，包括烃和蒸汽的气体混合物可以通过所述管，并且通过围绕管外表面流动的热交换介质，热量可以传递到所述管，其中，在重整装置内设有热交换适应装置，以使管具有从填充有催化剂的管的底部延伸达催化剂深度25％的低热交换区域，并且在该区域中没有设置热交换增强装置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热交换介质是通过包括部分氧化装置或部分燃烧装置的加热装置来加热的。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述加热装置包括次级重整装置。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的设备，其中，所述低热交换的区域由位于该区域之上的热交换增强装置来提供。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述热交换增强装置包括横向挡板或套管。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的设备，其中，所述低热交换的区域由该区域内的热交换降低装置来提供。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述热交换降低装置包括施加在管上的陶瓷纤维毡或耐火层、或者管板、或者端部开口的罩，以阻止加热介质接触到管的表面。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的设备，其中，所述低热交换的区域≤催化剂深度的15％。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的设备，其中，在重整装置内设置有热交换介质分配装置，以使热交换介质在所述低热交换区域中的流动与填充有催化剂的管轴向对齐。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的设备，其中，所述催化剂包括在成形的耐火载体上的镍。

11.一种对烃进行蒸汽重整以产生重整的气体混合物的方法，包括步骤：(i)使包括烃和蒸汽的气体混合物通过多个竖直地设置在热交换重整装置内的填充有催化剂的管，和(ii)通过围绕所述管的外表面流动的热交换介质，将热量传递给经受重整的所述混合物，其中，所述重整装置包括在重整装置内的热交换适应装置，以使在热交换介质和通过所述管的所述混合物之间传递的热量在从填充有催化剂的管的底部延伸达到催化剂深度的25％的区域中比在上述区域之上热交换介质和所述混合物之间传递的热量低，在所述区域中没有热交换增强装置，因此在所述区域中管的外表面温度是较低的。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述热交换介质或者是已经经受过进一步工序的重整的气体混合物，该进一步工序包括利用含氧的气体来进行部分氧化的步骤；或者是由适当的燃料燃烧产生的烟气。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，在所述低热交换区域中管外表面的温度比位于所述区域之上的管外表面的温度要低 ≥20℃。

14.一种包括根据权利要求11至13任意一项所述的重整方法的甲醇合成方法。

15.一种包括根据权利要求11至13任意一项所述的重整方法的氨合成方法。

16.一种包括根据权利要求11至13任意一项所述的重整方法的费托式烃类液体合成方法。

说明书全文

技术领域

本发明涉及一种对烃进行蒸汽重整以生产合成气体的方法和一种用于执行该方法的设备。

背景技术

合成气体包括氢和碳的氧化物(一氧化碳和二氧化碳)，还可以包含氮及其它惰性气体，例如氩和低含量的甲烷。合成气体可以包含更多或更少量的氢和碳的氧化物，以适合于特别的最终用途，例如用于精炼或燃料电池的制氢、氨合成、甲醇合成、二甲醚合成或用于液烃合成的费-托方法。
在蒸汽重整过程中，工艺流体，即烃原料和蒸汽的混合物，并且在一些情况中还有二氧化碳或其它的成分，在高压下通过填充有催化剂的热交换管，这些热交换管通过适当的加热介质(通常为高温气体混合物)被从外部加热。催化剂通常为成形单元的形式，例如具有多个通孔的圆柱，其典型的是由浸渍有适当的催化活性金属(例如镍)的耐火载体材料(例如氧化铝)构成。
蒸汽重整反应是吸热的，因此必须给经受重整的气体提供热量。热量可以由燃烧炉重整装置中的燃烧气体(例如燃烧后的甲烷)供应，或者由“外部加热”的高温气体(例如烟气)供应。可选地，填充有催化剂的管可以借助于已通过管但然后在被用作热交换介质之前已经受进一步处理的工艺气体来从外部加热。进一步的处理有利地包括用含氧气体来进行部分氧化的步骤，该步骤不仅使烃原料进一步转化，而且加热重整的气体混合物。例如：初级催化蒸汽重整可以在热交换重整装置中实行，在该热交换重整装置中，包含催化剂的重整装置管由次级重整气体加热。上述的重整装置和采用所述装置的方法的例子在例如GB1578270中公开。
在蒸汽重整装置的在用和操作过程中，会产生催化剂损坏。这样的损坏可由多种原因引发，例如在催化剂的装载、管的振动、热循环的启动和停止、碳的形成和润湿过程中。由此引起的损坏的范围从催化剂表面磨损、生成粉尘颗粒到催化剂的破裂和分解。催化剂损坏，如果不严重，通常不会立即产生问题，并且重整装置能继续操作。然而，由于重整装置管通常是竖直的并且经受重整的气体的流向通常是向下的，催化剂损坏所产生的催化剂碎片和灰尘会向下到达管的底部。
催化剂不但作为重整反应的表面，而且它存在于管中也增强了热传递，这是由于其增加了管内工艺流体流的紊流。我们已经发现，如果催化剂损坏并且在管的底部有足够量的催化剂小碎片，那么从管壁到经受重整的气体的热传递会减少。因为管是由外源加热，管壁的温度将增加。通过催化剂的压降也会增加，且该附加的液压载荷将会传递给管壁，从而增加了应力。所导致的变形，也称为蠕变，最终会导致管破裂。因此，我们发现：催化剂破损并且在热交换管底部部分中的积累会导致管比预期更快地失效。

发明内容

因此，本发明涉及一种蒸汽重整设备，其中，催化剂碎片所聚积的管的底部部分发生低热传递，因此处于较低的温度，从而减少了由于蠕变所导致的失效。
因此，本发明提供用于对烃进行蒸汽重整的设备，其包括热交换重整装置，在该热交换重整装置内设置有多个竖直的填充有催化剂的管，包括烃和蒸汽的气体混合物可以通过所述管，并且借助于围绕管外表面流动的热交换介质，热量可以传递到所述管，其中，热交换适应装置设置在重整装置内，以使管具有从填充有催化剂的管的底部延伸达到催化剂深度25％的低热交换区域，在该区域没有设置热交换增强装置。
“热交换重整装置”是指这样一种重整装置，其中，在加热介质和填充有催化剂的管之间的大部分(＞50％，优选＞75％)热交换是通过对流而不是辐射发生的，例如在气体加热的重整装置或烟气加热的重整装置中。在这样的重整装置中，热交换介质可由包括部分氧化或部分燃烧装置的加热装置来加热，所述加热装置可位于重整装置本身的外部或内部。
“低热交换区域”是指：在热交换介质和填充有催化剂的管(气体通过所述管进行重整)之间交换的热量在从填充有催化剂的管底部延伸达到催化剂深度25％的这样一个区域中较少。优选的是，与在低热交换区域以上的部分相比，低热交换区域中的热传递量是 80％或更少。低热传递的效果是管壁温度较低。因此，本发明不同于普通的热交换设计，在普通的热交换设计中，通常热交换介质与工艺流体之间的热传递被最大化。特别的是，在本发明中，在低热交换区域中没有设置热交换增强装置，因此在所述区域中管的表面温度是较低的。
本发明特别适合于这样的热交换重整装置，该热交换重整装置由来自于热交换重整装置的已经经过了进一步工序的重整气体加热，该进一步工序包括部分燃烧步骤，例如次级重整。因此优选的是，该重整装置是气体加热的重整装置，并且热交换介质是次级重整气体。
在重整装置中，工艺流体，即烃/蒸汽混合物，从工艺流体供给区域经过，通过包含颗粒催化剂的热交换管，所述热交换管设置在由热交换介质所通过的壳体限定的热交换区域内，之后所述工艺流体进入到工艺流体排出区域。设有用来分隔这些区域的装置，例如管板。因此，管板可以将热交换区域与例如增压室的区域分隔开，其中，热交换介质从所述热交换区域通过，而增压室与热交换管的内部连通，以允许工艺流体供给到热交换管或者从热交换管把工艺流体排出。一种可选的布置包括采用集管，所述集管设置在热交换区域内，以限定工艺流体供给区域：工艺流体被供应给集管，并从集管流入并且通过热交换管。同样地，集管可以用来将工艺流体从热交换管排出。可选的是，可以设置管板和集管的组合，例如，工艺流体可从增压室供应给热交换管，该增压室通过管板与热交换区域分隔开，同时集管设置在热交换区域内，用于把工艺流体从热交换管排出。这样的管板或集管管座可以称为边界装置，因为它们限定了热交换区域与工艺流体供给和排出区域之间的边界。
优选的，热交换介质分配装置设置在重整装置内，其使热交换介质在与填充有催化剂的管轴向对齐的方向上从重整装置底部通过低热交换的区域均匀地向上流动。
热交换管可以具有圆形、椭圆形或多边形的横截面，通常长度为 5到15米，优选的直径范围是7到20厘米。管壁的厚度可以是1- ＞10毫米，但是优选的是2-10毫米。热交换管优选的是具有圆形横截面。热交换管的圆形横截面更好地允许热交换管能够抵抗管内工艺流体的压力与加热介质的压力之间的压差。热交换管通常是由适当的钢制造的，优选的是在它们的外表面上覆有40-60％(Ni)的镍铬合金，优选的是铁含量小于3％wt。这样的覆层有利地减少了管对于由热交换介质引起的金属粉化腐蚀的敏感性。
在操作中，热交换管被加热到高温，通常是加热到650℃至 ≥900℃范围的温度。该加热必定意味着：当管从环境温度加热到工作温度时，管发生热膨胀，不仅纵向地而且径向地膨胀，同样当管在过程停止而冷却时，管产生热收缩。因为热交换管具有相当大的长度，因此管可相对于固定有边界装置的壳体来说纵向膨胀一定的量，通常是10厘米或更多。因此优选的是，热交换管是可移动地连接在至少一个边界装置上。术语“可移动地连接”是指，热交换管是通过允许热交换管热膨胀及热收缩的装置而被连接到边界装置。通常的作法是，在热交换管的一端或两端均设置被称为“盘管 (pigtails)”的柔性元件，以允许这种差胀，这样盘管而不是管本身被固定到边界装置。可选的是，波纹管结构可被用来允许这样的膨胀。优选的是，可以采用如EP-B-0843590公开的文氏管密封设计。在本发明中，热交换管优选的是可移动地连接在一个边界装置上并不可移动地连接到另一个边界装置上。因此，热交换管优选的是从它们被不可移动地连接的第一边界装置延伸通过热交换区域，并且通过例如盘管、波纹管或文氏密封管被可移动地连接到第二边界装置。
本发明还提供了一种对烃进行蒸汽重整以产生重整气体混合物的方法，包括步骤：(i)使包括烃和蒸汽的气体混合物通过多个竖直地设置在热交换重整装置内的填充有催化剂的管，和(ii)通过围绕所述管的外表面流动的热交换介质将热量传递给经受重整的所述混合物，其中，重整装置包括在重整装置内的热交换适应装置，以使在热交换介质和通过所述管的所述混合物之间传递的热量在从填充有催化剂的管的底部延伸达到催化剂深度25％的区域中比上述区域之上在热交换介质和所述混合物之间传递的热量要低，在所述区域中没有热交换增强装置，因此在所述区域中管的外表面温度是较低的。
优选的是，热交换介质或者是已经经受过进一步工序的重整气体混合物，该进一步工序包括利用含氧的气体来进行部分氧化的步骤；或者是由适当燃料燃烧产生的烟气。
烃原料可以是甲烷、天然气或石脑油，优选的是包含高含量(即＞90％)甲烷的天然气。在重整之前，烃原料优选的是脱硫，例如通过使烃通过适当的硫化物吸收剂(例如氧化锌)的床。
蒸汽重整催化剂通常为成形单元的形式，例如圆柱、环、鞍和具有多个通孔的圆柱，并且典型的是由浸渍有适当的催化活性金属例如镍的耐火载体材料例如氧化铝、铝酸钙水泥、氧化镁或氧化锆构成。我们发现，可以获得在低蒸汽比时改善的催化剂性能，其中至少一部分催化剂包括贵金属，例如钌。此外优选的是，催化剂为瓣式或凹槽式圆柱的形式，其具有一个通道，或者优选的是一个以上的通道，所述通道在该圆柱中纵向延伸，因为已发现这可以提供与通过管的低压降相结合的高催化剂活性。通过适当地固定在盘管、波纹管或文氏管密封之上的管底部处的网或栅格，防止了所述成形单元从管中掉出。
在重整过程中，甲烷与蒸汽反应，以产生氢和碳的氧化物。任何所存在的包含两个或更多碳原子的烃被转化为甲烷、一氧化碳和氢，此外，还发生可逆的水-气转移反应。
优选的，重整装置是热交换重整装置，其中热交换介质是烟气或其它适当的高温气体。在优选的实施例中，热交换介质是离开热交换重整装置的管并已经经过了进一步工序的部分重整的气体。因此，一种优选的用于蒸汽重整的方法包括以下步骤：(i)使包括烃和蒸汽的气体混合物通过多个填充有催化剂的竖直管，热量通过围绕热交换重整装置内的所述管的外表面流动的热交换介质被传递到所述管，(ii)对部分重整的气体混合物进行进一步工序，该进一步工序包括部分氧化的步骤，其中所得到的气体混合物的温度增加了，和 (iii)使所述得到的气体混合物作为热交换介质通到热交换重整装置，其中重整装置包括热交换适应装置，以使在热交换介质和通过所述管的所述混合物之间传递的热量在从催化剂底部延伸直到催化剂深度25％的区域中比在上述区域之上热交换介质和所述混合物之间传递的热量低，在所述区域没有热交换增强装置，因此在所述区域中管的外表面温度是较低的。
优选的，进一步的工序(ii)包括利用含氧的气体例如氧、空气或富氧空气来使部分重整的气体混合物部分氧化的步骤。更优选的，该进一步的工序包括在次级重整装置中次级重整的步骤，其中用含氧气体例如氧、空气或富氧空气，也可以选择用蒸汽，来使部分重整的气体混合物经受部分氧化的步骤，并且使由放热氧化反应加热的所得到的部分燃烧的气体混合物通过蒸汽重整催化剂的床，以使气体成分达到均衡。
蒸汽重整反应在管中在350℃以上的温度在蒸汽重整催化剂上发生，并且通常排出管的工艺流体处于范围是650-950℃的温度。围绕管的外侧流动的热交换介质的温度可以是900-1300℃。
在本发明中，在低热传递区域中的管表面温度比上述区域以上的低。在低热传递区域中的管的温度优选的是比没有低热传递区域的情况低≥20℃，更优选的是低≥40℃。因此，在低热交换区域中管的外表面温度优选的是比所述区域以上的管外表面温度要低≥20℃。
在本发明中，热交换重整装置是优选的，其中在加热介质和工艺流体之间的压差优选是0.5至10bar。
在本发明中，管具有从填充有催化剂的管底部延伸直到催化剂深度25％的低热交换区域。因为降低从热交换介质的热传递会降低重整过程的效率，所以低热交换区域优选的是催化剂深度的≤20％，更优选的是催化剂深度的≤15％。然而优选的是，低热交换的区域包括催化剂深度的至少5％。在一典型的热交换重整装置中，可取的是低热传递区域从管中催化剂底部起大约是0.5-2.0米。测试发现，催化剂碎片在管的底部积累到这些深度。
低热交换的区域由重整装置热交换区域内的热交换适应装置提供，所述热交换适应装置增加或减少在加热介质和热交换管之间的热传递。在此将描述多个实施例，通过这些实施例可以实现低热传递的区域。我们已经发现，通过确保使与低热传递区域相应的管的部分没有热交换增强装置，例如套管、翅片或挡板，管的下部将具有合适地较低的温度。在例如用于热交换器或管式反应器的管束中，测量管节距(相邻管之间中心线到中心线的测量)得到的管间隔通常不少于管外径的1.25倍，这是由于考虑到管所连接的管板的机械设计和制造的限制。因此，该管束的机械设计建立了一个特有的围绕催化剂管外部的自由流动区域，其中热交换介质必须流过该自由流动区域。通常，就会流速低并且相称地传热系数低。通常，该传热系数太低而不能获得尺寸经济的热交换重整装置。因此，在热交换重整装置中，通常在管的全长上设置热传递增强装置，以增加在此低热传递高度及其以上的热传递。然而，本发明的目的是通过在低热传递区域中不设热传递增强装置而保持低热传递区域。
此外，还可以通过提供热交换降低装置来获得低热传递区域，该热交换降低装置遮蔽、防止或隔离在低热传递区域中的管的部分。热交换降低装置包括隔热装置，例如本领域技术人员所知的陶瓷纤维毡或耐火层。还可用管板或端部开口的罩来遮蔽所述管的部分，该管板或罩防止加热介质接触到管的表面并且允许热膨胀及热收缩。
特别的是，可以将低热交换区域中的热交换降低装置与该区域以上的热交换增强装置结合，以最大化重整效率，同时防止管壁温度增加。
本领域技术人员可以理解的是，使用术语“热交换”的地方，同样也可以使用术语“热传递”，反之亦然。
本发明的设备和方法可以用作氢、甲醇、二甲醚、氨、尿素或通过费-托合成法获得的烃类液体例如柴油的制备工艺的一部分。因此，利用本发明的设备或方法获得的重整气体混合物可以经受进一步的工序，该进一步的工序包括甲醇合成的步骤，或者氨合成的步骤，或者烃类液体费-托合成的步骤。优选的是，该方法作为甲醇、氨或烃类液体的制造方法的一部分。

附图说明

下面将参照图1-6对本发明的多个实施例进行描述。图1-3描绘了带有挡板的热交换重整装置的不同实施例，其中通过挡板来增强低热交换区域以上的热交换，并且要么低热交换区域不具有挡板 (图1)，要么设置多孔板以限定低热交换区域(图2)，要么通过由封板构成的热交换降低装置来遮蔽在低热交换区域中的管(图3)。图4和5描绘了热交换重整装置的不同实施例，其中在热交换介质和热交换管之间的热交换在低热交换区域之上通过套管增强，并且其中要么在低热交换区域没有套管(图4)，要么在低热交换区域中的热交换管通过围绕每个管设置的陶瓷或者耐火隔热层而与热交换介质隔开(图5)。图6描绘了根据优选实施例的工艺流程图，其中部分重整的气体混合物经受次级重整步骤，并且被用作热交换介质。在图1-5的每个中，催化剂在线A-A′和B-B′之间装填在管中。

具体实施方式

在图1中显示了热交换重整装置，其具有隔热的外压力壳体10，该壳体封闭了三个由壳壁和管板14与15限定的区域11、12、13。区域11，即工艺流体供给区域，通过壳壁和管板14限定。该区域设有工艺流体供给导管16，多个热交换管17固定于管板14上并从管板14向下延伸。所采用的管的数目取决于操作规模：尽管只显示了五个管，但是通常可以使用50个或更多这样的管。对于蒸汽重整来说，管17将被用适当的蒸汽重整催化剂的成形单元(例如在氧化铝上的镍)来从管底部附近的位置填充至管顶部(A-A′至B-B′)。区域12，即热交换区域，通过壳壁和管板14与15限定。热交换管17 延伸通过区域12，并且通过文氏管密封20被可移动地连接到管板15。通过设置在壳体10中并靠近管17底部的导管35来给热交换区域12 供给加热介质，例如高温气体。加热介质在热交换区域中向上经过，在该热交换区域中，加热介质与管17进行热交换，之后通过设置在壳体10中且靠近管17顶部的导管36被除去。远离催化剂的底部 (A-A′)设置有多个横向挡板37。第一个横向挡板水平地布置在相当于催化剂深度(A-A′至B-B′)的5-25％的高度处，并从而限定了低热交换的区域19。横向挡板37用于将加热介质水平地转向而横过重整装置，并且增强加热介质与管的热交换。因为第一个挡板37设置得远离催化剂的底部，所以在区域19中的管的表面温度将较低。区域13，即工艺流体排出区域，通过壳体10的壁和管板15限定。文氏管密封20是端部开口的，并且在管板15之下延伸进入排出区域 13。重整的气体从管17通过文氏管密封20并且进入区域13，然后从区域13通过工艺流体排出导管38被除去。在使用中，包括烃和蒸汽的工艺流体在高温和高压下通过导管16被供给到区域11，并从区域11通过填充催化剂的管17向下供给。热量在热交换区域12与加热介质进行交换，并且发生重整反应。经受重整的气体通过管17到达低热交换的区域19，并从区域19通过文氏管密封20至区域13，然后从区域13通过导管38除去。
在图2中，图示了图1的热交换重整装置，不过第一挡板37由多孔板40替代，该多孔板40与管板15平行地横过热交换区域延伸，远离催化剂的底部，在相当于催化剂深度(A-A′至B-B′)的5-25％的高度处。因此，多孔板40限定了低热交换的区域19。热交换介质被限制为在低热交换区域19中基本上是竖直的，即轴向流动。在多孔板40之上，由于横向挡板37的缘故，热交换介质水平地流动，从而热传递在多孔板40之上被增强。
在图3中，描绘了图1的热交换重整装置，不过管17的下部通过金属筒形式的罩45与热交换介质隔离，该罩45与重整装置同轴，延伸横过热交换区域12，从填充催化剂的管的底部延伸的高度是催化剂深度的5-25％，并且限定了低热交换的区域19。管17延伸穿过筒并且可移动地连接到管板15。
在图4中显示了热交换重整装置，其具有隔热的外压力壳体10，该壳体10封闭了三个由壳壁和管板14与15限定的区域11、12、13。区域11，即工艺流体供给区域，由壳壁和管板14限定。该区域11 设有工艺流体供给导管16，多个热交换管17固定于管板14上并且从管板14向下延伸。所采用管的数目取决于操作规模：尽管只显示了五个管，但是通常可以使用50个或更多这样的管。对于蒸汽重整来说，管17将被用适当的蒸汽重整催化剂的成形单元(例如在氧化铝上的镍)来从管底部附近的位置填充至管的顶部(A-A′至B-B′)。区域12，即热交换区域，通过壳壁和管板14与15限定。热交换管 17延伸通过区域12，并通过文氏管密封20被可移动地连接到管板 15。通过设置在壳体10中并靠近管17底部的导管35来向热交换区域12供给加热介质，例如高温气体。加热介质在热交换区域中向上通过，在该热交换区域中加热介质与管17进行热交换，之后通过设置在壳体10中并靠近管17顶部的导管36被除去。围绕每个管17 都设有套管50，以增强热交换介质与管17的热交换。套管50具有基本圆形的横截面，其内径使得套管和热交换管17之间的环空为1 至10毫米。因此，套管50提供了均匀的环形通道，热交换介质通过该通道流动，从而通过迫使至少一部分热交换介质以受控的较高速方式流过热交换管的外表面来增强热交换管17和热交换介质之间的热传递。
套管50由套管板51支撑，该套管板51在导管36之下延伸横过热交换区域12。套管从套管板51沿着热交换管17向下延伸，延伸量为热交换管的一部分长度，一直延伸到低热交换区域19之上的一个位置。翅片52连接在热交换管17上，以进一步地增强热传递。该翅片可以沿着与套管50的长度相当的管17的长度延伸，或者可以如所示的那样更多地延伸。低热交换的区域19由这些热交换增强装置的界限限定，并且从填充催化剂的管的底部延伸到催化剂深度(A-A′ 至B-B′)的5-25％。在这些热交换增强装置(50、52)之下，管的温度将会较低。区域13，即工艺流体排出区域，通过壳体10的壁和管板15限定。文氏管密封20是端部开口的，并且在管板15之下延伸进入排出区域13。重整的气体从管17通过文氏管密封20，并且进入区域13，然后从区域13通过工艺流体排出导管38被除去。在使用中，包括烃和蒸汽的工艺流体在高温和高压下通过导管16供给到区域11，并从区域11通过填有催化剂的管17向下供给。热量在热交换区域12中与加热介质进行交换，并且发生重整反应。经受重整的气体通过管17到达低热交换的区域19，并从区域19通过文氏管密封20到达区域13，然后从区域13通过导管38被除去。另外的热交换介质分配装置(未显示)可以安装在区域12的底部，以保证加热介质的流动被限制成在低热交换区域19中基本竖直的流动。
在图5中，描绘了图4的热交换重整装置，不过省略了翅片，并且围绕每个管的基部设有耐火或陶瓷隔热材料层55，所述基部从管板15沿着管向上延伸，延伸距离达填有催化剂的管深度的25％，从而阻止热交换介质与管的外表面接触，并且限定了低热交换的区域 19。为了将陶瓷或耐火隔热材料层55保持在位，可以通过金属带或套来包围它。
本领域的技术人员会认识到，如图1-5所示的实施例可以组合，以创造一系列另外的实施例，并且本发明并不局限于图1-5中所示的实施例。
图6描绘了用于烃原料蒸汽重整的方法。包括烃原料和蒸汽的混合物的工艺流体通过管线60供给到具有工艺流体供给区域11、热交换区域12、工艺流体排出区域13和用于使所述区域彼此分开的第一边界装置14和第二边界装置15的热交换重整装置10。工艺流体在多个包含蒸汽重整催化剂的热交换管17中经受蒸汽重整，以提供初级重整的气体流。该初级重整的气体流从所述热交换管17流动到工艺流体排出区域13，并且从该区域13通过管线61到达进一步处理。进一步的处理包括在次级重整容器62中部分地燃烧，通过管线63 向次级重整容器62供应含氧气体，该管线63位于次级重整催化剂床 64之上，该次级重整催化剂例如是在铝酸钙或氧化铝上依托的镍。得到的部分燃烧后的气体通过重整催化剂床64，然后从容器62通过管线65流动到热交换区域12，以作为热交换介质。该热交换介质向上通过热交换管之间的空间，并且通过管线66从重整装置10排出。
根据图4和6中图示的实施例并参照下列计算的例子，对本发明进一步地说明。
例子1
热交换重整装置设计为具有55个包含催化剂的管(17)，管17 的外径为98毫米，并以122毫米节距安装在内径为1000毫米的圆柱形容器内。管填充有圆柱状的浸渍在氧化铝上的镍的催化剂粒，17 毫米长，直径14毫米，具有4个直径4毫米的与所述催化剂粒的轴线对准的通孔。催化剂管的外侧安装了一系列的套管(50)，套管 50的内径为108毫米，使得催化剂和套管之间具有5毫米的环形流道。没有提供翅片(52)。以适于使管出口压力为45.8bar(绝对压力)的压力和425℃的温度向管侧供给下列工艺气体。
成分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 H2 H2O CO CO2 N2 流量 Kmol/hr 368.5 21.7 2.2 3.6 15.6 1080.0 1.3 13.0 2.9
以41.88bar(绝对压力)的压力和1025℃的温度向壳侧供给下列的热交换气体，相当于次级重整的气体混合物(65)。
成分 CH4 H2 H2O CO CO2 N2 流量 Kmol/hr 12.2 1012.3 887.9 258.4 176.6 3.8
在第一管束中，不依照本发明，催化剂管是10.75米长，并且套管也是10.75米长，以沿着催化剂管的整个长度增强热传递。热交换介质在管的被加热长度之下供给到重整装置中。当催化剂在完好状态下时，管(17)内催化剂底部以上10％处的催化剂管温度和压差分别是775℃和4.16bar。随着时间的过去，催化剂碎片和灰尘在催化剂管长度底部的10％积累。这导致催化剂压降上升，并且催化剂的传热性能降低，从而导致催化剂管表面温度和压差上升。在催化剂的压降系数增加了10倍且传热系数减少了5倍的情况下，在催化剂管底部以上10％处的催化剂管温度和压差分别为903℃和 6.20bar。
在依照本发明的实施例中，在第二管束中，催化剂管17是11.5 米长，并且套管22是10.00米长，以使催化剂管底部的13％具有较低的热传递，并且增强沿着催化剂管剩余87％的热传递。第一和第二管束具有完全一样的总体传热性能。当催化剂在完好状态下时，催化剂管底部以上10％处的催化剂管温度和压差分别为745℃和 4.15bar。随着时间的过去，催化剂碎片和灰尘在管底部的10％中积累。这导致催化剂压降上升，并且催化剂的传热性能降低，从而导致催化剂管表面温度和压差上升。在催化剂的压降系数增加了10倍且传热系数减少了5倍的情况下，催化剂管底部以上10％处的催化剂管温度和压差分别为854℃和6.35bar。
如果假定在两种管束中催化剂管是由合金800HT(是众所周知的市场上能购买到的高温铁/镍/铬基合金)构造的，管壁厚度是2毫米，当催化剂在完好的状态下时，催化剂管在破裂之前将工作超过 100,000小时，这是重整装置管的名义设计寿命，在第一管束的催化剂破坏了的情况下，903℃的管温度和6.20bar的压差将导致管在破裂之前的寿命小于100,000小时，已经计算出大约20,000小时作为在这些条件下的预期管寿命。在第二管束的催化剂破坏了的情况下， 854℃的管温度和6.35bar的压差将导致管在破裂之前的寿命大于 100,000小时，已经计算出大约300,000小时作为在这些条件下的预期管寿命。
因此，在第二管束中催化剂管底部的低热传递区域使得该管束对破坏的催化剂不太敏感。如果催化剂的破坏比模拟的更严重，那么第一管束中管寿命的减少比上述计算的要更大。对于第二管束，为了在没有低热交换区域并且在催化剂破坏的情况下提供相同的管寿命，将要求管的厚度增加到大约3.3毫米，这将对管束的成本和管束的传热能力造成不利的影响，因为额外的管厚度将增加热阻。

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