[发明专利]具有射流冲击热传递的管式反应器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2008年8月13日提交的序列号为12/190,806的美国申请的部分继续申请，以引用的方式将其说明书和权利要求书合并于此并作为本申请的一部分。

技术领域

本发明涉及用于由反应物混合物生产产物混合物的管式反应器。更具体地，本发明涉及改进管式反应器中的热传递。

背景技术

包含具有催化剂的填料的反应器已经有记载，例如，用于蒸汽甲烷重整的管式反应器。填料可以是散堆填料，例如催化剂小球或所谓结构化的填料。与散堆填料相比，结构化的填料可产生更低的压降，不容易流化，并且不易于沉积或粉碎。由于管式反应器通常从外部加热或冷却，这种反应器的另一个重要特征涉及外部热源/散热器与反应器内的工艺流体之间的热传递。

管式反应器可包含散堆填料或结构化的填料，其中填料包括用于所需要的反应的催化剂。据信与散堆填料相比，结构化的填料具有更低的压降。

人们已经认识到管式反应器中的热传递的重要性。已有记载有关改进管式反应器中热传递的努力。

Davidson在第4,340,501号美国专利中描述了反应器容器中的结构，其中使流体间歇地但可控制地与容器壁接触。其结果，Davidson声称这可以得到具有颗粒床热传递特性的蜂窝结构的平滑流动特性。

在Davidson的发明中，用于使流体与容器壁接触的工艺的特征在于，使流体交替流过(a)容器内的结构和(b)所述结构与容器壁之间的空间。Davidson还描述了用于实现该工艺的设备，其包括容器和容器内部的结构。

Repasky等人的第7,761,994号美国专利公开了用于增加具有结构化的填料的管式反应器中热传递的方法和通过该方法所制得的反应器。该方法是在构造过程中使结构向着管式反应器的壁膨胀，从而减小壁与填料之间的间隙。流体被挤压在填料和管壁之间。减小的间隙增加流体的速度，从而增加热传递。

这种方法和热传递依赖于结构与管壁之间间隙的任何方法所具有的问题在于，在高温高压下的长期操作之后，管会经历时间依赖性的，通常被称为“蠕变(creep)”的塑性变形，导致管径增加以及管壁与结构化的填料之间的间隙相应增加。由于热传递的机制依赖于该间隙中流体的速度，因此当间隙变大时速度降低，当管蠕变时热传递降低。当热传递降低时反应器性能降低。

尽管当管蠕变时散堆填料能够随着管壁移动并因此热传递不依赖于填料和管壁之间的间隙时，散堆填料可因如上所述的大的压降而受到损害。

需要的是在管式反应器的整个寿命期内，尤其是在管发生蠕变时保持管式反应器中的热传递效率。本发明解决了在管式反应器中由管的蠕变导致的热传递降低的问题。

需要改进管式反应器中的热传递。本发明公开了用于提供管式反应器中改进的热传递的其它特征。

发明概述

本发明涉及具有改进的热传递特性的管式反应器。

有如下所列的本发明的几个方面。

第一方面。一种管式反应器，其具有管式反应器入口和在该管式反应器入口下游的管式反应器出口，所述管式反应器包括：

具有管壁和管的纵向方向轴的管，和

设置在所述管内的插入物，其中所述插入物包括：

在所述管的纵向方向相继排列的多个杯形结构，所述多个杯形结构的每一个具有上游端、下游端和围绕上游端与下游端之间的中央空间的侧壁，

其中，负载的催化剂设置于所述多个杯形结构的每一个的中央空间内，

其中所述上游端限定通向所述中央空间的入口，

其中所述中央空间在所述下游端处至少部分被封闭，

其中所述侧壁限定多个适合形成从所述中央空间向所述管壁方向的流体射流的孔，

其中对于所述多个杯形结构的每一个，在所述侧壁和所述管壁之间形成外部空间，所述外部空间从所述多个杯形结构的每一个的上游端延伸至下游端，所述外部空间与相邻的下游杯形结构的入口和/或所述管式反应器出口流体连通；和

其中所述外部空间在垂直于所述管的轴且穿过所述多个杯形结构的第一杯形结构下游端的第一平面的横截面积大于所述外部空间在垂直于所述管的轴且穿过与所述第一杯形结构上游端相邻的孔的第二平面的横截面积，所述孔属于由所述第一杯形结构的侧壁限定的多个孔。

第二方面。第一方面的管式反应器还包括：

设置于所述多个杯形结构的第一杯形结构上游端的串珠导流器(beaded flow deflector)，所述串珠导流器包括多个珠粒，其中所述多个珠粒的每一个与所述管壁接触。