具有改进的管布置结构的用于吸热方法的设备技术

本发明专利技术涉及一种用于执行吸热方法的炉，所述炉包括包含用于转化气态给料的催化剂的管，其中各管成排定位于所述炉内，其中燃烧器安装在所述管之间和所述管与平行于管排的炉壁之间，并且其中燃烧器排和管排以端壁结束并且被分成区段，在每个管排中，从壁端管到所述端壁的距离为T2W，区段中的两个相邻内管之间的距离为T2T，并且两个相邻区段的两个对称端管之间的距离为T2S，其中，各排中的管以这样的方式布置：比率T2T/T2W和T2T/T2S大于0.5且小于2，从而限制向外管(壁端管和对称端管)的热传递相对于内管的区别，并且减小外管和内管之间的温度差。

Equipment for endothermic methods with improved tube arrangement

The invention relates to a method for carrying out endothermic furnace, the furnace includes feeding the catalyst for conversion of gas pipe, wherein the pipe into the scheduled located in the furnace, the burner is installed between the tube and the tube and parallel to the furnace wall tube, and burner exhaust end to end wall and tube row and is divided into sections in each tube row, from the end of the wall tube to the end wall of the distance T2W between the two adjacent sections of the inner tube in the distance of T2T, and two symmetrical two adjacent sections of the end pipe distance between T2S, which each row in the tube, is arranged in such a way that the ratio of T2T/T2W and T2T/T2S is greater than 0.5 and less than 2, thereby limiting the outer tube (tube wall and symmetric end pipe) heat transfer difference relative to the inner tube, and decreases between the outer tube and the inner tube temperature difference.

【技术实现步骤摘要】
具有改进的管布置结构的用于吸热方法的设备
本专利技术涉及用于蒸汽甲烷重整(SMR)和其它吸热反应如烃原料在外部燃烧式反应器中裂化的顶燃或底燃炉的设计。尽管下列说明将仅参照SMR工艺，本专利技术同样应用于使用相同类型反应器的其它工艺。
技术介绍
SMR工艺/方法主要基于在存在水蒸气的情况下产生氢(H2)与一氧化碳(CO)的混合物的诸如甲烷的轻质烃的重整反应。该主要反应吸热且缓慢并且需要另外的热输入以及催化剂的出现。通常，SMR反应器性能受传热而不是受反应的动态性能限制。在工业实践中，SMR反应器通常包括置于炉内的管，所述管充填有通常呈球丸形式的催化剂并且被供给以工艺气体混合物(通常为甲烷与蒸气)。若干验证的构型可用于如图1所示的炉设计，其存在顶燃(也称为下燃)、底燃(也称为上燃)、侧燃和梯状壁。顶燃技术是被引用最多的设计之一并且它由若干技术提供商提出。顶燃炉通常由包含多排包含催化剂的管的衬有耐火材料的燃烧室组成。发生吸热反应所需的热由成排放置在管之间的炉顶燃烧器提供，并且还由沿炉壁的位于炉侧面的多排另外的炉顶燃烧器提供。离开燃烧器的燃烧产物通常被竖直向下吹送，使得管排在它们的上部面对火焰。在炉底层面通常设置有烟气排气收集器。底燃技术在现代设备中不常见。根据底燃技术，燃烧器成排布置在管排之间的燃烧区域的地板上并且竖直向上燃烧。该炉设计(也称为燃烧室设计)的主要目的在于在考虑管最高工作温度约束的同时最大限度地减少从燃烧器传递到管的热——其来自燃烧器火焰并且还来自壁和热烟气。管最高工作温度或MOT(也称为最大工作约束(maximaloperatingconstraint)或MOT)取决于多种因素，并且特别是取决于管机械负荷(主要是供给气体压力)、用于管的合金的机械特性以及暴露于蠕变和热老化的管的期望使用寿命。向管的传热的任何强化通过提高生产率或通过改善就资本开支而言有价值的燃烧室的紧凑性而具有直接的积极影响。然而，传热的强化通常意味着更高的管表面温度水平，其缩短了管使用寿命或需要使用昂贵得多的更耐久的合金。炉内的热负荷分布的均匀性的缺乏将引起一些管比另一些管热，因此管的温度分布是炉设计和工作期间的关键要素。当寻求性能与耐久性之间的良好折衷时，管温度分布提供决策信息，良好的折衷实际上是必要的。在操作期间，炉的性能因此受最热的管的温度限制；它不应当比MOT热。同时，工艺性能——即生产率——取决于平均管热通量和温度。因此，最热管温度与平均管温度之间的差别越小，炉性能越好。为了简单，以下说明主要针对顶燃炉做出。然而，应指出，关于底燃炉的附图和说明将是可比拟的。在这种顶燃炉中，如图2所示，容纳催化剂的管成排设置在炉内。给料经管的顶部供给；包含作为主要成分的氢和一氧化碳以及若干次要成分和微量成分的所产生的合成气体在管的底部被提取。燃烧器成排设置在管排之间和管与壁之间。经排气通道萃取得到的烟气。图3示出相同顶燃炉的俯视图，示出8排48个管——各排都被组织在各16个管的3个区段(跨度)中——和9排15个燃烧器——其也布置在各包含5个燃烧器的3个区段(跨度)中并且平行于管排。各排燃烧器以壁(沿Y轴的壁也被标识为“端壁”)结束。对于全部各排管，与端壁对向的端部管被标识为“壁端管”。对于各排管或燃烧器，各排中的大量管和/或燃烧器引发炉内使得有必要增加支承梁以确保炉的安全的几何约束；所述支承件因此将管排以及燃烧器排划分在周期性重复的若干个区段(也称为跨度)中。各区段要么以端壁要么以一对称平面(位于两个相邻区段之间留出以便允许安装支承件的空间的中间处的平面)结束。最接近对称平面的端部管被标识为“对称端管”或“对称管”。用语“外区段管”或“外管”是指“壁端管”和“对称端管”，二者不加以区分。所有不是“壁端管”或“对称管”的管被标识为“内区段管”或“内管”。靠近“壁端管”的端壁的存在以及管排在区段中的划分——因此在两个特定的相邻管之间产生不同的空间——导致“壁端管”、“对称端管”和“内管”之间的可用热量的不均匀重新分配。在全部说明中，用语“燃烧器排”应理解为“平行于管排的燃烧器排”，各排的该方向也被标识为X轴。在本专利技术所涉及的炉中，即其中燃烧器以平行于管排的排摆放的炉中，对于各燃烧器而言，由该燃烧器形成的火焰射流的方向受以下因素影响：-与附近的同向流动射流的相互作用，和-壁(如果有的话)的存在，该壁也可以导致热量在属于同一排的管中的不均匀再分配。先前已经考虑了在一排内的管中的热量分布不均匀性，其来自于平行于管排(沿X轴)的燃烧器排内的火焰射流相互作用；已经在尚未公布的未决欧洲专利申请EP15307007.3中发现和公开了一种解决方案，该解决方案解决了来自在与管排相邻的燃烧器排中的燃烧器的重新分配的管的过度(或不足)加热的问题。因此，在本专利技术中不考虑这种管中热分布的不均匀性。然而，仍然存在热量分布不均匀性的问题，主要涉及外区段管，并且未被上述专利申请解决。本专利技术旨在着眼于沿X轴形成排的管的行为，并旨在改进它；更具体地说，本专利技术旨在提出由于端壁的影响以及管的区段之间的间隙而导致的壁端管、对称端管和内管的加热缺乏均匀性的解决方案，独立于燃烧器的设计错误或不正确的操作。与其最近的内管相邻管比较，壁端管和对称管对于端壁具有较大的角系数(viewfactor)(表面(i)对于表面(j)的角系数被定义为离开表面(i)的辐射被表面(j)截取的百分数)。与内管相比，端部管的较大角部分暴露于端壁(意味着对于端壁较大的角系数)。更多的暴露于热壁意味着端壁管将接收更多的辐射热。同时，考虑到管倾向于冷却其周围环境，两个相邻的对称管彼此不像两个相邻的内管那样靠近，因此它们被比内管更大量的热燃烧气体包围；壁端管在其附近只有一个比燃烧气体温度低的内管。因此，对称端管和壁端管比内管接收来自周围热燃烧气体的更多的对流和辐射热。为了说明热传递的非均匀性的这种现象，已利用用于计算燃烧室与筒状催化反应器之间的传热的3-D计算流体力学(CFD)解算器做出数值模拟。为此，定义顶燃式SMR炉典型跨度；所定义的“典型跨度”必须是如上文定义的代表性区段——即当关联时将代表炉的各区段；它们还必须考虑壁或对称平面的存在。模块化标准重整装置于是将通过组装典型跨度而组成以实现期望的设备能力。取决于各排中的管和燃烧器的数量和/或另外的几何约束，各种数量的燃烧器和管可存在不同类型的“典型跨度”。然而，应指出，本专利技术就燃烧器的数量、管的数量而言以及就区段的端部(端壁或区段之间的对称)而言适用于全部类型的区段。不同的典型跨度在图4中示出。图5示出图4中代表性的16个管的最大管温度。突出显示了外管的过热。典型跨度由十六个管的子集组成，由两排相同功率的五个燃烧器加热，由两端的端壁结束。该图显示端壁的存在导致向重整管的不均匀热传递；典型跨度的壁端管如3-DCFD结果所示达到比内管更高的表面温度。在所提出的情形中，壁端管的最大表面温度值与典型跨度内的内管的最大表面温度值的平均值之差为约5℃。因此，存在并非源自燃烧器布置的沿管排的加热缺乏均匀性的问题，并且本专利技术旨在解决这个问题，以便通过限制外管(壁端管和对称端管)的过热来改善顶燃式SMR(以及底燃式SMR)中的热通量均匀性。专利技术人已发现，燃烧器布置在一排本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于执行吸热方法的炉，所述炉包括包含用于转化气态给料的催化剂的管，其中各管成排定位于所述炉内，其中燃烧器安装在所述管之间和所述管与平行于管排的炉壁之间，并且其中燃烧器排和管排以端壁结束并且被分成区段，在每个管排中，从壁端管到所述端壁的距离为T2W，区段中的两个相邻内管之间的距离为T2T，并且两个相邻区段的两个对称端管之间的距离为T2S，其特征在于，各排中的管以这样的方式布置：比率T2T/T2W和T2T/T2S大于0.5且小于2，从而限制向外管(壁端管和对称端管)的热传递相对于内管的区别，并且减小外管和内管之间的温度差。

【技术特征摘要】
2016.08.02 EP 16306000.71.一种用于执行吸热方法的炉，所述炉包括包含用于转化气态给料的催化剂的管，其中各管成排定位于所述炉内，其中燃烧器安装在所述管之间和所述管与平行于管排的炉壁之间，并且其中燃烧器排和管排以端壁结束并且被分成区段，在每个管排中，从壁端管到所述端壁的距离为T2W，区段中的两个相邻内管之间的距离为T2T，并且两个相邻区段的两个对称端管之间的距离为T2S，其特征在于，各排中的管以这样的方式布置：比率T2T/T2W和T2T/T2S大于0.5且小于2，从而限制向外管(壁端管和对称端管)的热传递相对于内管的区别，并且减小外管和内管之间的温度差。2.根据权利要求1所述的炉，其特征在于，T2T/T2W和T2T/T2S大于0.75且小于1.75。3.根据权利要求2所述的炉，其特征在于，T2T/T2W和T2T/T2S相等。4.根据权利要求1至3中任一项所述的炉，其特征在于，所述燃烧器安装在炉顶上。5.根据权利要求1至3中任一项所述的炉，其特征在于，所述燃烧器安装在所述炉的地板上并且竖直向上地燃烧。6.根据前述权利要求中任一项所述的炉，...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·图多拉施，
申请(专利权)人：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR