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具有代表性流动催化剂的反应器填料

阅读：896发布：2020-05-08

专利汇可以提供具有代表性流动催化剂的反应器填料专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及装填有催化剂体系的反应器管，所述催化剂体系用于有意地将工艺气体流朝向热管段和远离冷段偏置，以便降低周向管温度变化。，下面是具有代表性流动催化剂的反应器填料专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种在管状重整器内产生合成气体的方法，包括：
引入工艺气体，其中所述工艺气体在所述重整器中设置的一个或多个管的入口处包含蒸汽和至少一种烃，使所述工艺气体与所述一个或多个管的内部中的催化剂接触，其中所述催化剂的至少一部分具有结构元件，所述结构元件朝向较大入射热通量的至少一个管壁侧周向地偏置工艺气体流，从而降低最大管壁温度，以及
在所述一个或多个管的出口处去除重整工艺气体，其中所述重整工艺气体为主要包含氢气、一氧化碳、二氧化碳和水的合成气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述结构元件使所述工艺气体流朝向所述较大入射热通量的至少一个管壁侧并且远离较小入射热通量的管壁侧偏置，从而减少所述管壁温度的周向变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述结构元件用于所述管的至少一部分中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中通过分析重整器管壁入射热通量分布来预先确定所述结构元件的类型和/或高度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述结构元件具有在所述管的长度上变化的构型。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述管状重整器内的一个或多个管中利用一种或多种类型的结构化元件。
7.一种具有设置在管状重整器内的一个或多个管的内部中的结构元件的催化剂，包括：周向地偏置工艺气体流的结构元件，其中所述工艺气体流包括蒸汽和至少一种烃，朝向所述较大入射热通量的至少一个管壁侧。
8.根据权利要求7所述的结构元件，其中所述结构元件引导流远离较小入射热通量的管壁侧。
9.根据权利要求7所述的结构元件，其中所述结构元件为沿所述管的长度设置在催化剂部分之间的流动阻力元件。
10.根据权利要求9所述的结构元件，其中所述流动阻力元件为具有周向非均匀开放通道的穿孔板或格栅。
11.根据权利要求9所述的结构元件，其中所述流动阻力元件对所述管的具有较大入射通量的侧面具有较小的流动阻力，从而使流朝向这些管壁侧偏置。
12.根据权利要求11所述的结构元件，其中所述流动阻力元件对所述管的具有较小入射热通量的侧面具有较大的流动阻力，从而将流偏置远离这些管壁侧。
13.根据权利要求7所述的具有结构元件的催化剂，其中所述催化剂为被所述结构元件支撑的粒化形式，其中所述元件为具有优先引导流的不均匀流动开口的穿孔金属篮。
14.根据权利要求13所述的结构元件，其中流动开口的较大部分邻近所述具有较大入射热通量的管壁侧设置。
15.根据权利要求13所述的结构元件，其中流动开口的较小部分邻近所述具有较小入射热通量的管壁侧设置。
16.据权利要求7所述的催化剂，其中所述结构元件涂覆有所述催化剂。
17.根据权利要求7所述的结构元件，其中所述结构元件为选自由下列组成的组的流动阻力元件：风扇折叠件，增稠导流板和结构篮。
18.根据权利要求7所述的具有结构元件的催化剂，其中催化活性通过采用在所述具有较大入射热通量的管侧上具有比在所述具有较小入射热通量的管侧上高的活性金属负载的催化剂而在所述偏置气体流的方向上增加。
19.根据权利要求13所述的具有结构元件的催化剂，其中所述催化剂活性通过采用在所述具有较大入射热通量的管侧上具有比在所述具有较小入射热通量的管侧上高的催化表面积的粒料催化剂而在所述偏置气体流的方向上增加。

说明书全文

具有代表性流动催化剂的反应器填料

技术领域

[0001] 本发明涉及装填有催化剂体系的反应器管，所述催化剂体系用于有意地将工艺气体流朝向高于平均入射热通量的管壁侧偏置，本文称为“高通量侧”，并且远离低于平均入射热通量的管壁侧，本文称为“低通量侧”，并且如下文进一步定义，以便降低周向管温度变化。

背景技术

[0002] 蒸汽甲烷重整工艺广泛用于工业中以制备氢气和/或一氧化碳。通常，在蒸汽重整工艺中，将含烃的进料(诸如天然气)、蒸汽和任选的再循环流(诸如二氧化碳)进料到催化剂填充的管中，在催化剂填充的管中它们经历一系列净吸热反应。催化剂填充的管位于蒸汽甲烷重整器的辐射区段中。由于重整反应是吸热的，因此通过燃烧器向蒸汽甲烷重整器的该辐射区段中喷火来向管提供热量以支持反应。用于燃烧器的燃料来自来源诸如来自变压吸附(PSA)单元的吹扫气体以及一些组成天然气。在催化剂装填的管内部发生以下反应：

[0003] CnHm+nH2O<＝>(n+0.5m)H2+nCO

[0004] CO+H2O<＝>CO2+H2

[0005] 将来自重整器的粗合成气体产物(即，合成气)(其主要含有氢气、一氧化碳、二氧化碳和水)在下游单元操作中进一步加工。蒸汽甲烷重整器操作的示例公开于Drnevich等人(美国专利号7,037,485)中，并且全文以引用方式并入本文。

[0006] 蒸汽重整器的常规操作限制了加热炉的焙烧，以使重整器管壁的温度保持在或低于给定工艺应力、蠕变至破裂管寿命目标(通常100,000小时)和安全界限的最大允许工作温度(MAWT)。例如，蒸汽甲烷重整器加热炉中的HP模管可具有针对100,000小时蠕变至破裂目标寿命的1800℉的设计温度和1750℉的MAWT，从而提供50℉的安全界限。蒸汽重整器的最佳焙烧在最大化热传递和最大化管寿命之间达到平衡。这种最佳操作点发生在理想化方案中，此时整个管表面以MAWT操作，使得用于热传递的驱动力较大，并且整个管在达到和超过设计蠕变至破裂管寿命目标后立即失效。

[0007] 实际上，管壁温度在重整器内不是均匀的，而是主要根据局部辐射环境以及内部管热传递系数、工艺气体温度和组成、催化剂活性和管导热率而变化。

[0008] 在重整器中，催化剂管上的入射热通量因管-管屏蔽、壁屏蔽或其他辐射效应而周向变化，从而引起周向管壁温度梯度。周向管壁温度梯度导致用于热传递的非最佳管表面利用率和减少的管寿命。局部辐射环境主要取决于加热炉的几何形状以及相对热表面和冷表面之间的相应取向。在圆柱形或“罐”重整器中，其中管围绕加热炉的圆周布置，其中燃烧器位于中心空间中，火焰侧管表面可经历显著更高的辐射通量并且比管的面向耐火壁的侧面显著更热。相似地，在其中管被布置成排并且燃烧器在管排的任一侧上焙烧的箱重整器中，管的火焰侧接收比面向耐火壁或另一管的管侧显著更多的辐射通量。通常，管表面的火焰侧比接收较少入射辐射通量的管侧更热。该温度变化在本领域中被称为“屏蔽”或“遮蔽”效应。局部的辐射环境也因加热炉内的高度而有所不同。例如，由于在加热炉入口处存在峰值火焰温度，向下焙烧的加热炉的顶部50％中的周向变化可比底部强。这些周向管温度变化导致其中管的一些区域以较少的热驱动力操作以进行热传递的状况。重整器作为一个整体被最热的管壁温度(高达MAWT)所瓶颈，这只能在管的一小部分上观察到。

[0009] 仍然需要能够通过消除周向变化来最大化管热传递表面利用率的技术，从而实现给定管寿命的最大重整器吞吐量和加热炉效率。改变给定加热炉中的局部辐射环境可为资本密集型的，可能需要对安装的管和壁进行物理重新布置，燃烧器变化，或接头系统重新配置等，或者由于凸缘间距要求的限制，可不实用，等等。可通过利用促进更高热传递或具有更高活性的催化剂诸如结构化催化剂或特别成型的粒料来实现从工艺侧降低管温度(例如，管内)。通过调节通过单个管的体积流量来升高/降低管温度是本领域已知的。即使使用具有不同压降特性的催化剂床的差速加载来实现流向重整器中的不同管的这种偏置也是已知的。然而，常规催化剂为无规装填的粒料或具有均匀水平横截面的结构化催化剂，其目的在于使工艺流均匀地分布在整个管横截面上，因此不直接以本发明的局部方式解决周向管温度变化的问题。

[0010] 在相关领域中，减少周向管温度变化的方法主要集中在修改加热炉与管的辐射热传递。例如，通过使用烟道气辐射防护件或通过使用椭圆管而不是圆形管，一些尝试分别为Krar等人和Buswell等人(美国专利号4,098,587和4,740,357)，如Heynderickx和Froment“A Pyrolysis Furnace with Reactor Tubes of Elliptical Cross Section”(1996)(Ind.Eng.Chem.Res.35pp.2183-2189)和Sadrameli等人“Shadow Effect Minimization in Thermal Cracking Reactor Coils through Variable Cross-Section”(Scientia Iranica,Vol.7,No.2pp.137-142)中所示。这些公开依赖于通过操纵外部管表面暴露于辐射热传递或热烟道气体来控制与加热炉的外管表面热交换，而本发明有意地以通过工艺气体流动模式控制内管热传递为目标。

[0011] 已经提出了若干技术，其目标是增加蒸汽重整器管中的热传递，但不解决周向管温度变化。例如，Whittenberger等人，Whittenberger等人和Jin等人(分别为美国专利号9,216,394；8,721,973和8,409,521)公开了结构化催化剂的设计，该结构化催化剂通过将工艺气体引导到内部管壁中来增加内部管壁对流热传递系数。其他相关领域讨论了对粒料催化剂的改性，以增加通过管横截面的径向混合和热传递。参见Combs，Birdsall等人，和Cairns等人(分别为国际专利公布号WO 2004/014549，WO 2010/029323和WO 2010/
029325)。另一个相关领域公开了旨在改变内部管壁热传递系数的特定粒料催化剂形状的用途。参见Camy-Peyret等人(国际专利公布号WO 2014/053553)。这些设计通过总体较高的传递到工艺气体的热传递和增加的重整来降低最大管壁温度。然而，这些设计并不有意地将工艺气体朝向管壁的任何特定侧面偏置。因此，周向管温度梯度仍然存在，从而将重整器的操作限制在管的给定侧面上观察到的最热温度。

[0012] Sato等人(美国专利号4,418,045)和De Angelis等人(美国专利申请公布号2004/0120871A1)公开了在结构化催化剂床周边周围使用催化密封件(例如，粒料催化剂，纤维催化剂，织物催化剂等)，以防止流沿着反应器壁绕过结构化催化剂。然而，这些密封件旨在防止结构化催化剂模块之间的旁路流动，而不是朝向管壁的高通量侧偏置流。

[0013] 因此，为了克服相关领域的缺点，本发明的目标之一是提供具有包括结构元件的优先流动催化剂的反应器管，其中工艺气体流朝向管壁的接收较高入射热通量的部分引导，以降低峰值管温度。

[0014] 本发明的另一个目的是通过利用具有向工艺气体流赋予不均匀和非随机压降的结构元件的催化剂来降低周向管温度，这导致工艺气体的较大部分流入管壁的接收最高入射热通量的一部分中并在该部分处反应，并且较小部分的工艺气体流入管的接收相对较少的入射热通量的一侧中并在该侧处反应。

[0015] 通过阅读本说明书、附图和所附权利要求，本发明的其他目的和方面对于本领域的技术人员将变得显而易见。

发明内容

[0016] 本发明涉及装填有催化剂体系的反应器管，所述催化剂体系用于有意地将工艺气体流朝向高于平均入射通量的管壁侧并且远离低于平均入射通量的管壁侧偏置，以便降低局部最大管温度，并且优选降低周向管温度变化。在本发明的一个方面，提供了在管状重整器内产生合成气体的方法。所述方法包括引入工艺气体，其中所述工艺气体在重整器中设置的一个或多个管的入口处包含蒸汽和至少一种烃，其中所述催化剂的至少一部分具有结构元件，所述结构元件朝向较大入射热通量的至少一个管壁侧周向地偏置工艺气体流，从而降低最大管壁温度，以及在所述一个或多个管的出口处去除重整工艺气体，其中所述重整工艺气体为主要包含氢气、一氧化碳、二氧化碳和水的合成气体。

[0017] 在本发明的另一方面，提供了具有设置在管状重整器内的一个或多个管的内部中的结构元件的催化剂。所述催化剂包括使局部工艺气体流朝向较大入射通量的至少一个管壁侧偏置的结构元件，其中所述工艺气体流包含蒸汽和至少一种烃。

附图说明

[0018] 通过以下附图，本发明的上述和其他方面、特征和优点将变得更加显而易见，其中：

[0019] 图1为相关领域重整器的图示，其中：

[0020] 图1(a)为箱重整器的内部排中的大多数管的取向的示意图(“内排，内部管”)；

[0021] 图1(b)示出了箱重整器的内排，内部管的周向管壁温度；

[0022] 图1(c)为邻近间隙并且位于外排中的管的取向的示意图，其中燃烧器以降低的速率在顶部焙烧的箱重整器(“外排，间隙管”)中焙烧；

[0023] 图1(d)示出了箱重整器的外排，间隙管的周向管壁温度；

[0024] 图1(e)为管在圆柱形重整器或罐重整器中的取向的示意图；

[0025] 图1(f)示出了外部管表面处的入射局部通量密度与围绕圆柱形重整器管的圆周的最大管通量的比率；

[0026] 图2为描绘箱重整器中的内排内部管的管壁温度相对于最大允许管壁温度的曲线图；

[0027] 图3为在整个管横截面上向工艺气体赋予偏置流动的选择方法的示意图，其中：

[0028] 图3(a)在催化剂层之间具有流动阻力元件；

[0029] 图3(b)具有增加的风扇折叠件密度；

[0030] 图3(c)具有联接到结构壁的流动阻力元件；

[0031] 图3(d)具有呈较厚结构壁形式的流动阻力元件；

[0032] 图3(e)示出了一个实施方案，在其中粒料被支撑在管内的结构篮中的系统中，所述实施方案在催化剂周边具有窗口数量和/或尺寸的减小；并且

[0033] 图3(f)示出了一个相关领域实施方案，其中未修改的风扇在结构化催化剂圆周周围具有均匀的气体流动路径面积。

[0034] 图4是示例性CFD模拟的示意图，其中：

[0035] 图4(a)对催化剂结构(即，相关领域)没有修改以赋予周向流动偏置；

[0036] 图4(b)具有包括在催化剂层之间以偏置流的流动阻力元件。

具体实施方式

[0037] 本发明以给定的进料速率和工艺气体出口温度提供对重整器中的工艺气体的更有效的热传递，所述温度高于通过在管内没有工艺气体流动偏置的相关领域可实现的温度。对于给定的高度，内部管壁表面处的局部对流热传递与相邻的外管壁表面上的局部入射通量匹配，从而对于给定的工艺出口条件和减小的周向温度梯度产生较低的最大管壁温度。这样，操作较大部分的管表面积更接近最佳条件，以最大程度地热传递到工艺气体，充分利用管热传递表面。周向温度梯度可导致管材料中的环向应力，但重要的是表示管热传递表面的非最佳用途。在其中催化剂不对工艺气体流提供偏置的重整器管中(即，相关领域)，较高的管壁温度指示具有较大入射通量的表面，该较大入射通量因工艺侧上的热的合适吸收而不匹配。本发明的目的是使用具有结构元件的催化剂体系，以将外部管壁上的入射通量的给定周向变化与内部管壁处的周向对流热传递的有意变化相匹配，从而降低峰值管壁温度和/或降低周向管温度梯度。

[0038] 通过解释，相关领域的图1示出了箱重整器和罐重整器中的管的局部辐射和对流热通量环境引起的管壁温度的周向变化。如图1(a)所示，提供了典型箱重整器中的内排管的顶视图。每个单独的管具有面向相邻内部管的两个侧面和面向燃烧器排的两个侧面。图1(b)示出了在向下的顶部焙烧箱重整器的焙烧长度的大约三分之一处，重整器管的计算流体动力学(CFD)模拟周向管壁温度分布(即，作为θ(θ)函数的温度)。该管邻近管排平面中的两个类似管并且邻近以相似速率焙烧的两个燃烧器排，如图1(a)所示。外部管壁温度在θ＝0和π处是最高的，π是直接面向火焰的区域。周向温度范围大于40℉，其中75％的管表面未充分利用并且在低于火焰侧温度多于10℉的温度下操作，这最终限制了重整器操作。虽然该特定的管局部辐射环境导致大致对称的周向管温度分布，但这不是一般规则。参照图1(d)，示出了与图1(b)相同的高度处的管的CFD模拟周向管壁温度分布(即，作为θ(θ)的函数)，但位于外排中并且紧邻管排中的间隙，通常称为“间隙管”。如图1(c)所示，该管的每一侧与独特的辐射环境相邻，因此周向温度分布是不对称的。

[0039] 图1(f)示出了沿相关领域的圆柱形重整器或罐重整器中的管的圆周的入射辐射通量。具体地讲，示出了入射局部通量密度与围绕圆柱形重整器管的外部管表面的圆周的最大管通量的比率。如图1(e)所示，这些罐重整器中的管具有面向火焰的一侧，面向耐火壁的一侧，以及面向相邻管的两个侧面。最大辐射通量发生在管的火焰侧。

[0040] 如图2所示，管表面的在低于MAWT下操作的部分未被充分利用来进行热传递，因为在实践中，重整器焙烧受MAWT限制，以便实现期望的管寿命。在本发明中，采用工艺气体流来将所观察到的管壁温度变平到等于或低于MAWT的温度。换句话讲，图2所示的峰减小并且谷升高。这实现了观察到的最大管温度与操作者可利用的MAWT之间的界限。在一些情况下，峰可降低到小于MAWT，从而使操作者有空间利用，但最小外表温度也降低。如果从较大入射通量的一侧到较小入射通量的一侧对穿过管壁的热的二维传导的影响大于在较小入射通量的侧面对对流热传递的影响，则可发生这种情况。例如，如果朝向较大入射通量的侧面引导的较大部分的流导致管温度显著降低，这继而减小了对较小入射通量的侧面(诸如在非常厚的管壁中)的二维热传导的驱动力，则可发生这种情况。根据较小入射通量的一侧的对流效应和传导效应之间的平衡，最小管外表温度可升高或降低，但最大外表温度将降低，从而提供净有益效果。

[0041] 本发明的目的是将峰值管壁温度降低至等于或低于MAWT，并且优选地减小周向温度分布中的变化。为了实现这一点，更大部分的工艺气体流被朝向管壁的接收最高入射热通量的部分引导，并且较小部分的工艺气体被朝向接收较小热通量的管壁侧引导。如本文所用，术语管的“高通量侧”或“高入射热通量”是可互换的，并且应意指从加热炉接收高于平均水平的入射辐射和对流热通量的外部管壁的区域，其中平均值被取作为该给定管和高度的周向平均值。在本发明中，工艺气体的一部分朝向该侧偏置，从而增加工艺侧局部对流热传递系数并降低局部管壁温度。

[0042] “低通量侧”或“较小的入射热通量”是可互换的，并且应意指从表面接收低于平均水平的入射辐射和对流热通量的外部管壁的区域，其中平均值被取作为该给定管和高度的周向平均值。工艺气体的一部分被偏置远离该侧，从而降低局部对流热传递系数并增加局部管壁温度。这减少了周向管壁温度的范围和给定高度处的最大管温度。这种流偏置不能通过使用常规随机装填的粒料催化剂或通过周向均匀的结构化催化剂体系来实现。这些常规体系被设计成向工艺气体流赋予均匀的压降，使得流为周向地均匀的。为了实现为本发明目的的流偏置，需要提供具有工程化结构元件的催化剂体系。结构元件可采取多种形式，下文将讨论这些形式的一些示例性实施方案。

[0043] 将工艺气体流偏置到高通量管壁段增加了局部内部管壁对流热传递系数，从而增加了对局部工艺气体的热传递。这种增加的热传递和吸热反应将降低具有最大入射通量的管段处的管壁温度。优选地，同时朝向具有较少入射通量的管段减小流，从而降低管内的对流热传递系数、热传递和吸热反应。这些将一起用于提高管的接收较少通量的侧面处的局部管温度，并且总体平衡周向管温度。对于相同的工艺气体流，出口压力和工艺气体出口温度，沿着管表面观察到的最大管壁温度将降低。这表明加热炉效率提高，并且提供了储库燃料节省或提高重整器吞吐量的机会。

[0044] 局部内部管对流热传递系数主要控制从管壁到工艺气体的热传递速率。局部内部管壁对流热传递系数与升至功率x的雷诺数成正比

[0045]

[0046] 其中x取决于从催化剂到壁的热传递模式。蒸汽甲烷重整器中的x的典型值在0.6至0.8的范围内。局部雷诺数通过以下式直接取决于局部速度

[0047]

[0048] 其中ρ为局部流体密度，V为局部速度，L为特征长度，并且μ为局部流体粘度。在本发明中，催化剂的结构元件可被设计成使得冲击管壁的气体的径向速度与入射到管上的局部辐射和对流通量成比例，这可先验地确定，例如通过加热炉观察或用诸如CFD的方法进行计算。对于介于0.4和1之间的x的值，应修改催化剂使得V高/V低比率在1至2.2范围内，其中V高和V低分别是接收较大和较小入射通量的管壁侧处的速度。使用催化剂体系内的工程化结构元件，可调节局部工艺气体速度以调谐围绕内部管壁圆周的局部内部管热传递系数，从而匹配局部入射通量。此类局部速度调节不能通过相关领域的随机装填粒料或均匀结构化催化剂体系来实现。

[0049] 参照图3，提供了该方法的优选实施方案和具有结构元件的催化剂，其用于设计体系以将流朝向具有最高入射通量的管壁侧偏置。在一些情况下，用于粒料的常规结构化催化剂或结构化催化剂笼可用作优先流设计的基础，但本发明不限于仅图3所示的设计。在许多情况下，结构元件可涂覆有本领域已知的合适的蒸汽重整催化剂，或者另选地，催化剂本身在结构上被设计成根据本发明来偏置流。图3a示出了一个优选的实施方案，其利用催化剂层之间的流动阻力元件以优先朝向管壁的具有最大入射通量的侧面引导流。此类流动阻力元件的示例显示为分离两个催化剂风扇的修改垫圈，其中通过垫圈的流动阻力周向地变化。所包括的示例为格栅或穿孔板的形式，但其他实施方案也是可能的。较大部分的流通过具有较大开口横截面积和最小流动阻力的垫圈侧面，朝向具有较大入射通量的管壁。

[0050] 图3(b)、3(c)和3(d)示出了减小邻近具有相对较低入射辐射通量的管壁的通道的横截面积的优选方法。这可通过如下方式实现：通过增加通道或折叠件的密度，所述通道或折叠件通向如图3(b)中所示的管的接收较少入射通量的部分的方向，通过部分地阻挡如图3(c)中所示的催化剂的周边处的通道，或通过使用较厚的壁以用于如图3(d)中所示的通向管壁内的冷却器方向的通道。增加可优先朝向管的高通量侧流动的横截面积并增加在管的低通量侧的方向上流动的阻力，更大比例的工艺气体将趋于流向高通量管侧。调整基于入射通量的周向温度所需的横截面积的减小程度可使用实验方法或计算(例如，使用CFD工具)来先验地确定。

[0051] 周向非均匀折叠件诸如图3(b)中所示的那些折叠件最优选地在初始风扇成形或金属波纹工艺中形成，以便保持每个风扇的均匀高度。均匀的高度确保风扇可彼此堆叠以填充待用催化剂填充的管的长度。周向非均匀折叠件应当由足够坚固的材料制成，以便在高温下并且通过反复的热循环(典型的蒸汽甲烷重整器操作)保持折叠件。

[0052] 图3(c)描述了通过将流动阻力元件附接到结构化催化剂的周壁来增加对具有较少入射通量的管侧的流动阻力的一个优选实施方案。这些元件部分地阻碍工艺气体通过通向具有较少入射通量的管壁的通道的流动，从而允许更大部分的工艺气体朝向高通量管侧流动，而没有流动阻力元件。在该具体实施方案中，阻力元件附接到结构的外壁，从而在催化剂和内部管壁之间保持间隙。这允许通过平头焊接或本领域技术人员已知的其他方法在后修改工艺中附接元件。然而，可预想到其它实施方案，其中流动阻力元件在结构化催化剂的初始构造处或后形成修改工艺中或其中选择的流动通道被填充为固体时附接在内壁处。

[0053] 图3(e)示出了对设计用于与粒料催化剂一起操作的相关领域的重整催化剂体系的类型的修改，但使用可涂覆或可不涂覆催化剂的结构来增强内部管壁处的热传递。本发明修改此类粒料结构体系，以减小结构中的孔的相对尺寸，所述孔通向如图所示较小入射通量的管壁侧，或者减少通向管的较低通量侧的孔的数量。在该实施方案中，更大部分的工艺气体被有意地朝向较高通量管壁侧偏置，以降低峰值管壁温度，同时优选同时减小较低通量侧的流以降低周向管温度变化。结构中的孔的尺寸无需是均匀的，但可被设计成匹配局部管壁侧处的入射热通量，使得峰值温度降低并且给定高度处的周向管温度变化最小化。在前述实施方案中，优选使用工具如CFD来将催化剂结构调整与外部管壁处的局部入射通量相匹配。

[0054] 在所有情况下，结构元件均具有允许工艺气体的所有部分保持流体接触以促进混合的开口布置方式。利用具有限定通道的结构或催化剂体系不是优选的，所述通道不允许工艺气体部分在管的长度上周期性重组。

[0055] 如果催化表面积在较高通量侧壁的方向上减小得太多，则可用于使现在较大部分的工艺气体反应的催化剂的量可能太低而无法实现所需的转化率。例如，如果如图3(b)中所示的此类结构的通道涂覆有催化剂，但通道的周向密度过低而不能提供所需的催化表面积，则可发生这种情况。因此，对实现该周向管温度变化的这种降低的结构化催化剂的设计修改应与确保足够的催化表面积可用于反应保持平衡。在高通量管壁的方向上补偿每单位工艺气体体积流的催化表面积减小的一种方法是在这些通道壁上施加额外的催化剂涂层或增加催化剂载量(例如，每单位基底表面积的Ni重量％)，从而增加催化表面积。

[0056] 存在多种方法来使用具有结构元件的催化剂以实现工艺气体流的周向偏置：在一个示例性实施方案中，结构化催化剂流动通道被缩窄以优先引导流远离这些通道。在另一个示例性实施方案中，流动阻力元件插入通道内，以优先引导流远离这些通道。这些元件可涂覆或可不涂覆有催化剂。在另一个示例性实施方案中，在结构通道和内部管壁之间采用流动阻力元件或导流板，以部分地阻挡通过这些通道或通道自身之间的流。这些元件可涂覆或可不涂覆有催化剂。在另一个示例性实施方案中，这些方法中的两种或更多种的组合以协同方式使用。在另一个实施方案中，催化剂体系的结构元件的类型和/或横截面沿着管的长度变化和/或根据管上的局部入射周向热通量而从管到管变化。一些管或管的一些部分可不引入偏置结构元件，而是利用常规催化剂。在另一个示例性实施方案中，其中粒料催化剂被支撑在具有将工艺气体引导到内部管壁中的流动开口的结构内的催化剂体系具有更多的孔或更大的孔，以与引导流进入接收较少通量的管壁的部分的结构的侧面相比，朝向接收更高的通量的管壁侧引导更多的流。

[0057] 在另一个实施方案中，使用用于优先偏置流的这些方法中的一种，并且在更多的气体流方向上增加催化活性。这可例如通过在结构化催化剂的催化涂层中使用较高的活性金属载量或通过使用具有较高催化表面积的粒料催化剂来实现。催化剂被设计成在工艺气体流中引起周向偏置，并且可填充整个管长度或可用于管的仅一部分中(例如，其中管壁温度最高)，其中最多达管的其余部分填充有常规无偏置结构化催化剂、粒料催化剂、或它们的组合。

[0058] 在另一个实施方案中，催化剂被设计成在工艺气体流中引起周向偏置，该催化剂可安装在全部或仅特定类型的管中(例如，端管，转角管)。如果需要，使用机械机构将结构化催化剂固定到位并防止在操作期间旋转。

[0059] 通过以下实施例进一步解释本发明，这些实施例将在出口管处具有标准设计的基座壳体与基于本发明的各种实施方案的那些进行比较，这些实施例不应被理解为对本发明进行限制。

[0060] 比较例

[0061] 该实施例示出了两个催化剂层之间的流动阻力元件的插入如何能够被用于将流朝向具有较大入射通量的管壁偏置，并实现周向管温度扩散以及最大管温度的降低。计算流体动力学(CFD)用于模拟重整器管壁周围的不均匀热通量，诸如可存在于上焙烧的圆柱形重整器管中。将12000W·m-2和10000W·m-2的边界条件热通量分别施加到管金属外表的一半上，如图4所示。该条件模拟了管壁的面向火焰的一侧具有更高的入射通量并且面向其他管或具有较少入射通量的加热炉耐火壁的一侧的情况。模拟无周向流偏置(图4(a))和具有修改的情况以通过添加层间流动阻力来赋予周向流偏置(图4(b))以示出影响。在两种情况下均施加一致的总入口流量。为了优先朝向具有最高入射通量的侧面偏置流，在催化剂层之间施加流动阻力，使得60％的流入流Q朝向具有更高的入射通量的管侧引导，并且40％朝向具有较少入射通量的侧面引导，如图4(b)所示。这些流动阻力可经由多种方法来实现，其中两种在图3(a)中示出。

[0062] 如下面的表1所示，使用流动阻力元件将流朝向管的具有较大入射通量的侧面偏置将最大管温度降低23℉，并且将管外表温度的变化从58℉降低至35℉。将该模拟管的MAWT设定为1775℉。在不存在流动偏置的情况下，如图4(a)中所示，最大管温度和MAWT之间没有界限，限制加热炉的效率和吞吐量。然而，将催化剂与赋予流动偏置的结构元件一起使用可获得28℉的MAWT与最大管温度之间的界限，这允许重整器操作者例如增加吞吐量或利用增加的管寿命。

[0063] 表1

[0064] 使用催化剂层之间的流动阻力元件减少周向管外表温度变化和最大外表温度的CFD模拟，以朝向具有最大入射通量的管壁偏置流。

[0065] 情况无修改催化剂层之间的流动阻力最大管外表温度(℉) 1775 1747
最小管外表温度(℉) 1718 1712
外表温度范围(℉) 58 35
平均外表温度(℉) 1746 1723

[0066] 尽管已示出和描述了各种实施方案，但本公开不受此限制，并且将被理解为包括本领域的技术人员将显而易见的所有此类修改和变型。

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