[發(fā)明專利]用于小于10Nm3/h的氫氣生產(chǎn)的毫米級(jí)交換器?反應(yīng)器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201680008774.6
• 申請(qǐng)日: 2016-02-03
• 公開（公告）號(hào): CN107223070A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 帕斯卡爾·戴爾-加洛;奧利維爾·迪貝;馬蒂厄·弗蘭;勞倫·普羅斯特;馬克·瓦格納
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司
• 主分類號(hào): B01J19/24
• 分類號(hào): B01J19/24;F28D9/00;C01B3/38;B22F3/105;B33Y80/00
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所11247
• 代理人: 吳鵬,馬江立

本發(fā)明涉及毫米級(jí)反應(yīng)器-交換器、它們的制造方法以及它們的用途。

毫米級(jí)反應(yīng)器-交換器是其中材料和熱量的交換通過(guò)通道的幾何結(jié)構(gòu)而被加強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)器，這些通道的特征尺寸如水力直徑是毫米的量級(jí)。這些毫米級(jí)交換器-反應(yīng)器還使得可能以減小的體積開發(fā)顯著的交換表面，這使得它們緊湊。構(gòu)成毫米級(jí)交換器-反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)的通道是圓柱形形式，這種形式是通過(guò)在粉末床下通過(guò)增材制造或通過(guò)粉末噴霧生產(chǎn)這個(gè)壓力容器而獲得的。術(shù)語(yǔ)：(i)“級(jí)(stage)”應(yīng)理解為定位在同一水平上并且其中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和/或熱交換的一組通道，(ii)“壁”應(yīng)理解為在安排在同一水平上的兩個(gè)連續(xù)通道之間的分隔分區(qū)，(iii)“分配器”或“分配區(qū)域”應(yīng)理解為是指與一組通道連接并且安排在同一級(jí)或一組通道上的體積，其目的是將來(lái)自歧管并進(jìn)入交換器-反應(yīng)器的氣體引導(dǎo)到這些通道中或者將離開交換器-反應(yīng)器的氣體引導(dǎo)到歧管中，(iv)“歧管”應(yīng)理解為與一組通道連接并且安排在同一級(jí)上的體積，并且在其中使從交換器-反應(yīng)器外部引導(dǎo)的反應(yīng)物循環(huán)到一組通道，或使從該組通道引導(dǎo)的反應(yīng)產(chǎn)物循環(huán)到交換器-反應(yīng)器外部(圖1)。

交換器-反應(yīng)器的操作在圖1中被限定，歧管供應(yīng)并且排出氣體；在輸入處，烴進(jìn)料-蒸汽混合物并且在輸出處，所產(chǎn)生的合成氣體。在750℃與950℃之間下的熱傳遞流體將熱量加入該系統(tǒng)中以產(chǎn)生烴進(jìn)料的蒸汽重整。可以根據(jù)在這個(gè)級(jí)的通道中循環(huán)的流體來(lái)區(qū)分三種類型的級(jí)：

-包括所謂的“反應(yīng)物”通道的級(jí)，其中總體上在蒸汽重整的情況下使烴進(jìn)料和蒸汽混合物循環(huán)，

-包括所謂的“返回”通道的級(jí)，其中使蒸汽重整反應(yīng)的產(chǎn)物循環(huán)。蒸汽重整反應(yīng)的產(chǎn)物將蒸汽重整反應(yīng)必需的一部分熱量給予烴進(jìn)料-蒸汽混合物，

-包括所謂的“熱量補(bǔ)充”通道的級(jí)，其中使熱傳遞流體循環(huán)，使得可能加入蒸汽重整反應(yīng)必需的熱量。

交換器-反應(yīng)器由這三種類型級(jí)的堆疊組成。

這些裝置的熱整合可以是深入優(yōu)化的主題，使得可能憑借在數(shù)個(gè)級(jí)上的流體的空間分布并且使用數(shù)個(gè)分配器和歧管來(lái)優(yōu)化在不同溫度下在該裝置中循環(huán)的流體之間的熱交換。為了在目標(biāo)的工業(yè)方法中充分利用使用毫米級(jí)交換器-反應(yīng)器或毫米級(jí)交換器的益處，此種設(shè)備必須具有以下特性：

-能夠在高的壓力×溫度乘積下工作的可能性，該乘積的最小值一般是12000巴.℃的量級(jí)(對(duì)應(yīng)于600℃的最低溫度和1巴直到超過(guò)20巴的最小壓力)。

-極高值的表面/體積比，其典型值位于40000m²/m³與700m²/m³之間并且其允許強(qiáng)化在壁處的現(xiàn)象以及特別地在交換器-反應(yīng)器的情況下用于熱交換的熱傳遞和用于反應(yīng)的材料傳遞。此外，與競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)(殼管式等)相比，這些非常高值的表面與體積比使得可能在減小的設(shè)備容積的情況下開發(fā)相當(dāng)大的交換表面。

若干設(shè)備制造商提供了毫米級(jí)交換器-反應(yīng)器，這些裝置中的大多數(shù)由板組成，這些板由通過(guò)噴霧或浸沒(méi)通過(guò)化學(xué)加工獲得的通道組成。這種制造方法導(dǎo)致獲得通道，這些通道的截面具有近似于半圓形的形式并且由于加工方法本身，其尺寸從一個(gè)制造批次到另一個(gè)制造批次是近似的并且難以再現(xiàn)。實(shí)際上，在化學(xué)加工操作中，使用的浴被從板上撕裂的金屬顆粒污染，并且盡管該浴被再生，但是由于操作成本的原因，當(dāng)制造大系列的板時(shí)難以維持相同的效率。在下文中，“半圓形截面”將理解為是指通道的截面，該通道的特性遭受先前描述的并由制造方法如化學(xué)蝕刻和沖壓引起的尺寸限制。

即使這種通道制造方法從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看是不吸引人的，但是有可能想像通過(guò)傳統(tǒng)加工制造構(gòu)成板的通道。在這種情況下，通道的截面將不是半圓形類型，而是矩形的，然后被描述為“矩形截面”。

由如此獲得的半圓形或直角截面的通道組成的板總體上通過(guò)擴(kuò)散焊接或擴(kuò)散釬焊組裝在一起。

這些半圓形或矩形截面裝置的尺寸標(biāo)注是基于應(yīng)用ASME(美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì))第VIII部分第1分冊(cè)附錄13.9，其結(jié)合了由蝕刻板組成的毫米級(jí)交換器和/或交換器-反應(yīng)器的機(jī)械設(shè)計(jì)。為了獲得所希望的機(jī)械強(qiáng)度而有待限定的值在圖2中指出。因?yàn)锳SME規(guī)范不提供這些區(qū)域的分析尺寸標(biāo)注，所以具有可變幾何結(jié)構(gòu)(壁和通道寬度)的分配區(qū)域和歧管的尺寸標(biāo)注由有限元計(jì)算完成。