CN102029127B - 用于将催化剂颗粒装载到具有环形区域的管中的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将催化剂颗粒装载到具有环形区域的管中的装置。具体而言，本发明中所述的装置可用于将基本尺寸为cm级的催化剂颗粒装载到高度可达大于10米的反应管的环形区域中，同时满足装载均匀性和密度的严格要求。

Description

用于将催化剂颗粒装载到具有环形区域的管中的装置
技术领域
本发明涉及可用于将呈固体颗粒形式存在的催化剂装载到多管反应器中的装置的领域。
背景技术
本发明所涉及的装载媒介的具体性质在于，其由包括在外管与内管之间的环形区域构成。
此类管通常称为″插″管。催化剂自身由颗粒构成，这些颗粒大致为圆柱形状，其中，直径大约1cm至2cm，而长度在0.5cm至2cm的范围内。
本发明与具体的化学反应并无关联，而是更为普遍地涉及使用插管型管技术的任何反应器。
举例来说，本发明所涉及的反应器为用于产生合成气体(通常为100000Nm3/h)的大容量天然气蒸汽重整反应器。这些反应器通常由装入壳体内的15米高的大约200至300根管的组件构成，该壳体的直径可达到15米。
装载这些多管反应器所遇到的主要问题在于各个催化管之间的装载密度的均匀性。
装载中的任何不均匀都将导致装载密度的差异，这可产生从一根管到另一根管的优先通路，或甚至在同一管内产生优先通路。关键的是所用的装载方法要确保在各催化管之间良好的密度均匀性。
与装置相关的装载方法还必须是可再现的，且足够快，以便将装载时间保持在合理的极限内。
现有技术的审查
装载催化反应器领域的现有技术由两种主要装载类型所代表，称为″密集″装载和″衬垫(sock)″装载。这些装载技术中的第一种在于通过促使所述颗粒旋转且容许它们以雨滴方式掉落而将催化剂颗粒分配在反应器内。
该方法导致密集、均匀的装载，但需要用于促使旋转的设备，其中，旋转可使催化剂以多种半径分布，以便适当地覆盖所有催化区段。
称为″衬垫″装载的另一方法在于将催化剂颗粒经由挠性衬垫引入反应器中，该挠性衬垫随着所分配的催化剂颗粒的水平在反应器中上升而逐渐地向上升高。该方法导致比″密集″装载更低的装载密度，但设备较为简单。
以下的参考文献更为详细地描述了用于工业反应器的一些其它装载方法：
·UNIDENSE用于蒸汽重整器的催化剂装载，于2008年刊登在Johnson Matthey的商业宣传资料中；
·Damand M B，Erikstrup N H B，Marcher J，Nielsen H C L和Kelling D：使用″螺旋装载方法″来装载蒸汽重整反应器，AmmoniaTechnical Manual 2003中Haldor Topsoe的文章；
·″螺旋装载技术″2008，Haldor Topsoe的商业宣传资料。
现有技术方法并未以令人满意的方式解决在具有限定在外管与内管之间的环形区域的管(技术人员称为插管)内装载催化剂的问题。
插管环形区域中可用的空间通常大约50mm，即，直径100mm的简单管的大约一半。此外，需要保持环形空间恒定(即，内管与外管之间的良好同心性)意思是必须在外管与内管之间安装称为定中心件(centralizer)的元件，该种定中心件例如由固定到其中的一根管上的突出物(tab)或连接内管和外管的壁的系杆构成。
通常，所述定中心件在给定截面上总计2至6个，且优选为总计3个。对于15m长的插管而言，有可能需要在沿管以规则方式分布的4或5个水平上分配这些定中心件。
在文中余下部分，用语″成角的扇区(sector)″将用于表示包括在两个连续(或相继)的定中心件之间的空间部分。
将催化剂颗粒装载到设有定中心件的插管中的约束可归纳为如下方面：
·必须避免颗粒从太高的高度(通常大于5m)掉落的影响下破裂；
·必须避免颗粒在装载管内堵塞；
·由于经验显示当成组的颗粒同时离开装载管时会存在很高风险形成拱桥，故必须防止颗粒成组地离开装载管。
此类约束意思是本发明的方法为使用″一粒接一粒(grain-by-grain)″装载的方法，而这需要相对于催化剂颗粒尺寸严格选择装载管的直径。
如果dmax表示容器(vat)中颗粒或粒子的最大尺寸，而dmin表示所述颗粒的最小尺寸，则已经显示出，为了避免成组颗粒流出时的堵塞现象，同时确保在装载管内一粒接一粒的流动，装载管的直径Dt和颗粒的尺寸dmax和dmin必须满足以下条件：
Dt必须同时大于dmax的1.1倍并小于dmin的2倍。
附图说明
图1为根据本发明的装置的图解视图，示出了其原理特征；
图2为示出成角的扇区和装载管各扇区的位置的顶视图；
图3为配备有采用气体逆流来获取细微颗粒和使催化剂颗粒制动的可选***的本发明的装置的图解视图。
发明内容
本发明可限定为用于将催化剂颗粒装载到***型管的环形空间中的装置。插管通常限定为由具有直径Dext的外管和与外管同心的具有直径Dint的内管构成。包括在外管和内管之间的环形空间构成由催化剂颗粒填充的催化环形区域。
此类插管通常用于蒸汽重整各种碳氢化合物进料、尤其是天然气的反应器；于是，它们为围在直径可达15米的壳体中的多个(200至300个)管的形式。
清楚的是，本发明中所述的装置可复制期望的次数，以便确保同时装载若干个插管。
本发明与催化剂颗粒的具体形状并无关联。
具体而言，催化剂颗粒可具有小圆柱(7)的形式，该圆柱(7)可能由小通道贯穿，以便增大所述颗粒的比表面积。
唯一需要的是在催化剂颗粒中区分表示为dmax的最大尺寸，以及表示为dmin的最小尺寸。本发明的要点在于，严格规定催化剂颗粒经由其引入环形区域的各扇区中的装载管的大小。
装载管的直径必须略大于催化剂颗粒的最大尺寸(dmax)，同时还小于所述颗粒的最小尺寸(dmin)的2倍。用语″略大于″意思是尺寸dmax的1.1倍的值。
为了确保内管和外管的良好的同心性，称为″定中心件″的元件连接外管的内壁和内管的外壁。
所述定中心件在各截面中存在的数目范围为2至6个，优选在每一反应管截面中存在的数目为3个。
所述定中心件沿插管分布，且还有助于其刚度，这是反应器良好可操作性的重要方面。
因此，本发明的装载装置可容许将催化剂颗粒装载到插管的环形区域中，该插管的环形截面由称为定中心件的元件分成N个成角的扇区，所述装置包括：
·用于装载催化剂颗粒的料斗，其定位在多个管的外侧；
·连接到料斗下部和N个装载管上的一组N个振动滑槽，各装载管均向一个成角的扇区供料，且该装载管具有的直径Dt大于催化剂颗粒最大尺寸dmax的1.1倍并小于催化剂颗粒最小尺寸dmin的2倍，装载管的长度(Lt)最初大致等于插管的长度(Lb)；
·一组N个挠性连接元件，其将各振动滑槽连接到装载管上，从而容许适当改变方向。
用语″装载管的长度(Lt)大致等于插管长度(Lb)″意思是Lt比Lb小1米，且优选为小0.5米。
一般而言，成角的扇区的数目在3至6个的范围内；优选的是，其为3个。
在本发明的变型中，该装置可由用于获取细微颗粒的***来完成。
在本发明的另一变型中，该装置可由用于使颗粒制动的***来完成，当颗粒在通常垂直地或大致垂直地设置的装载管中下降时，该***意图限制其速度。
用于催化剂颗粒制动的该***可由圆柱形元件构成，该圆柱形元件设置成垂直于所述装载管的轴线，且以1米±10cm的垂直间距固定到所述管的壁上。
用语″大致垂直″意思是插管(且因此相关的装载管)相对于垂线成±30°度的角。
本发明的装载装置可在插管整个长度上以及构成反应器催化区域的各种插管之间以均匀的密度执行装载。
本发明还涉及使用该装置的方法，这在下一段落中进行阐述。
具体实施方式
用于将催化剂颗粒装载到插管的环形区域中的装置包括按催化剂颗粒行进顺序描述的以下元件。标号参看图1和图2：
·装载料斗(1)，其可为技术人员所公知的任何类型；
·一组N个振动滑槽(2)，其一端穿透到装载料斗(1)的下方区域中，而另一端经由挠性连接元件(3)与各装载管(4)连通；
·穿透到各成角的扇区中的一组N个装载管(4)，一个装载管的直径Dt满足两个条件，a)大于待装载的颗粒的最大尺寸dmax的1.1倍，以及b)小于待装载的颗粒的最小尺寸dmin的2倍。
该装备(set)可通过用于获取催化剂细微颗粒的***(图3中的10，12)来完成。
为了减慢通常为垂直设置的装载管内的催化剂颗粒的掉落，可能需要向所述颗粒提供制动***。举例来说，有可能将挠性材料的圆柱形元件(有些″软毛(或纤毛)″)用作制动***，这些圆柱形元件设置成垂直于所述装载管的轴线，在图1中表示为(9)，且以大约1米的垂直间距固定到所述管的壁上，所述间距可随待装载的催化剂的易碎性而变化。
制动的另一实例为使用通过抽吸(11)，(12)或吹动空气(图3中表示为(13)，(14))所产生的空气升流。
不管使用何种方式使空气循环，过滤装置(10)都可用于截留可能会被夹带的催化剂细微颗粒。用语″催化剂细微颗粒″意思是源于磨损的颗粒碎屑，且其具有小于1mm的尺寸。
用于减慢颗粒掉落的任何其它***可清楚地构想出且同样包含在本发明的范围内。
在装载插管之后，通过测量填充环形区域的催化床的压降(ΔP)来检查装载量，其中，环形区域即为处在通向催化剂侧上的插管的入口(环形空间的上端)与插管的出口(内管的上端)之间。
ΔP的测量通过促使空气流穿过装载有催化剂的管来执行。良好的装载对应于两管之间的ΔP相对于平均值的偏差小于±5％，这确保了催化剂颗粒在各管之间的均匀分配。
用于装载插管的方法包括下面的一系列步骤：
·将催化剂装载到装载料斗中；
·使粒子进入N个振动滑槽中；
·″一粒接一粒″地装载到N个装载管中；
·当装载的颗粒层的高度接近装载管下端的距离小于1米、且优选小于0.5米时使装载管缩短；
·通过测量压降来检查装载品质，促使空气在填充环形区域的催化床中循环，ΔP的测量是在填充有催化剂的环形空间的上端与大致在同一水平上的内管的上端之间进行。
根据本发明的实例
设想一种蒸汽重整反应器，其意图用于以100000Nm3/小时生产合成气体，由众多插管构成，各插管由同心的内管和外管形成。各管截面都有3个定中心件，各个定中心件沿插管对准，且因此限定了3个成角的截面；
·外管(5)的内径：Dext＝150mm；
·内管(6)的外径：Dint＝50mm；
·环形空间的尺寸：e＝50mm；
·插管长度：Lb＝12m；
·反应器直径：10米；
·成角的扇区的数目：N＝3；
·插管数目：280。
具有圆柱形状的催化剂颗粒的尺寸为：
·dmin＝9mm；
·dmax＝16mm；
装载装置由以下构成：
·装载料斗；
·振动滑槽的数目：N＝3；
·装载管的数目：N＝3；
·装载管的直径：Dt＝18mm；
·装载管的初始长度Lt＝11m
·每50cm设置的硅树脂(或硅酮)圆柱形制动装置。
各装载管均由11×1米的区段的组件构成。
当环形区域中的催化床的高度增加时，区段逐渐升高，以便缩短装载管的总长度，且从而保持颗粒掉落高度小于1米。
掉落高度确定为将已装载到环形区域中的颗粒层的上端与装载管的出口端隔开的距离。
表示为1、2、3和4的四个装载操作利用本发明的装置进行。
有关催化床密度(kg/m3)和压降(ΔP，单位为mbar，也即10-3bar＝102帕斯卡)方面的结果如下：
  装载操作   1   2   3   4
  装载粒子的质量(kg)   189   187   187   183
  装载高度(mm)   11850   11850   11850   11850
  装载体积(升)   186   186   186   186
  床密度(kg/m3)   1017   1003   1003   981
  空气流动速率(m3/h)   70   70   70   70
  ΔP(mbar)   183.2   177.7   180.3   171.2
  ΔP/平均ΔP的平均偏差   +2.86％   -0.21％   +1.22％   -3.87％
对于一个管的装载时间为大约半小时。
将插管组合成70组，则装载所有280根管的总时间为35小时。四个装载装置并行使用。

Claims (5)

1.一种用于将催化剂颗粒装载到具有外径Dext和内径Dint的插管的环形区域中的装置，所述插管的环形截面由称为定中心件的元件分成N个成角的扇区，所述装置包括：
·用于装载催化剂颗粒的料斗；
·连接到所述料斗的下部和N个装载管上的一组N个振动滑槽，各装载管均向一个成角的扇区供料，且其具有的直径Dt大于所述催化剂颗粒的最大尺寸dmax的1.1倍并小于所述催化剂颗粒的最小尺寸dmin的2倍，装载管的长度最初大致等于插管的长度；
·一组N个挠性连接元件，其将各振动滑槽连接到装载管上，从而容许方向的适当改变。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，成角的扇区的数目N和装载管的数目N为3。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装载管设有用于使颗粒制动的、由圆柱形元件构成的***，所述圆柱形元件设置成垂直于所述装载管的轴线且以1米±10cm的垂直间距而固定到所述管的壁上。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置由用于获取细微颗粒的***(10)，(12)完成。
5.一种使用根据权利要求1所述装置的用于将催化剂颗粒装载到插管的环形区域中的方法，包括以下一系列步骤：
·将催化剂装载到所述装载料斗中；
·使所述颗粒进入N个振动滑槽中；
·一粒接一粒地装载到所述N个装载管中；
·当装载的颗粒层的高度接近所述装载管的下端的距离小于1米时，缩短所述装载管；
·通过测量促使空气在填充所述环形区域的催化床中循环的压降来检查装载品质，ΔP的测量是在填充有催化剂的所述环形空间的上端与大致在同一水平上的所述插管的内管的上端之间进行。
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