DE3885710T2 - Reformer mit niedriger Feuer-Nutzleistung pro Beschickungseinheit. - Google Patents
Reformer mit niedriger Feuer-Nutzleistung pro Beschickungseinheit.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Rohre, wie sie in Kohlenwasserstoff-Reformierverfahren verwendet werden, und insbesondere Verfahren, in denen ein Kohlenwasserstoff reformiert wird, um Wasserstoff zu erhalten.
- Die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas und anderen Kolenwasserstoffen ist allgeinein bekannter Stand der Technik. Im allgemeinen werden Erdgas, wie z.B. Methan oder andere Kohlenwasserstoffe, und Wasser in Form von Dampf in einer Serie chemischer Reaktionen kombiniert, um in einem mit Katalysator gefüllten Rohr Wasserstoff zu erzeugen. Die folgenden zwei chemischen Reaktionen sind die Hauptreaktionen in diesem Verfahren:
- Reformierreaktion
- CH&sub4; + H&sub2;O CO + 3H&sub2; - 97000 Btu/mol (-102341 kJ/mol)
- Shift-Reaktion
- CO + H&sub2;O CO&sub2; + H&sub2; + 16500 Btu/mol (+17408 kj/mol)
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Heizfläche von Katalysatorrohren in Dampfreformiererhitzern, wie sie allgemein in Ammoniak- und Wasserstoffanlagen zur Herstellung von Wasserstoff verwendet werden. Die bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung umfaßt integrierte Strahlungs- Konvektions-Reformierrohre.
- Die endotherme Reformierreaktion findet statt, indem einige Anteile der Kohlenwasserstoffbeschickung mit Dampf reagieren, um in mit Katalysator gefüllten Rohren in Dampfreformieröfen Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu bilden. Früher wurde die gesamte erforderliche Wärme, die an den Dampfreformer abgegeben wurde, in der Strahlungszone des Ofens gebildet, wo das gesamte Rohr der Strahlungswärme der Brennerflamme ausgesetzt war.
- Die gesamte Feuer-Wärmefreisetzung ist proportional der Menge der erforderlichen Strahlungswärme. Typischerweise wird weniger als die Hälfte der freigesetzten Wärme durch thermische Strahlung auf das mit Katalysator gefüllte Rohr übertragen. Der Rest der Wärme wird von den Abgasen, die die Strahlungszone verlassen, getragen und wird in verschiedenen Rohrschlangen, die sich in der Strahlungszone befinden, wo das Abgas transversal zu den horizontalen Rohren, die die Konvektionsrohrschlangen des Dampfreformierofens bilden, fließt, gewonnen. Die verschiedenen, zur Gewinnung von Wärme aus den Abgasen verwendeten Konvektionsrohrschlangen umfassen: die Vorerhitzungsrohrschlange für die Kombination Kohlenwasserstoffeinsatz plus Dampf, andere Verfahrens- Vorerhitzungsrohrschlangen, Dampfkessel- Speisewasserrohrschlange, Brennstoff- Vorerhitzungsrohrschlange, Verbrennungsluft- Vorerhitzungsrohrschlage, und die Rohrschlange für überhitzten Dampf. Die Alternative zur Verwendung der vorstehend genannten Rohrschlangen zur Kühlung der Konvektions-Abgase ist es, die heißen Abgase direkt in die Atmosphäre zu leiten, wobei die in dem heißen Abgas enthaltene Energie verloren geht.
- Um die Wärmebelastung in der Strahlungszone zu verringern, wird die Kombination Kohlenwasserstoffzufuhr und Dampf typischerweise in den Konvektionsrohrschlangen auf sehr hohe Temperaturen vorerhitzt, bevor sie zur Strahlungszone des Ofens geleitet wird, wodurch für die Vorerhitzungsrohrschlange für die Kombination Kohlenwasserstoffzufuhr und Dampf und die Rohrverbindungsleitung zu den mit Katalysator gefüllten Rohren teure Legierungsmaterialien erforderlich sind.
- Für primäre Reformer, die für die Verbrennungsluft Hochtemperaturgasturbinen-Abgas verwenden, können Vorerhitzer für die Verbrennungsluft nicht verwendet werden, um Hitze aus den Konvektions-Abgasen zu gewinnen. Statt dessen sind Rohrschlangen für die Vorerhitzung von Dampfkesselspeisewasser, die Dampferzeugung und die Dampfüberhitzung die einzigen möglichen Mittel, um ein Maximum an Wärme aus den Abgasen zu gewinnen. Diese Wärmegewinnung kann es erforderlich machen, Dampfantriebe in der Anlage zu verwenden, die sonst mit geringeren Kapitalkosten mit Elektromotoren betrieben werden könnten, oder die überschüssige Dampfproduktion an ungünstige lokale Märkte abzugeben.
- Die Fig. 1 veranschaulicht einen konventionellen Reformer mit einem Ofen to, der darin angebracht die Brenner 12 enthält. Das Rohr 40 ist mit Katalysator 45 gefüllt und erstreckt sich über die Höhe des Ofens 10. Eine Prozeßfluidmischung tritt durch den Einlaß 5 ein, und wird durch das Abgas 92 innerhalb einer Konvektionszone 20 vorerhitzt, bevor es in das Rohr 40 eingespeist wird. Die Fluidmischung fließt durch das mit Katalysator gefüllte Rohr 40 und tritt in das Manifold 80 und den Auslaß 85 aus. Die Fluidmischung innerhalb des Rohres 40 wird fast vollständig durch Strahlungswärmeübertragung innerhalb des Ofens 10 erhitzt. Das durch die Kamin- Konvektionszone 20 austretende Abgas 92 befindet sich auf einer sehr hohen Temperatur. Ein Teil dieses Heizwertes des Abgases 92 wird durch Vorerhitzung der Fluidmischung in den Austauscherrohren 70 in der Kamin-Konvektionszone 20 wiedergewonnen. Weitere Wärme wird durch Dampferzeugung wiedergewonnen, indem man Fluid durch die Austauscherrohre 90, die sich ebenfalls in der Kamin-Konvektionszone 20 befinden, hindurchströmen läßt.
- Die GB-A-2050413 beschreibt einen Ofen zur Dampfreformierung von Schwefel enthaltenden Kohlenwasserstoffen. Um die Bildung von Kohlenstoff während des anfänglichen Erhitzens des Kohlenwasserstoffes zu vermeiden, der einen Katalysator deaktivieren würde, wird der Kohlenwasserstoff zuerst im Hauptteil des Ofens über einem alkalischen Bett erhitzt und dann über einen Katalysator geleitet. Das das Bett enthaltende Rohr kann Rippen umfassen.
- Eine Aufgabenstellung dieser Erfindung ist es, die Feuer- Nutzleistung zu verringern und damit die Wärmebelastung der Konvektions-Abgase, um allen Erfordernissen der Anlage gerecht zu werden. Erfindungsgemäß läßt sich auch die in den Katalysatorrohren absorbierte Wärme als Prozentsatz der gesamten, im Ofen verfeuerten Wärme erhöhen. Die verringerte Feuer-Nutzleistung und erhöhte Wärmeabsorption erlaubt es auch, die Temperatur von Kohlenwasserstoffzufuhr und Dampf zu verringern, was es erlaubt, wirtschaftlichere Legierungen für die Vorerhitzungs-Austauscher zu verwenden.
- Ferner kann die Menge der Verringerung variiert werden, um die Dampferzeugung dem Anlagenverbrauch anzupassen.
- Um diese und andere Aufgabenstellungen zu ermöglichen, ist es mit den erfindungsgemäßen Reformierofen-Rohren möglich, durch Konvektion von den wärmetragenden Abgasen, die die Strahlungszone verlassen, zusätzliche Wärme an die Katalysatorrohre abzugeben. Durch Abziehen von mehr Wärme aus den die Reformierzone verlassenden Abgasen wird die Effizienz der Reformierzone erhöht und die Wärmefreisetzung verringert. Zusätzlich wird die Wärmezufuhr zu anderen Einrichtungen in der Kamin-Konvektionszone verringert.
- Die vorliegende Erfindung stellt einen Reformierofen bereit, der umfaßt:
- eine Strahlungszone, die Brenner enthält;
- einen Rohr-Konvektionsteil, durch den heißes Abgas aus der Strahlungszone austritt, wobei die Breite des Rohr- Konvektionsteiles geringer ist als die Breite der Strahlungszone, und sich der Rohr-Konvektionsteil mit im wesentlichen gleicher Breite von einer Stelle nahe der Strahlungszone zum Ende des Rohr-Konvektionsteils erstreckt;
- und
- mindestens ein Katalysatorrohr, das den Reformierkatalysator enthält, wobei das Katalysatorrohr einen ersten Teil besitzt, der sich im Rohr-Konvektionsteil befindet, und einen zweiten Teil, der sich innerhalb der Strahlungszone befindet, wobei der erste Teil des Katalysatorrohrs eine vergrößerte Oberfläche besitzt, um den Konvektions-Wärmeaustausch zu erhöhen.
- Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit zur Herstellung von Wasserstoff in einer Wasserstoff- oder Ammoniakanlage, wobei der Ofen eine Vielzahl von einen Reformierkatalysator enthaltenden Rohren enthält, und ein Teil jedes dieser Rohre innerhalb des Ofens mit einem Reformierkatalysator gefüllt ist, wonach ein verdampfter Kohlenwasserstoff erhitzt wird, um mit dem Dampf in den Rohren zu reagieren, umfassend: (1) Anbringen eines Teiles jeder dieser Rohre in einem Konvektionsteil des Ofens und eines Teils jeder dieser Rohre in einer Strahlungszone des Ofens, wobei der Teil in dem Konvektionsteil zumindest zum Teil mit Reformierkatalysator gefüllt ist, (2) man den verdampften Kohlenwasserstoff und den Dampf im wesentlichen einer Konvektionswärmeübertragung aus Abgasen mit einer erhöhten Geschwindigkeit in der Konvektionszone des Ofens in einem Teil der Rohre unterwirft, der eine vergrößerte Oberfläche besitzt, die mit einer äußeren Oberfläche der Rohre integriert oder an diese angebracht ist, und (3) man den verdampften Kohlenwasserstoff und Dampf im wesentlichen einer Strahlungswärmeübertragung in der Strahlungszone des Ofens in einem anderen Teil der Rohre, der eine im wesentlichen blanke äußere Wand besitzt, aussetzt.
- Die Fig. 1 veranschaulicht schematisch einen Reformierofen des Standes der Technik;
- Die Fig. 2 veranschaulicht schematisch einen Reformierofen gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Rohr- Konvektionsteil;
- Die Fig. 3 ist ein Querschnitt der Fig. 2 entlang der Linie 3-3;
- Figuren 4a und 4b sind detaillierte Ansichten eines mit Stiften versehenen vergrößerten Oberflächenabschnittes des mit Katalysator gefüllten Rohres der Fig. 2; und
- Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen vergrößerten Oberflächenabschnitts der Fig. 4 mit Rippen.
- Die bevorzugten Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Fig. 2 veranschaulicht einen Reformierofen 110 mit einer Strahlungszone 122 und einem Rohr-Konvektionsteil 125.
- Die integralen Strahlungskonvektions-Reformierrohre der vorliegenden Erfindung sind vertikale Katalysatorrohre 140 mit einem oberen Einlaß 107 und einem unteren Auslaß 182. Der untere Teil des Rohres 140, der in der Strahlungszone 122 liegt, ist im wesentlichen bloß und den Brennern 112 benachbart. Der obere Teil des Rohrs 140 enthält die vergrößerte äußere Oberfläche 150 und befindet sich zwischen zwei parallelen Wänden 130, die sich vom oberen Ende der Strahlungszone 122 aus erstrecken. Eine Reihe vertikaler, mit Katalysator gefüllter Rohre ist geradlinig angeordnet, und da Fig. 1 nur eine Seitenansicht des Ofens zeigt, ist nur ein Rohr 140 gezeigt. Innerhalb des Strahlungsabschnittes 122 befinden sich Brenner 112, die die Wärmezufuhr für den Ofen 110 liefern. Die Strahlungswärme von den Brennern 112 trifft auf die bloßen Wände der Katalysatorrohre 140 auf. Das Rohr 140 ist mit Katalysator 145 gefüllt, der im Rohr durch eine Katalysatorstützplatte 142 gestützt wird.
- Der Rohr-Konvektionsteil 125 des Reformierofens 110 hat eine verringerte Breite, durch die auströmendes Abgas 192 aus dem Ofen 110 austreten muß. Der Rohr-Konvektionsteil 125 hat zwei parallele Wände 130, 130, die viel näher an dem Rohr 140 liegen als die Wände der Strahlungszone 122. Die Geschwindigkeit des durch den Rohr-Konvektionsteil 125 austretenden Abgases ist aufgrund des verringerten Querschnittes, durch den das Abgas 192 strömen muß, viel höher, wodurch die Konvektions-Wärmeübertragung aus dem Abgas 192 zum Fluid in dem mit Katalysator gefüllten Rohr 140 erhöht wird.
- Die Rohre 140 können im Rohr-Konvektionsteil 125 eine vergrößerte Oberfläche 150 aufweisen, um die Wärmeübertragung weiter zu erhöhen. Über eine Länge "D" zwischen den parallelen Wänden 130 kann die vergrößerte Oberfläche 150 aus einer Reihe oder Vielzahl von Stiften 152 bestehen, die an die äußere Oberfläche des Rohres 140 angebracht sind und sich davon radial nach außen erstrecken.
- Die Verbrennungsgase aus der Strahlungszone 122 laufen zwischen den parallelen Wänden 130, die den Anteil 150, der eine vergrößerte Oberfläche besitzt, der mit Katalysator gefüllten Rohre 140 enthalten. Konvektionswärme aus dem Abgas 192 wird über die vergrößerte Oberfläche 150 auf effiziente Weise an die Rohre 140 abgegeben. Etwas zusätzliche Wärme wird auch durch Strahlung vom Abgas 192 und Strahlung von den parallelen Wänden 130 an die Rohre 140 übertragen. Nach Hindurchströmen durch die Katalysatorrohr-Konvektionszone 125 strömt das Abgas 192 zu einer konventionellen Horizontalrohr- Konvektionszone 120 (die z.B. Vorerhitzer-Austauscherrohre 170 und Rückgewinnungs-Austauscherrohre 190 enthalten kann) und aufwärts durch den Kamin 121, wie in Fig. 2 dargestellt.
- Das grundsätzliche Verfahren weist eine Fluidmischung auf, die den Ofen 110 beim Einlaß 105 betritt, und die über eine Serie von Wärmeaustauscherrohren 170, die sich im Kamin 120 befinden, strömt. Die Fluidmischung wird durch das Abgas 192 vorerhitzt, bevor die Mischung das mit Katalysator gefüllte Rohr 140 betritt. Wenn die Fluidmischung durch das mit Katalysator gefüllte Rohr 140 strömt, wird sie zuerst durch Konvektion innerhalb des Rohr-Konvektionsteils 125 erhitzt, wo Verbrennungsgase aus der Strahlungszone 122, die eine hohe Geschwindigkeit besitzen, auf die vergrößerte Oberfläche 150 am Rohr 140 auftreffen. Dadurch wird die Fluidmischung innerhalb des Rohrs 140 in Gegenwart des Katalysators sogar vor dem Eintritt in die Strahlungszone 122 stark erwärmt. Innerhalb der Strahlungszone 122 hat das Rohr 140 eine im wesentlichen bloße äußere Wand und die Fluidmischung innerhalb des Rohres 120 wird in erster Linie durch Strahlungswärmeaustausch erhitzt. Nachdem die Fluidmischung die Strahlungszone 122 durchströmt hat, verläßt sie den Ofen 110 über die Auslaßleitung 122 und strömt in das Manifold 180, in dem die Fluidmischung aus allen mit Katalysator gefüllten Rohren 140 vereinigt wird, und tritt durch den Auslaß 185 aus.
- Die Fig. 3 ist ein Querschnitt des Ofens 110 der Fig. 2 in Draufsicht. Die Fig. 3 veranschaulicht, daß der Ofen 110 viele mit Katalysator gefüllte Rohre 140 besitzt, die sich in seiner Längsrichtung erstrecken. Jedes der mit Katalysator gefüllten Rohre 140 hat innerhalb der Strahlungszone 122 (vgl. auch Fig. 2) eine vergrößerte Oberfläche 150. Ein typischer Reformierofen kann 150 oder mehr Reformierrohre aufweisen. Die mit Katalysator gefüllten Rohre 140 sind zwischen zwei parallelen Wänden 130, 130 angebracht. Fluid von den Rohren 140 tritt über die Auslaßleitung 182 in das Manifold 180, vereinigt sicht dort und tritt durch den Auslaß 185 aus.
- Der Katalysatorrohr-Konvektionsteil 125 des Rohres 140 weist eine vergrößerte Oberfläche 150 auf. Die Figuren 4a und 4b veranschaulichen Einzelheiten der vergrößerten Oberfläche 150. Die vergrößerte Oberfläche 150 besteht aus einer Reihe oder Vielzahl von Stiften 152, die an die äußere Oberfläche des Rohres 140 angebracht sind und sich von dort radial nach außen erstrecken. Die Stifte 152 sind in Ebenen 155 angeordnet, die in einem Abstand "d" voneinander angebracht sind. Jede Ebene 155 hat ca. 30 Stifte 152, um den Umfang des Rohres 140 verteilt.
- Die Kombination von Stiftgröße, Menge, Form und Abstand des den Abgasen, die die Strahlungszone 122 verlassen, ausgesetzten Teils 150 mit vergrößerter Oberfläche und ihre Umhüllung können variiert werden, um die gewünschten Wärmeabsorptionseigenschaften innerhalb des Katalysatorrohr- Konvektionsteils 125 zu erzielen.
- Die Fig. 5 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der vergrößerten Oberfläche 160, die aus einer Vielzahl von Rippen besteht, die in Längsrichtung entlang der äußeren Oberfläche des Rohres 140 angebracht sind und sich von dort radial nach außen erstrecken. Auch hier werden Größe, Ausrichtung und Abstand der Rippen 165 wieder so gewählt, um die gewünschten Wärmeabsorptionseigenschaften zu erzielen. Obwohl zwei besondere Ausgestaltungen für die vergrößerte Oberfläche 150 beschrieben wurden, können von einem Fachmann andere Ausgestaltungen ausgewählt werden, um die gewünschten Wärmeübertragungseigenschaften zu erzielen, wie sie durch die vorliegende Beschreibung und Offenbarung angegeben werden.
- Der Katalysatorrohr-Konvektionsteil 125 kann zur Erhöhung des Konvektionswärmeaustausches zum Rohr 140 auch Prallbleche (nicht gezeigt) umfassen.
- Obwohl die Figuren 2 und 3 mit einem im wesentlichen vertikal angeordneten Rohr 140 beschrieben wurden, können auch andere Ausrichtungen verwendet werden. Die Figuren 2 und 3 zeigen den Einlaß zum Rohr 140 am oberen Ende des Ofens 110, und alternativ kann der Einlaß zum Katalysatorrohr auch am Boden und der Auslaß am oberen Ende angebracht sein. In einem solchen Fall wäre es geeigneter, die Strahlungszone des Rohres am oberen Ende und den Konvektionsteil des Rohres am unteren Ende zu haben. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, den Einlaß am oberen Ende, den Auslaß am Boden und den Konvektionsteil am unteren Ende zu haben. Ein erfindungsgemäßes Merkmal ist die Kombination einer Strahlungszone und eines Konvektionsteils in einem einzelnen Katalysatorrohr.
- Die Temperatur der den erfindungsgemäßen Katalysatorrohrteil verlassenden Abgase kann auf ca. 1200 bis 1500ºF (649 bis 816ºC) gegenüber 1700 bis 1900ºF (927 bis 1038ºC) in gängigen Öfen des Standes der Technik verringert werden, ohne das Katalysatorvolumen oder die bloße Rohroberfläche wesentlich zu erhöhen. Als Ergebnis kann die Menge des pro Produktionseinheit erforderlichen Brennstoffes bis zu ca. 25 % verringert werden.
- Die Gesamtkosten des Reformierofens unter Verwendung von mit Katalysator gefüllten integrierten Strahlungs-Konvektions- Rohren können wesentlich geringer sein als die eines Ofens, der diese erfindungsgemäße Ausgestaltung nicht verwendet. Durch die niedrigere Abgastemperatur können geringere Materialkosten erzielt werden. Typischerweise werden die Vorerhitzungs-Austauscherrohre (wie die Rohre 70 in Fig. 1) dem Abgas bei einer Temperatur von 1700 bis 1900ºF (927 bis 1038ºC) ausgesetzt. Eine solche Temperatur erfordert im Vergleich zu erfindungsgemäßen Rohren (wie den Rohren 170 in Fig. 2), die einer niedrigeren Temperatur von 1200 bis 1500ºF (649 bis 816ºC) ausgesetzt werden, eine kostspieligere Rohrlegierungszusammensetzung.
- Es werden nun Beispiele beschrieben, die die vorliegende Erfindung mit Verfahren des Standes der Technik vergleichen. Die Beispiele vergleichen Verfahren von Reformieröfen für eine typische Ammoniakanlage für 1500 short tons (1.36 Mio. kg) pro Tag. Die Beispiele sind in Tabelle 1 zusammengestellt. TABELLE 1 Kohlenwasserstoffzufuhr plus Dampf Vorerhitzter Einsatz Q MMBtu/hr (MMW) Brennerverbrauch Q MBtu/hr (MMW) Turbinenbrennstoffverbrauch Q MMBtu/hr (MMW) Totaler Brennstoffverbrauch Q MMBtu/hr (MMW) Einlaßtemperatur zum Rohr Brenngasaustrittstemperatur von der Strahlungszone Abgastemperatur beim Eintritt in den Kamin Absorbierte Strahlungs- + Konvektionsenergie Q MMBtu/hr (MMW) Kamingasaustrittstemperatur Andere Rohrschlangenzur Wiedergewinnung Q MMBtu/hr (MMW) Beispiel
- Dieses Beispiel bezieht sich auf eine typische Ammoniakanlage gemäß der in Fig. 1 gezeigten gängigen Technologie für 1500 short tons pro Tag. Der Reformierofen enthält 152 mit Katalysator gefüllte Rohre mit 5.75 inch (146.05 mm) ID und 39.49 Fuß (12.04 m) Höhe. Ca. 36.5 Fuß (11.13 m) der Katalysatorrohrhöhe sind Strahlungszone. Kohlenwasserstoff wird beim Einlaß 5 zugeführt und in den Austauscherrohren 70 bei einer Wärmezuführungsrate von 44 MMBtu/hr (12.9 MMW) vorerhitzt. Der Einsatz betritt die mit Katalysator gefüllten Rohre 140 bei einer Temperatur von 1025ºF (551.7ºC) . Der Einsatz wird dann im Ofen 10 mit einer Absorptionsrate von 154 MMBtu/hr (45.1 MMW) erhitzt, was vollständig in einer Strahlungszone vor sich geht, weil dieses Beispiel keine Konvektionszone aufweist. Der Brennstoffverbrauch beträgt 302 MMBtu/hr (88.5 MMW) für die Brenner 12, und 191 MMBtu/hr (56.0 MMW) für die Gasturbine (nicht dargestellt), die Luft für den Verbrennungsprozeß liefert. Der Gesamtbrennstoffverbrauch beträgt 493 MMBtu/hr (144.5 MMW). Die Verbrennungsgase verlassen die Verbrennungszone und betreten die Konvektionszone 20 bei einer Temperatur von 1850ºF (1010ºC). Innerhalb der Konvektionszone 20 wird der Kohlenwasserstoffeinsatz in den Austauscherrohren 70 durch die Gase vorerhitzt. Weitere Wärme wird in den Austauscherrohren 90 mit 203 MMBtu/hr (59.5 MMW) wiedergewonnen. Das Brennstoffgas zum Kamin tritt dann bei einer Temperatur von 350ºF (176.7C) aus.
- Dieses Beispiel veranschaulicht eine wie in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Ammoniakanlage mit 1500 short tons pro Tag. Zahl und Durchmesser der Katalysatorrohre sind wie in Beispiel 1 angegeben. Die Länge der Rohre ist auf 42.06 Fuß (12.82 m) erhöht, wobei 29.94 Fuß (9.13 m) der Rohrlänge in der Strahlungszone 122 liegen. Die Rohre 140 haben auf einer Länge von 7.27 Fuß (2.22 m) eine vergrößerte Oberfläche 150, die den Konvektionsteil 125 der mit Katalysator gefüllten Rohre 140 umfassen. Die vergrößerte Oberfläche (siehe Figuren 4a und 4b) besteht aus Stiften 152 mit 3/8 inch (9.53 mm) Durchmesser und 3/4 inch (19.04 mm) Höhe, und mit 30 Stiften 152 pro Ebene 155 entlang des Umfanges des Rohres 140. Die Ebenen 155 sind über die volle Höhe "D" von 7.27 Fuß (2.22 m) des Konvektionsteils 125 in einem Abstand "d" von 1/2 inch (12.7 mm) angeordnet. Die gleichen Ergebnisse können mit anderen Arten einer vergrößerten Oberfläche erhalten werden.
- Unter Bezugnahme auf Tabelle 1 wird der Kohlenwasserstoffeinsatz mit einer Geschwindigkeit von 44 MMBtu/hr (12.9 MMW) in den Austauscherrohren 170 vorerhitzt. Der Einsatz betritt dann die mit Katalysator gefüllten Rohre 140 bei 1025ºF (551.7ºC) . Der Einsatz wird im Ofen 110 bei einer Absorptionsrate von 154 MMBtu/hr (45.1 MMW) erhitzt, wobei ein Teil davon in der Strahlungszone 122 erfolgt, und der Rest im Katalysatorrohr-Konvektionsteil 125. Der Brennstoffverbrauch beträgt an den Brennern 112 230 MMBtu/hr (67.4 MMW), und 191 MMBtu/hr (56.0MMW) für die Gasturbine (nicht dargestellt). Der gesamte Brennstoffverbrauch beträgt 421 MMBtu/hr (123.4 MMW).
- Die Verbrennungsgase verlassen die Strahlungszone 122 und betreten den Katalysatorrohr-Konvektionsteil 125 bei 1850ºF (1010ºC) . Das Abgas 192 betritt den Konvektionsteil 120 bei 1470ºF (798.9ºC). Innerhalb des Konvektionsteils 120 heizt das Abgas 192 den Kohlenwasserstoffstrom in den Austauscherrohren 170 vor. Weitere Wärme wird in den Austauscherrohren 190 mit 131 MMBtu/hr (38.4 MMW) gewonnen. Das Abgas zum Kamin tritt bei 350ºF (176.7ºC) aus.
- In diesem Beispiel, in dem die Eintrittstemperatur zum Katalysatorrohr 1025ºF (551.7ºC) (die gleiche wie in Beispiel 1) beträgt, wird der Brennstoff für den Reformer um ca. 24 % verringert. Der Gesamtbrennstoff für den Reformer plus Gasturbine wird um ca. 15 % verringert.
- Dieses Beispiel steht für einen konventionellen Reformer, der ähnlich dem des Beispiels 1 ist, mit der Ausnahme, daß die Einlaßtemperatur von 1025ºF (551.7ºC) auf 1150ºF (621.1ºC) erhöht wird, um die gesamte Feuer-Nutzleistung zu verringern. In diesem Fall sind 124 Katalysatorrohre mit 6.0 inch (152.4 mm) ID und 39 Fuß (11.89 m) Höhe vorhanden.
- Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und Tabelle 1 tritt der Einsatz beim Einlaß 5 ein und wird in den Austauscherrohren 70 bei einer Wärmeeinsatzrate von 61 MMBtu/hr (17.9 MMW) vorerhitzt. Der Einsatz betritt das mit Katalysator gefüllte Rohr 40 bei 1150ºF (621.1ºC) und wird dann im Ofen 10 mit einer Absorptionsrate von 137 MMBtu/hr (40.2 MMW) über die gesamte Strahlungszone erhitzt, weil dieses Beispiel keinen Katalysatorrohr-Konvektionsteil besitzt. Der Brennstoffverbrauch beträgt für die Brenner 12 274 MMBtu/hr (80.3 MMW), und 191 MMBtu/hr (56.0 MMW) für die Gasturbine (nicht dargestellt), bei einem Gesamtbrennstoffverbrauch von 465 MMBtu/hr (136.3 MMW).
- Die Verbrennungsgase verlassen die Verbrennungszone und betreten den Konvektionsteil 20 (das Brenngas 92) bei einer Temperatur von 1850ºF (1010ºC). Das Abgas 92 erhitzt den Kohlenwasserstoffeinsatz in den Austauscherrohren 70 vor. Weitere Wärme wird bei einer Geschwindigkeit von 179 MMBtu/hr (51.6 MMW) in den Austauscherrohren 90 gewonnen. Abgas zum Kamin tritt bei 350ºF (176.7ºC) aus.
- Wenn man die Verfahrensbedingungen für das mit Katalysator gefüllte integrierte Strahlungs-Konvektions-Rohr des Beispiels 2 mit Beispiel 3 vergleicht, so wird, wie in Beispiel 2 gezeigt, gegenüber Beispiel 3 der Brennstoff für den Reformer um 16 % verringert, und der gesamte erforderliche Brennstoff um 9 %.
- In diesem Beispiel beträgt die Temperatur des Kohlenwasserstoffeinsatzes plus Dampf beim Eintritt in die mit Katalysator gefüllten Rohre für das mit Katalysator gefüllte integrierte Strahlungs-Konvektions-Rohr des Beispiels 2 125ºF (69ºC) weniger, wodurch zwei Ziele gleichzeitig erreicht werden: (1) wesentlich geringere Kosten für den Kohlenwasserstoffeinsatz plus Dampf-Rohrschlange, und (2) Verringerung des für die Reformierreaktion erforderlichen Brennstoffs.
- Es werden ein Ofen und ein Verfahren beschrieben, die Kohlenwasserstoffe reformieren, um ein Gas zu erhalten, das wesentliche Mengen an Wasserstoff enthält. Obwohl erfindungsgemäße Ausführungsformen und Anwendungen gezeigt und beschrieben wurden, ist es für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, daß andere Ausgestaltungen möglich sind, ohne sich vom erfindungsgemäßen Rahmen zu entfernen. Die Erfindung wird deshalb außer durch die nachfolgenden Ansprüche nicht beschränkt.
Claims (15)
1. Reformierofen (110) umfassend:
eine Strahlungszone (122), die Brenner (112) enthält;
einen Rohr-Konvektionsteil (125), durch den heißes Abgas aus
der Strahlungszone (122) austritt, wobei die Breite des Rohr-
Konvektionsteils geringer ist als die Breite der
Strahlungszone, und sich der Rohr-Konvektionsteil mit im
wesentlichen gleicher Breite von einer Stelle nahe der
Strahlungszone zum Ende des Rohr-Konvektionsteils erstreckt;
und
mindestens ein Katalysatorrohr (140), das den
Reformierkatalysator enthält, wobei das Katalysatorrohr (140)
einen ersten Teil besitzt, der sich im Rohr-Konvektionsteil
(125) befindet, und einen zweiten Teil, der sich innerhalb der
Strahlungszone (122) befindet, wobei der erste Teil des
Katalysatorrohrs eine vergrößerte Oberfläche (150) besitzt, um
den Konvektions-Wärmeaustausch zu erhöhen.
2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rohr-Konvektionsteil im wesentlichen 2 parallele Wände
aufweist, und der erste Teil des Katalysatorrohrs zwischen den
parallelen Wänden liegt.
3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die vergrößerte Oberfläche eine Vielzahl
von Stiften oder eine Vielzahl von Rippen umfaßt, die sich vom
ersten Teil des Katalysatorrohrs radial nach außen erstrecken.
4. Ofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die vergrößerte Oberfläche eine Vielzahl von Stiften umfaßt,
die in Ebenen entlang der Länge des Rohr-Konvektionteils mit
ca. 30 Stiften pro Ebene angeordnet sind, und die Ebenen sich
in einem Abstand von ca. 13 mm (1/2 inch) voneinander
befinden, und die Stifte einen Durchmesser von ca. 1 cm (3/8
inch) und eine Länge von ca. 19 mm (3/4 inch) besitzen.
5. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß er in dem Rohr-Konvektionsteil außerdem
Prallflächen aufweist.
6. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Reformerwänden
beim Rohr-Konvektionsteil wesentlich geringer ist, als der
Abstand zwischen den Reformerwänden bei der Strahlungszone,
wodurch die Reformerwände beim Rohr-Konvektionsteil sich nahe
an der vergrößerten Oberfläche des mit Katalysator gefüllten
Rohrs befinden, um den Wärmeaustausch zum Rohr zu vergrößern.
7. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Teil des Katalysatorrohrs eine
im wesentlichen blanke äußere Oberfläche besitzt.
8. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Katalysatorrohr im wesentlichen
vertikal ausgerichtet ist, und sich entweder (a) die
Strahlungszone im unteren Teil des Ofens und der Rohr-
Konvektionsteil im oberen Teil des Ofens befindet, oder sich
(b) die Strahlungszone im oberen Teil des Ofens und der Rohr-
Konvektionsteil im unteren Teil des Ofens befindet.
9. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff in
einem Dampfreformierofen einer Wasserstoff- oder
Ammoniakanlage, wobei der Ofen eine Vielzahl von einen
Reformierkatalysator enthaltenden Rohren enthält, und ein Teil
jedes dieser Rohre innerhalb des Ofens mit einem
Reformierkatalysator gefüllt ist, wonach ein verdampfter
Kohlenwasserstoff erhitzt wird, um mit dem Dampf in den Rohren
zu reagieren, umfassend: (1) Anbringen eines Teiles jeder
dieser Rohre in einem Konvektionsteil des Ofens und eines
Teils jeder dieser Rohre in einer Strahlungszone des Ofens,
wobei der Teil in dem Konvektionsteil zumindestens zum Teil
mit Reformierkatalysator gefüllt ist, (2) man den verdampften
Kohlenwasserstoff und den Dampf im wesentlichen einer
Konvektionswärmeübertragung aus Abgasen mit einer erhöhten
Geschwindigkeit in der Konvektionszone des Ofens in einem Teil
der Rohre unterwirft, die eine vergrößerte Oberfläche
besitzen, die mit einer äußeren Oberfläche der Rohre
integriert oder an diese angebracht ist, und (3) man den
verdampften Kohlenwasserstoff und Dampf im wesentlichen einer
Strahlungswärmeübertragung in der Strahlungszone des Ofens in
einem anderen Teil der Rohre, der eine im wesentlichen blanke
äußere Wand besitzt, ausssetzt.
10. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff
umfassend (a) Umsetzung eines verdampften Kohlenwasserstoffs
mit Dampf in einem vertikalen Rohr, das einen
Dampfreformierkatalysator enthält, wobei das Rohr 2 Zonen
besitzt, und die Reaktionsstufe umfaßt (1) Erhitzen des
Kohlenwasserstoffs und Dampfs durch im wesentlichen Konvektion
in einer ersten Zone des Rohrs, wobei die erste Zone eine
vergrößerte Oberfläche besitzt, die mit einer äußeren
Oberfläche des Rohr integriert oder an diese angebracht ist,
und (2) Erhitzen des Kohlenwasserstoffs und Dampfs in einer
zweiten Zone des Rohrs durch im wesentlichen Strahlung aus
einer Strahlungszone des Ofens, wobei die zweite Zone des
Rohrs eine im wesentlichen blanke äußere Wand besitzt, und (b)
Erhöhen der Geschwindigkeit des Abgases entlang der ersten
Zone des Rohrs.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das Katalysatorrohr vertikal ist und (a)
der Einlaß zum Katalysatorrohr sich am oberen Ende, und der
Auslaß aus dem Katalysatorrohr am Boden befindet, und die
Abgase aus dem oberen Ende des Ofens austreten, oder (b) der
Einlaß zum Katalysatorrohr am oberen Ende ist, und die Abgase
aus dem Boden des Ofens austreten, oder (c) der Einlaß zum
Katalysatorrohr am oberen Ende, und der Auslaß aus dem
Katalysatorrohr am Boden ist, und die Abgase am Boden
austreten.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11
umfassend die Stufen:
Vorerhitzen des Kohlenwasserstoffstroms;
Einführen des vorerhitzten Kohlenwasserstoffstroms in ein mit
Katalysator gefülltes Rohr innerhalb eines Ofens;
Erhitzen des Kohlenwasserstoffstroms in einer Konvektionszone
des Ofens, in der Abgas eine erhöhte Geschwindigkeit besitzt,
und worin ein Teil des mit Katalysator gefüllten Rohrs eine
vergrößerte äußere Oberfläche besitzt, die mit einer äußeren
Oberfläche des Rohrs innerhalb des Konvektionsteils integriert
oder an diese angebracht ist, um die
Konvektionswärmeübertragung zum Kohlenwasserstoffstrom
innerhalb des mit Katalysator gefüllten Rohrs zu erhöhen, und
Erhitzen des Kohlenwasserstoffstroms in einer Strahlungszone
des Ofens, worin ein Teil des Rohrs innerhalb der
Strahlungszone eine im wesentlichen blanke äußere. Oberfläche
besitzt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die vergrößerte Oberfläche des mit
Katalysator gefüllten Rohrs aus einer Vielzahl von der äußeren
Oberfläche des mit Katalysator gefüllten Rohrs angebrachten
Stiften besteht, die sich davon radial nach außen erstrecken.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch
gekennezeichnet, daß die vergrößerte Oberfläche des mit
Katalysator gefüllten Rohrs aus einer Vielzahl von an der
äußeren Oberfläche des mit Katalysator gefüllten Rohrs
angebrachten Rippen besteht, die sich davon radial nach außen
erstrecken.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß man im Konvektionsteil durch
Prallflächen eine Turbulenz erzeugt.
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