專利名稱：一種多相合成反應(yīng)器的原位現(xiàn)代化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多相合成反應(yīng)器的原位現(xiàn)代化方法，特別地，涉及放熱合成反應(yīng)，如氨或甲醇的合成以及一氧化碳的轉(zhuǎn)化，包括至少一個(gè)徑向或軸徑向型催化床，配有相向筒狀孔壁用于氣體的入口和出口。
在下文的描述和權(quán)利要求中，“原位現(xiàn)代化”術(shù)語理解為對已存在的反應(yīng)器進(jìn)行現(xiàn)場現(xiàn)代化以便改善其性能，并獲得諸如能與新建反應(yīng)器相比的生產(chǎn)能力和/轉(zhuǎn)化率。
在本領(lǐng)域的術(shù)語中，這類現(xiàn)代化也稱作改型或改進(jìn)。
眾所周知，在一般多相合成反應(yīng)器領(lǐng)域，越來越多地需要改造已存在的合成反應(yīng)器，使其適應(yīng)總是增加反應(yīng)活性的新概念催化劑，以達(dá)到在降低投資成本的同時(shí)提高轉(zhuǎn)化率和降低能耗的目的。
實(shí)際上，實(shí)踐高活性催化劑的連續(xù)進(jìn)步已經(jīng)導(dǎo)致-反應(yīng)器的生產(chǎn)能力相同-加載于單個(gè)反應(yīng)床的催化劑量顯著低于催化床的設(shè)計(jì)最大填充量，從而節(jié)約了所述催化劑的成本。
在已存在的配有軸向型催化床的反應(yīng)器中，使該反應(yīng)器適應(yīng)新的高反應(yīng)活性催化劑不會引起特殊的問題，因?yàn)榇呋部梢栽诓贿M(jìn)行重大改進(jìn)的條件下，在同樣的運(yùn)行-特別是就流體動力學(xué)觀點(diǎn)而言-中加載或多或少大量的催化劑，除了不同的壓力降之外，而通過適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)反應(yīng)器操作條件就可調(diào)節(jié)壓力降。
相反，在已存在的包括徑向或軸徑向型催化床的反應(yīng)器中，在催化床運(yùn)行時(shí)加載的催化劑量不同于設(shè)計(jì)量包含嚴(yán)重的缺點(diǎn)。
徑向型催化床僅部分填充催化劑，暴露在床上部的氣體進(jìn)口及氣體出口壁上不可避免的存在數(shù)排孔，結(jié)果是反應(yīng)氣體通過這些孔形成不期望的旁路，而且相應(yīng)的反應(yīng)器轉(zhuǎn)換率顯著下降。
軸徑向型催化床存在相同的問題，其中也缺乏催化劑通過反應(yīng)氣體的軸向交叉，與最佳加載的催化床相比，這又進(jìn)一步降低了轉(zhuǎn)換率。
特別是，軸徑向催化床上的催化劑量減少，除了暴露一部分穿孔的氣體入口和出口壁的孔外，還阻礙氣體出口壁上部未穿孔部分所完成的功能，所述氣體出口壁為氣體進(jìn)入所述床的徑向路徑。
盡管所謂已有反應(yīng)器的改型越來越多地被接受，該技術(shù)的目的在于避免昂貴地更換反應(yīng)器，而同時(shí)實(shí)現(xiàn)與可利用的反應(yīng)容量相兼容的最大轉(zhuǎn)換率和最小能源，但到目前為止，還沒有提出一種方法能使配有徑向或軸徑向型催化床的已有反應(yīng)器滿足上述要求。
目前，由于缺乏有效的技術(shù)方案，已有反應(yīng)器的徑向或軸徑向催化床仍加載傳統(tǒng)的催化劑，不利于轉(zhuǎn)換率的提高和能耗的降低，這本來是通過使用新的高反應(yīng)活性催化劑能夠?qū)崿F(xiàn)的。
另外，為避免上述缺陷，通過使用高活性催化劑，總是需要完全填充可利用的徑向或軸徑向催化床的體積，因此使得-除提高轉(zhuǎn)換率之外-已有反應(yīng)器生產(chǎn)能力的增加，而這并不總是需要的或希望的，因?yàn)檫@種增加可能會，比如，包括替換位于合成反應(yīng)器下游的設(shè)備，否則其尺寸不夠，而更換又會伴隨相對高的投資和建造成本。
此外，在原來設(shè)計(jì)適合使用傳統(tǒng)的低活性催化劑的已有催化床上填充整個(gè)可利用的體積需要大量的高活性催化劑，這樣又使得投資成本過高。
由于這些嚴(yán)重的缺陷，到現(xiàn)在為止，在已有的包含徑向或軸徑向催化床的多相合成反應(yīng)器上使用高活性催化劑還未得到實(shí)質(zhì)上的應(yīng)用，盡管本領(lǐng)域?qū)@一要求日趨增加。
本發(fā)明的目的是在于提供一種方法，對含有至少一種徑向或軸徑向床的多相合成反應(yīng)器進(jìn)行現(xiàn)代化改進(jìn)，以便能夠使用總是具有較高反應(yīng)活性的新觀念催化劑，從而以一種簡單且可靠的方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換率的提高和能耗的降低，亦即降低投資及操作成本。
通過上述方法解決了所述問題，其特征在于包括下列步驟-提供一個(gè)與所述催化床上的所述氣體出口壁同軸的未穿孔筒狀壁，所述未穿孔筒狀壁從所述氣體出口壁的上端延伸至一個(gè)預(yù)定的長度，從而在氣體出口壁與未穿孔壁之間定義一個(gè)自由空間，以用作部分離開所述催化床的氣體的通道；-提供在氣體出口壁的上端附近關(guān)閉未穿孔壁與氣體出口壁之間的自由空間的設(shè)備，從而防止所述催化床的旁路或進(jìn)入和離開反應(yīng)器的氣體循環(huán)進(jìn)入催化床。
就優(yōu)點(diǎn)而言，根據(jù)本發(fā)明的方法允許部分加載已有的徑向或軸向催化床，以這種方式允許有效地使用新的高活性催化劑，而不會對床的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，特別是能保持流體動力學(xué)和壓降不變。
實(shí)質(zhì)上，正是由于靠近氣體出口壁上部的一個(gè)預(yù)定長度的未穿孔壁的存在，和在未穿孔壁與氣體出口壁之間同時(shí)形成自由空間，使得以下詳述的兩個(gè)目的都能達(dá)到。
一方面，未穿孔壁使進(jìn)入床層的氣體進(jìn)入到催化劑中，從而防止形成不希望的旁路，即防止氣體由于僅部分填充催化床而導(dǎo)致暴露直接流過氣體出口壁的孔中而不通過催化床。
另一方面，自由空間的存在允許通過催化劑的氣體由氣體出口壁的所有孔排放，以便保持通過催化床的壓降不變。
通過提供一種延伸一部分的未穿孔壁可獲得特別令人滿意的結(jié)果，延伸部分包含氣體出口壁的5％至50％之間的長度，分別定義了基本環(huán)形的自由空間，厚度在0.5至10厘米之間。
以這種方式甚至能夠加載相對少量的高活性催化劑，而不會冒催化床被合成氣體旁路的危險(xiǎn)，同時(shí)保持改型前的流體動力學(xué)和壓降特性。
根據(jù)本發(fā)明，值得強(qiáng)調(diào)的是，在徑向或軸徑向型催化床上能部分加載催化劑-不會對運(yùn)行產(chǎn)生不良影響-與現(xiàn)有技術(shù)形成鮮明對照，根據(jù)已有技術(shù)，使用徑向或軸徑向催化床，必須完全填充催化劑，以便防止不希望的反應(yīng)氣體的旁路。
實(shí)際上，由于這種床的本質(zhì)特征，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)對徑向或軸徑向催化床部分加載是不可思議的。
只有在申請人的研究之后，通過對已有徑向或軸徑向催化床進(jìn)行現(xiàn)代化改進(jìn)允許-與現(xiàn)有技術(shù)相反-部分加載催化劑才可能解決上述技術(shù)問題。
下文參照附圖的非限定性示例給出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化改進(jìn)方法的一個(gè)實(shí)例描述陳述了本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1示出了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的現(xiàn)代化方法進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)的完成多相合成反應(yīng)的已有反應(yīng)器的軸向剖面圖。
參考圖1，編號1代表一個(gè)完整的多相合成反應(yīng)器。
這類反應(yīng)器特別適于進(jìn)行高溫高壓下(20-300巴，180-550℃)的放熱多相合成反應(yīng)，比如氨或甲醇的生產(chǎn)，或把一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳。
反應(yīng)器1包括一個(gè)管狀外套或殼2，在頂部配有一個(gè)作為反應(yīng)氣體入口的管嘴3，在底部配有一個(gè)作為反應(yīng)產(chǎn)物出口的管嘴4。
殼2還在頂部配有一個(gè)管口5，允許一個(gè)工人進(jìn)入反應(yīng)器1內(nèi)完成各種裝配操作及維護(hù)工作。這類管口對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是常識，行話叫“人孔”。
在殼2內(nèi)部，有一個(gè)軸徑向型催化床6，兩側(cè)向分別為氣體入口及出口的筒狀穿孔壁7和8，由殼2底部支承。
催化床6的頂部不封死以允許部分反應(yīng)氣體軸向穿過催化床。為防止不希望的催化劑泄漏現(xiàn)象發(fā)生，密封網(wǎng)-本領(lǐng)域的技術(shù)人員一般都熟知，因而未示出-可安裝于該催化床6上。
在圖1的實(shí)例中，氣體入口壁7靠近殼2，而氣體出口壁8位于反應(yīng)器1的中間。在殼2和氣體入口壁6之間有一個(gè)自由空間9，它允許反應(yīng)氣體徑向通過床6。氣體出口壁8也在頂部用已知類型的氣密性罩10封住。
最后在反應(yīng)器1中提供一個(gè)內(nèi)腔11，該腔11在壁8和罩10之間與催化床6同軸延伸，它使反應(yīng)產(chǎn)物離開所述床到達(dá)管嘴4，通過管嘴4最終排出產(chǎn)物。
在氣體入口壁7的頂部附近所示的虛線12界定催化床6內(nèi)催化劑可達(dá)到的最高位置，并與側(cè)壁7和8及殼2的底部一起確定反應(yīng)器1的可利用的反應(yīng)容量。
這一容量已根據(jù)設(shè)計(jì)反應(yīng)器1時(shí)的市售催化劑的反應(yīng)活性計(jì)算出來，可達(dá)到預(yù)定的反應(yīng)能力。
因此，根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行現(xiàn)代化改進(jìn)之前，反應(yīng)器1仍具有的催化床6，其體積完全由一種傳統(tǒng)催化劑占據(jù)。
相反，虛線13表明根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的反應(yīng)器1中催化劑所達(dá)到的位置。
催化床6內(nèi)的催化劑-作為整體用14表示，具有這樣的反應(yīng)活性即提供與該反應(yīng)器的設(shè)計(jì)能力相等的生產(chǎn)能力，但占據(jù)的體積大大小于催化床6的體積。
換言之，由于較大的反應(yīng)活性，只要反應(yīng)器按照本發(fā)明方法進(jìn)行改進(jìn)，加載于反應(yīng)器中的催化劑14的量-生產(chǎn)能力相同-將大大的小于改進(jìn)前使用的催化劑量，因此節(jié)約了催化劑成本。
圖1中的箭頭F表明氣體通過催化床6的各種路徑。
按照本發(fā)明的改進(jìn)方法的第一步，提供一個(gè)催化床6中與氣體出口壁8同軸的本質(zhì)上為筒狀的未穿孔壁15。未穿孔壁15凸出于氣體出口壁8的頂部8a，作為氣體出口壁8的預(yù)固定部分，從而在氣體出口壁8和未穿孔壁15之間形成一個(gè)環(huán)形自由空間16，部分離開所述催化床6的氣體從此通過，如圖1中的箭頭F所示。
本方法的下一步，在氣體出口壁8的頂部8a附近，提供了一種設(shè)備以封住未穿孔壁15和氣體出口壁8之間的自由空間16，從而防止催化床6的旁路，或進(jìn)入和離開反應(yīng)器的氣體循環(huán)進(jìn)入催化床。
由于在氣體出口壁的上頂部附近采取的未穿孔壁步驟，以及在所述壁之間形成的、用于反應(yīng)氣體通過的自由空間，其優(yōu)點(diǎn)是能夠在催化床上加載大大低于設(shè)計(jì)量的催化劑，且不會對相同的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，特別是保持流體動力學(xué)和壓降不變。
實(shí)際上，即使催化劑14的量保持在氣體出口壁8的頂部8a之下(虛線13)，由此而使得該壁有幾個(gè)孔被暴露，未穿孔壁15也能防止氣體反應(yīng)物穿過催化床6而不滲透至催化劑中，自由空間16允許使用壁8的所有孔作為反應(yīng)產(chǎn)物的出口。
如果未穿孔壁15與氣體出口壁8直接接觸-不形成自由空間16-所得的催化床與未進(jìn)行改進(jìn)的催化床具有相同的流體動力學(xué)特性，但是，由于產(chǎn)物出口孔數(shù)的減少，壓降將增加。
在圖1的實(shí)例中，未穿孔壁15最好延伸部分包含氣體出口壁8的長度的20％到40％之間。實(shí)際上，壁15優(yōu)選延伸至這樣一個(gè)長度，以便在僅部分加載催化劑14的催化床中再建一個(gè)反應(yīng)氣體軸向穿過的主區(qū)。
若催化床6僅為徑向型，壁15幾乎不超過催化劑14到達(dá)的虛線13，從而保證催化床基本為徑向穿過。
而且，自由空間16應(yīng)優(yōu)選具有厚度1至5厘米。任何情況下，自由空間16的厚度必須足夠大，以便允許氣體通過而不會引起附加的壓降。
從優(yōu)選角度考慮，自由空間16于氣體出口壁的上頂部8a附近處封住，以便防止不希望發(fā)生的進(jìn)入催化床8的氣體反應(yīng)物的旁路，或反應(yīng)產(chǎn)物循環(huán)到催化床。
為盡可能簡化本發(fā)明的現(xiàn)代化改進(jìn)方法的實(shí)施，未穿孔壁15適于用氣體出口壁8支承。
比如，壁15可移動式固定于壁8上，在壁8的頂部8a附近，通過特殊支承設(shè)備懸掛于壁8上。
特別地，根據(jù)如圖1所示的本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，未穿孔壁15-其直大于氣體出口壁8-被水平氣密式隔板17支承，該隔板凸出于氣體出口壁8的上頂部8a并倚靠于8a上。
作為優(yōu)選，壁15和隔板17形成一種氣密式杯-比如由未穿孔板制成-該板反扣于氣體出口壁8的罩10上。
一旦完成所述步驟，可獲得一個(gè)反應(yīng)器1，它允許以下列方式進(jìn)行多相合成反應(yīng)，且轉(zhuǎn)化率高、能耗低。
氣體反應(yīng)物通過管嘴3進(jìn)入反應(yīng)器1，到達(dá)包含高活性催化劑14的催化床6。
根據(jù)反應(yīng)類型，供給催化床6的氣體反應(yīng)物的溫度和壓力在反應(yīng)器1的下游進(jìn)行調(diào)節(jié)。
氣體反應(yīng)物以軸徑向的向心流穿過催化床6。由于未穿孔壁15的存在，能使氣體反應(yīng)物偏離軸向流動，避免不希望的催化床6的旁路。
在催化床6中所得的反應(yīng)產(chǎn)物穿過氣體出口壁8，接著被收集在內(nèi)腔11中，最終通過管嘴4離開反應(yīng)器1。一部分(少量)反應(yīng)產(chǎn)物最好沿自由空間16流動，以這種方式允許利用壁15包圍的壁8的部分作為氣體出口。
這樣，就可能-已有反應(yīng)器的生產(chǎn)能力相同-僅在催化床6上部分加載高活性催化劑，從而節(jié)約所述催化劑成本，同時(shí)保持催化床的流體動力學(xué)和壓降不變。
若要求增加已有反應(yīng)器的生產(chǎn)能力-這將包括完全利用催化床6的可利用體積，加載相同量的高活性催化劑-從反應(yīng)器中取出未穿孔壁15以及支承15的隔板17，將催化床6恢復(fù)至初始構(gòu)造就足夠了。
本發(fā)明特別適于這樣的多相合成反應(yīng)其中允許技術(shù)工藝開發(fā)總是增加反應(yīng)活性的新型催化劑。
毫無疑問，一個(gè)非常有意義的領(lǐng)域是合成氨領(lǐng)域，正是由于本方法，現(xiàn)在可以有效地對已有反應(yīng)器進(jìn)行現(xiàn)代化改進(jìn)，從而使用高活性催化劑，如石墨支承的釕基催化劑。
另一個(gè)特別有意義的領(lǐng)域是一氧化碳的轉(zhuǎn)化，已有反應(yīng)器(如圖1所示的類型)可以加載較少量的高活性催化劑，如用于高溫轉(zhuǎn)化的含銅催化劑。
然而，根據(jù)本發(fā)明的現(xiàn)代化改進(jìn)方法并不限于上述參考圖1所示類型的反應(yīng)器，還可應(yīng)用于含有-比如在合適的支架內(nèi)支承的-多個(gè)徑向或軸徑向床的反應(yīng)器。
此外，為實(shí)施本方法的目的，反應(yīng)氣體穿過催化床是向心流還是離心流都毫無關(guān)系。當(dāng)為離心流時(shí)，氣體出口壁8可靠近殼2，而未穿孔壁15的直徑應(yīng)小于壁8的直徑。
當(dāng)希望減小已有反應(yīng)器的生產(chǎn)能力時(shí)，顯然也能使用本發(fā)明，因此，當(dāng)需要減少反應(yīng)器中(低轉(zhuǎn)化率的)傳統(tǒng)催化劑的加載量時(shí)，也能使用本發(fā)明。
由上所述，顯然通過本發(fā)明可得到許多優(yōu)點(diǎn)。特別是能夠僅部分加載已有反應(yīng)器的徑向或軸徑向催化床，以這種方式節(jié)約了催化劑成本，且不會對反應(yīng)器的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。
權(quán)利要求
1．一種多相合成反應(yīng)器的原位現(xiàn)代化改進(jìn)方法，該反應(yīng)器包括一個(gè)外殼，該外殼包含至少一個(gè)徑向或軸徑向催化床(6)，配有相向的穿孔筒狀壁用于氣體的入口和出口(7,8)，所述方法包括以下步驟-提供一個(gè)未穿孔筒狀壁(15)，與所述催化床(6)上的所述氣體出口壁(8)同軸，所述未穿孔筒狀壁(15)從所述氣體出口壁(8)的上端(8a)延伸出預(yù)定長度的一部分，從而在氣體出口壁(8)與未穿孔壁(15)之間形成一個(gè)自由空間(16)，以便部分氣體從此通道離開所述催化床(6)；-在氣體出口壁(8)的上端(8a)附近提供封住未穿孔壁(15)與氣體出口壁(8)之間的所述自由空間(16)的設(shè)備，從而防止所述催化床的旁路或進(jìn)入和離開反應(yīng)器的氣體循環(huán)進(jìn)入催化床。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述未穿孔壁延伸部分的長度為所述氣體出口壁(8)長度的5％至50％。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述自由空間(16)具有的厚度為0.5至10厘米。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述未穿孔壁(15)被所述氣體出口壁(8)支承。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，所述氣體出口壁(8)直徑分別小于所述氣體入口壁(7)和所述未穿孔壁(15)的直徑，其特征在于所述未穿孔壁(15)被一種氣密式水平隔板(17)支承，該隔板凸出于所述氣體出口壁(8)的上端(8a)并倚靠在8a上。
6．一種多相合成反應(yīng)器，包括-一個(gè)外殼(2)；-至少一種徑向或軸徑向催化床(6)，配有相向的在所述殼(2)中延伸的穿孔筒狀壁用于氣體的入口和出口(7,8)；其特征在于在所述催化床中進(jìn)一步包括-一個(gè)未穿孔筒狀壁(15)，與在所述催化床(6)中的所述氣體出口壁(8)同軸，所述未穿孔筒狀壁(15)從所述氣體出口壁(8)的上端(8a)延伸出預(yù)定長度的一部分，從而在氣體出口壁(8)與未穿孔壁(15)之間形成一個(gè)自由空間(16)，以用作部分氣體離開所述催化床(6)的通道；-在氣體出口壁(8)的上端(8a)附近，封住未穿孔壁(15)與氣體出口壁(8)之間的所述自由空間(16)的設(shè)備，從而防止所述催化床的旁路或進(jìn)入和離開反應(yīng)器的氣體循環(huán)進(jìn)入催化床。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于所述未穿孔壁(15)延伸部分長度為所述氣體出口壁(8)長度的5％至50％。
8．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于所述自由空間(16)基本上為環(huán)形的，且具有的厚度為0.5至10厘米。
9．根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于所述未穿孔壁(15)被所述氣體出口壁(8)支承。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的反應(yīng)器，所述氣體出口壁(8)直徑分別小于所述氣體入口壁(7)和所述未穿孔壁(15)的直徑，其特征在于所述未穿孔壁(15)被一種氣密式水平隔板(17)支承，該隔板凸出于所述氣體出口壁(8)的上端(8a)并倚靠在8a上。
全文摘要
多相合成反應(yīng)器的原位現(xiàn)代化改進(jìn)方法,包括:提供一個(gè)未穿孔筒狀壁(15),與在一種徑向或軸徑向型催化床(6)上的氣體出口壁(8)同軸,該未穿孔筒狀壁(15)從氣體出口壁(8)的上端(8a)延伸出預(yù)定長度的一部分,從而在氣體出口壁(8)與未穿孔壁(15)之間形成一個(gè)自由空間(16),以便用作部分氣體離開所述催化床(6)的通道,并且提供在氣體出口壁(8)的上端(8a)附近封住未穿孔壁(15)與氣體出口壁(8)之間的所述自由空間(16)的設(shè)備。
文檔編號C01C1/04GK1224634SQ9910094
公開日1999年8月4日 申請日期1999年1月13日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月16日
發(fā)明者G·瓜里諾, E·菲利普 申請人:阿莫尼·卡薩爾公司