專利名稱：用于化合物的非均相合成的反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在其更一般的方面中，本發(fā)明涉及一種用于諸如甲醇和氨的化合物的非均相合成的反應(yīng)器。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及至少包括兩個(gè)串聯(lián)反應(yīng)區(qū)的前述類型的反應(yīng)器，其中所需化學(xué)反應(yīng)在存在適合的催化劑的情況下進(jìn)行。
背景技術(shù)：
如已知的，在用于諸如氨、甲醇、甲醛和苯乙烯的化學(xué)產(chǎn)品的工業(yè)合成的非均相催化反應(yīng)的領(lǐng)域，存在對(duì)增加生產(chǎn)能力及轉(zhuǎn)化收率的不斷增長(zhǎng)的需求，而同時(shí)，存在對(duì)減少能耗、安裝成本、操作校驗(yàn)以及維護(hù)成本的不斷增長(zhǎng)的需求。
以此為目標(biāo)，在現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域中，已提出了包括串聯(lián)布置的、形成反應(yīng)區(qū)的多個(gè)絕熱催化床的多種反應(yīng)器。使試劑氣體穿過(guò)適合溫度和壓力條件的催化床，以便借助于催化劑實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化成為最終產(chǎn)品。由于反應(yīng)在基本上絕熱條件下進(jìn)行，換言之，沒(méi)有去除熱量，因此在放熱反應(yīng)的情況下，反應(yīng)熱趨向于增加絕熱床的工作溫度，從而使反應(yīng)的進(jìn)程趨向不平衡。因此，前述反應(yīng)器通常配置位于絕熱床之間的直接熱交換冷卻裝置，以便來(lái)自所述催化床的反應(yīng)混合物的溫度條件回到更適合反應(yīng)過(guò)程的溫度條件，例如通過(guò)與“新鮮”試劑氣體的部分混合。
即使這種方法在特定方面是有利的，但是前述反應(yīng)器具有通常導(dǎo)致相當(dāng)?shù)偷姆磻?yīng)進(jìn)程(轉(zhuǎn)化收率)水平的公認(rèn)限制，因此不特別適合用于工業(yè)應(yīng)用。因此，也導(dǎo)致所述反應(yīng)器的生產(chǎn)能力很低。
在現(xiàn)有技術(shù)中，還提出了多種反應(yīng)器，這些反應(yīng)器包括串聯(lián)布置的一個(gè)或多個(gè)催化床(反應(yīng)區(qū))，而通過(guò)將諸如板式熱交換器的間接熱交換裝置浸入催化床中，每個(gè)催化床在擬等溫條件下工作。
術(shù)語(yǔ)“擬等溫條件”指通過(guò)另外使用所述熱交換裝置，反應(yīng)區(qū)中反應(yīng)溫度被控制在預(yù)定最佳值(根據(jù)所需的轉(zhuǎn)化反應(yīng)變化)周圍的值的有限區(qū)間內(nèi)。
雖然從生產(chǎn)能力和反應(yīng)量的觀點(diǎn)來(lái)看，前述反應(yīng)器是有利的，但是由于在受控溫度值內(nèi)，最終產(chǎn)品中試劑氣體的轉(zhuǎn)化反應(yīng)在催化床中不變地進(jìn)行，因此所述反應(yīng)器需要與前述絕熱床反應(yīng)器不相上下的工業(yè)應(yīng)用設(shè)備(反應(yīng)器)，從結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)看，導(dǎo)致非常復(fù)雜，并需要高得多的運(yùn)行、安裝和維護(hù)成本。
成為本發(fā)明基礎(chǔ)的技術(shù)問(wèn)題是提供能夠以最高效的方式同時(shí)滿足前述需求的用于化合物的非均相合成的反應(yīng)器。換言之，提供能夠保證高轉(zhuǎn)化收率和生成能力，而同時(shí)在工業(yè)水平允許減小建造、安裝、運(yùn)行和維護(hù)成本的用于化合物的非均相合成的反應(yīng)器。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，利用根據(jù)權(quán)利要求1和后續(xù)權(quán)利要求的用于化合物的非均相合成的反應(yīng)器解決所述的問(wèn)題。
已經(jīng)驚奇地發(fā)現(xiàn)利用具有前述配置的反應(yīng)器，可以獲得試劑氣體變成最終產(chǎn)品的高轉(zhuǎn)化收率；所述轉(zhuǎn)化收率完全可以比得上具有相同容量和帶有擬等溫催化床的傳統(tǒng)反應(yīng)器獲得的產(chǎn)量。同時(shí)，當(dāng)與具有擬等溫催化床的相應(yīng)反應(yīng)器所需的制造、安裝和維護(hù)成本相比時(shí)，所述反應(yīng)器的構(gòu)造更加簡(jiǎn)單，而因此需要更低的制造、安裝和維護(hù)成本。成本僅略高于具有絕熱床的相應(yīng)反應(yīng)器所需的成本。
從下面通過(guò)示例參照附圖對(duì)化學(xué)反應(yīng)器，特別是對(duì)用于生產(chǎn)甲醇的化學(xué)反應(yīng)器的詳細(xì)描述，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將更清楚，上述示例僅用于說(shuō)明而非限制本發(fā)明。


圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)反應(yīng)器的示意縱剖視圖。
圖2顯示了沿圖1中顯示的描繪平面B-B的圖1的化學(xué)反應(yīng)器的示意橫斷面視圖；圖3顯示了沿圖1中顯示的描繪平面C-C的圖1的化學(xué)反應(yīng)器的示意橫斷面視圖。
具體實(shí)施例方式
參照前述圖，用于非均相催化反應(yīng)，尤其用于生產(chǎn)甲醇，的化學(xué)反應(yīng)器，通常由附圖標(biāo)記10表示。
該化學(xué)反應(yīng)器包括外殼12，該外殼12具有帶有垂直軸A-A且在相對(duì)的端部分別由兩個(gè)底部，即下底14和上底16，封閉的基本上圓筒形的形狀。在上底16上，管口或噴嘴17設(shè)置用作試劑氣體進(jìn)入反應(yīng)器10的入口，而管口或噴嘴18設(shè)置在下底14以從反應(yīng)器10將反應(yīng)混合物排出。
根據(jù)本發(fā)明，反應(yīng)器10包括在基本上絕熱條件下操作的多個(gè)反應(yīng)區(qū)22，23和24，所述多個(gè)反應(yīng)區(qū)22，23和24在當(dāng)前實(shí)施例中位于對(duì)應(yīng)于反應(yīng)器體積的近似一半的其上部20中；和在擬等溫條件下操作的反應(yīng)區(qū)30，所述反應(yīng)區(qū)30在反應(yīng)器的下部21中。
更具體而言，在當(dāng)前實(shí)施例中，反應(yīng)器10包括在其上部20中的串聯(lián)布置的三個(gè)反應(yīng)區(qū)，而更準(zhǔn)確地說(shuō)，三個(gè)反應(yīng)區(qū)是上部反應(yīng)區(qū)22；中部反應(yīng)區(qū)23；和下部反應(yīng)區(qū)24，在各反應(yīng)區(qū)中分別支撐著催化床上部床25；中部床26；和下部床27，所述床用于填充適合的催化劑。
催化床25，26和27具有基本上環(huán)形斷面，并以同軸的方式支撐在所述外殼12內(nèi)部，這在本領(lǐng)域是已知的，從而在這里不進(jìn)行描述。它們彼此相距預(yù)定距離布置，以便在彼此之間確定相應(yīng)的空的空間(emptyspace)41和42。此外，上部催化床25具有用于來(lái)自管口17的試劑氣體的入口的入口側(cè)25a和反應(yīng)混合物的相對(duì)的出口側(cè)25b。以類似的方式，中間催化床26和下部催化床27具有分別用于來(lái)自上部催化床25和中間催化床26的反應(yīng)混合物的對(duì)應(yīng)的入口側(cè)26a和27a；和相應(yīng)的出口側(cè)26b和27b。
在反應(yīng)器10的下部21的反應(yīng)區(qū)30中，催化床31被設(shè)置使適合的催化劑位于距反應(yīng)器10的上部20的下部催化床27預(yù)定距離，從而確定了空的空間43。催化床31具有基本上環(huán)形斷面，并由惰性材料的下面的床39支撐在外殼12內(nèi)部。在反應(yīng)器10內(nèi)部，在反應(yīng)混合物出口管口18上還設(shè)有柵格40，以將惰性材料保持在反應(yīng)器內(nèi)部的位置。
反應(yīng)器10在其上部20中還包括位于上部催化床25與中間催化床26之間的所述空間41中的冷卻裝置35；和位于中間催化床26和下部催化床27之間的所述空間42中的另外的冷卻裝置36。
冷卻裝置35和36優(yōu)選包括具有孔的管道系統(tǒng)，所述管道系統(tǒng)優(yōu)選為環(huán)形或螺旋管狀，用于分別通過(guò)入口管口或噴嘴35a和36a從外部饋送的冷卻流體(驟冷)引導(dǎo)到相鄰催化床之間的空的空間中。采用本領(lǐng)域已知的方式，所述冷卻裝置的螺旋管狀或環(huán)形管道系統(tǒng)支撐在所述外殼12內(nèi)部，而因此不再進(jìn)行描述。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，冷卻流體由“新鮮”試劑氣體組成，并且所述冷卻裝置35和36的螺旋管狀或環(huán)形管道系統(tǒng)配置有多個(gè)管口或噴嘴(未示出)，從而通過(guò)所述試劑氣體與來(lái)自位于冷卻裝置(驟冷)的上游的各個(gè)催化劑床25或26的反應(yīng)混合物的混合提供直接交換。每種混合物以適合的方式調(diào)節(jié)，以便產(chǎn)生的反應(yīng)混合物具有用于后面的催化床中反應(yīng)的正確過(guò)程的適合溫度。
反應(yīng)器10還包括浸入催化床31中由標(biāo)號(hào)44總體指示的冷卻裝置。優(yōu)選所述冷卻裝置44包括傳統(tǒng)類型的多個(gè)間接熱交換器45，所述間接熱交換器45支撐和分布在催化床31的基本上環(huán)形部分中。熱交換器45優(yōu)選為平板形狀或板狀、矩形、盒子狀，而更優(yōu)選以徑向方式布置，其長(zhǎng)邊45a平行于外殼12的軸A-A。
更具體而言，每個(gè)熱交換器45優(yōu)選由兩個(gè)并置的金屬板制成，兩個(gè)并置的金屬板利用適合的焊接法彼此以預(yù)定距離相互連接，以便以預(yù)定寬度在它們之間設(shè)置空的空間，以允許熱交換工作流體的流動(dòng)。
優(yōu)選方式是，熱交換器45在其上部與所述熱交換器流體的對(duì)應(yīng)分配器管46流體連通，而在其下部與所述工作流體的對(duì)應(yīng)出口管47流體連通。
在圖1中所示的實(shí)例中，出口管47與基本上圓筒形且與所述外殼12同軸的中央歧管48流體連通；所述歧管從反應(yīng)器10的下部21經(jīng)催化床31，并經(jīng)反應(yīng)器的上部20的催化床27、26、25延伸，利用氣體分配器50在上部催化床25上方終止。
該分配器管46與外殼12外部的、用作熱交換操作流體的入口的入口管口或噴嘴51流體連通。
根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施例，歧管48也可定位在反應(yīng)器10外部。
優(yōu)選方式是，熱交換操作流體包括“新鮮”試劑氣體的一部分。應(yīng)該指出根據(jù)本發(fā)發(fā)明，試劑氣體與穿過(guò)催化床31的反應(yīng)混合物間接熱交換而有利地預(yù)熱，而因?yàn)榇嗽?，它們能夠?jīng)出口管47和歧管48有益地供應(yīng)到催化床上方，用于轉(zhuǎn)化。這有利地減小了能耗。
用于化合物的非均相合成，尤其用于甲醇合成，的上述反應(yīng)器10的操作如下。
一部分試劑氣體，例如在甲醇合成的情況下，包括一氧化碳和氫的混合物通過(guò)入口管口17被引導(dǎo)到反應(yīng)器10中，而可以利用上部催化床25上適合的分配器(未示出)以均勻的方式分配。因此，試劑氣體沿基本上軸向方向流入所述上部催化床中，以基本上絕熱條件獲得部分甲醇轉(zhuǎn)化。
因此，在上部催化床25的出口處，獲得利用直接熱交換器冷卻(驟冷)的包括甲醇和未反應(yīng)氣體的反應(yīng)混合物，或換言之，通過(guò)與來(lái)自螺旋管狀或環(huán)形管道系統(tǒng)35的適合數(shù)量的“新鮮”試劑氣體混合冷卻(驟冷)的包括甲醇和未反應(yīng)氣體的反應(yīng)混合物。然后，混合操作后產(chǎn)生的反應(yīng)混合物穿過(guò)中間催化床26，在這里出現(xiàn)進(jìn)一步的甲醇轉(zhuǎn)化，從而在中間催化床26的出口處獲得更富有甲醇的反應(yīng)混合物。這種反應(yīng)混合物由通過(guò)螺旋管狀或環(huán)形管道系統(tǒng)36供應(yīng)的“新鮮”試劑氣體冷卻。然后，混合操作后產(chǎn)生的反應(yīng)混合物穿過(guò)下部催化床27，在這里出現(xiàn)進(jìn)一步的甲醇轉(zhuǎn)化，從而在所述催化床的出口處獲得更富有甲醇的反應(yīng)混合物。
在此時(shí)，來(lái)自下部催化床27的反應(yīng)混合物流入空的空間43，穿過(guò)下端部21中利用與熱交換器45的間接熱交換保持?jǐn)M等溫條件的催化床31。采用這種方式，可以獲得高效的熱量控制和最佳地完成甲醇轉(zhuǎn)化。
穿過(guò)熱交換器45的“新鮮”試劑氣體的部分被有利地預(yù)先加熱，并且通過(guò)出口管44、歧管48和分配器50，被供應(yīng)到上部催化床25的上方，在那里，它與通過(guò)入口管口17供應(yīng)到反應(yīng)器10的試劑氣體的部分混合。
來(lái)自催化床31的反應(yīng)混合物穿過(guò)惰性材料39，并從反應(yīng)器10的出口管口18出去，以被繼續(xù)傳送用于后續(xù)處理階段(例如，甲醇回收部分)。
除上面說(shuō)明的優(yōu)點(diǎn)外，還應(yīng)該指出本發(fā)明適用于改裝先前存在的化學(xué)反應(yīng)器，而尤其是傳統(tǒng)的絕熱床反應(yīng)器。
對(duì)于這種改裝，只更換絕熱床的部分就足夠了，換言之，只更換反應(yīng)器的下部中的那些絕熱床，和具有擬等溫類型的催化床的相應(yīng)制冷裝置就足夠了。與用擬等溫類型的床替換所有的絕熱催化床相比時(shí)，這顯著減小了改造成本，而同時(shí)，提供了比得上具有擬等溫類型的床的相應(yīng)反應(yīng)器的高反應(yīng)產(chǎn)量和生產(chǎn)能力。
實(shí)例在甲醇合成領(lǐng)域，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的生產(chǎn)能力特性與具有絕熱催化床的相應(yīng)傳統(tǒng)反應(yīng)器的生產(chǎn)能力特性進(jìn)行了比較，并與具有擬等溫催化床的相應(yīng)反應(yīng)器的生產(chǎn)能力特性進(jìn)行了比較。
在如下所示的相同工作條件下，在每個(gè)前述反應(yīng)器中進(jìn)行甲醇合成。
供應(yīng)到合成回路的供應(yīng)氣體(補(bǔ)充氣體)的組成CH43.12mol％N21.14mol％H273.09molCO27.98mol％CO 14.67mol％至合成回路的補(bǔ)充氣體流量370700Nm3/h(370′700Nm3/h)。
反應(yīng)器工作壓力80bar總的催化劑體積200m3冷凝溫度29℃。
這種比較在兩種情況下執(zhí)行一種情況是到合成回路的補(bǔ)充氣體是由蒸汽轉(zhuǎn)化器生成的氣體；而另一種情況是為了提高產(chǎn)量，將500MTD(公噸/每天)的二氧化碳加到由蒸汽轉(zhuǎn)化器產(chǎn)生的所述氣體。
在兩種情況下，在到反應(yīng)器的入口處的氣體流量實(shí)際上保持不變1800000Nm3/h(1′800′000Nm3/h)。
結(jié)果如下面的表1和2所示表1

表2

上述表中顯示的結(jié)果清晰地顯示在檢驗(yàn)的兩種情況中，與相應(yīng)的絕熱催化床反應(yīng)器相比，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器產(chǎn)量具有略低于冷卻擬等溫催化床反應(yīng)器的總的生產(chǎn)能力和產(chǎn)量增加。
然而，與后一反應(yīng)器相比，由于本發(fā)明的更低的構(gòu)造、安裝和維護(hù)成本，因此根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的制造容易得多且廉價(jià)得多。
當(dāng)然，為了滿足具體和可能的需要，本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員能夠?qū)λ龌衔锏姆蔷嗪铣傻姆磻?yīng)器進(jìn)行多種修改和變型，在任何情況下，所有這些修改和變型被權(quán)利要求確定的本發(fā)明的保護(hù)范圍覆蓋。
權(quán)利要求
1.用于化合物的非均相合成的反應(yīng)器，特別是用于甲醇的非均相合成的反應(yīng)器，包括由各個(gè)底部(14，16)在相對(duì)端封閉的基本上圓筒形的外殼(12)；至少一個(gè)第一絕熱催化床(25，26，27)，所述第一絕熱催化床(25，26，27)具有基本上環(huán)形斷面，同軸地支撐在所述外殼(12)內(nèi)部、所述外殼的上部(20)中，所述至少一個(gè)催化床(25，26，27)具有用于試劑氣體或用于反應(yīng)混合物的入口側(cè)(25a，26a，27a)；和用于反應(yīng)混合物的出口側(cè)(25b，26b，27b)；第二擬等溫催化床(31)，所述第二擬等溫催化床(31)具有基本上環(huán)形斷面，支撐在所述外殼(12)內(nèi)部、所述外殼的下部(21)中，相對(duì)于所述至少一個(gè)第一催化床且距所述至少一個(gè)第一催化床預(yù)定距離同軸地定位，所述第二催化床具有用于來(lái)自所述至少一個(gè)催化床(25，26，27)的反應(yīng)混合物的入口側(cè)；和用于氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)品的出口側(cè)；多個(gè)熱交換器(45)，所述多個(gè)熱交換器(45)支撐和分布在所述第二催化床(31)的各個(gè)環(huán)形部分中，熱交換器工作流體在所述熱交換器(45)內(nèi)流動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述至少一個(gè)第一催化床包括串聯(lián)布置的多個(gè)第一催化床(25，26，27)，所述反應(yīng)器還包括直接熱交換裝置(35，36)，所述直接熱交換裝置(35，36)被支撐在所述外殼(12)內(nèi)部并布置在所述第一催化床(25，26，27)之間，以進(jìn)行冷卻流體與來(lái)自各個(gè)第一催化床(25，26)的反應(yīng)混合物之間的直接熱交換。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其中所述第一催化床(25，26，27)彼此相距預(yù)定距離布置，以便在它們之間確定空的空間(41，42)，并且其中所述直接熱交換裝置(35，36)被布置在所述第一催化床(25，26，27)之間的所述空的空間(41，42)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其中所述直接熱交換裝置(35，36)包括所述冷卻流體穿過(guò)且配置有多個(gè)孔的至少一根管，所述至少一根管優(yōu)選為螺旋管狀或環(huán)狀，以采用均勻的方式將預(yù)定量的所述冷卻流體與來(lái)自上游各個(gè)催化床(25，26)的反應(yīng)混合物混合。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中所述多個(gè)熱交換器(45)為平板類型或板類型、盒子狀和基本上矩形形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的反應(yīng)器，其中所述熱交換器(45)分別與工作流體分配器管(46)和用于所述工作流體的出口管(47)流體連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其中用于所述工作流體的所述出口管(47)與歧管(48)流體連通，以將所述工作流體供應(yīng)到所述至少一個(gè)第一催化床(25)之上和上方。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的反應(yīng)器，其中所述歧管(48)形狀為基本上圓筒形、定位在所述反應(yīng)器中央且與所述外殼(12)同軸；所述歧管(48)穿過(guò)所述第二催化床(31)和所述至少一個(gè)第一催化床(25，26，27)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的反應(yīng)器，其中所述歧管(48)與定位在所述至少一個(gè)第一催化床(25)上方的分配器(50)流體連通。
全文摘要
用于化合物的非均相合成的反應(yīng)器，特別是用于甲醇的非均相合成的反應(yīng)器，包括外殼(12)；第一絕熱催化床(25，26，27)，所述催化床具有用于試劑氣體或用于反應(yīng)混合物的入口側(cè)(25a，26a，27a)；和用于反應(yīng)混合物的出口側(cè)(25b，26b，27b)；第二擬等溫催化床(31)，所述第二擬等溫催化床(31)相對(duì)于所述第一催化床且距所述第一催化床預(yù)定距離同軸地定位，所述第二催化床具有用于來(lái)自所述催化床的反應(yīng)混合物的入口側(cè)；和用于氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)品的出口側(cè)；和多個(gè)熱交換器(45)，所述多個(gè)熱交換器(45)支撐和分布在所述第二催化床(31)的各個(gè)環(huán)形部分中，熱交換器工作流體在所述熱交換器內(nèi)流動(dòng)。
文檔編號(hào)B01J8/04GK1846842SQ200610068310
公開(kāi)日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2006年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月1日
發(fā)明者厄門諾·費(fèi)利皮, 恩里科·雷資, 米爾科·塔勞佐 申請(qǐng)人:卡薩爾甲醇公司