專利名稱：管狀反應(yīng)器中容納催化劑的容器的制作方法
管狀反應(yīng)器中容納催化劑的容器本發(fā)明涉及用于管狀反應(yīng)器的催化劑承載器。更具體地，本發(fā)明涉及用于進行放熱反應(yīng)或吸熱反應(yīng)的管狀反應(yīng)器的催化劑承載器。仍然更具體地，本發(fā)明涉及用于進行放熱反應(yīng)或吸熱反應(yīng)的反應(yīng)器的催化劑承載器，其中該反應(yīng)器包括多個所述催化劑承載器。管狀反應(yīng)器包括多個管，管通常為圓筒形并且通常隨機地填充有催化劑顆粒。傳熱裝置將位于這些管的外部。在操作期間，氣體、液體、或者氣體和液體從管中流過并經(jīng)過催化劑顆粒，從而發(fā)生所期望的反應(yīng)。對于許多反應(yīng)，反應(yīng)的熱效應(yīng)為中等。在這種情況下，可使用大直徑的管使得大量催化劑分布在管內(nèi)。然而，對于更多的放熱和吸熱反應(yīng)，有必要通過管壁進行有效的熱傳遞以控制反應(yīng)器內(nèi)的條件。這意味著分布在管內(nèi)的催化劑顆粒的數(shù)量減少以及因此必須減少管的截面積。在許多情況下，發(fā)生中等至高度放熱反應(yīng)的管狀反應(yīng)器受到熱傳遞的限制。其缺點之一為，因為增加的生產(chǎn)率產(chǎn)生増加的熱量，而必須以維持穩(wěn)定的操作溫度因此避免熱失控的速率移除増加的熱量，所以更活躍的催化劑的益處難以實現(xiàn)。當(dāng)反應(yīng)為中等至高度吸熱反應(yīng)吋，問題可隨著增加的發(fā)熱而產(chǎn)生并且在ー些系統(tǒng)中可能破壞管壁。已知的反應(yīng)器具有使其變得不太理想的多個缺點。這些反應(yīng)器注意的一個問題是，為了有效地提取反應(yīng)熱，管的直徑必須相對較小以確保管的中心線仍然足夠涼從而避免放熱反應(yīng)中的熱失控或吸熱反應(yīng)中的淬冷。由于管必須相對較小，通常具有約15mm至 40mm的內(nèi)徑，因此顯著増加了反應(yīng)器中需要容納特定催化劑體積的管的數(shù)量并因此増加了管的重量，因而限制了具有合理裝運尺寸和重量的單個反應(yīng)器的生產(chǎn)率。第二個問題在干，催化劑顆粒必須具有特定的尺寸和形狀以及強度以便不會對合適的管長度造成過度的壓降，并且這通常導(dǎo)致使用更大的催化劑顆粒。就其自身而言，這可能有問題，其中反應(yīng)受質(zhì)量或熱傳遞限制，或者受兩者限制。盡管這些問題中的ー些可通過確?；钚圆课粌H出現(xiàn)在催化劑顆粒的表面附近而得到緩解，但是這可能限制了可實現(xiàn)的生產(chǎn)率，因為可用的活性部位必須更努力地工作以提供合理的整體生產(chǎn)率，其可縮短催化劑的壽命。因此希望提供ー種使用具有粉末或高表面積結(jié)構(gòu)化或發(fā)泡的催化劑的較大橫截面積管的裝置，該裝置在高生產(chǎn)率下操作因此具有高的熱輸出，并維持約20m的長管和可接受的壓降。本發(fā)明通過提供一種催化劑承載器裝置來解決上述問題，該催化劑承載器裝置被配置于反應(yīng)器內(nèi)，并且在使用中優(yōu)化管壁處的熱傳遞，使得可使用具有較大量的較小催化劑顆粒的較大管，并且使得反應(yīng)器可在高生產(chǎn)率下(甚至在放熱或吸熱反應(yīng)中)操作且具有可接受的壓降。因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了ー種用于插入管狀反應(yīng)器的管內(nèi)的催化劑承載器，該催化劑承載器包括環(huán)形容器，用于容納使用中的催化劑，該容器具有限定管的穿孔內(nèi)壁、穿孔外壁、 封閉環(huán)形容器的頂面以及封閉環(huán)形容器的底面；
表面，封閉由環(huán)形容器的內(nèi)壁形成的管底部；裙部，沿環(huán)形容器的穿孔外壁從位于或接近容器的底面的位置向上延伸至密封件位置之下的位置處；以及密封件，位于頂面處或頂面附近，并且從容器延伸至超出裙部的外表面的距離。為了避免不清楚，對易于參考的定向的任何討論(例如，向上、在......之下、下
以及諸如此類的詞語)已參照附圖中所示的催化劑承載器的方向進行了討論。然而，本發(fā)明的催化劑承載器還可用于替代的定向，例如水平。因此，應(yīng)在文中對應(yīng)地理解這些術(shù)語。容器的大小通常被設(shè)定使得容器的尺寸小于在使用中容器被置于其中的反應(yīng)器管的內(nèi)部尺寸。密封件的大小被設(shè)定為使得密封件在本發(fā)明的催化劑承載器在管內(nèi)就位時與該反應(yīng)器管的內(nèi)壁相互作用。諸如承載器長度和直徑的參數(shù)將被選擇以適應(yīng)不同的反應(yīng)和配置。在用于向下流的垂直反應(yīng)器中吋，反應(yīng)物向下流過管，并且因此首先接觸催化劑承載器的上表面。因為密封件阻止反應(yīng)物繞容器的側(cè)面通過，容器的頂面將其引導(dǎo)至由容器的內(nèi)穿孔壁限定的管內(nèi)。然后，反應(yīng)物通過穿孔內(nèi)壁進入環(huán)形容器，然后朝向穿孔外壁徑向穿過催化劑床。在從內(nèi)壁到外壁的通過期間，反應(yīng)物接觸催化劑并且發(fā)生反應(yīng)。未反應(yīng)的反應(yīng)物和生成物然后通過穿孔外壁流出容器。然后，向上延伸的裙部將反應(yīng)物和生成物在裙部內(nèi)表面與環(huán)形容器的外表面之間向上引導(dǎo)直到它們到達密封件。然后密封件的下側(cè)將反應(yīng)物和生成物引導(dǎo)到裙部的末端之上，并且反應(yīng)物和生成物在裙部的外表面與發(fā)生熱傳遞的反應(yīng)器管內(nèi)表面之間向下流動。將理解，反應(yīng)器為向上流反應(yīng)器或例如水平定向吋，流動路徑將與上述的流動路徑不同。然而通過該容器的路徑原理將如上所述。通常，多個催化劑承載器將在反應(yīng)器管內(nèi)堆疊。在該配置中，反應(yīng)物/生成物在第一承載器的裙部的外表面與反應(yīng)器管的內(nèi)表面之間向下流動直到它們接觸第二承載器的上表面和密封件，并且被向下引導(dǎo)至由第二承載器的環(huán)形容器的穿孔內(nèi)壁限定的第二承載器的管中。然后重復(fù)上文所述的流動路徑。催化劑承載器可由任意適當(dāng)?shù)牟牧闲纬?。這種材料通常被選擇為承受反應(yīng)器的操作條件。通常地，催化劑承載器將由碳鋼、鋁、不銹鋼、其他合金或能夠承受反應(yīng)條件的任意材料制造。環(huán)形容器的壁可具有任意適當(dāng)?shù)暮穸?。適當(dāng)?shù)暮穸葹榧s0. Imm至約1. 0mm，優(yōu)選地為約0. 3mm至約0. 5mm。環(huán)形容器的內(nèi)壁和外壁中穿孔的大小可被選擇為允許反應(yīng)物和生成物均勻地流過催化劑，并且將催化劑容納在容器內(nèi)。因此，應(yīng)該理解，穿孔的大小取決于所使用的催化劑顆粒的大小。在替代配置中，穿孔的大小可被設(shè)定為使得穿孔較大但是具有覆蓋穿孔的過濾網(wǎng)以確保將催化劑維持在環(huán)形容器內(nèi)。這使得能夠使用較大的穿孔，較大的穿孔便于反應(yīng)物自由移動而不造成顯著的壓カ損失。應(yīng)理解，穿孔可具有任意適當(dāng)?shù)呐渲谩嶋H上，在將壁描述為穿孔的情況下，所需要的是允許反應(yīng)物和生成物通過壁的裝置。這些裝置可以是任何形態(tài)的小孔、可以是狹槽以及可由金屬絲網(wǎng)篩或建立多孔或可透過表面的任意其它方式形成。雖然封閉環(huán)形容器的頂面通常位于該環(huán)形容器的壁或每個壁的上邊緣處，但是可按期望地使頂面位于該上邊緣之下使得外壁的上邊緣的一部分形成唇部。類似地，底面可位于環(huán)形容器的壁或每個壁的下邊緣處，或者可按期望地定位底面使其位于環(huán)形容器的壁的底邊緣之上，使得壁形成唇部?？墒弓h(huán)形件的底面和封閉管底部的表面形成為單個構(gòu)件或可以連接在一起的兩個分離件。這兩個表面可共面，但是在優(yōu)選配置中，它們位于不同的平面。在ー個配置中， 封閉管底部的表面位于低于環(huán)形容器的底面的平面中。當(dāng)使用多個容器時，該配置用于幫助將ー個承載器定位到布置在其下的承載器上。應(yīng)理解，在替代的配置中，封閉管底部的表面可位于高于環(huán)形容器的底面的平面中。盡管底面通常為實心的，但是其可包括ー個或多個排出孔。在存在ー個或多個排出孔的情況下，它們可由過濾網(wǎng)覆蓋。類似地，排出孔任選地由存在于封閉管底部的表面中過濾網(wǎng)覆蓋。在承載器被用于非垂直定向吋，存在的排出孔將位于替代位置，即使用中的承載器的最低點處?！獋€或多個間隔裝置可從環(huán)形容器的底面向下延伸。間隔裝置可形成為單獨的部件，或者它們可由底面中的凹部形成。在存在這些間隔裝置的情況下，在使用過程中，間隔裝置幫助提供使反應(yīng)物和生成物在第一承載器的底面與第二承載器的頂面之間流動的清晰路徑。該間隔件可為約4mm至約6mm深?？商娲鼗蛘吡硗獾兀g隔裝置可存在于頂面上。封閉環(huán)形容器的頂面可在其頂面上包括將容器抵靠堆疊在使用中的容器之上的催化劑承載器定位的裝置。定位容器的裝置可具有任何適當(dāng)?shù)呐渲?。在ー個配置中，該裝置包括具有允許反應(yīng)物進入的孔或空間的直立套環(huán)。向上延伸的裙部可為平滑的或其可被成形。可使用任何適當(dāng)?shù)男螤?。適當(dāng)?shù)男螤畎逘?、褶皺等類似物。通常會沿著承載器的長度縱向布置褶狀、褶皺等類似物。直立裙部的成形増加了裙部的表面積，并且有助于將催化劑承載器插入反應(yīng)管，因為其允許反應(yīng)器的內(nèi)表面上的任何表面粗糙度或待適應(yīng)的管的容限差異。在向上延伸的裙部成形的情況下，通常會朝該向上延伸的裙部連接至環(huán)形容器的點使該向上延伸的裙部變平至平滑形態(tài)，以允許與環(huán)形容器形成氣體密封件。該直立裙部通常會在環(huán)形容器的基部處或基部附近連接至環(huán)形容器的外壁。在裙部連接至壁的底部之上的點處的情況下，可使該壁在連接點之下的區(qū)域中無穿孔。該直立的裙部可為柔性的。通常，該直立的裙部將在比環(huán)形容器的頂面短約0.5cm至約1.5cm，優(yōu)選地約Icm 處停止。在不希望受任何理論約束的情況下，確信該直立的裙部用于使反應(yīng)物/生成物從環(huán)形容器的穿孔外壁聚集，并且通過形狀朝催化劑承載器的頂部引導(dǎo)它們，從而收集隨著反應(yīng)物/生成物向上移動而從環(huán)形容器的外壁出去的更多的反應(yīng)物/生成物。如上所述， 然后在管壁與直立的裙部的外側(cè)之間向下引導(dǎo)反應(yīng)物/生成物。通過此方法，熱傳遞沿該承載器的整體長度向下增強，但是隨著熱交換與催化劑分離，可視需要使用較熱或較冷的熱交換流體，而不使管壁處的反應(yīng)淬冷且同時確保合適地調(diào)整朝向承載器中心的催化劑的溫度。密封件可以任意適當(dāng)?shù)姆绞叫纬?。然而，密封件通?？沙浞謮嚎s以適應(yīng)反應(yīng)器管的最小直徑。密封件通常為柔性的滑動的密封件。在ー種配置中，可使用0型環(huán)。可使用可壓縮的開ロ環(huán)或具有高膨脹系數(shù)的環(huán)。密封件可由任意適當(dāng)?shù)哪艹惺芊磻?yīng)條件的材料形成。在ー個配置中，密封件可以是從承載器延伸的可變形的凸緣。該凸緣的大小可被設(shè)定為大于管的內(nèi)徑，使得隨著將容器插入管內(nèi)，該凸緣變形以裝配在管內(nèi)且與管相互作用。本發(fā)明的ー個優(yōu)點在干，可在本發(fā)明的承載器內(nèi)向使用者提供催化劑，然后可以最小停機時間將本發(fā)明的承載器容易地安裝在反應(yīng)器管內(nèi)。因此，可在催化劑制造現(xiàn)場將催化劑載入催化劑承載器中?？深A(yù)還原催化劑且使催化劑穩(wěn)定或封裝催化劑，從而消除現(xiàn)場處理催化劑的需要。一旦催化劑耗盡，可容易地將承載器作為離散的単元從反應(yīng)器移除， 并且視需要容易地運輸該承載器用于處理或再生。本發(fā)明的另ー優(yōu)點在干，消除了現(xiàn)有技術(shù)配置中注意的確保均勻填充管狀反應(yīng)器的各管的問題。本發(fā)明的催化劑承載器允許將介質(zhì)中的高度顆?；蚪Y(jié)構(gòu)化的催化劑用于高放熱或高吸熱的反應(yīng)。裝置允許使用大型管，從而導(dǎo)致給定容量的反應(yīng)器的較大重量和成本的減少，因為熱傳遞有效地發(fā)生在管壁處的微通道區(qū)域中。這給出到冷卻/加熱介質(zhì)或來自冷卻/加熱介質(zhì)的良好的熱傳遞。此外，隨著催化劑與冷卻/加熱介質(zhì)分離，可在熱交換效應(yīng)與反應(yīng)分離時允許較大的溫差。將本發(fā)明的多個承載器插入管中有效地提供了各管中的多個串聯(lián)的絕熱反應(yīng)器。催化劑承載器可用于范圍廣泛的エ藝中。適當(dāng)?shù)磨ㄋ嚨膶嵤├ㄓ糜诜艧岱磻?yīng)諸如制造甲醇的反應(yīng)、制造氨氣的反應(yīng)、甲烷化反應(yīng)變換反應(yīng)、氧化反應(yīng)(諸如順丁烯ニ酸酐以及環(huán)氧乙烷的形成)、費托(Fischer-Tropsch)反應(yīng)等的反應(yīng)器?？稍诎ū景l(fā)明的催化劑承載器的反應(yīng)器中實現(xiàn)吸熱反應(yīng)，諸如預(yù)轉(zhuǎn)化(pre-reforming)、脫氫作用等。本發(fā)明的催化劑承載器可填滿或部分填充有任意適當(dāng)?shù)拇呋瘎８鶕?jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種反應(yīng)器管，其包括根據(jù)本發(fā)明中上文提及的第一方面所述的多個催化劑承載器。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種反應(yīng)器，其包括根據(jù)上文第二方面所述的ー個或多個反應(yīng)器管。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供ー種用于執(zhí)行反應(yīng)的方法，其中，反應(yīng)物進入上述第一方面所述的催化劑承載器、上述第二方面所述的反應(yīng)器管或上述第三方面所述的反應(yīng)器。通過催化劑床的反應(yīng)物的流動優(yōu)選地呈放射狀。本發(fā)明的催化劑承載器允許使用比在此之前已可行的反應(yīng)器管更長的反應(yīng)器管。現(xiàn)在結(jié)合附圖通過實施例描述本發(fā)明，其中

圖1是本發(fā)明的催化劑承載器的從上方觀察的立體圖；圖2是從下方觀察的催化劑承載器的立體圖；圖3是從側(cè)面觀察的部分截面圖；圖4是本發(fā)明的催化劑承載器的簡圖；圖5是本發(fā)明的承載器位于管內(nèi)時從下方觀察的示意圖；圖6是位于管內(nèi)的三個催化劑承載器的示意性截面圖；以及圖7是圖6的截面A的放大截面圖。圖1至圖3示出了本發(fā)明的催化劑承載器1。該承載器包括具有穿孔壁3、4的環(huán)形容器2。內(nèi)穿孔壁3限定管5。頂面6在頂部處封閉環(huán)形容器。頂面6位于朝向環(huán)形容器2的壁3、4的頂部的點處，從而形成唇部6。底面7封閉環(huán)形容器2的底部，表面8封閉管5的底部。表面8位于比底面7的平面更低的平面內(nèi)。呈多個凹部9形式的間隔裝置位于環(huán)形容器2的底面7上。排出孔10、11位于底面7和表面8上。密封件12從上表面6延伸，并且提供與管5同軸的直立套環(huán)13。折皺的直立裙部14圍繞容器2。在朝向承載器1的基部的區(qū)域L中使折皺變平。本發(fā)明的催化劑承載器1位于反應(yīng)器管15內(nèi)。圖4通過箭頭示意性地示出氣流。當(dāng)本發(fā)明的多個催化劑承載器位于反應(yīng)器管15內(nèi)吋，它們?nèi)鐖D6和7所示進行互鎖。圖7所示的放大的截面圖說明了對流動路徑的影響。下面將通過簡化比較以圖解方式說明本發(fā)明的原理。比較具有相同的催化劑量和整體管長度的本發(fā)明的管狀反應(yīng)器和傳統(tǒng)的管狀反應(yīng)器，傳統(tǒng)的反應(yīng)器可能需要12個25mm內(nèi)徑的管來容納與包含本發(fā)明的催化劑承載器中的催化劑的單個IOOmm內(nèi)徑管相同的催化劑量(在允許承載器中的催化劑量損失之后)。將產(chǎn)生或需要近似相同的熱量，因此較大的管必須以每單位管表面積的較高速率傳輸該熱量。12個25mm內(nèi)徑的管具有為單個IOOmm內(nèi)徑管的表面積三倍的表面積。管壁處的微通道區(qū)域中引起的高熱傳遞速率將補償所減少的面積。應(yīng)該理解，雖然具體參考了在圓形橫截面的管中的使用來描述催化劑承載器，但是該管可具有非圓形橫截面，例如，其可為平板反應(yīng)器。當(dāng)管具有非圓形橫截面吋，承載器將具有合適的形狀。在該配置中，環(huán)形將不再是圓環(huán)，應(yīng)在文中對應(yīng)地理解這些術(shù)語。
權(quán)利要求
1.一種催化劑承載器，用于插入徑向管反應(yīng)器的管中，并包括環(huán)形容器，用于容納使用中的催化劑，所述環(huán)形容器具有限定管的穿孔內(nèi)壁；穿孔外壁；封閉所述環(huán)形容器的頂面以及封閉所述環(huán)形容器的底面； 表面，封閉由所述穿孔內(nèi)壁形成的所述管的底部；裙部，沿所述穿孔外壁從位于或接近所述容器的所述底面的位置向上延伸至密封件下方的位置；以及密封件，位于所述頂面或所述頂面的附近，并且從所述環(huán)形容器延伸至超出所述裙部的外表面的距離。
2.如權(quán)利要求1所述的催化劑承載器，其中所述底面中設(shè)有ー個或多個排出孔。
3.如權(quán)利要求1或2所述的催化劑承載器，其中封閉所述管的底部的所述表面內(nèi)設(shè)有 ー個或多個排出孔。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的催化劑承載器，其中從所述環(huán)形容器的所述底面向下延伸出ー個或多個間隔裝置。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的催化劑承載器，其中封閉所述環(huán)形容器的所述頂面包括使所述環(huán)形容器與在使用中的所述容器上方堆疊的催化劑承載器抵靠定位的裝置。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的催化劑承載器，其中向上延伸的所述裙部被成形。
7.如權(quán)利要求6所述的催化劑承載器，其中向上延伸的所述裙部上成形有褶皺。
8.如權(quán)利要求6或7所述的催化劑承載器，其中向上延伸的所述裙部朝向其與所述環(huán)形容器的連接點被變平，從而形成平滑配置。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的催化劑承載器，包括催化劑。
10.一種反應(yīng)器管，包括如權(quán)利要求1至9中任一項所述的多個催化劑承載器。
11.一種反應(yīng)器，包括如權(quán)利要求10所述的ー個或多個反應(yīng)器管。
12.ー種用于執(zhí)行反應(yīng)的方法，其中，所述反應(yīng)物進入如權(quán)利要求1至9中任一項所述的催化劑承載器、如權(quán)利要求10所述的反應(yīng)器管或如權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述反應(yīng)物呈放射狀地通過催化劑床。
14.如權(quán)利要求12或13所述的方法，其中所述反應(yīng)是放熱反應(yīng)或吸熱反應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于插入徑向管狀反應(yīng)器中的催化劑承載器，該催化劑承載器包括環(huán)形容器，用于容納使用中的催化劑，所述環(huán)形容器具有限定管的穿孔內(nèi)壁；穿孔外壁；封閉所述環(huán)形容器的頂面以及封閉所述環(huán)形容器的底面；表面，封閉由所述穿孔內(nèi)壁形成的所述管的底部；裙部，沿所述穿孔外壁從位于或接近所述容器的所述底面的位置向上延伸至密封件下方的位置；以及密封件，位于所述頂面或所述頂面的附近，并且從所述環(huán)形容器延伸至超出所述裙部的外表面的距離。
文檔編號B01J8/02GK102574089SQ201080042464
公開日2012年7月11日 申請日期2010年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月19日
發(fā)明者布魯斯·米勒·布倫登, 道格拉斯·加姆林·蒂莫西 申請人:戴維加工技術(shù)有限公司