專利名稱：整體式反應(yīng)器的制作方法
整體式反應(yīng)器本發(fā)明涉及用于管式反應(yīng)器的催化劑載體。更具體地，其涉及在進(jìn)行放熱反應(yīng)或吸熱反應(yīng)的管式反應(yīng)器中使用的催化劑載體。還更具體地，其涉及在進(jìn)行放熱反應(yīng)或吸熱反應(yīng)的、包括多個催化劑載體的反應(yīng)器中使用的催化劑載體。管式反應(yīng)器包括管，其通常為圓柱形，并且通常任意地填充有催化劑顆粒。熱傳遞裝置將位于這些管的外部。在操作期間，氣體、液體、或氣體和液體二者經(jīng)催化劑顆粒流經(jīng)管，以便發(fā)生期望的反應(yīng)。對于許多反應(yīng)，反應(yīng)的熱效應(yīng)是中度的。在這種情況中，可以使用大直徑管以便存在穿過該管的大體積催化劑。然而，對于更加放熱或更加吸熱的反應(yīng)，必須存在通過管壁的有效熱傳遞以控制反應(yīng)器內(nèi)的條件。這意味著必須減少穿過管的催化劑顆粒的數(shù)量以及該管的橫截面。
發(fā)生中度至高度的放熱反應(yīng)的管式反應(yīng)器在許多情況中熱傳遞是受限的。一個缺點在于難以實現(xiàn)更高活性的催化劑的益處，因為增加的產(chǎn)率產(chǎn)生了增加的熱量，必須以保持穩(wěn)定的操作溫度的速率來除去該熱量，由此避免熱散逸。當(dāng)反應(yīng)為中度至高度的吸熱反應(yīng)時，隨著增加的熱而產(chǎn)生問題，并在一些系統(tǒng)中，能發(fā)生對管壁的損壞。已知的反應(yīng)器具有許多缺陷，這使它們低于理想值。對這些反應(yīng)器應(yīng)注意的一個問題是為了有效地提取反應(yīng)的熱，管在直徑上必須相對小以確保管的中線保持足夠的涼爽以避免放熱反應(yīng)中的熱散逸或吸熱反應(yīng)中的猝滅。因為管必須相對小，所以通常具有約15mm至40mm的內(nèi)徑，這顯著增加了在反應(yīng)器中需要包含特定催化劑體積的管的數(shù)量并由此增加了管重量，因此限制了具有合理的運輸尺寸和重量的單一反應(yīng)器的產(chǎn)能。第二個問題在于催化劑顆粒必須為一定尺寸、形狀和強度以便對于適當(dāng)管長度而言不導(dǎo)致過度壓力下降，并且通常這導(dǎo)致使用較大的催化劑顆粒。當(dāng)反應(yīng)為傳質(zhì)受限的或熱傳遞受限的或上述兩種情況時，這本身可能成為問題。盡管這些問題中的一些可以通過保證活性位點僅存在于催化劑顆粒的表面附近而緩解，但這限制能夠?qū)崿F(xiàn)的產(chǎn)率，因為可用的活性位點必須更過度的運行以實現(xiàn)合理的總產(chǎn)能，這可能降低催化劑壽命。因此期望提供使用較大橫截面積的管的裝置，所述管具有粉末狀的或高表面積整體的或泡沫狀的催化劑，其以高生產(chǎn)率操作，由此具有高熱量輸出，同時保持長管，達(dá)到約20m的程度，并且保持可接受的壓力下降。在第0918426. O號GB申請中通過催化劑載體裝置提供了該問題的解決方案，所述催化劑載體裝置被配置為位于反應(yīng)器管內(nèi)并且在使用中優(yōu)化管壁處的熱傳遞，因此能夠使用更大的管和更大體積的較小催化劑顆粒，并且即使在放熱反應(yīng)或吸熱反應(yīng)中也能以高生產(chǎn)率來操作反應(yīng)器，并具有可接受的壓力下降。所描述的布置提供了用于插入管式反應(yīng)器的管內(nèi)的催化劑載體，其包括用于在使用中容納催化劑的環(huán)形容器，所述容器具有界定管的穿孔內(nèi)壁、穿孔外壁、閉合所述環(huán)形容器的頂表面，以及閉合所述環(huán)形容器的底表面；閉合所述管底部的表面，所述管由環(huán)形容器的內(nèi)壁形成；裙部(skirt)，其從所述環(huán)形容器的穿孔外壁由位于或鄰近于所述容器的底表面的位置向上延伸至低于密封件位置的位置；以及密封件(seal)，其位于或鄰近于所述頂表面并從所述容器延伸一定距離，其延伸超過所述裙部的外表面。盡管與現(xiàn)有技術(shù)布置相比，該解決方案提供了諸多益處，但其應(yīng)用通常涉及使用顆粒狀催化劑的方法。然而，在一些反應(yīng)中，例如Fischer-Tropsch蒸汽轉(zhuǎn)化和氫化,可能使用整體式催化劑。盡管這些整體式 催化劑可能在一些情況下具有比顆粒狀催化劑更好的益處，但是這些整料仍具有與將熱傳遞至整料體中心或從整料體中心傳遞熱相關(guān)的問題。盡管與陶瓷整料相比，金屬整料具有改善的熱傳遞，但是對于能傳導(dǎo)至整料中心內(nèi)的反應(yīng)處或從整料中心內(nèi)的反應(yīng)傳導(dǎo)出的熱量仍受到限制。盡管整體式催化劑能用于第0918426. O號GB申請中的催化劑載體，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用整體式催化劑時，可以省略穿孔內(nèi)壁和穿孔外壁。因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了用于插入管式反應(yīng)器的管內(nèi)的整體式催化劑載體，其包括用于在使用中容納整體式催化劑的容器，所述容器具有閉合所述容器的底表面、和從所述容器底表面向上延伸至低于密封件位置的位置并與其隔開的裙部，定位所述裙部使得在整體式催化劑的外表面和裙部之間存在空間；以及密封件，其位于或鄰近于所述整體式催化劑的頂表面并從所述整體式催化劑延伸一定距離，其延伸超過所述裙部的外表面。為了避免疑問，任何方向的討論，例如向上、下面、低于和較低等術(shù)語，出于易于參考的目的，均相對于催化劑載體的方向來討論，如附圖
所示。然而，本發(fā)明的催化劑載體還能以可替代的方向來使用，例如水平使用。因此，應(yīng)相應(yīng)地解釋所述術(shù)語。通常改變?nèi)萜鞯拇笮?，以便其具有比在使用時其所位于的反應(yīng)器管的內(nèi)部尺寸更小的尺寸。改變密封件的大小，以便當(dāng)本發(fā)明的催化劑載體位于所述管內(nèi)的恰當(dāng)位置時，所述密封件與反應(yīng)器管的內(nèi)壁相互作用。選擇諸如載體長度和直徑的參數(shù)，以適應(yīng)不同的反應(yīng)和配置。在一個布置中，整體式催化劑為固體，因為在整料體內(nèi)基本沒有未被催化劑占據(jù)的空間。當(dāng)整料在使用時位于具有向下流的垂直反應(yīng)器中時，反應(yīng)物向下流經(jīng)反應(yīng)器管，反應(yīng)物首先接觸整體式催化劑的上面并以與圓柱體的軸平行的方向流經(jīng)該催化劑。容器的密封件防止反應(yīng)物在整料周圍流動并有助于將反應(yīng)物引導(dǎo)進(jìn)入催化劑。然后，在整體式催化劑內(nèi)發(fā)生反應(yīng)。然后產(chǎn)物還將以與圓柱體的軸平行的方向向下流經(jīng)該整料。一旦反應(yīng)物和產(chǎn)物達(dá)到催化劑載體的底表面，它們被引導(dǎo)朝向載體的裙部。為了促進(jìn)該流動，可以在底表面的上面上的載體內(nèi)提供底座，以便在使用中，將催化劑整料支撐在該底座上，并且在催化劑整料的底部和催化劑載體的底表面之間存在間隙。然后，向上延伸的裙部在裙部的內(nèi)表面和整體式催化劑的外表面之間向上引導(dǎo)反應(yīng)物和產(chǎn)物，直至它們到達(dá)密封件的下側(cè)。然后，通過密封件的下側(cè)將它們引導(dǎo)越過裙部的末端，然后它們在裙部的外表面和發(fā)生熱傳遞的反應(yīng)器管的內(nèi)表面之間向下流動。在一個可替代的布置中，整體式催化劑具有穿過該催化劑的縱向延伸的通道。通常，通道位于整體式催化劑的中心軸上。因此，當(dāng)反應(yīng)器管具有圓形的橫截面時，該布置的整體式催化劑將具有環(huán)形的橫截面。在該布置中，在使用時，在具有向下流的垂直反應(yīng)器中，反應(yīng)物向下流經(jīng)反應(yīng)器管，由此首先接觸整體式催化劑的上表面。密封件阻斷在催化劑側(cè)面周圍的反應(yīng)物通路。因為反應(yīng)物流動的路徑被催化劑所阻礙，所以其通常采取更容易的路徑并進(jìn)入整料的通道內(nèi)。然后，反應(yīng)物進(jìn)入環(huán)形整體式催化劑，穿過該催化劑徑向地流向催化劑整料的外表面。在流經(jīng)催化劑整料的過程中，發(fā)生反應(yīng)。然后，未反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物通過整體式催化劑的外表面從其流出。然后，向上延伸的裙部在裙部的內(nèi)表面和整體式催化劑的外壁之間向上引導(dǎo)反應(yīng)物和產(chǎn)物，直至它們到達(dá)密封件。然后，它們通過密封件的下側(cè)被引導(dǎo)越過裙部的末端，并且在裙部的外表面和發(fā)生熱傳遞的反應(yīng)器管的內(nèi)表面之間向下流動。在整體式催化劑包括通道的布置中，催化劑載體可以包括在整體式催化劑上方延伸但使該通道未被覆蓋的頂表面。該頂表面用于確保反應(yīng)物不從頂部進(jìn)入催化劑整料內(nèi)，但被弓I導(dǎo)進(jìn)入該通道內(nèi)以徑向流動。應(yīng)理解，當(dāng)反應(yīng)器為向上流動的反應(yīng)器或者例如處于水平方向時，流動途徑將與上述不同。然而，通過容器和整體式催化劑的途徑的原理如上所述。 通常，多個催化劑載體將疊堆在反應(yīng)器管內(nèi)。在該布置中，反應(yīng)物/產(chǎn)物在第一載體的裙部的外表面和反應(yīng)器管的內(nèi)表面之間向下流動，直至它們接觸整體式催化劑的上表面和第二載體的密封件，并且使用上述的流動途徑，它們被向下引導(dǎo)通過第二整體式催化劑。催化劑載體可以由任何合適的材料制成。通常選擇這樣的材料，其能經(jīng)受住反應(yīng)器的操作條件。通常，催化劑載體由碳鋼、鋁、不銹鋼、其它合金或任何能經(jīng)受住反應(yīng)條件的材料制成。在可替代的布置中，催化劑載體可以由非金屬材料組成。容器的部件能具有任何合適的厚度。合適的厚度為約O. Imm至約I. Omm,優(yōu)選為約O. 3mm 至約 O. 5mm。在整體式催化劑具有縱向通道的布置中，閉合管底部的表面可以形成為單一部件或它們可以為連接在一起的兩個單獨的片。兩個表面可以為共面的，但在優(yōu)選的布置中，它們在不同的平面。在一個布置中，在縱向通道下面的管的底部的部分位于比容器其余部分的底表面更低的平面。當(dāng)要使用多個容器時，這有助于使一個載體位于在下面布置的載體之上。應(yīng)理解，在可替代的布置中，與管的通道成一直線的底部的表面可以位于比容器其余部分的底表面更高的平面。雖然底表面通常為實心的，但其可以包括一個或多個排出孔。當(dāng)存在一個或多個排出孔時，它們可以被濾網(wǎng)覆蓋。類似地，任選地覆蓋有濾網(wǎng)的排出孔可以存在于閉合管底部的表面中。當(dāng)要將載體以非垂直方向使用時，若存在排出孔時，排出孔將位于可替代的位置，即，當(dāng)使用時為載體中最低點的位置。一個或多個隔板裝置可以從容器的底表面向下延伸。該隔板裝置或每個隔板裝置可以形成為單獨的部件，或它們可以通過在底表面中的凹陷處來形成。當(dāng)這些隔板裝置存在時，在使用中，它們有助于為在第一載體的底表面和第二更低載體的頂表面之間流動的反應(yīng)物和產(chǎn)物提供無阻礙的路徑。隔板可以具有約4mm至約6mm的深度?；蛘呋蛄硗獾?，隔板裝置可以存在于容器的頂表面上(若存在時)，或者可以從密封件向上延伸。密封件，或者若存在時，頂表面可以包括在其上表面上的裝置、該裝置使容器放置在抵靠著在使用中的容器上方疊堆的催化劑載體的位置處。該放置容器的裝置可以具有任何合適的布置。在一個布置中，其包括一個或多個直立的卡圈，所述卡圈具有開口或在其內(nèi)的允許反應(yīng)物進(jìn)入的空間。該裝置可以用作折流板以引導(dǎo)流動。向上延伸的裙部可以為平滑的，或其可以具有形狀。可以使用任何適當(dāng)?shù)男螤?。適當(dāng)?shù)男螤畎逘畹?、波紋狀等。通常沿著載體的長度縱向布置褶皺和波紋等。直立的裙部的造型增加了裙部的表面積并有助于將催化劑載體插入反應(yīng)管中，因為其允許在反應(yīng)器管的內(nèi)表面上具有任何表面粗糙度或在待被容納的管中存在公差差異。當(dāng)向上延伸的裙部成形時，通常將其壓平成朝向其與底表面的連接點的平滑結(jié)構(gòu)，從而允許其與底表面形成氣密封。直立的裙部可以為柔性的。通常，直立的裙部在離整體式催化劑的頂表面約O. 5cm至約I. 5cm,優(yōu)選約I · cm
處停止。不期望受任何理論的限制，認(rèn)為直立的裙部用于將來自環(huán)形容器外表面的反應(yīng)物 /產(chǎn)物聚集，并隨著它們向上移動，通過形狀引導(dǎo)它們朝向催化劑載體的頂部，收集更多的從整體式催化劑的外表面排出的反應(yīng)物/產(chǎn)物。如上所述，然后，在管壁和直立裙部的外部之間向下引導(dǎo)反應(yīng)物/產(chǎn)物。通過該方法，熱傳遞沿著載體的整個長度向下增強，但是當(dāng)熱交換與催化劑分離時，能使用適當(dāng)?shù)母鼰峄蚋涞臒峤粨Q流體，而不在管壁處使反應(yīng)猝滅，并且同時確保朝向載體中心的催化劑溫度被適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。能以任何合適的方式形成密封件。然而，其通常為可充足壓縮的，從而容納最小直徑的反應(yīng)器管。密封件通常為柔性的滑動密封件。在一個布置中，可以使用O形環(huán)?？梢允褂每蓧嚎s的開口環(huán)或具有高膨脹系數(shù)的環(huán)。密封件可由任何合適的材料形成，條件是其能經(jīng)受反應(yīng)條件。在一個布置中，其可為從載體延伸的可變形法蘭?？梢愿淖兎ㄌm的大小以大于管的內(nèi)徑，使得隨著容器插入管內(nèi)時，其變形以適應(yīng)內(nèi)部并與管相互作用。本發(fā)明的一個優(yōu)勢在于能向用戶提供在本發(fā)明的載體內(nèi)的催化劑，然后將所述載體以最小的停機時間容易地安裝在反應(yīng)器管內(nèi)。因此，能在催化劑制造點將催化劑負(fù)載于催化劑載體內(nèi)。其可以預(yù)還原和穩(wěn)定化或封裝，避免就地對催化劑進(jìn)行處理的需求。一旦催化劑耗盡，則載體作為分離單元能容易地從反應(yīng)器移除，并且容易地運輸以酌情進(jìn)行處理或再生。本發(fā)明的催化劑載體允許將催化劑用于高放熱反應(yīng)或高吸熱反應(yīng)中。該裝置允許使用大的管，使得對于具有給定容量的反應(yīng)器而言具有大的重量和成本降低，因為熱傳遞有效地發(fā)生在管壁的微通道區(qū)域中。這產(chǎn)生優(yōu)異的向冷卻/加熱介質(zhì)的熱傳遞或來自冷卻/加熱介質(zhì)的熱傳遞。此外，由于催化劑與冷卻/加熱介質(zhì)分開，所以能允許更大的溫差，因為熱交換作用與反應(yīng)分開。當(dāng)將多個本發(fā)明的載體插入管內(nèi)時，這在每個管中有效地提供了多個串聯(lián)的絕熱反應(yīng)器。催化劑載體可用于廣泛的方法中。適當(dāng)?shù)姆椒ǖ膶嵗ㄓ糜诜艧岱磻?yīng)的反應(yīng)器，例如，用于制備甲醇的反應(yīng)、用于制備氨的反應(yīng)、甲烷化反應(yīng)、轉(zhuǎn)移反應(yīng)、諸如形成馬來酸酐和環(huán)氧乙燒的氧化反應(yīng)、Fischer-Tropsch反應(yīng)等。能在包括本發(fā)明的催化劑載體的反應(yīng)器中進(jìn)行吸熱反應(yīng)，例如預(yù)重整、脫氫作用等。本發(fā)明的整體式催化劑載體可以填充有或部分地填充有任何合適的催化劑。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了反應(yīng)器管，其包括多個上述的本發(fā)明第一方面的催化劑載體。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了反應(yīng)器，其包括一個或多個上述第二方面的反應(yīng)器管。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了用于進(jìn)行反應(yīng)的方法，其中反應(yīng)物進(jìn)入上述第一方面的催化劑載體、上述第二方面的反應(yīng)器管或上述第三方面的反應(yīng)器。本發(fā)明的催化劑載體允許使用比迄今可能使用的反應(yīng)器管更長的反應(yīng)器管?，F(xiàn)通過實例，參考附圖來描述本發(fā)明，其中圖I為本發(fā)明的一個實施方案的示意圖,示出流動途徑；圖2為本發(fā)明的第二實施方案的示意圖，示出流動途徑；以及圖3為在兩個疊堆的載體之間的流動途徑的示意圖。對于催化劑載體的概述可以參考在第0918426. O號GB專利申請中包括的附圖，所述專利申請的內(nèi)容通過參考方式并入本文。具體地，能參考其中對裙部布置的示例性說明。本發(fā)明的一個實施方案的催化劑載體I在圖I中示出。底表面2閉合容器I的底部。底座3從底表面向上延伸以支撐整體式催化劑4。直立的裙部5從底表面2延伸。裙部可為波紋狀的，并且可以為平整的，如在朝向底表面3的區(qū)域中。提供密封件6以從整體式催化劑4延伸并與反應(yīng)器管7的壁相互作用。折流板8向上延伸以用于密封件。這些均用于引導(dǎo)流動并使載體與位于該載體上方的載體的底表面分離。由箭頭示例性地示出氣體的流動。本發(fā)明的可替代的實施方案在圖2中示出。在該布置中，整體式催化劑4具有穿過該催化劑的縱向通道9。在該布置中，可以省略第一實施方案的底座。該載體在布置上與第一實施方案類似。然而，額外地，提供了頂表面10以覆蓋整體式催化劑的上表面。通過箭頭示例性地示出圖2的布置中的氣體流動。當(dāng)多個本發(fā)明的催化劑載體位于反應(yīng)器管7內(nèi)時，對流動途徑的影響在圖3所示的放大部分中不出。應(yīng)理解，盡管特別參考在圓形橫截面的管中的應(yīng)用來描述催化劑載體，但是該管可以具有非圓形橫截面，例如，其可以為板狀反應(yīng)器。當(dāng)管具有非圓形橫截面時，載體將具有合適的形狀。在該布置中，所描述的使用環(huán)形整料的實施方案將不為圓形環(huán)，并且該術(shù)語應(yīng)相應(yīng)地進(jìn)行解釋。還應(yīng)理解，在某些情況下，可以省略載體的裙部。該布置可以適于放熱/吸熱反應(yīng)未顯著改變溫度的情況。
權(quán)利要求
1.用于插入管式反應(yīng)器的管中的整體式催化劑載體，其包括 用于在使用中容納整體式催化劑的容器，所述容器具有閉合所述容器的底表面、和從所述容器的底表面向上延伸至低于密封件位置的位置并與其隔開的裙部，定位所述裙部以便在所述整體式催化劑的外表面和所述裙部之間存在空間；以及 密封件，其位于或鄰近于所述整體式催化劑的頂表面并從所述整體式催化劑延伸一定距離，其延伸超過所述裙部的外表面。
2.如權(quán)利要求I所述的整體式催化劑載體,其中所述整體式催化劑為固體。
3.如權(quán)利要求I或2所述的整體式催化劑，其額外包括在所述底表面的上面上的底座。
4.如權(quán)利要求I所述的整體式催化劑，其中所述整體式催化劑具有穿過所述整體式催化劑的縱向延伸的通道。
5.如權(quán)利要求4所述的整體式催化劑，其中所述整體式催化劑具有圓形橫截面。
6.如權(quán)利要求4或5所述的整體式催化劑，其中所述催化劑載體包括頂表面，在使用中，所述頂表面將延伸越過所述整體式催化劑但使得所述通道未被覆蓋。
7.如權(quán)利要求I至6中任ー權(quán)利要求所述的整體式催化劑，其中所述底表面包括ー個或多個排出孔。
8.如權(quán)利要求I至7中任ー權(quán)利要求所述的整體式催化劑，其中一個或多個隔板裝置從所述容器的底表面向下延伸。
9.如權(quán)利要求I至8中任ー權(quán)利要求所述的整體式催化劑，其中所述密封件，或者若存在時，所述頂表面包括在其上表面上的裝置，所述裝置將所述容器放置在抵靠著在使用中的容器上方疊堆的催化劑載體的位置處。
10.如權(quán)利要求I至9中任ー權(quán)利要求所述的整體式催化劑，其中所述向上延伸的裙部是有形狀的。
11.如權(quán)利要求10所述的整體式催化劑，其中在所述向上延伸的裙部上的形狀為波紋狀。
12.如權(quán)利要求10或11所述的整體式催化劑，其中所述向上延伸的裙部的形狀被弄平為朝向其與所述底表面的連接點的平滑結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求I至12中任ー權(quán)利要求所述的催化劑載體，其包括催化劑。
14.反應(yīng)器管，其包括多個權(quán)利要求I至13中任ー權(quán)利要求所述的催化劑載體。
15.反應(yīng)器，其包括一個或多個權(quán)利要求14所述的反應(yīng)器管。
16.用于進(jìn)行反應(yīng)的方法，其中反應(yīng)物進(jìn)入權(quán)利要求I至13中任ー權(quán)利要求所述的催化劑載體、權(quán)利要求14所述的反應(yīng)器管或權(quán)利要求15所述的反應(yīng)器。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述反應(yīng)為放熱反應(yīng)或吸熱反應(yīng)。
全文摘要
用于插入管式反應(yīng)器的管中的整體式催化劑載體，其包括用于在使用中容納整體式催化劑的容器，所述容器具有閉合所述容器的底表面、和從所述容器的底表面向上延伸至低于密封件位置的位置并與其隔開的裙部，定位所述裙部以便在整體式催化劑的外表面和裙部之間存在空間；以及密封件，其位于或鄰近于所述整體式催化劑的頂表面并從所述整體式催化劑延伸一定距離，其延伸超過所述裙部的外表面。
文檔編號B01J35/04GK102844109SQ201280001129
公開日2012年12月26日 申請日期2012年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月4日
發(fā)明者蒂莫西·道格拉斯·加姆林, 理查德·斯普拉特 申請人:戴維加工技術(shù)有限公司