CN100586549C - 用于化合物的非均相合成的反应器 - Google Patents
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Abstract
用于化合物的非均相合成的反应器，特别是用于甲醇的非均相合成的反应器，包括：外壳(12)；第一绝热催化床(25，26，27)，所述催化床具有：用于试剂气体或用于反应混合物的入口侧(25a，26a，27a)；和用于反应混合物的出口侧(25b，26b，27b)；第二拟等温催化床(31)，所述第二拟等温催化床(31)相对于所述第一催化床且距所述第一催化床预定距离同轴地定位，所述第二催化床具有：用于来自所述催化床的反应混合物的入口侧；和用于气态反应产品的出口侧；和多个热交换器(45)，所述多个热交换器(45)支撑和分布在所述第二催化床(31)的各个环形部分中，热交换器工作流体在所述热交换器内流动。
Description
技术领域
在其更一般的方面中，本发明涉及一种用于诸如甲醇和氨的化合物的非均相合成的反应器。具体地说，本发明涉及至少包括两个串联反应区的前述类型的反应器，其中所需化学反应在存在适合的催化剂的情况下进行。
背景技术
如已知的，在用于诸如氨、甲醇、甲醛和苯乙烯的化学产品的工业合成的非均相催化反应的领域，存在对增加生产能力及转化收率的不断增长的需求，而同时，存在对减少能耗、安装成本、操作校验以及维护成本的不断增长的需求。
以此为目标，在现有技术领域中，已提出了包括串联布置的、形成反应区的多个绝热催化床的多种反应器。使试剂气体穿过适合温度和压力条件的催化床，以便借助于催化剂实现转化成为最终产品。由于反应在基本上绝热条件下进行，换言之，没有去除热量，因此在放热反应的情况下，反应热趋向于增加绝热床的工作温度，从而使反应的进程趋向不平衡。因此，前述反应器通常配置位于绝热床之间的直接热交换冷却装置，以便来自所述催化床的反应混合物的温度条件回到更适合反应过程的温度条件，例如通过与“新鲜”试剂气体的部分混合。
即使这种方法在特定方面是有利的，但是前述反应器具有通常导致相当低的反应进程(转化收率)水平的公认限制，因此不特别适合用于工业应用。因此，也导致所述反应器的生产能力很低。
在现有技术中，还提出了多种反应器，这些反应器包括串联布置的一个或多个催化床(反应区)，而通过将诸如板式热交换器的间接热交换装置浸入催化床中，每个催化床在拟等温条件下工作。
术语“拟等温条件”指：通过另外使用所述热交换装置，反应区中反应温度被控制在预定最佳值(根据所需的转化反应变化)周围的值的有限区间内。
虽然从生产能力和反应量的观点来看，前述反应器是有利的，但是由于在受控温度值内，最终产品中试剂气体的转化反应在催化床中不变地进行，因此所述反应器需要与前述绝热床反应器不相上下的工业应用设备(反应器)，从结构的观点看，导致非常复杂，并需要高得多的运行、安装和维护成本。
成为本发明基础的技术问题是：提供能够以最高效的方式同时满足前述需求的用于化合物的非均相合成的反应器。换言之，提供能够保证高转化收率和生成能力，而同时在工业水平允许减小建造、安装、运行和维护成本的用于化合物的非均相合成的反应器。
发明内容
根据本发明，利用根据权利要求1和后续权利要求的用于化合物的非均相合成的反应器解决所述的问题。
已经惊奇地发现：利用具有前述配置的反应器，可以获得试剂气体变成最终产品的高转化收率；所述转化收率完全可以比得上具有相同容量和带有拟等温催化床的传统反应器获得的产量。同时，当与具有拟等温催化床的相应反应器所需的制造、安装和维护成本相比时，所述反应器的构造更加简单，而因此需要更低的制造、安装和维护成本。成本仅略高于具有绝热床的相应反应器所需的成本。
从下面通过示例参照附图对化学反应器，特别是对用于生产甲醇的化学反应器的详细描述，本发明的特征和优点将更清楚，上述示例仅用于说明而非限制本发明。
附图说明
图1显示了根据本发明的化学反应器的示意纵剖视图。
图2显示了沿图1中显示的描绘平面B-B的图1的化学反应器的示意横断面视图；
图3显示了沿图1中显示的描绘平面C-C的图1的化学反应器的示意横断面视图。
具体实施方式
参照前述图，用于非均相催化反应，尤其用于生产甲醇，的化学反应器，通常由附图标记10表示。
该化学反应器包括外壳12，该外壳12具有带有垂直轴A-A且在相对的端部分别由两个底部，即下底14和上底16，封闭的基本上圆筒形的形状。在上底16上，管口或喷嘴17设置用作试剂气体进入反应器10的入口，而管口或喷嘴18设置在下底14以从反应器10将反应混合物排出。
根据本发明，反应器10包括：在基本上绝热条件下操作的多个反应区22，23和24，所述多个反应区22，23和24在当前实施例中位于对应于反应器体积的近似一半的其上部20中；和在拟等温条件下操作的反应区30，所述反应区30在反应器的下部21中。
更具体而言，在当前实施例中，反应器10包括：在其上部20中的串联布置的三个反应区，而更准确地说，三个反应区是：上部反应区22；中部反应区23；和下部反应区24，在各反应区中分别支撑着催化床：上部床25；中部床26；和下部床27，所述床用于填充适合的催化剂。
催化床25，26和27具有基本上环形断面，并以同轴的方式支撑在所述外壳12内部，这在本领域是已知的，从而在这里不进行描述。它们彼此相距预定距离布置，以便在彼此之间确定相应的空的空间(emptyspace)41和42。此外，上部催化床25具有用于来自管口17的试剂气体的入口的入口侧25a和反应混合物的相对的出口侧25b。以类似的方式，中间催化床26和下部催化床27具有：分别用于来自上部催化床25和中间催化床26的反应混合物的对应的入口侧26a和27a；和相应的出口侧26b和27b。
在反应器10的下部21的反应区30中，催化床31被设置使适合的催化剂位于距反应器10的上部20的下部催化床27预定距离，从而确定了空的空间43。催化床31具有基本上环形断面，并由惰性材料的下面的床39支撑在外壳12内部。在反应器10内部，在反应混合物出口管口18上还设有栅格40，以将惰性材料保持在反应器内部的位置。
反应器10在其上部20中还包括：位于上部催化床25与中间催化床26之间的所述空间41中的冷却装置35；和位于中间催化床26和下部催化床27之间的所述空间42中的另外的冷却装置36。
冷却装置35和36优选包括具有孔的管道系统，所述管道系统优选为环形或螺旋管状，用于分别通过入口管口或喷嘴35a和36a从外部馈送的冷却流体(骤冷)引导到相邻催化床之间的空的空间中。采用本领域已知的方式，所述冷却装置的螺旋管状或环形管道系统支撑在所述外壳12内部，而因此不再进行描述。
根据本发明的优选实施例，冷却流体由“新鲜”试剂气体组成，并且所述冷却装置35和36的螺旋管状或环形管道系统配置有多个管口或喷嘴(未示出)，从而通过所述试剂气体与来自位于冷却装置(骤冷)的上游的各个催化剂床25或26的反应混合物的混合提供直接交换。每种混合物以适合的方式调节，以便产生的反应混合物具有用于后面的催化床中反应的正确过程的适合温度。
反应器10还包括浸入催化床31中由标号44总体指示的冷却装置。优选所述冷却装置44包括传统类型的多个间接热交换器45，所述间接热交换器45支撑和分布在催化床31的基本上环形部分中。热交换器45优选为平板形状或板状、矩形、盒子状，而更优选以径向方式布置，其长边45a平行于外壳12的轴A-A。
更具体而言，每个热交换器45优选由两个并置的金属板制成，两个并置的金属板利用适合的焊接法彼此以预定距离相互连接，以便以预定宽度在它们之间设置空的空间，以允许热交换工作流体的流动。
优选方式是，热交换器45在其上部与所述热交换器流体的对应分配器管46流体连通，而在其下部与所述工作流体的对应出口管47流体连通。
在图1中所示的实例中，出口管47与基本上圆筒形且与所述外壳12同轴的中央歧管48流体连通；所述歧管从反应器10的下部21经催化床31，并经反应器的上部20的催化床27、26、25延伸，利用气体分配器50在上部催化床25上方终止。
该分配器管46与外壳12外部的、用作热交换操作流体的入口的入口管口或喷嘴51流体连通。
根据本发明的可选实施例，歧管48也可定位在反应器10外部。
优选方式是，热交换操作流体包括“新鲜”试剂气体的一部分。应该指出：根据本发发明，试剂气体与穿过催化床31的反应混合物间接热交换而有利地预热，而因为此原因，它们能够经出口管47和歧管48有益地供应到催化床上方，用于转化。这有利地减小了能耗。
用于化合物的非均相合成，尤其用于甲醇合成，的上述反应器10的操作如下。
一部分试剂气体，例如在甲醇合成的情况下，包括一氧化碳和氢的混合物通过入口管口17被引导到反应器10中，而可以利用上部催化床25上适合的分配器(未示出)以均匀的方式分配。因此，试剂气体沿基本上轴向方向流入所述上部催化床中，以基本上绝热条件获得部分甲醇转化。
因此，在上部催化床25的出口处，获得利用直接热交换器冷却(骤冷)的包括甲醇和未反应气体的反应混合物，或换言之，通过与来自螺旋管状或环形管道系统35的适合数量的“新鲜”试剂气体混合冷却(骤冷)的包括甲醇和未反应气体的反应混合物。然后，混合操作后产生的反应混合物穿过中间催化床26，在这里出现进一步的甲醇转化，从而在中间催化床26的出口处获得更富有甲醇的反应混合物。这种反应混合物由通过螺旋管状或环形管道系统36供应的“新鲜”试剂气体冷却。然后，混合操作后产生的反应混合物穿过下部催化床27，在这里出现进一步的甲醇转化，从而在所述催化床的出口处获得更富有甲醇的反应混合物。
在此时，来自下部催化床27的反应混合物流入空的空间43，穿过下端部21中利用与热交换器45的间接热交换保持拟等温条件的催化床31。采用这种方式，可以获得高效的热量控制和最佳地完成甲醇转化。
穿过热交换器45的“新鲜”试剂气体的部分被有利地预先加热，并且通过出口管44、歧管48和分配器50，被供应到上部催化床25的上方，在那里，它与通过入口管口17供应到反应器10的试剂气体的部分混合。
来自催化床31的反应混合物穿过惰性材料39，并从反应器10的出口管口18出去，以被继续传送用于后续处理阶段(例如，甲醇回收部分)。
除上面说明的优点外，还应该指出：本发明适用于改装先前存在的化学反应器，而尤其是传统的绝热床反应器。
对于这种改装，只更换绝热床的部分就足够了，换言之，只更换反应器的下部中的那些绝热床，和具有拟等温类型的催化床的相应制冷装置就足够了。与用拟等温类型的床替换所有的绝热催化床相比时，这显著减小了改造成本，而同时，提供了比得上具有拟等温类型的床的相应反应器的高反应产量和生产能力。
实例
在甲醇合成领域，根据本发明的反应器的生产能力特性与具有绝热催化床的相应传统反应器的生产能力特性进行了比较，并与具有拟等温催化床的相应反应器的生产能力特性进行了比较。
在如下所示的相同工作条件下，在每个前述反应器中进行甲醇合成。
供应到合成回路的供应气体(补充气体)的组成：
CH4 3.12mol％
N2 1.14mol％
H2 73.09mol
CO2 7.98mol％
CO 14.67mol％
至合成回路的补充气体流量：370700Nm3/h(370′700Nm3/h)。
反应器工作压力：80bar
总的催化剂体积：200m3
冷凝温度：29℃。
这种比较在两种情况下执行：一种情况是到合成回路的补充气体是由蒸汽转化器生成的气体；而另一种情况是为了提高产量，将500MTD(公吨/每天)的二氧化碳加到由蒸汽转化器产生的所述气体。
在两种情况下，在到反应器的入口处的气体流量实际上保持不变：1800000Nm3/h(1′800′000Nm3/h)。
结果如下面的表1和2所示：
表1
| 未添加CO<sub>2</sub> | 绝热催化床反应器 | 冷却催化床反应器 | 根据本发明的反应器 |
| 甲醇生产量(MTD) | 2573 | 2653 | 2644 |
| 比绝热催化床反应器生产量的增加量(MTD) | --- | 80 | 71 |
表2
| 添加500MTD的CO<sub>2</sub> | 绝缘催化床反应器 | 冷却催化床反应器 | 根据本发明的反应器 |
| 甲醇生产量(MTD) | 2771 | 2955 | 2946 |
| 比绝热催化床反应器生产量的增加量(MTD) | --- | 184 | 175 |
上述表中显示的结果清晰地显示：在检验的两种情况中，与相应的绝热催化床反应器相比，根据本发明的反应器产量具有略低于冷却拟等温催化床反应器的总的生产能力和产量增加。
然而，与后一反应器相比，由于本发明的更低的构造、安装和维护成本，因此根据本发明的反应器的制造容易得多且廉价得多。
当然，为了满足具体和可能的需要，本领域所属技术人员能够对所述化合物的非均相合成的反应器进行多种修改和变型，在任何情况下，所有这些修改和变型被权利要求确定的本发明的保护范围覆盖。
Claims (9)
1.用于化合物的非均相合成的反应器，包括：
由各个底部(14，16)在相对端封闭的基本上圆筒形的外壳(12)；
至少一个第一绝热催化床(25，26，27)，所述第一绝热催化床(25，26，27)具有基本上环形断面，同轴地支撑在所述外壳(12)内部、所述外壳的上部(20)中，所述至少一个第一绝热催化床(25，26，27)具有：用于试剂气体或用于反应混合物的入口侧(25a，26a，27a)；和用于反应混合物的出口侧(25b，26b，27b)；
第二拟等温催化床(31)，所述第二拟等温催化床(31)具有基本上环形断面，支撑在所述外壳(12)内部、所述外壳的下部(21)中，相对于所述至少一个第一绝热催化床且距所述至少一个第一绝热催化床预定距离同轴地定位，所述第二拟等温催化床具有：用于来自所述至少一个第一绝热催化床(25，26，27)的反应混合物的入口侧；和用于气态反应产品的出口侧；
多个热交换器(45)，所述多个热交换器(45)支撑和分布在所述第二拟等温催化床(31)的各个环形部分中，热交换器工作流体在所述热交换器(45)内流动。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中所述至少一个第一绝热催化床包括：串联布置的多个第一绝热催化床(25，26，27)，所述反应器还包括直接热交换装置(35，36)，所述直接热交换装置(35，36)被支撑在所述外壳(12)内部并布置在所述第一绝热催化床(25，26，27)之间，以进行冷却流体与来自各个第一绝热催化床(25，26)的反应混合物之间的直接热交换。
3.根据权利要求2所述的反应器，其中：所述第一绝热催化床(25，26，27)彼此相距预定距离布置，以便在它们之间确定空的空间(41，42)，并且其中：所述直接热交换装置(35，36)被布置在所述第一绝热催化床(25，26，27)之间的所述空的空间(41，42)中。
4.根据权利要求3所述的反应器，其中所述直接热交换装置(35，36)包括所述冷却流体穿过且配置有多个孔的至少一根管，以采用均匀的方式将预定量的所述冷却流体与来自上游各个催化床(25，26)的反应混合物混合。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的反应器，其中：所述多个热交换器(45)为基本上矩形形状的空的长方体。
6.根据权利要求5所述的反应器，其中：所述热交换器(45)分别与工作流体分配器管(46)和用于所述工作流体的出口管(47)流体连通。
7.根据权利要求6所述的反应器，其中：用于所述工作流体的所述出口管(47)与歧管(48)流体连通，以将所述工作流体供应到所述至少一个第一绝热催化床(25)之上和上方。
8.根据权利要求7所述的反应器，其中：所述歧管(48)形状为基本上圆筒形、定位在所述反应器中央且与所述外壳(12)同轴；所述歧管(48)穿过所述第二拟等温催化床(31)和所述至少一个第一绝热催化床(25，26，27)。
9.根据权利要求7所述的反应器，其中：所述歧管(48)与定位在所述至少一个第一绝热催化床(25)上方的分配器(50)流体连通。
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