CN101080266A - 用于催化转化反应的反应器 - Google Patents

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Abstract

一种用于催化转化反应的反应器，在催化剂壳体中包括支承催化剂床的穿孔的催化剂支承板，该穿孔的催化剂支承板由多个长型支承元件支承，催化剂床中的催化剂粒子被安置在长型支承元件外侧，该穿孔的催化剂支承板被装接在该长型支承元件的下端，该穿孔的催化剂支承板被划分成多个穿孔的催化剂支承板断片，至少一个穿孔的催化剂支承板断片由长型支承元件支承。

Description

用于催化转化反应的反应器
技术领域
本发明涉及一种催化反应器，其被构造成减小反应器内部的变形和破裂。特别地，本发明涉及一种带有改进了的催化剂壳体的催化反应器。
背景技术
多相化学反应中常常需要固体催化剂粒子进行催化。这些催化剂粒子通常位于催化剂床上，并且在反应流体通过催化剂床的过程中，发生化学反应，由此将反应流体转化为想要的产物或化学成分不同于反应流体的产物的混合物。
反应器内部的零件通常称为反应器内部部件。催化剂床通过反应器内部部件被保持在反应器中的位置上，该内部部件允许流体来回通过催化剂粒子。这通常通过将与催化剂粒子接触的反应器内部部件穿孔而实现。穿孔的特性决定了流体在催化剂床内部的流动模式。
用于将催化剂床保持在适当位置的反应器内部部件通常是催化剂支承板，其中催化剂支承板沿其边受到支承，并且/或者在与催化剂侧相反的自由侧受到支承。在某些情况下，在该自由侧支承催化剂支承板是不可行的，例如，在催化剂粒子和催化剂支承板由于内部部件的热膨胀而经受大的移动的情况下。
催化剂床通常具有自由上表面和由水平的穿孔的催化剂支承板支承的下表面。催化剂床通过催化剂壳体的竖直的未穿孔的壁和穿孔的催化剂支承板保持在位置上。气体从自由上表面侧进入催化剂床，并通过位于催化剂床下面的穿孔的催化剂支承板离开催化剂床。催化剂支承板沿其边固定到竖直的催化剂壳体壁上，并且通常不在其自由侧从下方得到支承。当反应器被加热时，催化剂床和竖直的催化剂壳体壁或其他反应器内部部件的热膨胀会导致催化剂床和反应器内部部件沿轴向向下变形。
在反应流体通过催化剂床和催化剂支承板的过程中，反应流体经历压降，这与催化剂粒子施加在催化剂支承板上的重力结合，将会导致催化剂支承板的变形。当催化剂支承板仅沿其边受到支承时，将使得催化剂支承板的表面面积存在一上限。若超出该上限，则需要对催化剂支承板进行不切实际或不经济的加强，例如使用非常厚的催化剂支承板。
一种可选的支承催化剂支承板的方法，是使用各种位于催化剂床中并固定在催化剂支承板上的支承构件。与将支承板固定在催化剂壳体壁上相比，这种方法允许使用较大的催化剂支承板。可使用固定在催化剂支承板上的支柱等支承构件。支柱为这样的支承元件，其在一端固定在第一构件上，在其另一端固定在第二构件上，为构件中的一个或两个提供支承。
然而，支柱或类似的支承构件会由于反应器内部温度分布不均而具有不同的热膨胀。这将沿轴向方向在催化剂支承板内和支柱内引起高的应力影响，导致催化剂支承板和支柱的变形或破裂。这些特定的反应器内部部件所承受的径向力，与轴向方向的力相比可以忽略不计。
日本专利申请No.49010172的英文摘要公开了一种催化反应装置，其对于在高温催化反应中避免催化剂支承板破裂是有用的。催化剂支承板具有孔，并被划分成为一个或多个区域，还具有用于支承催化剂支承板的支承器。它们都用竖直螺栓固定。可通过松动位于支承板与其支承器之间的螺栓，使得它们彼此可相对滑动，来吸收催化剂支承板的热膨胀。
该申请描述了一种催化反应装置，其中催化剂支承板中的应力仅在径向上被减小了。其中并没有介绍如何减小轴向的应力。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种催化反应器，其中反应器内部部件上的热应力在轴向上被减小。这将相应减小反应器内部部件的变形和破裂。
本发明包括催化反应器，其具有反应器内部部件，该反应器内部部件包括由长型支承元件支承的分割式催化剂支承板，其中反应器内部部件在高温下承受的应力在轴向上被减小。
本发明包括一种催化反应器，其具有技术方案1所描述的特征。
附图说明
图1，2，3为示意图，表示本发明的三个不同实施例中的分割式催化剂支承板的横截面。
图4为带有支柱的催化剂壳体的纵向剖面图，其中支柱在下端固定到分割式催化剂支承板上。
图5为带有管的催化剂壳体的纵向剖面图，其中管在下端固定到分割式催化剂支承板上。
图6为带有双层管的催化剂壳体的纵向剖面图，其中双层管在下端固定到分割式催化剂支承板上。
图7为分割式支承板的横截面图，其中断片装接到催化剂壳体壁上，或者装接到长型支承元件上。
具体实施方式
本发明的催化反应器包括催化剂壳体，催化剂壳体包括多个长型支承元件。在催化剂壳体中有用于支承催化剂粒子的床的穿孔的催化剂支承板。长型支承元件在它们的下端固定到穿孔的催化剂支承板上，例如通过焊接方式。穿孔的催化剂支承板是分割式(segmented)的，每个催化剂支承板断片由长型支承元件支承。由分割式催化剂支承板和固定在这些催化剂支承板断片上的长型支承元件构成的组件由管片或板支承，其中长型支承元件的上端被固定在管片或板上。
催化剂床被定位在穿孔的催化剂支承板的上表面上。因此催化剂粒子围绕长型支承元件的外表面。进入催化反应器中的生产气体被导向催化剂床用于反应。催化剂支承板上的孔眼允许反应后的生产气体流过催化剂床和催化剂支承板到达催化剂支承板的下侧。
分割式催化剂支承板，例如可以通过将一张具有适合于反应器装置的大的催化剂支承板切割成较小的独立的催化剂支承板断片而制备。催化剂支承板可以采用例如水喷射切割法进行切割，或采用其他任一种现有技术中已知的合适方法进行切割。穿孔可以在催化剂支承板断片上进行，或者，在将大的催化剂支承板切割成独立断片之前对该大的催化剂支承板进行穿孔。
催化剂支承板断片可以具有任何能被安置在反应器装置中的合适形状或形状的组合，以形成能定位催化剂床的表面。催化剂支承板断片例如可以具有三边(三角形)、四边、五边或六边。
催化剂支承板断片可以彼此边靠边靠近安置，各断片之间有或没有缝隙。如果缝隙存在，则重要的是要防止催化剂粒子从缝隙落入催化剂支承板下面的空间中。
为了避免这种情况，每个催化剂支承板断片的最小厚度，应该在所有的处理、启动和关闭状态下都至少等于两相邻长型支承元件之间在伸展程度上的最大可能差异。
分割式的催化剂支承板可以由任何合适的材料形成。例如镍合金和不锈钢。
长型支承元件可以具有圆柱形的横截面。也可以具有其他的横截面形状，如六边形或矩形截面。换句话说，横截面可以是多边形形状。
本发明的催化反应器适合在大的温度范围中使用。特别适合在反应器中以高于700℃的温度使用，这里支柱能经受大的温度变化，而大的该温度变化将引起热膨胀方面的显著变化。
每个催化剂支承板断片被装接到至少一个长型支承元件上。然而，邻接催化剂壳体壁的催化剂支承板断片可可选地固定到该壁上，而将其余的催化剂支承板断片装接到长型支承元件的下端。
本发明的一个实施例的催化反应器中，长型支承元件为支柱，催化剂支承板断片被装接到这些支柱上。
本发明的另一实施例的催化反应器中，长型支承元件为管，例如传热管，催化剂支承板断片被装接到这些管上。
本发明的又一实施例的催化反应器中，催化剂支承板断片装接到其上的长型支承元件为同心双层管，例如，在内管的内部有催化剂。同心双层管的环状空间，也就是环形腔，提供了例如可用于生产气体的传输的通道。
下面将更详细地描述本发明及其实施例。
图1为表示分割式催化剂支承板1的横截面的示意图。在该实施例中，催化剂支承板1被切成多个断片，包括中心的催化剂支承板断片2和外围的催化剂支承板断片3，这些断片相应地由位于中心的安置于孔4的长型支承元件和外围的安置于孔5的长型支承元件支承。每个催化剂支承板断片具有多个孔眼6，这些孔眼用于使穿过催化剂床和催化剂支承板断片的生产气体均匀分布。在该实施例中，催化剂支承板断片2和3各具有六个边和四个边。
然而，每个催化剂支承板断片可以被切割成不同的形状，如图2所示。图2为本发明的催化反应器的催化剂壳体的横截面图，其中反应器包括多个长型支承元件4，而长型支承元件4被固定到多个带有孔眼6的催化剂支承板断片2和3上。该实施例表示了分别具有六边形和五边形形状的催化剂支承板断片2和3，并且催化剂支承板断片的边长可以不同，即各边长度不相等，如催化剂支承板断片2那样。本发明的催化反应器中也可使用形状为三角形或矩形的催化剂支承板断片。因此催化剂支承板断片2可为多边形形状。在该实施例中，长型支承元件为圆柱状，由同心双层管构成。
图3表示了图1所示实施例的变形。在该实施例中，省略了中心的催化剂支承板断片，外围的催化剂支承板断片3被切割成，使得它们与安置于孔4中的中心长型元件邻接。在这种情况下，孔4中的中心长型元件不支承任何一块催化剂支承板断片3。
所有的催化剂支承板断片都得到支承。然而并不是所有的催化剂床中的长型元件都对催化剂支承板断片提供支承。长型支承元件的数目可以根据反应器的大小而有所不同，但是其数量通常为1到1000个。不提供支承的长型元件可以为管状，用于流体的传输。
在实践中，催化剂支承板断片的整个表面中所承受的温度差异可以大范围变化。然而，相邻长型支承元件之间的局部温度差异不大。这意味着相邻长型支承元件所承受的局部膨胀非常相近。因此任一长型支承元件与其最近的长型支承元件大致膨胀相同长度。
本发明的另一实施例显示在图4中。图4显示了本发明的催化反应器1的纵向剖面图。催化反应器1包括催化剂壳体2和多个支柱3，其中支柱3排列在壳体2内部。图中显示了两个支柱3。每个支柱3在其下端支承催化剂支承板断片4。支承板断片4具有孔眼5，并且彼此边靠边安置，支承板断片4的边之间有或没有缝隙6。
因此支承板断片4形成了类似于单一大催化剂支承板的表面，适合于支承催化剂床7。
生产气体通过入口8进入催化剂壳体2中，并穿过催化剂床7，用于在所需的温度下进行催化反应。催化反应后，生产气体穿过孔眼5和缝隙6(如果缝隙6存在的话)，进入催化剂床7下游的空间9中。
本发明的另一实施例表示在图5中。在该实施例中，本发明的催化反应器类似于图4中所描述的反应器，区别在于长型支承元件为管3，生产流体能经管3流动，并且管的下端固定到催化剂支承板断片4上。图中仅示出了催化剂壳体及其内部部件。生产流体通过入口8进入催化剂壳体2中，并在穿过催化剂床7的过程中被转化。穿过支承板断片4后，反应后的生产气体进入空间9中，之后经管3的下端流过管3。在穿过管3的过程中，反应后的生产气体能间接与催化剂床7中的正在反应的生产气体进行热交换。
该实施例适合用于蒸汽重整反应，在该反应中甲烷与蒸汽反应生成一氧化碳和氢气。吸热性蒸汽重整反应在催化剂床7中进行，生成的气体进入空间9中，并与从入口10进入的热气体混合。之后混合气体在经过管3传输的过程中，通过与催化剂床7中进行的反应进行热交换而被冷却。反应后的气体通过出口12排出催化剂壳体2。
图5所示的实施例特别用于蒸汽重整反应，该反应中所经历的温度高达1000℃。在这样的反应器中，反应器管的长度可为12米，在这样的温度下可以承受例如160mm长度的膨胀，这取决于管金属的热膨胀系数。由于反应器管在其上端固定在管板11上，所以在其下端膨胀最大。
反应器中温度的不均分布能导致反应器中每个独立的管的膨胀不同。如果催化剂支承板不是分割式的，将最终导致催化剂支承板的变形和破裂。当使用分割式的催化剂支承板时，允许反应器管存在不同的膨胀，而不会造成任何内部部件的破裂。
本发明的又一实施例显示在图6中。图中仅显示了催化剂壳体及其内部部件。在该实施例中，本发明的催化反应器与图5的类似，区别在于长型支承元件为同心双层管3，该同心双层管3的外管在下端固定到催化剂支承板断片4上。生产流体可在同心双层管3的环形腔5中流动，内管6的空间内可填满催化剂粒子。分割式的催化剂支承板4在同心双层管3的外侧支承催化剂床7。
下面详细介绍图6。生产流体例如生产气体通过入口8进入催化剂壳体2，并在穿过辅助催化剂床11的过程中被转化，其中辅助催化剂床11位于同心双层管3的内管6的空间13中。生产气体同时在通过安置于同心双层管3外侧的催化剂床7的过程中被转化。转化后的生产气体离开同心双层管3的内管6的空间13，进入空间9中。转化后的生产气体还通过穿孔的分割式催化剂支承板4而离开催化剂床7，进入空间9中。然后，空间9中的转化后生产气体能够与通过入口10进入催化剂壳体2中的另一气体混合。然后，生产气体混合物通过同心双层管3的环形腔5被传输到出口12。
在本发明的另一优选实施例的催化反应器中，催化剂支承板断片被固定在长型支承元件上，或者被固定在催化剂壳体的竖直壁上，如图7所示。在该实施例中，与催化剂壳体的竖直壁邻接的一些催化剂支承板断片1被固定到竖直壁上并被竖直壁支承。其余的催化剂支承板断片2被固定到安置于孔3的长型支承元件上并被其支承。

Claims (8)

1.一种用于催化转化反应的反应器，在催化剂壳体中包括支承催化剂床的穿孔的催化剂支承板，该催化剂支承板由多个长型支承元件支承，催化剂床中的催化剂粒子被安置在长型支承元件外侧，该穿孔的催化剂支承板被装接在该长型支承元件的下端，该穿孔的催化剂支承板被划分成多个穿孔的催化剂支承板断片，至少一个穿孔的催化剂支承板断片由长型支承元件支承。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，与催化剂壳体的壁邻接的至少一个另外的催化剂支承板断片由该壁支承。
3.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述长型支承元件具有圆柱形或多边形截面。
5.如权利要求1-4中任一项所述的反应器，其特征在于，所述长型支承元件为支柱、管或同心双层管。
6.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述管为传热管。
7.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述同心双层管在内管内侧容纳催化剂，在环形腔中容纳生产气体。
8.如权利要求1-3中任一项所述的反应器，其特征在于，所述催化剂支承板断片为多边形形状。
9.权利要求1-9中任一项所述的反应器在蒸汽重整反应中的应用。
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