CN101384348B - 用于合成反应器的催化床的壁系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于化学合成物的非均匀合成的反应器，包括：通过各自的底部在相对的端部密封的壳体；用于合成气体的入口的开口(5)；用于反应产品的出口的开口；至少一个催化床，以及用于所述至少一个催化床的至少一个壁系统，所述至少一个壁系统包括包壁，所述包壁与用于包含其的所述催化床直接接触，所述包壁具有多个透气的部分和多个不透气的部分，所述每个透气的部分都设置具有允许合成气体自由通过、而催化剂不能通过的尺寸的多个狭口，所述不透气部分构成用于所述催化床的机械支撑；和分布壁，所述分布壁设置有与所述包壁以分隔开的方式设置的透气的部分，以便与其产生间隙。

Description

用于合成反应器的催化床的壁系统
技术领域
在本发明更广泛的方面中，本发明涉及通过装配有固定催化床的反应器的化学合成物的非均匀催化合成的领域，固定催化床由特别具有径向、轴向-径向或轴向运动的合成气体的气流穿过。具体地，本发明涉及用于上述合成反应器的催化床的壁系统，和包括所述壁系统的反应器。
背景技术
众所周知，在具有用于例如氨水和甲醇的化学混合物的非均匀催化合成的固定催化床的反应器中，具体而言，壁系统拟用于在所述催化床内的合成气体的分布。设计并构成此壁系统，以便满足需要合成反应器正确操作的某些功能性要求，包括：
-对合成气体的气流的可透过性，以便允许适合的负载损失，以便允许其在整个催化床上的最佳的分布，
-容纳和机械支撑催化体，以便平衡由催化剂的质量所导致的推力(催化剂自身的重量以及由于催化剂和容纳壁之间的膨胀造成的差异的推力)以及穿过催化床的气体的推力。
更具体地，为了满足上述要求，公知地使用由多个壁组成的催化床的壁系统，其中每个壁都具有一个或多个上述功能。
用于在催化床中的合成气体的分布的壁系统的实例在专利申请FR2615407中进行了说明。更具体地，在此文献中，公开了在反应器的催化床中的合成气体的分布系统，反应器由具有集合在一起以形成气体分布壁的基本弧形轮廓的多个管组件(称为扇形)组成。每个管组件都在其底端封闭，而在其相对端打开，用于气体的进入，并具有壁，该壁不透气，通过该壁靠近反应器的壳体，或在具有用于催化剂的套管的情况下，靠近套管的内壁、以及可透气的栅格。栅格由一系列的以分开的关系平行的纵向金属杆(即，平行于反应器的轴)和焊接到适当的、成分开关系的横向杆组成。纵向杆还在各杆的端部焊接到适当的环形拱形支撑。每个管组件的栅格都与催化剂直接接触，并主要起到容纳和支撑催化剂的作用，同时，允许气体自由通过催化剂，而不允许催化剂穿过该栅格。在每个管组件的内部，打孔壁也设计为固定到栅格的纵向边缘，以便与其产生用于进入气体的负载损失的间隙，用于允许他们在催化床内产生最佳的分布。
然而，上述具有管组件的壁系统还具有许多缺点，包括在结构中的一些困难，特别是由于需要进行一系列的焊接以使栅格的杆就位的组装方面的困难。
此外，在用于氨水合成的反应器的情况下，已知的是：反应器的内部部件以及特别是在催化床中的气体分布系统的壁都在反应器的正常操作条件下经过表面渗氮作用，这导致了所述部件的机械强度的进一步降低。在此情况下，在使用具有管组件的上述壁系统的情况下，存在使用高耐渗氮以及众所周知的例如特殊钢Inconel
Figure S2007800052377D00021
(铁镍合金)的昂贵材料的缺点，用于与栅格的杆一样的较低厚度的元件，以便在反应器的操作期间保持满意的机械强度。
另一方面，应该注意，上述壁系统的较厚元件可以由传统的价格低廉的材料(例如不锈钢)形成，但这就包括需要进行非均质焊接(即，在不同材料之间)，另外，其也经过由于使用材料的热膨胀系数的差异造成的热应力的结果所产生的裂纹的形成或断裂。
在本发明基础上的技术问题是提供用于合成反应器的催化床的壁系统，特别是用于所述催化床中的合成气体的分布，其克服了上述缺点，具体地，用于催化床的壁系统便于且低成本效率地制作，并具有在其使用的合成反应器的正常操作条件下的足够机械强度和耐渗氮作用的特征。
发明内容
此问题通过用于化学合成物的非均质合成的反应器的催化床的壁系统解决，其特征在于所述系统包括与用于包含催化剂的催化床直接接触的预定厚度的壁，所述壁具有多个透气的部分和多个不透气的部分，所述每个透气的部分都配置有多个允许合成气体自由通过，而催化剂不能通过的尺寸的狭口。优选地，上述包壁具有1到10mm范围内的厚度，优选从3到6mm。优选地，上述包壁还用于通过不透气的所述部分构成所述催化床的机械支撑。优选地，上述包壁由多个固定在一起的组件组成，其中每个组件都包括所述透气的部分和/或不透气的部分。狭口可以为直线或曲线的任意形状，并可以以任意方式设置，例如，其可以具有相对为直线、曲线或其两者的任意组合的狭口的反应器的轴的纵向或横向延伸。
根据本发明的优选实施例，根据本发明的壁系统进一步包括配置有用所述包壁以间隔关系设置以便与其产生间隙的透气部分的分布壁。
优选地，分布壁的透气部分由在所述壁中制作的多个孔组成。优选地，所述分布壁的透气部分朝向包壁的不透气部分并排设置，以便避免穿过透气部分的合成气体与催化剂直接冲击。不同地，在上述现有技术的壁系统中，不可能防止催化剂受到来自分布壁的合成气体的直接冲击。
上述分布壁本身为传统的并可以配置有也是传统形式的间隔装置，以在其正常的操作条件的反应器内部，在所述壁承受的大的机械或热应力的条件下，稳定地保持催化剂的包壁和分布壁在所需的间隔关系。
根据本发明的壁系统的主要优点是：由于透气部分，换言之，上述狭口直接在其催化剂的包壁的组件厚度中形成，而不用进行在上述现有技术的壁系统中制作栅格的多次焊接的制造的简化。
此外，不透气部分的存在使得上述包壁具有足够的机械强度，该强度使得其总体上适合于在反应器的正常操作的条件下承受机械和热应力。有利地，此机械强度还适用于在反应器的使用中的特殊要求，其目的是通过适当地调节催化剂的包壁的厚度以便满足此要求。
例如，包壁的厚度可以为使得此壁也能起到通过其不透气部分支撑催化剂的作用。可供选择地，催化剂支撑作用可以通过适当地调节其厚度由分布壁部分或完全地进行，以便具有适合的机械强度。
应该注意，在根据本发明的壁系统中，对于包壁和分布壁不需要使用昂贵的材料，因此具有主要地节约了生产成本的效果。
例如，在用于氨水合成的反应器中使用根据本发明的壁系统的情况下，可以使用例如不锈钢的相对便宜的材料制作包壁和分布壁，以获得适合的机械强度和耐渗氮作用。具体地，由表面渗氮带来的机械强度的副作用可以通过适当地调节所述壁的厚度补偿，在催化剂的包壁的情况下，透气部分和不透气部分的分布和数量不同。
不同地，在现有技术的壁系统的情况下，对于低厚度元件(例如栅格的焊接杆)，需要使用例如特殊钢Inconel
Figure S2007800052377D00041
(铁镍合金)的高耐渗氮的昂贵材料，以便在反应器的操作期间保持满意的机械强度。
应该注意，有利地，透气的狭口部分可以沿催化剂的整个包壁根据预定的顺序和数量设置，以满足可能的和具体的要求，而基本不会以此方式危及所述壁的机械强度的安全。
本发明还涉及用于化学化合物的非均匀合成的反应器，所述反应器包括通过各自的底部在相对端封闭的壳体、用于合成气体的入口的开口、用于反应产品的出口的开口、至少一个催化床和用于所述至少一个上述催化床的至少一个壁系统。
根据本发明的反应器可以为具有与催化床中的气体交叉或在具有径向、轴向-径向或轴向运动的催化床中的形式。
具体地，在与通过具有径向或轴向-径向运动的气体的所述至少一个催化床交叉的反应器的情况下，根据本发明的壁系统可以设置在所述至少一个催化床的气体入口侧上和/或在具有与催化剂接触的各自包壁的所述至少一个催化床的气体出口侧上。
有利地，根据本发明的系统壁，在气体入口侧上获得合成气体的最佳分布，在各自催化床的内部由于与分布壁的孔交叉的气体经过分布壁和包壁之间的间隙中的负载损失，这样就使所述气体进入催化床的入口速度降低。然而，应该注意，反应器也可以为其它实施例，其中根据本发明的壁系统的分布壁省略了各自催化床中的气体入口侧或各自催化床的气体出口侧。
在根据本发明的反应器中，催化床的壁系统以传统的方式支撑在反应器内。在用于包含所述透气的催化床的筒体设计在反应器内部的情况下，用于根据本发明的气体入口的壁系统设置在具有与各自的催化床的催化剂接触的各自包壁的所述筒体的内壁处。
在通过具有轴向运动的气体与所述至少一个催化床的交叉的反应器的情况下，可以将根据本发明的壁系统施加到各个催化床的上气体入口的底部上和/或下气体出口的底部上。
有利地，在上气体入口的底部上，根据本发明的壁系统可以用在通常的催化剂的保护栅格位置上，同时获得在催化床中的最佳合成气体的分布。
参照相应的附图对下面一些优选示例实施例进行具体说明，将使本发明的进一步特征和优点更加清晰和容易理解，但这只是一个代表，而不是对其进行限制。
附图说明
图1是显示根据本发明，组合了用于进入催化床的气体的入口和从所述催化床出来的气体出口系统的壁系统的化学化合物的非均质合成的反应器的纵向截面示意视图；
图2是示意显示图1的反应器的横截面的视图；
图3是示意显示用于图1的反应器的气体入口的壁系统和用于气体出口的壁系统的一部分的立体图；
图4是示意显示只用于图1的反应器的气体出口的壁系统的一部分的立体图；
图5是示意显示用于根据本发明另一实施例的来自催化床的气体出口的壁系统的一部分的立体图；以及
图6是示意显示根据本发明的又一实施例的壁系统的细节的视图。
具体实施方式
参照上述视图，用于化学化合物的非均质合成的反应器通常用1表示。
反应器1包括通过各自的下底3和上底4在其相对端封闭的基本圆筒形壳体2。反应器1还在上底4上设置有用于反应气体的气体流的入口的开口5、以及在下底3上设置有用于包括反应产品的气体流的出口的开口6。
在壳体2的内部，形成具有轴向-径向交叉形式的环形催化床7，其通过根据本发明的各自的壁系统横向限定，通常用8和9表示的壁系统分别用于催化床7的气体入口和出口，根据本发明的壁系统8和9的相关特征将在本说明中更加清晰。
催化床7在顶部不封闭，以允许其被反应气体流的一部分轴向横穿，并其通过反应器1的下底3限定在底部。
在图1和图2的反应器1中，用于气体入口的壁系统8被设置为靠近壳体2，而用于气体出口的壁系统9相对反应器1居中设置。因此，环形间隙10限定在壳体2和用于气体入口的壁系统8之间，以允许催化床6被反应气体的气体流的一部分径向横穿。
反之，壁系统9通过已知类型的不透气的盖11在顶部封闭。与催化床7同轴延伸的腔体12设计在壁系统9和盖11之间，用于将来自此催化床的反应产品发送到开口6，用于使它们流出反应器1。
图1中在用于气体入口的壁系统8的顶端处示出的虚线13限定了催化床7内的催化剂可以达到的最高水平，并与壁系统8和9以及下底3一起限定反应器1中的适合的反应体积。
在图1和图2中，箭头表示反应器内以及特别是通过催化床7的气体流动的各种路径。根据本发明，用于气体入口的壁系统8与用于气体出口的壁系统9一样，由同轴的且间隔开的两个基本圆筒形壁14、15组成，以便在其间形成环形间隙18。
更具体地(图3和图4)，每个壁系统8和9的壁14都与用于其横向包围的催化床7的催化剂直接接触，并具有多个区域或部分17，该区域或部分17以配置有多个轴向狭口18(即，平行于壳体2的纵向)的圆周带的形式与“全”区域或部分19交替，换言之，“全”区域或部分19不具有圆周带形式的狭口。狭口18具有诸如允许气体自由通过但催化床的催化剂不能通过的尺寸。在这点上，狭口18可以具有0.3到2mm之间的宽度，优选地，在0.5和0.8mm之间。狭口18可以形成通过切口，该切口具有通过实质上用于在金属板上制作切口的传统加工过程构成包壁14的材料。用于制作切口17的优选加工过程包括用激光或水剪切的过程，有利地，允许切口以用于制作包壁14的基本所有形式的金属材料制作，而没有在其它技术中出现的用于制作所述切口的刀具磨损的问题。
在反应器的操作期间，在渗氮作用或其它腐蚀作用下，包壁14优选地由适合厚度和诸如具有良好机械强度的材料形成。作为实例，在用于氨水合成的反应器的情况下，包壁14可以形成具有1和10mm之间的厚度，优选在3和6mm之间，所述壁的材料可以为具有例如不锈钢的普通的耐渗氮的任何材料。在这点上，应该注意，虽然其经过典型的氨水合成的表面渗氮作用，但以此方式制作的壁倾向于随时间流逝而变软的作用，在反应器1的使用的普通条件期间，其保持充足的机械强度。还应该注意，包壁14可以形成有适合的厚度，以便不仅起到包围的作用，还通过各自的“全”部分19起到用于催化床7的机械支撑的作用，即没有狭口8。
反之，每个壁系统8和9的分布壁15都由设置有多个孔21的适合厚度的板组成，在此显示的实例中，多个孔21以预定间隔的关系设置成平行轴组。更具体地，孔21优选面向不透气的包壁14的区域或部分，以便避免气体与催化剂的直接冲击。在图中显示的实例中，此不透气的区域或部分组成壁14的狭口18之间的全部区域或部分。
由于用于气体的入口的壁系统8，壁15的作用基本上是促进进入将在后面进一步说明的催化床7的气体的均匀分布。壁15由例如不锈钢的传统材料制作，并根据要求通过传统的加工获得适合的厚度。优选地，分布壁15获得适合的厚度以起到用于催化床7的机械支撑的作用。分布壁15还配置有垫圈(未显示)，以在反应器1操作期间，在机械或热应力的作用下稳定地保持与包壁14的间隔关系。
优选地，壁系统8或9的上述壁14和15的每个都由适合尺寸的纵向组件(未显示)形成，以穿过反应器1的“人孔”(也未显示)，然后，所述组件固定在一起(例如焊接或栓接)以形成相应的壁。
如前所述，反应器1包括用于进入到催化床7的气体入口的壁系统8、以及用于离开所述催化床的气体出口的壁系统9、到目前为止已经相对其结构说明了壁14和15。现在应该注意，在用于气体入口的壁系统8的情况下，分布壁15相对所述壁系统8的包壁14设置在外部(从反应器的轴到壳体)，并形成有间隙10的壳体2。这样，横穿过环形间隙10的气体穿过分布壁15的孔21，并在壁14和15之间的间隙16中膨胀，因此，在已经横穿过与催化剂接触的壁14的狭口18后，获得允许相同的气体在催化床7中的均匀分布的负载损失。
反之亦然，在用于气体出口的壁系统9中，壁15比包壁14更靠近内部。因此，径向横过所述催化床7的气体从横穿过壁系统9的壁14的狭口18出来，并穿过间隙16、壁15的孔21。然后，气体被聚集在腔室12中，并从此朝向反应器1的出口开口6输送。
图5显示了根据本发明的另一实施例的合成反应器的催化床的壁系统，所述系统通常用50表示。在结构和功能上与先前所述的壁系统8和9的相应元件相同的壁系统50的元件用相同的附图标记表示。
显示在图5中的壁系统50包括包壁14以及同轴且分开的基本圆筒形壁15，以便在其间形成环形间隙16。在包壁14中，可以辨别出具有较短长度的多个弧形狭口52、具有较长长度的多个弧形狭口53以及不透气的部分54和55。
由于壁15设置在包壁14的内部，所以，壁系统50特别适用于被应用在通过具有径向或轴向-径向运动的气体横过的催化床的出口侧上。当然，通过将彼此相对的壁14和15的设置颠倒，上述壁系统50还可以被应用到进入催化床的气体入口侧上。
图6示意地显示了根据本发明的壁系统的包壁14上的狭口的另一种形式和设置。具体地，图6显示了轴向设置的多个狭口60，且每个狭口都基本具有盘绕型。此狭口的盘绕型设置有利地提供的适用于在与所述包壁14的机械强度相同时的气体的穿过的较大表面。
当然，本领域的普通技术人员可以在此基础上对上述壁系统和反应器做出各种变更和改变，所有变更都包含在以下权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于化学合成物的非均匀合成的反应器(1)，包括：通过各自的底部(3、4)在相对的端部密封的壳体(2)；用于合成气体的入口的开口(5)；用于反应产品的出口的开口(6)；至少一个催化床(7)，所述至少一个催化床(7)具有气体入口侧或底部、以及气体出口侧或底部，所述至少一个催化床(7)由用于所述至少一个催化床的一个壁系统(8，9，50)在所述气体入口侧/底部、或气体出口侧/底部中的至少一个处被限定，其特征在于，所述至少一个壁系统(8，9，50)包括包壁(14)，所述包壁(14)与用于包含其的所述催化床(7)直接接触，所述包壁具有多个透气的部分(17)和多个不透气的部分(19；54；55)，所述每个透气的部分(17)都设置具有允许合成气体自由通过、而催化剂不能通过的尺寸的多个狭口(18；52，53；60)，所述不透气部分(19；54，55)构成用于所述催化床(7)的机械支撑；和分布壁(15)，所述分布壁(15)设置有与所述包壁(14)以分隔开的方式设置的透气的部分(21)，以便与其产生间隙(16)，所述壁系统设置在所述至少一个催化床的所述气体入口侧上和/或所述至少一个催化床的所述气体出口侧上，或者所述壁系统设置在所述至少一个催化床的上气体入口的底部上和/或所述至少一个催化床的下气体出口的底部上。
2.根据权利要求1所述的反应器(1)，其中所述催化床(7)的包壁(14)具有1到10mm范围内的厚度。
3.根据权利要求1所述的反应器(1)，其中所述催化床(7)的包壁(14)具有3到6mm范围内的厚度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的反应器(1)，其中所述包壁(14)由多个组件组成，其中每个组件都包括透气的所述部分(17)和/或不透气的所述部分(19；54；55)。
5.根据权利要求1所述的反应器(1)，其中所述分布壁(15)的透气部分由在所述壁(15)中制作并面向所述催化床(7)的包壁(14)的不透气的所述部分(19；54；55)的多个孔(21)组成。
6.根据权利要求中1-3中任一项所述的反应器(1)，其中所述狭口(60)具有盘绕的形状。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的反应器(1)，其中所述狭口(18)具有在0.3和2mm之间的宽度。
8.根据权利要求7所述的反应器(1)，其中所述狭口(18)具有在0.5和0.8mm之间的宽度。
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