CN101687162B - 用于执行吸热反应的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于在包含催化剂管的反应器中执行吸热反应的方法,催化剂管包含促进吸热反应的催化剂,该方法包括下列步骤:a.使包含在催化剂管中的催化剂与从进入端向离开端流经槽道的原料流接触,b.使催化剂管的外表面与具有初始加热温度且与原料流并流地流动的加热介质流接触,以通过对流而加热所述外表面,c.在所述加热介质与催化剂管相接触之后,将所述加热介质的至少一部分与具有比初始加热温度更高的起始温度的新鲜加热介质流相混合,以形成具有初始加热温度的并流加热介质,本发明还涉及用于执行该方法的反应器。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在包含催化剂管的反应器中执行吸热反应的方法,其中催化剂管包含促进吸热反应的催化剂。
背景技术
DE-10229661-A描述了一种用于链烷的催化脱氢方法,它是吸热平衡反应的一个实例。该文献公开了一种方法,其中容纳有催化剂的管由置于管之间的燃烧器加热。通过控制由燃烧器生成的热,据说可以强制实现沿着管的长度的期望温度分布图用于实现连续的高选择性和转化速率。然而,该文献并未具体公开实际上如何实现这一点。另外,燃烧器在催化剂管附近的使用会导致管的辐射加热,这会导致热点,从而需要昂贵的抗高温管道材料并且导致局部焦炭形成,这将使催化剂的频繁再生成为必要并且会导致管的堵塞。作为与局部高温有关的另一个问题,会出现更多不希望的副反应。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于执行吸热平衡反应的方法,它可以导致沿着反应管的有利的温度分布图而避免局部热点。
依照本发明该目的是这样实现的,该方法包括下列步骤:使包含在催化剂管中的催化剂与从进入端向离开端流经槽道的原料流接触;使催化剂管的外表面与具有初始加热温度且与原料流并流地流动的加热介质流接触,以通过对流加热该表面;在所述加热介质与催化剂管相接触之后,将所述加热介质的至少一部分与具有比初始加热温度更高的起始温度的新鲜加热介质流相混合,以形成具有初始加热温度的并流加热介质。
通过使用管的对流加热并结合加热介质的局部再循环,可以保证低于最高级的初始加热温度,这样管就可以使用普通的、更便宜的材料例如不锈钢。当前的方法允许独立地控制加热介质的流速和初始加热温度,所以可以非常精确地控制沿着管的温度分布图。另外,可以结合管尺寸选取所述流速和初始加热温度从而实现沿着管的最佳轴向温度分布图。
包含在催化剂管中的催化剂与从进入端至离开端流经管的原料流接触。移动通过管之后,原料将转化成期望的产品。
优选地,原料流在每个管的进入端处受到临界压降。这可以避免通过不同的管时原料具有不同的流速。在一些管中较低的流速将导致这些管中较高的温度,这些温度潜在地高达导致那些管中催化剂降解和不希望的副反应的不希望的高温。焦炭形成是这些不希望的副反应之一并且将进一步降低流速并且最终导致管的堵塞。
在依照本发明的方法中适用的催化剂基本上是颗粒催化剂,它们优选地作为固定床出现在管中。
在下文中将假定反应器管竖向地延伸,并且原料和加热介质的并流从指示为底部或入口的较低部沿向上方向运行到指示为顶部或出口的管的较高部。还可以使所述流沿向下方向并流流动或者应用其中管与水平面平行地或与之成一个角度地延伸的反应器来执行本发明的方法。
加热介质的初始加热温度比进入催化剂管的原料的温度高得多。加热介质的焓将足以补偿由原料的吸热反应消耗的热并且加热管中的原料/产品混合物。加热介质和管的包含物之间的温差是该热交换的驱动力。该温差将沿着管从入口向出口减小,这样传热率就会从入口向出口减小。因为未转化的原料的剩余量也将从入口向出口减少,所以也将需要更少的补偿热。优选地,加热介质的流速和初始温度选取成使得管包含物的温度将不会沿着管从底部向顶部降低,并且更优选地,所述加热介质的流速和初始温度将选取成使得所述温度沿着管连续地升高。加热介质的流速和初始温度将选取成使得管壁和管包含物在其 出口端处的温度保持得低于会发生原料或产品分解、焦炭形成或其它不希望的副反应的温度。
在依照本发明的方法中,在管的入口处由于存在最大量的未转化的原料,反应将以高速进行。加热介质的高初始温度将补偿消耗的热,甚至会升高管包含物的温度。由于沿着管的长度的连续的进一步加热,反应会紧密地遵从提高的平衡转化,导致在离开端处原料的高的转化。催化剂可以经受的最高温度实际上是达到完全转化的主要限制因素。在当前方法中,原料的主要部分已经在相对低温下转化并且反应的选择性看上去已经很高了。
而且通过适当选择初始加热温度和流速,可以实现其中管壁的温度在其长度的最大部分上几乎恒定的状态。
优选地,在与催化剂接触之前,原料被预热到催化剂被激活所需的最低温度。该温度导致反应在入口端处高速开始进行,该速度由到调节温度处的平衡的距离驱动并且比在较高入口温度处具有更小的出现不希望的副反应的风险。原料的向上移动、与增大量的形成产品逐渐混合的原料和催化剂的温度将增加与加热介质的热交换并且温度的这种升高将利于反应速率,甚至可以达到发现反应遵从由升高的温度导致升高的平衡转化的这种程度,从而产生最佳的总体转化。
已经发现,当催化剂管从底部到顶部填充有至少两种不同催化剂的层时,可以更加增强该方法的转化效率,其中最靠近底部的催化剂由于其具有相对地较高的活性被选用,从而可以接受相对地较低的温阻或者相对地低级的另一种依赖于温度的催化剂特性,并且最靠近顶部的催化剂由于其相对地较高的温阻或相对地高级的另一种依赖于温度的催化剂特性被选用而可以接受相对地较低的活性。如果使用了两个以上的催化剂层,如果不可避免地接受它们的活性从底部向顶部降低的话,催化剂层的温阻或另一种依赖于温度的催化剂特性的级别将从底部向顶部升高。这允许沿着管的受控温度分布图的最佳应用,获得最高可能的转化并且可能获得选择性。在此使用的“相对地”是相对于相邻层而言的。
在管上的受控温度范围允许在依照本发明的方法中使用热敏催化剂。总体上依照本发明的方法可以保证很长时间的高催化活性。
为了提高转化选择性和催化剂寿命周期,原料流可以使用惰性的气体例如二氧化碳、氮或蒸汽稀释,且蒸汽是优选的。如果稀释的话,稀释比将取决于管中执行的反应并且实际上范围为从0.1到12摩尔惰性的气体/每摩尔原料或从2到12摩尔惰性的气体/每摩尔原料。
还可以在每摩尔原料中添加0.01到1摩尔的H2代替惰性的气体,例如当所使用的催化剂与惰性的气体不相容时。
沿着管流动的加热介质将向管壁传热,管壁又会向催化剂和原料传热。当加热介质流到达管的顶部时,它已经从初始加热温度冷却为较低温度。如下文所述,仍然存在于所述介质中的部分热能可以用于生成蒸汽或是其它余热结合用途,这将进一步冷却所述介质。至少部分冷却的介质将再循环而用于控制所述加热介质的初始加热温度。这可以通过混合新鲜生成的加热介质例如燃烧器的烟气或新鲜蒸汽实现。该新鲜介质通常具有比初始加热温度更高的温度。通过将它与受控量的、已通过与催化剂管接触而冷却的加热介质混合并且可选地还由进一步的热交换例如用于生成蒸汽,就可以形成具有期望的初始加热温度的新鲜并流加热介质。
当新鲜加热介质是由燃烧器生成时,适用的实现期望的初始加热温度的另一种方法是使再循环的冷却的加热介质通过燃烧器以使之与烟气在其由燃烧生成之后立即进行混合。
新鲜加热介质可以是蒸汽,但是,新鲜加热介质优选由来自燃烧器例如煤气炉或燃油炉的烟气构成。由这种燃烧器生成的烟气的量可以很容易地控制,这就允许新鲜加热介质与再循环的冷却加热介质之比的通用性,从而获得具有期望的初始加热温度和流速的加热介质以与催化剂管再次接触。
依照本发明的方法允许沿着管的整个长度将温度保持在其中可能会发生催化剂降解、不希望的副反应的最高温度和反应以可接受的速率进行所需的最低温度之间。
在依照本发明的方法中,可以独立地控制来自燃烧器的热气量和较冷的再循环使用的加热介质的量。这独立地导致在加热介质的流速和初始温度这两者中更大的通用性,从而允许在很大范围上控制沿着催化剂管的长度的热交换分布图。在已知的方法中,燃气和燃烧空气之比是唯一的控制参数。这仅仅允许流速和温度的有限的变化,因为空气量中的变化受到燃烧燃气所需的氧的最小量的限制。
在依照本发明的方法中,通过相对于催化剂管适当地放置燃烧器,即在燃烧器火焰和催化剂管之间放置屏蔽或使催化剂管在暴露于辐射的地点绝缘或这些措施的组合,可以不允许燃烧器对催化剂管进行辐射加热。然后催化剂管的加热就仅仅通过对流加热进行。
反应器中的管可以是由DE-A-10229661中已知的传统转化器管道。这种管道可以在依照本发明的方法中应用为催化剂管,避免辐射加热及其相关联的问题。然而,它们在催化剂容积和热传递性能中具有很大的折衷。为了避免不希望的径向温度梯度,它们的直径应该相对较小。这将需要很多管道以获得期望的催化剂容积。催化剂替换也是一个单调乏味的过程。
已经发现通过应用如下文所述的面板反应器在依照本发明的方法的一个优选实施例中解决了与已知管式反应器相关的这些和其它问题。
依照本发明的方法适合执行吸热反应。利用该方法,执行时具有有利结果的该类反应的实例可以包括吸热平衡反应例如C2-C8链烷脱氢为烯烃(例如乙烯、丙烯和异丁烯)、C2-C8链烷和烯烃的混合物脱氢为双烯烃(例如丁二烯和异戊二烯)、乙基苯(ethyle benzene)脱氢为苯乙烯、酒精非氧化脱氢为醛(例如甲醇到甲醛和乙醇到乙醛)、C2到C8羧酸脱水为其分子内酐,和不可逆反应例如较高烯烃催化裂化为较低烯烃。
已经证明非常适于使用依照本发明的方法执行的反应是碳氢化合物的脱氢反应,该碳氢化合物具有一个或多个饱和的碳键,特别是C2-C8链烷如乙烷、丙烷、(异)丁烷、(异)戊烷、己烷、庚烷和辛烷 及乙基苯。这些反应能够在高反应温度下以较高转化进行。容许的最高反应温度受到在高温下分解或失去其活性的催化剂的限制。实际上会应用大约500℃到750℃的温度并且因此由加热介质沿着反应管的整个长度的连续供热中受益最多。当可用的催化剂允许时可以使用更高的温度。
执行依照本发明的方法会对反应器强加特定的要求。因此本发明还涉及一种用于执行吸热平衡反应方法的反应器,包括包含供热装置的供热部分,该供热部分与反应器部分的入口端连通,该反应器部分包含催化剂管并且具有与顶部空间部分连通的出口端,催化剂管被保护避免受到生热装置的热辐射,该反应器还包括将顶部空间部分连接到供热部分上的再循环部分。
该反应器包括供热部分。在该供热部分中制备用于向催化剂管提供所需热的加热介质流。供热装置可以包括一个或多个燃烧器而用于生成烟气。这些装置也可以是用于具有适当温度的蒸汽的入口。另外该供热部分包含用于再循环的已用加热介质的入口而作为到再循环部分的连接部。
再循环的加热介质入口可以与供热部分在燃烧器或蒸汽入口的下游位置上连接。它也可以连接成非常靠近燃烧器这样它能立即与新鲜烟气混合。
供热部分与下游反应器部分的入口端连通。“连通”在此意味着具有用于加热介质流的连接开口。同时催化剂管被保护避免受到生热装置的辐射加热。催化剂管的辐射加热可以导致应该避免的局部热点。为了实现这种屏蔽,可以从燃烧器火焰到催化剂管设置光学闭合的路径。为此,供热部分和反应器部分可以沿某个特定角度放置,优选地成90°弯曲,或者可在供热部分和反应器部分之间布置挡板,留下用于加热介质的通道但是堵塞到催化剂管的所有用于从燃烧器进行辐射的直的光学路径。避免催化剂管受到辐射加热的另一种方法是热绝缘催化剂管中面向燃烧器火焰的那些部分。
反应器还包括反应部分。该反应部分包含将充满催化剂颗粒的反 应器管,催化剂颗粒可以促进将在反应器中进行的吸热反应。反应器管通常平行于反应器的长轴延伸并且通常还沿基本上竖直的方向延伸。
用于这种反应器管的一种已知概念是包括一束平行管道的现有的多管式反应器。每个管道单独地连接到提供原料流的原料线并相应地连接到一产品线而用于除去反应器中形成的产品以进行进一步的处理。
反应部分还可以包括例如挡板形式的装置来生成加热介质沿着催化剂管的期望的流型。
依照本发明的反应器具有与生热部分连接并连通的入口端,加热介质通过该入口端进入反应部分而用于加热催化剂管。反应器部分还具有出口端,该出口端与所述入口端相对且在催化剂管上游之外而将反应器部分连接到顶部空间部分。
顶部空间部分设计用于收集已用的加热介质,即,在经过反应器部分并且离开反应器部分之后的加热介质。它可以包含用于从已用加热介质进一步转移热的热交换设备,例如用于生成蒸汽或用于预热原料。
顶部空间部分具有至少一个到再循环部分的连接部。该再循环部分将顶部空间部分连接至供热部分。它可以包括对将供给加热部分的入口的已用加热介质的数量和温度进行控制的装置。
顶部空间部分还可以包括用于不再循环到反应器的加热部分的已用加热介质的出口。该出口可以连接到用于进一步获得仍然残留在已用加热介质中的热能的设备上。
优选地,供热装置是至少一个燃烧器。然后通过混合所述烟气与较冷的再循环的已用加热介质或通过在燃烧器火焰的附近供给再循环的已用加热介质,这样所生成的烟气将立即被稀释和冷却,从而控制烟气加热介质的温度。在后一种情形中还可以减少烟气加热介质的NOx含量。
再循环加热介质与新鲜烟气之比将选取成获得具有期望温度和流 速的加热介质。实际上将应用从90%-10%到10%-90%的比率。
反应器还包括用于将原料分配到催化剂管和用于从管中收集所形成的产品的装置。它还可以包括用于在反应器管中均匀地分配加热介质以避免反应器中局部热区或冷区的装置。
反应器还包括连接到外部原料线上而向反应管供给原料流的装置,和连接到产品线上而从反应管输送混合的原料所形成的产品流的装置。
在一个优选实施例中,产品线和原料线连接到热交换器上而用于在原料流和较高温度的产品流之间进行热交换。该结构具有原料流的温度将保持在安全范围内而避免焦炭形成和其它不希望的副反应的优点。
优选地,依照本发明的反应器包括反应器面板,且反应器面板包括充当催化剂管的槽道。
在该情形下,反应器还包括原料线和产品线并且反应器部分包含反应器面板,每个反应器面板均包括原料集管、产品集管和相邻的槽道,每个槽道均具有从进入端延伸到离开端的长度,其中,进入端直接连接并且通向原料集管,而离开端直接连接并且通向产品集管,其中,原料集管具有至少一个至原料线的连接部并且产品集管具有至少一个到产品线的连接部,并且其中,所述原料集管和产品集管的至少一个的一部分是可拆卸的,从而能够进入槽道端部。
反应器中的面板将置于反应器的反应部分的入口端和出口端之间,可以单独地和很容易地更换并且面板允许在尺寸上具有很大的通用性,并且在应用加热介质以获得沿催化剂管的期望的温度分布图中具有很大的灵活性。
代替已知的多管式反应器中的一束单个管道,所需的反应容积可以由多个反应器面板形成,每一个反应器面板均具有用于多个槽道而非用于每个单个管道的一个原料入口和一个原料出口,,这样更易于处理、维护和更换催化剂。增大反应容积并不需要将越来越多的单个管连接到原料线和产品线上,而是可以通过添加更多或其它类型的面板 而很容易地实现。
反应器槽道相互连接。因此它们形成具有能够抵抗弯曲的高刚度的整体,允许面板悬挂到反应器中,仅仅在顶端受到支撑。
槽道的进入端直接连接并直接通向原料集管,这理解为具有一开口连接,来自原料集管的反应物可以通过该开口连接进入槽道中,在该原料集管内可以看到槽道的进入端。因此术语“直接”可以理解成不包含中间结构元件如猪尾管、波纹管、管道等而仅仅是直接连接装置如栓结法兰和焊缝。
优选地,每个催化剂管的进入端均设置有适于在进入该催化剂管的原料流上施加近临界压降的限流装置。这保证了到达所述槽道的恒定原料流速,即使当槽道并未精确地具有相同的压降时。压降中的差异可能会由于催化剂在相当大的范围内的填充或包装的差异而发生,并且也可能在焦炭积聚的操作中发生。近临界压降定义为导致流速为临界流速的至少50%、优选至少70、且更优选至少80%的那个压降。
反应器还可以包含屏蔽装置以避免面板直接暴露于反应器壁,这种暴露可以导致最靠近所述反应器壁的面板和其它面板之间的温差。然后可以独立于其它面板对这些屏蔽装置进行温度控制。这种屏蔽装置的一个实例是那些包含催化剂的面板而非包含催化剂并且在内部冷却的面板。
作为提供催化剂槽道的装置所用面板的更多细节、规格、可选和优选实施例以及优点公开于基于未决的欧洲申请号为07013192.5的优选权文件的公布内容中,该内容在此引入作为参考。
原料集管和产品集管中的至少一个是整体上或部分地可拆卸的,从而能够进入槽道端部。
部分可拆卸的集管可以包括由可拆卸部分锁定的开口。该可拆卸部分可以铰接到能够进入打开位置的集管边缘或者该可拆卸部分可以是能够连接至并且揭开开口的松动部分。该可拆卸部分必须气体密封和液体密封地连接到集管上并且还优选地很容易移动。该连接可以通过将所述可拆卸部分螺栓固定到集管上来建立,但是该可拆卸部分也 可以沿着用于拆卸该可拆卸部分的焊接线而焊接到集管和地面上。
在拆卸所述可拆卸部分之后,开口允许进入槽道端部。这允许容易地清空、净化和重新填充所述槽道。优选地,这种开口可设置在原料集管和产品集管这两者中。这允许通过一个集管清空所述槽道,将面板放置成使得该集管处于比另一个集管的更低的位置并且从上面通过所述另一个集管重新填充所述槽道,而保持面板在同一个位置。
开口可以设置在面向槽道端部的集管壁中或者在垂直于槽道长度方向的壁中。这两者中的前一个实施例由于最容易进入而是优选的。
所述槽道优选地以至多两行布置,每行界定了一平面或曲面,这些面基本上平行地延伸。因此面板沿第一尺寸保持细长并且提供了相对于它们的容积而言很大的面积而用于热交换。优选地,所述槽道沿一个直的或弯曲的行布置以适应面板将放入其中的反应器外壳的形状。然后原料集管和产品集管遵从该成行的槽道的形状。因此面板是平的,并且当所述面板以适当的距离平行布置在反应器中时,在面板之间的空间中流动的加热介质很容易地进入所述槽道,这样允许在槽道的长度上对其进行精确的温度控制。
面板可以简单和廉价地构造,例如由基本元件如管、褶皱板、配件、片材且利用公知的施工技术如焊接、螺栓连接和其它方式构造。
优选地,依照本发明的反应器包含反应器面板,反应器面板由平行的第一和第二板组成,以第一对基本上平行的外边缘和连接所述第一对外边缘的第二对外边缘作为边界,其中,至少所述第一板包括交替的平连接带和具有进入端与离开端的槽道凹槽,所述带和凹槽垂直于第一对边缘延伸,其中,所述板至少沿着第二对外边缘和连接带连接在一起,将第一板的槽道凹槽与第二板的相对部分结合成槽道,该面板还包括原料集管、产品集管和相邻的槽道,每个槽道均具有从进入端延伸到离开端的长度,并且其中,所述进入端直接地连接并通向原料集管,并且所述离开端直接地连接并通向产品集管,并且其中,原料集管具有至少一个到原料线的连接部,而产品集管具有至少一个到产品线的连接部,并且其中,原料集管和产品集管中的至少一个的 一部分是可拆卸的,从而可以进入槽道端部。
所述槽道呈现为一个板的槽道凹槽和另一个板的相对部分的组合。该部分可以是所述另一个板的槽道凹槽、平带或另一个平部。
所述槽道将充满催化剂颗粒,其方式为尽可能避免存在沿着槽道的整个长度延伸的空置空间。这样可以防止在进入端处进入所述槽道的流体在未充分地与催化剂接触且仍然未反应的情况下到达离开端。尽管所述槽道的横截面可以具有任何形状,但是出于上述原因,所述槽道的横截面优选地具有平滑的规则形状而没有锐角。这种形状的实例是圆、椭圆或具有倒角棱边的多边形。
形成所述面板的结构元件应该由与反应和加工条件和它们将暴露所至的部件相匹配的材料构成。在化学反应条件下使用的已知材料是金属、金属合金和陶瓷材料。应用保护覆层在本领域中也是已知的。普通技术人员将能够鉴于预期使用而选择适当的材料。优选地,材料显示出足够的导热率。
面板的尺寸主要地由所述槽道的长度和数目确定。这些值的范围可以很宽,取决于反应类型、生产量、预计使用的催化剂的大小和类型。因为面板的一大优点是其模块特性,每个面板均具有比用于进行同样反应的反应器中所需的单个多管式管道束小得多的尺寸并且与相应的大量的面板具有相同的生产量。
槽道的横截面面积将取决于催化剂的类型和反应类型。该反应越吸热,该横截面面积将越小以避免催化剂床中不均一的反应剖面图特别是大的径向温度梯度,并且确保足够的热从催化剂床传递到槽道壁或从槽道壁传递。在实践中,所述横截面面积将在5平方厘米和300平方厘米之间。优选地该面积小于200、100甚至50平方厘米。
比所述槽道的面积更关键的是所述槽道的横截面的最小直线尺寸。优选地,从所述槽道的横截面区域的任意点到槽道壁的最短直线距离最多为3.5厘米。更优选地,该距离至多为2.5厘米。槽道的形状可以是圆形、椭球形或没有尖锐的棱边的其它光滑和规则的形状。
槽道不必具有过于平的形状以允许在其内部进行期望的流动。为 此,作为实际规则,在使用固体催化剂时所有最短的直线距离中最长的距离应该优选地至少为1厘米并且在使用气体催化剂时至少为2毫米。
槽道的长度可以在宽的边界内变化,上限长度潜在地由在槽道的长度上的压降限制。该压降也可以取决于催化剂床的类型和密度。适当的长度将从0.5米到10米不等。
槽道的壁厚将足以抵抗例如由压差、重力或安装活动施加在它上面的机械作用力,且该厚度在面板是由两个平行板构成时是板的厚度。在上限处,对于由两个平行板组成的依照本发明的面板,该厚度实际上受到通过常规技术成形所述板的要求的限制。实际的厚度可以从0.5毫米到5毫米不等。
相应地,面板的尺寸将由组成部分的尺寸之和确定。作为一个实例,沿槽道的长度方向的该尺寸将至少等于槽道的长度加上沿该方向上原料集管和产品集管的高度。而且在空间上垂直于槽道的长度方向的面板的厚度将至少等于所述槽道沿该方向的直径加上槽道的壁厚和外表面上的任意薄层的厚度。
该面板可以由例如用于制造集中供暖散热器面板或在汽车工业中的已知技术很容易并且具有高通用性地建造。通过例如热压将金属板形成为期望的形状和轮廓则允许制造具有复杂形状和轮廓图案的板。在被称为冷液压的构建该面板的另一种适当工艺中,两个平板在边缘的位置处和其中将成形的面板中的板应该连接在一起的所有其它位置处焊接在一起并且在两个板之间施加液压从而使非焊接部分膨胀到所需的槽道和集管中。
作为提供催化剂槽道的装置的这些面板的更多细节、规格、可选和优选实施例和优点也公开于基于未决的欧洲申请号为07013192.5的优选权文件的公布内容中,其内容在此引入作为参考。
而且依照本发明的反应器相对于热交换性能提供了很大的通用性。面板的相对位置和距离可以自由地选取,从而允许在面板和加热介质之间生成预期的和有效的热交换流。因此依照本发明的反应器具 有不需要挡板来在沿着面板的反应部分中生成期望的加热介质流型的优点。作为依照本发明的反应器的另一个优点,如果发生槽道堵塞、泄露或其它事件,在生产恢复之前仅仅所涉及的面板必须由反应器移除和替换或只是截断。在生产继续时可以针对每个面板脱机进行修理或催化剂置换。在由单个管束构成的已知反应器中,在修理或催化剂置换完成之前都会停止生产。
为了允许面板的简易的移除,在反应部分上方的反应器部分优选地为至少部分地是可拆卸的。
优选地,从面板到原料线的连接是柔性的,这样面板和到原料线的连接之间的热膨胀之差可以被吸收,使应力最小。实现该灵活性的结构元件在本领域中是已知的并且可以提及的实例为原料线包含猪尾管部分或波纹管形连接部分。
面板通常竖直地置于反应器中。所述槽道基本上竖向地延伸并且集管将基本上水平地延伸。面板通常彼此相距一定的距离平行地布置。该距离可以取决于预期用于所需热传递的加热介质流态并且范围可以在1毫米和3厘米之间。更大的距离是可能的,但是已经证明其对于热交换更低效并且还需要更大的加热介质流。“面板之间的距离”在此意味着在一个面板的槽道与相邻的面板的相对部分即槽道或带之间测量的两个相邻的平行面板之间的最短垂直距离。
面板可以安装在反应器内且被支撑而非固定到反应器外壳的结构元件上。反应器的外壳是将内部反应器容积与环境相屏蔽开的总体结构元件并且具有适于与调节反应和热交换状况匹配的反应器外壳的正常和已知性能。特别是,所述外壳至少包括生热部分、反应器部分和顶部空间部分。
优选地,当收缩或膨胀时面板可以相对于外壳移动。这避免了在面板和外壳之间出现热应力。
优选地,面板仅仅在其较高端处悬挂支撑。这允许面板的热膨胀或收缩仅仅导致最小的应力,从而延长了面板的使用寿命和可靠性,并因此延长了反应器整体的使用寿命和可靠性。
本发明还涉及依照本发明的反应器用于实施依照本发明的方法的应用。
特别是,本发明涉及依照本发明的反应器的应用,所述反应器包括上述结构的反应器面板,该反应器面板用于饱和碳氢化合物或乙基苯、特别是C2-C8链烷的脱氢反应。
附图说明
下面的附图将进一步阐明本发明。在这些附图中:
图1是包含作为反应器管的管道的依照本发明的反应器的第一实施例的剖面图;
图2是包含反应器面板的依照本发明的反应器的第二实施例的剖面图;
图3是包含反应器面板的依照本发明的反应器的第三实施例的剖面图;
图4是显示沿着反应器的长度的加加热介质、壁和原料/产品流的温度分布图的曲线图。
图5是显示在依照本发明的反应器中的催化剂管中的平衡转化线和实际转化线的曲线图。
具体实施方式
图1、2和3中是具有反应器壁4的反应器。该反应器包括供热部分6、入口端8至反应部分10、由反应部分10到出口端12、顶部空间部分14和再循环部分16,且再循环部分16由管路18、20与压缩机22构成。
在图1中,反应部分10包含反应器管24,所述反应器管24在反应部分的入口端处连接至原料线26,反应器管24的相对端连接至产品线28。
在图1、2和3中,供热部分6放置成与反应部分10成90度的角。该构造可以保护反应器管避免受到生热装置30产生的热辐射。本实施 例中的生热装置30是连接至燃料入口32和燃烧空气入口34的燃烧器。
顶部空间部分14连接至通向外部热回收部分(未显示)的已用加热介质出口36。该顶部空间部分14还连接至再循环部分16的管路18,管路18又连接至压缩机22。压缩机22的出口由管路20连接至生热部分6,在此处,再循环的介质将与生成的新鲜加热介质混合。
在图2中,附图标记40指示从前侧看的反应器面板,它自由地悬挂在反应部分10中,其产品集管44坐落在支撑凸起46上且固定到反应器壁4上。原料集管48连接至原料线26并且产品集管44连接至产品线28。面板40包括催化剂槽道50。
管路20通过燃烧器30的底部进入生热部分6,允许在新鲜的加热介质生成之后立即与再循环的已用加热介质混合。没有明确地提及的编号与图1中具有相同的含义。
在图3中,生热部分6竖向地置于反应部分10的下方。从旁边看的话,在反应部分10中放置了多个反应器面板40。反应器面板40的原料集管48的底部涂敷有热绝缘材料层52用于保护面板中面向燃烧器30的部分避免受到燃烧器30的热辐射,在此燃烧器30是小燃烧器的阵列。
没有明确地提及的编号与图1中具有相同的含义。
在图4中,X轴表示从入口端(0)到出口端(1)的相对反应器长度并且Y轴表示温度(单位为℃),该图显示了图3所示反应器中从反应区的入口端到出口端的三个温度分布图,其中在实例1中所述的条件下进行从丙烷到丙烯的催化脱氢反应。
线70显示了加热介质在从反应部分的入口侧流到其出口侧的温度分布图,随着它向催化剂槽道传递热而逐渐冷却。线72显示了从沿着其流动的加热介质吸热的催化剂槽道的壁的相应温度分布图。曲线72显示了由于从加热介质的热吸收和催化剂管中向原料/产品流的热传递导致的温度升高。线74显示了由于催化剂槽道的壁传递的热和由催化剂槽道中的吸热反应消耗的热导致的原料/管内含物自身的相应 温度分布图。
壁温度显示了在管长度之上非常缓和的变化,这可以防止反应器结构中的热和机械应力并且防止出现局部热点。
在图5中,X轴表示温度(℃)并且Y轴表示转化,线76是从丙烷到丙烯的脱氢反应的平衡转化线。线78显示沿着催化剂槽道的长度从反应部分的入口端到出口端的作为提高的原料/转化流温度(与图4中的线74相对比)的函数的实际转化。在温度范围的第一个四分之一内,转化主要地是由大量的未转化的现有原料驱动,在最后一个四分之一中较高的温度是主要驱动力。作为总体结果,几乎可以在最高温度处实现平衡转化。鉴于催化剂衰退或出现不希望的副反应,最高转化率受到最高容许温度的限制。
本发明将由下面的实例进行阐明但是并不限于此。
实例1:丙烷脱氢。
在如图3所示的反应器中丙烷被脱氢成丙烯,其中反应器面板的催化剂槽道填充有氧化铝载体上的铂/锡作为催化剂。
温度为550℃、压力为0.25兆帕的蒸汽和丙烷的混合物(蒸汽与丙烷之比为3.5摩尔/摩尔)以 的LHSV供给反应器面板的原料集管。在流经催化剂管之后,流出物原料/产品混合物具有630度的温度和0.15兆帕的压力。加热介质以1000℃的温度供给反应部分的入口端。在经过反应部分之后,已用加热介质具有715℃的温度。
入口端处催化剂槽道的壁温度为565℃,出口端处为635℃。
丙烷转化量为72%并且可选地接近丙烯量为89%。
Claims (12)
1.一种用于在包含催化剂管的反应器中执行吸热反应的方法,催化剂管包含促进吸热反应的催化剂,该方法包括下列步骤:
a.使包含在催化剂管中的催化剂与从进入端向离开端流经槽道的原料流接触,
b.使催化剂管的外表面与具有初始加热温度且与原料流并流地流动的加热介质流接触,以通过对流而加热所述外表面,
c.在所述加热介质与催化剂管相接触之后,将所述加热介质的至少一部分与具有比所述初始加热温度更高的起始温度的新鲜加热介质流相混合,以形成具有所述初始加热温度的并流加热介质。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,原料流在每个槽道的进入端处受到临界压降。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述新鲜加热介质是来自燃烧器的烟气。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述吸热反应是脱氢反应。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,脱氢反应是在碳氢化合物上执行的。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,脱氢反应是在C2-C8链烷或烯烃或乙苯上执行的。
7.一种用于执行吸热反应方法的反应器,包括包含供热装置的供热部分,该供热部分与反应器部分的入口端连通,该反应器部分包括催化剂管并且具有与顶部空间部分连通的出口端,催化剂管被保护避免受到供热装置的热辐射,该反应器还包括将所述顶部空间部分连接到供热部分上的再循环部分,
其中,所述催化剂管用于使催化剂与从该催化剂管的进入端向离开端流经槽道的原料流接触;
其中,所述反应器部分用于使催化剂管的外表面与具有初始加热温度且与原料流并流地流动的加热介质流相接触,以通过对流加热该外表面;以及
其中,所述供热部分用于在所述加热介质与催化剂管相接触之后,将所述加热介质的至少一部分与具有比所述初始加热温度更高的起始温度的新鲜加热介质流相混合,以形成具有所述初始加热温度的并流加热介质。
8.如权利要求7所述的反应器,其特征在于,所述供热装置包括至少一个燃烧器。
9.如权利要求8所述的反应器,还包括原料线和产品线,并且其中,反应器部分包含反应器面板,每个反应器面板均包括原料集管、产品集管和相邻的槽道,每个槽道均具有从该槽道的进入端延伸到该槽道的离开端的长度,并且其中,槽道的进入端直接地连接并且通向原料集管,而槽道的离开端直接地连接并且通向产品集管,并且其中,原料集管具有至少一个通向原料线的连接部,而产品集管具有至少一个通向产品线的连接部,并且其中,原料集管和产品集管中的至少一个的一部分是可拆卸的,从而能够进入槽道端部。
10.如权利要求7所述的反应器,其特征在于,每个催化剂管的进入端均设置有适于在进入该催化剂管的原料流上施加临界压降的限流装置。
11.如权利要求7所述的反应器实施如权利要求1所述的方法的应用。
12.如权利要求9所述的反应器用于实施如权利要求4所述的方法的应用。
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