CN102143797B - 具有薄催化剂床的直立圆柱形反应器 - Google Patents

Abstract

一种用于在气相中实施催化反应的轴向薄层反应器，其包含圆柱形压力壳体(1)、用于输入气态进料流(6)的设备、用于输出气态产物流(3)的设备、被直立布置在反应室中用于容纳催化剂床的设备(5)，该设备(5)在两个侧面上和端部处与反应器壁分隔，从而形成相对于彼此密封的用于气态进料流和气态产物流的两个独立的间隔室，并且有相互平面平行的且对气体是可渗透的两个限制壁。设备(5)被设计成使其具有大于1的高-厚比，并且催化剂床(7)也具有大于1的高-厚比，其中，催化剂床(7)遍及其整个高度沿着直立反应器轴线延伸，催化剂床的气体入口与气体出口跨过反应器轴线布置，而反应器的气体入口(6)和气体出口(3)设置在圆柱形压力壳体的相同高度处。

Description

具有薄催化剂床的直立圆柱形反应器

本发明涉及一种直立布置的圆柱形反应器，该反应器设置有薄层催化剂床(Katalysatorbett)，气体在水平方向上流经该催化剂床，并且在下文中该催化剂床被称为薄层反应器。特别地，依照本发明的反应器构型(Ausgestaltung)的突出之处在于，直立布置的用于容纳催化剂床的设备具有相互平面平行的且对气体是可渗透的两个限制壁，被直立布置在反应室内用于容纳催化剂床的设备具有大于1的高-厚比，催化剂床也具有大于1的高-厚比，其中，催化剂床遍及其整个高度沿着直立反应器轴线布置，催化剂床的气体入口与气体出口跨过反应器轴线布置，而反应器的气体入口和气体出口设置在圆柱形压力壳体(Druckmantel)的相同高度处。

用于在气相中实施催化反应的这类反应器的潜在的应用领域是例如合成气(Synthesegas)生产中的CO转化或者甲烷化。

通常构造的反应器中，在轴向催化剂床上进行多相催化反应。在这种情况下，具有大于1的典型高-直径比的催化剂床设置在圆柱形的反应器中，并且气体通常以垂直于反应器轴线方向的方向自上而下地流经该催化剂床。因为零部件(Einbauten)的数量能够被减小到最小值，所以这种反应器构型的突出之处就在于其简单的构造方式。

然而，当气体流经时，这种构造方式将导致相对较高的压降。只有当增大反应器的直径时，通过减小气体流经的层厚(Schichtdicke)以及减小高-直径比以便降低压降成为可能，但是这将因为需要更大的壁厚度而使反应器的成本提高。

通过设计具有半球形头部的反应器，以及还将催化剂填充入该半球形头部的部分空间，能够得到上述问题的一个最佳解决方案。然而为了在工业上的大型设备的应用中使压降保持尽可能小，如前面所提到的，反应器必须具备有相当大的直径。

文件CA 1248327A1描述了一种用于制造氨水的卧式反应器。这种结构的缺点除了较大的占地需求外，还有为了使气体能够从底部输出，催化剂床的托架必须要承受催化剂的全部重量。此外，为了更换催化剂必须将所有零部件从反应器中水平抽出。

从根据现有技术使反应器获得最小的压降的经验可知，要将反应器的催化剂床按径向方式构造来实现。例如在US 4181701中描述了这样一种反应器。然而，这种构造方式的一个较大的缺点是所需零部件的高昂的制造和安装费用。

公开文件DE 3026199A1中描述了一种反应器，该反应器的催化剂材料能以叠加的方式布置，并且气体主要径向流过，因此除了更好地利用了催化剂体积外，还具有比较简单的内部建造结构。

US 2112335要求保护一种水平布置的圆柱形反应器，该反应器因此需要较大的占地面积。为了均衡由催化剂床中向下掉落的液态污染物造成的障碍形成的流体，在这里完全避免了应用平面平行的气体穿透表面。流经方向轴向地沿着反应器轴线，与被直立布置的轴向反应器(Axialreaktor)一样，这将导致之前所说的高压降的缺陷。只有通过增大反应器直径才能降低压降，这将是成本很高的。

US 4246235中描述了一种圆柱形的气相反应器，催化剂床位于该反应器中部两面对气体是可渗透的壁之间，并且垂直于反应器轴线来安装。在该催化剂床上设置有用于补偿目的的其他催化剂，其中气体不流经该补偿容积(Nachrutsch-Volumen)，并且以隔板分隔了该补偿容积。这个隔板必需设置有用来重新填充催化剂材料的两个开口。在这里流经方向也同样轴向地沿着反应器轴线，这将导致之前所说的高压降的缺陷。只有通过增大反应器直径才能降低压降，这将是成本很高的。

本发明的目的在于，克服气体轴向地流经的反应器中的压降特别高这一缺点，并设计这样一种反应器，使其内部空间的配备(Ausstatung)相比于径向反应器而言更简单，并且使其内部空间的配备减小到最少，因此节省较高的生产费用和投资成本。应该以一定的方式和方法来实现在填充和清空催化剂床时的简易处理，但是其中，还要对用于容纳催化剂材料的设备减轻负荷，以便能够避免过高的材料负载。此外，本发明的目的还在于，公开一种运行这种反应器的方法。

通过使用用于在气相中实施催化反应的轴向薄层反应器来完成上述发明目的，该薄层反应器包括圆柱形压力壳体、用于输入气态进料流的设备、用于输出气态产物流的设备、以及被直立布置在反应室中用于容纳催化剂床的设备。其中被直立布置的用于容纳催化剂床的设备在两个侧面上和端部处与反应器壁分隔，从而形成相对于彼此密封的用于气态进料流和气态产物流的两个单独的间隔室。除此之外，被直立布置的用于容纳催化剂床的设备具有相互平面平行的且对气体是可渗透的两个限制壁，并且要说明的是，被直立布置的用于容纳催化剂床的设备具有大于1的高-厚比，并且催化剂材料本身也具有大于1的高-厚比，其中，催化剂床遍及其整个高度沿着直立的反应器轴线延伸，并且催化剂床的气体入口与气体出口跨过反应器轴线布置，而反应器的气体入口和气体出口设置在圆柱形压力壳体的相同高度处。这里反应器轴线是指圆柱形反应器的纵轴。

对于气体入口间隔室和气体出口间隔室处的导流必须考虑伯努利方程，由伯努利方程可以看出，在流体中速度的升高伴随着静压的下降。通过在圆柱形压力壳体的相同高度处有意设置气体入口和气体出口，不仅在气体入口间隔室而且在气体出口间隔室中可保持气体速度，并由此保持与催化剂床的高度成比例的静压。因此，穿过催化剂床的高度的驱动性压力差保持恒定，由此实现催化剂的均匀流动。这样能够弃用那些昂贵的装备或者弃用隔板，所述设备例如配备有不同的气体通过面积，该设备平衡了与高度相关的静压差之间的差异，从而保证了在反应器整个高度上催化剂材料的流动的均匀分布。这样就使得建造成本降低，或者内部空间被更好地利用，以及得到非常合算的反应器。

与许多径向反应器结构相对比而言，在依照本发明的实施方式中，催化剂材料的重量并不是完全由用于容纳催化剂材料的设备所承受，因此用来容纳催化剂材料的设备的材料上的高荷载被最小化。

与仅在端点处被支撑的水平布置的反应器相比，依照本发明的轴向薄层反应器的垂直的设计还使得在结构上将催化剂的重量通过壳体方便地引导到固定框架上成为可能。

依照本发明的轴向薄层反应器能够这样架设，即用于容纳催化剂床的设备主要由多个被直立布置的用于容纳催化剂床的设备组成。

在反应器的其他实施方式中，为了在还原或者活化作用进行中对减少的催化剂进行补偿，且不在催化剂床的上端形成气体支路，用于容纳催化剂床的设备配备有补偿容积。在反应器的其他实施方式中，该补偿容积并不与上部的气体入口间隔室或者气体出口间隔室分隔，使得该补偿容积部分地在垂直方向上还有气体流过，并因此能够被利用于进行反应。

可选地，在轴向薄层反应器上装配有用于装入催化剂床的人孔和/或用于清空催化剂床的设备。

用于在相应的轴向薄层反应器中进行催化反应的方法的突出之处在于，气态进料流主要以水平方向流经被直立布置的催化剂床。一旦催化剂床保持朝上并且对气体入口间隔室或气体出口间隔室保持开放的状态，这样气体也能够流经在催化剂床的上部的补偿容积。在其他情况下，没有气体流经催化剂床的上部的补偿容积，这能够通过对气体入口间隔室以及气体出口间隔室进行密封的设备来防止。

借助于3页附图，下面示例性地进一步阐述本发明：

图1：其为依照本发明的具有被直立布置的用于容纳催化剂床的设备的轴向薄层反应器的纵剖面图，其中，气体入口与气体出口设置在圆柱形压力壳体上端的同一高度处。

图2：其为依照本发明的具有被直立布置的催化剂床的轴向薄层反应器的截面图。

图3：其为依照本发明的具有被直立布置的用于容纳催化剂床的设备的轴向薄层反应器的上部的纵剖面图，其中，气体入口与气体出口设置在圆柱形压力壳体上端的同一高度处，并且反应器配备了没有气体流经的补偿容积。

图4：其为依照本发明的具有被直立布置的用于容纳催化剂床的设备的轴向薄层反应器的上部的纵剖面图，其中，气体入口与气体出口设置在圆柱形压力壳体上端的同一高度处，并且反应器配备了有气体流经的补偿容积。

图1展示了反应器，其具有圆柱形压力壳体1，在压力壳体的上端具有用于输入进料流的开孔6，以及用于输出产物流的另一个开孔

3，该开孔3也设置在压力壳体的上端，在与进料流输入相同的高度上。在每个反应器的内部空间中都有用于容纳催化剂的设备5，该设备例如通过多孔薄板来实现，并且分隔开朝向气体入口间隔室以及气体出口间隔室的催化剂装料口(Katalysatorschuettung)。在用于容纳催化剂材料的设备下方不再有气体流经的部分中，为了节约催化剂可以可选地填充惰性材料9。在这两种情况下，都是将催化材料的重量直接引导到圆柱形压力壳体1上。每个反应器在其上端可选地具有人孔2，用以铺设并搭建零部件，并且当催化剂材料不足以支持对输入气体进行催化时，还能借该人孔2装入催化剂材料。在装入催化剂材料后便形成催化剂床7。被导入的反应气体流入反应器内部空间中的反应物间隔室4，反应气体流能够通过多孔薄板5上的开口到达催化剂床并水平流经催化剂床，并且在催化剂床的对面一侧经过催化剂床分隔的多孔薄板5流进反应器内部空间中的产物间隔室8。在流过催化剂床7之后，产物流能够通过到达出口(Auslass)3的设备从反应器中被导出。

图2展示了图1所描述的轴向薄层反应器的截面图，其中进料流4在水平方向上流经催化剂床7，并被导入产物间隔室8内，该催化剂床被放置在用于容纳催化剂床的设备5中。

图3介绍了本发明的又一具有优势的实施方法。其与图1所示的实施方式的不同之处在于，在催化剂床7的上端设有补偿容积10。如果催化剂材料在反应时或者催化剂活化时减少，则可能需要用该补偿容积来阻挡气体通路。在本实施方式中，气体并不流经该补偿容积，并且当该补偿容积下降到催化剂床7中有气体流经的部分中时，其也参与了从反应物到产物的反应。

图4与图3的区别仅在于气体流经补偿容积10，并且补偿容积10从一开始就参与到由反应物向产物转化的反应中。

在所有被示例性描述的实施方式中，例如当不同的气体在分隔的输送管道中向反应器进行输送时，可为进料流的输入和产物流的输出设置更多的开孔。

本发明体现出的优点有：

●薄并且高的设计使得圆柱形反应器压力壳体能够被更加节约成本地实现。

●通过薄的轴向层的较低压降能够节约工作成本。

●用于容纳催化剂的设备的结构比径向床更节约成本。

●薄并且高的设计要求较小的占地空间，所以还能够集成和加装在已有设备上。

●不再需要用来平衡穿过高度的静压差的隔板或各种多孔薄板，这就伴随着实际上有所简化的建造需求。

●在取消气体隔板时保证了在圆柱形的部分中很好地利用空间，这确保了更高的产物收率。

●因为催化剂的重量被直接地或者通过惰性材料引导到压力壳体上，所以用于容纳催化剂的设备不必再承受全部催化剂的重量，并因而得以减负。

●在反应器轴线上设有人孔，使得催化剂的填充与清空变得十分简单。

附图标记

1    反应器的圆柱形压力壳体

2    人孔

3    用于输出产物流的上部开孔

4    反应物间隔室

5    用于容纳催化剂床的设备

6    用于输入进料流的上部开孔

7    催化剂床

8    产物间隔室

9    惰性材料

10   补偿容积

Claims (10)

1.一种用于在气相中实施催化反应的轴向薄层反应器，其包括：

●圆柱形压力壳体，

●用于输入气态进料流的设备，

●用于输出气态产物流的设备，

●被直立布置在反应室内用于容纳催化剂床的设备，其在侧面上和端部处与反应器壁分隔，从而形成相对于彼此密封的用于所述气态进料流和所述气态产物流的两个单独的间隔室，

所述轴向薄层反应器的特征在于，

●所述被直立布置的用于容纳所述催化剂床的设备设置有相互平面平行的且对气体是可渗透的两个限制壁，

●所述被直立布置在反应室内用于容纳所述催化剂床的设备具有大于1的高-厚比，

●所述催化剂床具有大于1的高-厚比，其中，所述催化剂床遍及其整个高度沿着直立反应器轴线延伸，并且

●所述催化剂床的气体入口与气体出口跨过所述反应器轴线布置，

●所述反应器的气体入口和气体出口设置在所述圆柱形压力壳体的相同高度处。

2.根据权利要求1所述的轴向薄层反应器，其特征在于，所述用于容纳所述催化剂床的设备主要由多个直立布置的用于容纳催化剂床的设备组成。

3.根据权利要求1或2所述的轴向薄层反应器，其特征在于，设置有补偿容积。

4.根据权利要求3所述的轴向薄层反应器，其特征在于，所述补偿容积对所有面是密封的。

5.根据权利要求3所述的轴向薄层反应器，其特征在于，所述补偿容积被设计成朝所述气体入口侧或所述气体出口侧开放。

6.根据权利要求1-2和4-5中任一项所述的轴向薄层反应器，其特征在于，设置有人孔和/或设置有清空设备。

7.根据权利要求3所述的轴向薄层反应器，其特征在于，设置有人孔和/或设置有清空设备。

8.一种用于在根据权利要求1所述的轴向薄层反应器中实施催化反应的方法，其特征在于，所述气态进料流主要以水平方向流经所述催化剂床。

9.一种在根据权利要求4所述的轴向薄层反应器中实施根据权利要求8所述的催化反应的方法，其特征在于，气态进料流不流经所述催化剂床上部的所述补偿容积。

10.一种在根据权利要求5所述的轴向薄层反应器中实施根据权利要求8所述的催化反应的方法，其特征在于，气态进料流流经所述催化剂床上部的所述补偿容积。

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