CN102844109A - 整体式反应器 - Google Patents

Abstract

用于插入管式反应器的管中的整体式催化剂载体，其包括：用于在使用中容纳整体式催化剂的容器，所述容器具有闭合所述容器的底表面、和从所述容器的底表面向上延伸至低于密封件位置的位置并与其隔开的裙部，定位所述裙部以便在整体式催化剂的外表面和裙部之间存在空间；以及密封件，其位于或邻近于所述整体式催化剂的顶表面并从所述整体式催化剂延伸一定距离，其延伸超过所述裙部的外表面。

Description

整体式反应器

本发明涉及用于管式反应器的催化剂载体。更具体地，其涉及在进行放热反应或吸热反应的管式反应器中使用的催化剂载体。还更具体地，其涉及在进行放热反应或吸热反应的、包括多个催化剂载体的反应器中使用的催化剂载体。

管式反应器包括管，其通常为圆柱形，并且通常任意地填充有催化剂颗粒。热传递装置将位于这些管的外部。在操作期间，气体、液体、或气体和液体二者经催化剂颗粒流经管，以便发生期望的反应。

对于许多反应，反应的热效应是中度的。在这种情况中，可以使用大直径管以便存在穿过该管的大体积催化剂。然而，对于更加放热或更加吸热的反应，必须存在通过管壁的有效热传递以控制反应器内的条件。这意味着必须减少穿过管的催化剂颗粒的数量以及该管的横截面。

发生中度至高度的放热反应的管式反应器在许多情况中热传递是受限的。一个缺点在于难以实现更高活性的催化剂的益处，因为增加的产率产生了增加的热量，必须以保持稳定的操作温度的速率来除去该热量，由此避免热散逸。当反应为中度至高度的吸热反应时，随着增加的热而产生问题，并在一些系统中，能发生对管壁的损坏。

已知的反应器具有许多缺陷，这使它们低于理想值。对这些反应器应注意的一个问题是为了有效地提取反应的热，管在直径上必须相对小以确保管的中线保持足够的凉爽以避免放热反应中的热散逸或吸热反应中的猝灭。因为管必须相对小，所以通常具有约15mm至40mm的内径，这显著增加了在反应器中需要包含特定催化剂体积的管的数量并由此增加了管重量，因此限制了具有合理的运输尺寸和重量的单一反应器的产能。

第二个问题在于催化剂颗粒必须为一定尺寸、形状和强度以便对于适当管长度而言不导致过度压力下降，并且通常这导致使用较大的催化剂颗粒。当反应为传质受限的或热传递受限的或上述两种情况时，这本身可能成为问题。尽管这些问题中的一些可以通过保证活性位点仅存在于催化剂颗粒的表面附近而缓解，但这限制能够实现的产率，因为可用的活性位点必须更过度的运行以实现合理的总产能，这可能降低催化剂寿命。

因此期望提供使用较大横截面积的管的装置，所述管具有粉末状的或高表面积整体的或泡沫状的催化剂，其以高生产率操作，由此具有高热量输出，同时保持长管，达到约20m的程度，并且保持可接受的压力下降。

在第0918426.0号GB申请中通过催化剂载体装置提供了该问题的解决方案，所述催化剂载体装置被配置为位于反应器管内并且在使用中优化管壁处的热传递，因此能够使用更大的管和更大体积的较小催化剂颗粒，并且即使在放热反应或吸热反应中也能以高生产率来操作反应器，并具有可接受的压力下降。

所描述的布置提供了用于插入管式反应器的管内的催化剂载体，其包括：

用于在使用中容纳催化剂的环形容器，所述容器具有界定管的穿孔内壁、穿孔外壁、闭合所述环形容器的顶表面，以及闭合所述环形容器的底表面；

闭合所述管底部的表面，所述管由环形容器的内壁形成；

裙部(skirt)，其从所述环形容器的穿孔外壁由位于或邻近于所述容器的底表面的位置向上延伸至低于密封件位置的位置；以及

密封件(seal)，其位于或邻近于所述顶表面并从所述容器延伸一定距离，其延伸超过所述裙部的外表面。

尽管与现有技术布置相比，该解决方案提供了诸多益处，但其应用通常涉及使用颗粒状催化剂的方法。然而，在一些反应中，例如Fischer-Tropsch蒸汽转化和氢化，可能使用整体式催化剂。尽管这些整体式催化剂可能在一些情况下具有比颗粒状催化剂更好的益处，但是这些整料仍具有与将热传递至整料体中心或从整料体中心传递热相关的问题。尽管与陶瓷整料相比，金属整料具有改善的热传递，但是对于能传导至整料中心内的反应处或从整料中心内的反应传导出的热量仍受到限制。尽管整体式催化剂能用于第0918426.0号GB申请中的催化剂载体，但是已经发现当使用整体式催化剂时，可以省略穿孔内壁和穿孔外壁。

因此，根据本发明，提供了用于插入管式反应器的管内的整体式催化剂载体，其包括：

用于在使用中容纳整体式催化剂的容器，所述容器具有闭合所述容器的底表面、和从所述容器底表面向上延伸至低于密封件位置的位置并与其隔开的裙部，定位所述裙部使得在整体式催化剂的外表面和裙部之间存在空间；以及

密封件，其位于或邻近于所述整体式催化剂的顶表面并从所述整体式催化剂延伸一定距离，其延伸超过所述裙部的外表面。

为了避免疑问，任何方向的讨论，例如向上、下面、低于和较低等术语，出于易于参考的目的，均相对于催化剂载体的方向来讨论，如附图所示。然而，本发明的催化剂载体还能以可替代的方向来使用，例如水平使用。因此，应相应地解释所述术语。

通常改变容器的大小，以便其具有比在使用时其所位于的反应器管的内部尺寸更小的尺寸。改变密封件的大小，以便当本发明的催化剂载体位于所述管内的恰当位置时，所述密封件与反应器管的内壁相互作用。选择诸如载体长度和直径的参数，以适应不同的反应和配置。

在一个布置中，整体式催化剂为固体，因为在整料体内基本没有未被催化剂占据的空间。当整料在使用时位于具有向下流的垂直反应器中时，反应物向下流经反应器管，反应物首先接触整体式催化剂的上面并以与圆柱体的轴平行的方向流经该催化剂。容器的密封件防止反应物在整料周围流动并有助于将反应物引导进入催化剂。然后，在整体式催化剂内发生反应。然后产物还将以与圆柱体的轴平行的方向向下流经该整料。

一旦反应物和产物达到催化剂载体的底表面，它们被引导朝向载体的裙部。为了促进该流动，可以在底表面的上面上的载体内提供底座，以便在使用中，将催化剂整料支撑在该底座上，并且在催化剂整料的底部和催化剂载体的底表面之间存在间隙。然后，向上延伸的裙部在裙部的内表面和整体式催化剂的外表面之间向上引导反应物和产物，直至它们到达密封件的下侧。然后，通过密封件的下侧将它们引导越过裙部的末端，然后它们在裙部的外表面和发生热传递的反应器管的内表面之间向下流动。

在一个可替代的布置中，整体式催化剂具有穿过该催化剂的纵向延伸的通道。通常，通道位于整体式催化剂的中心轴上。因此，当反应器管具有圆形的横截面时，该布置的整体式催化剂将具有环形的横截面。在该布置中，在使用时，在具有向下流的垂直反应器中，反应物向下流经反应器管，由此首先接触整体式催化剂的上表面。密封件阻断在催化剂侧面周围的反应物通路。因为反应物流动的路径被催化剂所阻碍，所以其通常采取更容易的路径并进入整料的通道内。然后，反应物进入环形整体式催化剂，穿过该催化剂径向地流向催化剂整料的外表面。在流经催化剂整料的过程中，发生反应。然后，未反应的反应物和产物通过整体式催化剂的外表面从其流出。然后，向上延伸的裙部在裙部的内表面和整体式催化剂的外壁之间向上引导反应物和产物，直至它们到达密封件。然后，它们通过密封件的下侧被引导越过裙部的末端，并且在裙部的外表面和发生热传递的反应器管的内表面之间向下流动。

在整体式催化剂包括通道的布置中，催化剂载体可以包括在整体式催化剂上方延伸但使该通道未被覆盖的顶表面。该顶表面用于确保反应物不从顶部进入催化剂整料内，但被引导进入该通道内以径向流动。

应理解，当反应器为向上流动的反应器或者例如处于水平方向时，流动途径将与上述不同。然而，通过容器和整体式催化剂的途径的原理如上所述。

通常，多个催化剂载体将叠堆在反应器管内。在该布置中，反应物/产物在第一载体的裙部的外表面和反应器管的内表面之间向下流动，直至它们接触整体式催化剂的上表面和第二载体的密封件，并且使用上述的流动途径，它们被向下引导通过第二整体式催化剂。

催化剂载体可以由任何合适的材料制成。通常选择这样的材料，其能经受住反应器的操作条件。通常，催化剂载体由碳钢、铝、不锈钢、其它合金或任何能经受住反应条件的材料制成。在可替代的布置中，催化剂载体可以由非金属材料组成。

容器的部件能具有任何合适的厚度。合适的厚度为约0.1mm至约1.0mm，优选为约0.3mm至约0.5mm。

在整体式催化剂具有纵向通道的布置中，闭合管底部的表面可以形成为单一部件或它们可以为连接在一起的两个单独的片。两个表面可以为共面的，但在优选的布置中，它们在不同的平面。在一个布置中，在纵向通道下面的管的底部的部分位于比容器其余部分的底表面更低的平面。当要使用多个容器时，这有助于使一个载体位于在下面布置的载体之上。应理解，在可替代的布置中，与管的通道成一直线的底部的表面可以位于比容器其余部分的底表面更高的平面。

虽然底表面通常为实心的，但其可以包括一个或多个排出孔。当存在一个或多个排出孔时，它们可以被滤网覆盖。类似地，任选地覆盖有滤网的排出孔可以存在于闭合管底部的表面中。当要将载体以非垂直方向使用时，若存在排出孔时，排出孔将位于可替代的位置，即，当使用时为载体中最低点的位置。

一个或多个隔板装置可以从容器的底表面向下延伸。该隔板装置或每个隔板装置可以形成为单独的部件，或它们可以通过在底表面中的凹陷处来形成。当这些隔板装置存在时，在使用中，它们有助于为在第一载体的底表面和第二更低载体的顶表面之间流动的反应物和产物提供无阻碍的路径。隔板可以具有约4mm至约6mm的深度。或者或另外地，隔板装置可以存在于容器的顶表面上(若存在时)，或者可以从密封件向上延伸。

密封件，或者若存在时，顶表面可以包括在其上表面上的装置、该装置使容器放置在抵靠着在使用中的容器上方叠堆的催化剂载体的位置处。该放置容器的装置可以具有任何合适的布置。在一个布置中，其包括一个或多个直立的卡圈，所述卡圈具有开口或在其内的允许反应物进入的空间。该装置可以用作折流板以引导流动。

向上延伸的裙部可以为平滑的，或其可以具有形状。可以使用任何适当的形状。适当的形状包括褶状的、波纹状等。通常沿着载体的长度纵向布置褶皱和波纹等。直立的裙部的造型增加了裙部的表面积并有助于将催化剂载体插入反应管中，因为其允许在反应器管的内表面上具有任何表面粗糙度或在待被容纳的管中存在公差差异。

当向上延伸的裙部成形时，通常将其压平成朝向其与底表面的连接点的平滑结构，从而允许其与底表面形成气密封。直立的裙部可以为柔性的。

通常，直立的裙部在离整体式催化剂的顶表面约0.5cm至约1.5cm，优选约1·cm处停止。

不期望受任何理论的限制，认为直立的裙部用于将来自环形容器外表面的反应物/产物聚集，并随着它们向上移动，通过形状引导它们朝向催化剂载体的顶部，收集更多的从整体式催化剂的外表面排出的反应物/产物。如上所述，然后，在管壁和直立裙部的外部之间向下引导反应物/产物。通过该方法，热传递沿着载体的整个长度向下增强，但是当热交换与催化剂分离时，能使用适当的更热或更冷的热交换流体，而不在管壁处使反应猝灭，并且同时确保朝向载体中心的催化剂温度被适当地调整。

能以任何合适的方式形成密封件。然而，其通常为可充足压缩的，从而容纳最小直径的反应器管。密封件通常为柔性的滑动密封件。在一个布置中，可以使用O形环。可以使用可压缩的开口环或具有高膨胀系数的环。密封件可由任何合适的材料形成，条件是其能经受反应条件。在一个布置中，其可为从载体延伸的可变形法兰。可以改变法兰的大小以大于管的内径，使得随着容器插入管内时，其变形以适应内部并与管相互作用。

本发明的一个优势在于能向用户提供在本发明的载体内的催化剂，然后将所述载体以最小的停机时间容易地安装在反应器管内。因此，能在催化剂制造点将催化剂负载于催化剂载体内。其可以预还原和稳定化或封装，避免就地对催化剂进行处理的需求。一旦催化剂耗尽，则载体作为分离单元能容易地从反应器移除，并且容易地运输以酌情进行处理或再生。

本发明的催化剂载体允许将催化剂用于高放热反应或高吸热反应中。该装置允许使用大的管，使得对于具有给定容量的反应器而言具有大的重量和成本降低，因为热传递有效地发生在管壁的微通道区域中。这产生优异的向冷却/加热介质的热传递或来自冷却/加热介质的热传递。此外，由于催化剂与冷却/加热介质分开，所以能允许更大的温差，因为热交换作用与反应分开。当将多个本发明的载体插入管内时，这在每个管中有效地提供了多个串联的绝热反应器。

催化剂载体可用于广泛的方法中。适当的方法的实例包括用于放热反应的反应器，例如，用于制备甲醇的反应、用于制备氨的反应、甲烷化反应、转移反应、诸如形成马来酸酐和环氧乙烷的氧化反应、Fischer-Tropsch反应等。能在包括本发明的催化剂载体的反应器中进行吸热反应，例如预重整、脱氢作用等。

本发明的整体式催化剂载体可以填充有或部分地填充有任何合适的催化剂。

根据本发明的第二方面，提供了反应器管，其包括多个上述的本发明第一方面的催化剂载体。

根据本发明的第三方面，提供了反应器，其包括一个或多个上述第二方面的反应器管。

根据本发明的第四方面，提供了用于进行反应的方法，其中反应物进入上述第一方面的催化剂载体、上述第二方面的反应器管或上述第三方面的反应器。

本发明的催化剂载体允许使用比迄今可能使用的反应器管更长的反应器管。

现通过实例，参考附图来描述本发明，其中：

图1为本发明的一个实施方案的示意图，示出流动途径；

图2为本发明的第二实施方案的示意图，示出流动途径；以及

图3为在两个叠堆的载体之间的流动途径的示意图。

对于催化剂载体的概述可以参考在第0918426.0号GB专利申请中包括的附图，所述专利申请的内容通过参考方式并入本文。具体地，能参考其中对裙部布置的示例性说明。

本发明的一个实施方案的催化剂载体1在图1中示出。底表面2闭合容器1的底部。底座3从底表面向上延伸以支撑整体式催化剂4。

直立的裙部5从底表面2延伸。裙部可为波纹状的，并且可以为平整的，如在朝向底表面3的区域中。

提供密封件6以从整体式催化剂4延伸并与反应器管7的壁相互作用。折流板8向上延伸以用于密封件。这些均用于引导流动并使载体与位于该载体上方的载体的底表面分离。由箭头示例性地示出气体的流动。

本发明的可替代的实施方案在图2中示出。在该布置中，整体式催化剂4具有穿过该催化剂的纵向通道9。在该布置中，可以省略第一实施方案的底座。该载体在布置上与第一实施方案类似。然而，额外地，提供了顶表面10以覆盖整体式催化剂的上表面。通过箭头示例性地示出图2的布置中的气体流动。

当多个本发明的催化剂载体位于反应器管7内时，对流动途径的影响在图3所示的放大部分中示出。

应理解，尽管特别参考在圆形横截面的管中的应用来描述催化剂载体，但是该管可以具有非圆形横截面，例如，其可以为板状反应器。当管具有非圆形横截面时，载体将具有合适的形状。在该布置中，所描述的使用环形整料的实施方案将不为圆形环，并且该术语应相应地进行解释。

还应理解，在某些情况下，可以省略载体的裙部。该布置可以适于放热/吸热反应未显著改变温度的情况。

Claims (17)

1.用于插入管式反应器的管中的整体式催化剂载体，其包括：

用于在使用中容纳整体式催化剂的容器，所述容器具有闭合所述容器的底表面、和从所述容器的底表面向上延伸至低于密封件位置的位置并与其隔开的裙部，定位所述裙部以便在所述整体式催化剂的外表面和所述裙部之间存在空间；以及

密封件，其位于或邻近于所述整体式催化剂的顶表面并从所述整体式催化剂延伸一定距离，其延伸超过所述裙部的外表面。

2.如权利要求1所述的整体式催化剂载体，其中所述整体式催化剂为固体。

3.如权利要求1或2所述的整体式催化剂，其额外包括在所述底表面的上面上的底座。

4.如权利要求1所述的整体式催化剂，其中所述整体式催化剂具有穿过所述整体式催化剂的纵向延伸的通道。

5.如权利要求4所述的整体式催化剂，其中所述整体式催化剂具有圆形横截面。

6.如权利要求4或5所述的整体式催化剂，其中所述催化剂载体包括顶表面，在使用中，所述顶表面将延伸越过所述整体式催化剂但使得所述通道未被覆盖。

7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的整体式催化剂，其中所述底表面包括一个或多个排出孔。

8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的整体式催化剂，其中一个或多个隔板装置从所述容器的底表面向下延伸。

9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的整体式催化剂，其中所述密封件，或者若存在时，所述顶表面包括在其上表面上的装置，所述装置将所述容器放置在抵靠着在使用中的容器上方叠堆的催化剂载体的位置处。

10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的整体式催化剂，其中所述向上延伸的裙部是有形状的。

11.如权利要求10所述的整体式催化剂，其中在所述向上延伸的裙部上的形状为波纹状。

12.如权利要求10或11所述的整体式催化剂，其中所述向上延伸的裙部的形状被弄平为朝向其与所述底表面的连接点的平滑结构。

13.如权利要求1至12中任一权利要求所述的催化剂载体，其包括催化剂。

14.反应器管，其包括多个权利要求1至13中任一权利要求所述的催化剂载体。

15.反应器，其包括一个或多个权利要求14所述的反应器管。

16.用于进行反应的方法，其中反应物进入权利要求1至13中任一权利要求所述的催化剂载体、权利要求14所述的反应器管或权利要求15所述的反应器。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述反应为放热反应或吸热反应。

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