CN103781540A - 用于执行放热催化反应的方法和在该方法中使用的反应器 - Google Patents
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Abstract
用于执行放热催化反应的方法和反应器。该方法包括步骤：提供包含用于所述放热催化反应的反应物的馈送气体流到包括一个或更多个催化剂床的固定床催化反应器，其中每个所述催化剂床包括具有一定催化剂容量的催化剂颗粒填充区段；通过在至少一个所述催化剂床内设置多个旁通通路而在具有冷却表面积的所述通路内没有催化活性颗粒，从而在反应器内提供馈送气体旁通；使得一部分馈送气体流通过所述旁通通路并且使得剩余气体流通过所述催化剂颗粒填充区段；以及通过间接热传递从正在经过所述催化剂填充区段的馈送气体流移除热到正在经过所述旁通通路的该部分馈送气体流。
Description
技术领域
本发明涉及用于执行放热催化反应的方法和在该方法中使用的反应器。
背景技术
放热反应产生热，并且所述反应必须被冷却以便获得合理的反应产量并且防止破坏用于所述反应的催化剂和反应器。
因此，或者是由于广泛的催化失活，或者是由于副反应，多种催化反应过程具有不可被超出的临界温度上限。然而，必须在更高的或较高的反应温度实现催化反应，以便获得适当的催化活性。
在较低反应温度和上临界温度之间的范围通常将小于绝热温升，这使其难以使用低成本反应器类型，例如绝热固定床反应器或者急冷反应器。
常规地通过在昂贵的被冷却管状反应器内使用冷却剂来冷却反应，或者通过稀释馈送流，来控制放热反应期间的温度，以便减少绝热温升。
我们已经发现，克服绝热反应器或急冷反应器的第一床内的绝热温升的问题的可能性在于在固定催化床内建立内部旁路，并且以使得反应热从催化剂区段传递到内部旁通区段的方式提供热传递区域。作为一种示例，如果一半的馈送气体量绕过催化剂床，并且催化剂区段的反应热被传递到旁路流和反应流二者，则温度升高到绝热温升的一半。
因为在催化剂区段和旁通区段之间没有压差，所以热传递区域能够以低成本的薄钢板制成。
因为反应器必须能够以高和低负荷二者操作，不过重要的是旁路流量和通过催化剂床的流量之间的比率几乎是常数。这能够在取决于催化剂床内的流动速率的压降等于旁通区段内的压降时实现。催化剂床上的压降通常取决于流量的平方。为了保持恒定的旁路/催化剂流动速率，旁通区段必须遵循相同的相关性。
我们已经发现，如果旁通区段内的压降经受动量损失或速度头（即以产生该速度所需的头压或静压表示的流体速度）的损失，则能够提供恒定的旁通/催化剂流动速率和旁通流量（其取决于流量的平方）。
发明内容
根据上述发现和观察，本发明提供用于执行放热催化反应的方法，其包括步骤：
将包括用于放热催化反应的反应物的馈送气体流提供到包括一个或更多个催化剂床的固定床催化反应器，其中每个所述催化剂床包含具有一定催化剂容量（VCAT）的催化剂颗粒填充区段；
通过在至少一个催化剂床内设置多个旁通通路且在具有一定冷却表面积（ACOOL）的通路内没有催化活性颗粒，从而在反应器内提供馈送气体旁通；
使得一部分馈送气体流通过旁通通路并且剩余气体流通过催化剂颗粒填充区段；
通过间接热传递从正在经过催化剂填充区段的反应馈送气体流移除热到正在经过旁通通路的所述一部分馈送气体流；
调节催化剂容量（VCAT）和冷却表面（ACOOL），以便催化剂容量与冷却表面之比（VCAT/ACOOL）在0.008m和0.08m之间；
以及，调节旁通通路的总的表面积（Ab），以便旁通通路的总的表面积（Ab）与催化剂填充区段的总的表面积（Ac）之比导致0.7和1.3之间的M值，
其中
Ab/Ac=M*((dTad–dT)/dT)*((Kb/Kc)^(0.5))；
Kb是在给定速度头的数量时旁通通路的摩擦损耗系数Kb=dPf/(0.5*DENS*(U^2))，
Kc是在给定速度头的数量时催化剂填充区段的摩擦损耗系数Kc=dPf/(0.5*DENS*(U^2))；
以及
dTad[℃]是在绝热条件下放热反应进行到平衡时馈送气体的潜在绝热温升，
dT[℃]是催化反应器内的预定可接受温度增加，
DENS[kg/m3]是馈送气体的密度，
U[m/s]是馈送气体的表面气体速度，以及
dPf[Pa]是摩擦压降。
在本发明的具体实施例中，催化剂容量（VCAT）与冷却表面（ACOOL）之比在0.01m和0.04m之间，并且旁通通路的总的表面积（Ab）被调节成提供在0.9和1.2之间的M值。
在本发明的又一具体实施例中，馈送气体流串行地穿过具有旁通通路的至少两个催化剂床。
在本发明的又一具体的实施例中，从具有旁通通路的所述至少一个催化剂床排出的馈送气体流进一步穿过没有旁通通路且以绝热方式操作的固定催化剂床。
在本发明的又一具体的实施例中，从所述至少一个催化剂床排出的馈送气体流通过热交换或者通过使用馈送气体流淬冷而被冷却。
本发明进一步提供用于在馈送气体流内执行放热反应的催化反应器，其在公共外壳内包括：
一个或更多个催化剂床，每个所述催化剂床具有催化剂颗粒填充区段和一定催化剂容量（VCAT）；
设置在至少一个催化剂床内的没有催化剂颗粒的多个旁通通路，所述旁通通路具有一定冷却表面积（ACOOL），其中催化剂容量（VCAT）与冷却表面积（ACOOL）之比在0.008m和0.08m之间；
旁通通路的总的表面积（Ab）与催化剂填充区段的总的表面积（Ac）之比具有在0.7和1.3之间的M值，
其中
Ab/Ac=M*((dTad–dT)/dT)*((Kb/Kc)^(0.5))；
Kb是在给定速度头的数量时旁通通路的摩擦损耗系数Kb=dPf/(0.5*DENS*(U^2))，
Kc是在给定速度头的数量时催化剂填充区段的摩擦损耗系数Kc=dPf/(0.5*DENS*(U^2))；
和
dTad[℃]是在绝热条件下放热反应进行到平衡时馈送气体的（可用）潜在绝热温升，
dT[℃]是催化反应器内的预定可接受（设定）温度增加，
DENS[kg/m3]是馈送气体的密度，
U[m/s]是馈送气体的表面气体速度，和
dPf[Pa]是摩擦压降。
在根据本发明的上述催化反应器的具体实施例中，催化剂容量（VCAT）与冷却表面（ACOOL）之比在0.01m和0.04m之间，并且旁通通路的总的表面积（Ab）具有在0.9和1.2之间的M值。
在本发明的又一具体实施例中，催化反应器包括串联设置的至少两个催化剂床且每个催化剂床均设有旁通通路。
在本发明的又一具体实施例中，催化反应器进一步包括没有旁通通路的绝热催化剂床。
在本发明的另一具体实施例中，催化反应器进一步包括绝热操作的催化剂床。
在根据本发明的进一步的具体实施例中，催化反应器包括被设置在催化剂床之间的一个或更多个热交换器或者用于在催化剂床之间的冷却馈送气体流的入口器件。
存在多种手段来实现取决于催化剂床内的流动速率的压降等于旁通通路内的压降。
在根据本发明的具体实施例中，使用催化非活性颗粒填充旁通通路。
在本发明的另一实施例中，喷嘴或者穿孔板被设置在旁通通路内。
在本发明的进一步实施例中，旁通通路由平行且间隔设置的金属板和/或管形成。
在本发明的进一步实施例中，形成旁通通路的上述金属板和/或管包含交叉波纹结构的元件，或者金属板设置成褶皱形状/波纹形状。
根据本发明的上述方法和反应器的主要优点在于它们允许在绝热温升过高的过程中使用廉价的反应器类型。本发明额外地减小了绝热温升的控制中的循环稀释。
附图说明
参考附图在下文中将更详细地描述本发明，附图中
图1a至图1c示出了用于本发明的旁通通路的不同形状；
图2是根据本发明具体实施例的设有旁通通路的催化剂床的横截面图；以及
图3示出了根据本发明具体实施例的设有交叉波纹元件的旁通通路的横截面图。
具体实施方式
参考图1，图1a的旁通通路由笔直后壁1和折叠前壁2构成。图1b的旁道通路由平行且间隔开的两个壁1和2构成。在板之间的空间可以填充有催化惰性颗粒3。
图1c的旁通通路由两个波纹板1和2构成。在所有示出的实施例中，板的端部部分被组装以便在板之间产生闭合空间。
图2是贯穿填充有催化剂颗粒5的催化床4的横截面。例如图1b中所示形状的旁通通路6被插入到催化剂床内并且被催化剂颗粒围绕。旁通通路被悬挂在支撑梁7之间。
图3示出了具有矩形截面形状的旁通通路，其由板8、9、10和11形成且在旁通通路内设有交叉波纹元件12。元件12的外壁与板8、9、10和11的内壁间隔开。
示例1
如下面所解释的基于预定值借助于下述等式来确定上述讨论类型的方法和反应器的反应器设计和工艺条件。
对于在1.5MPa反应器压力下包含90 mol%甲醇蒸气（CH3OH（g））和10 mol%水（H2O（g））的馈送气体向二甲基醚（CH3OCH3（g））和水（H2O（g））的催化转化，优选的是，具有340℃的入口压力以便具有高的催化剂活性，并且具有低于410℃的温度以便避免形成碳氢化合物的副反应。如果反应在绝热条件下进行到平衡，则温升将是101℃（dTad），从而导致离开催化剂床的出口温度为441℃。
为了降低催化剂温度并且避免副反应，借助于下述预定值来使用根据本发明的上述方法：
填充有5mm催化剂球团的2m高的反应器形式的催化剂填充区段所具有的催化剂填充区段（催化剂床）的摩擦损耗系数Kc是22,716。
为了在反应器内提供旁通通路以便冷却催化剂，我们使用由金属板形成的具有4.5mm波纹高度和60°波纹角度的2m长的通道，从而导致旁通通路的摩擦损耗系数Kb是202（图1c、图2和图3）。每个通路均是0.4m宽并且具有0.0018 m2的表面积（Ab）和1.6 m2的有效冷却面积（ACOOL）。
通过将旁通通路的总的表面积（Ab）与催化剂填充区段的总的表面积（Ac）之比调节到0.0677，将温升减少到60℃（dT），这是通过选择M值=1.05根据上文定义的公式计算的：Ab/Ac=1.05*((101℃–60℃)/60℃)*((202/22716)^0.5)。因为每个旁通通路均具有0.0018 m2的表面积，所以必须针对催化剂填充区段的每平方米表面安装38个通道（0.0677 m2/0.0018 m2/通道）。
因为每个旁通通路均具有1.6 m2的冷却面积，所以比VCAT/ACOOL=(2m*1m2)/(38*1.6 m2)=0.033m。这个比处于预定范围内。如果比VCAT/ACOOL大于0.033m，则旁通通道的摩擦损耗（压降）过低，并且必须使用较小的波纹高度。如果比VCAT/ACOOL小于0.033m，则旁通通道的摩擦损耗（压降）过高并且必须使用较大的波纹高度。
在旁通的被冷却催化剂床下游，通过添加160℃的热的未转化馈送气体来冷却气体以便获得340℃的混合物温度。在没有旁通冷却的情况下，在绝热催化剂床上转化这种混合物。因为较大部分的气体已经在旁通的被冷却催化剂床内被转化，所以绝热床的温升将仅是60℃。
示例2
基于下述预定值借助于下述等式来确定根据本发明的方法和反应器的反应器设计和工艺条件。
对于在2MPa下包含甲醇蒸汽（CH3OH(g)）的给定馈送气体向汽油的催化转化，气体的甲醇含量对应于160℃的绝热温升（dTad）。优选地是，具有340℃的入口温度以便获得高的催化剂活性，并且具有低于420℃的温度以便避免快速的催化剂失活。如果反应在没有冷却的情况下进行，则离开催化剂床的出口温度将是340℃+160℃=500℃。
为了减小催化剂温升并且避免副反应，根据本发明的反应器设计和方法使用下述预定值和参数。
填充有2mm催化剂球团的4m高的反应器形式的催化剂填充区段所具有的催化剂填充区段（催化剂床）的摩擦损耗系数Kc是85,185。
为了提供旁通通路并且为了冷却催化剂，4m旁通通路区段被安装成填充有没有催化活性的5mm球团并且其具有37,074的摩擦损耗系数Kb。通过金属板将旁通通路与催化剂区段隔开以便防止催化剂床和旁通通路之间气体的混合，不过同时允许间接热传递。
通过选择M=1.0来调节比Ab/Ac=1.00*((160℃–80℃)/80℃)*((34074/85185)^0.5)=0.632，温升将被减少到80℃（dT）。针对催化剂填充区段的每平方米表面，旁通通路的表面积则必须是0.632m2。
通过使用预定值VCAT/ACOOL=0.02m，计算等于旁通通路之间间距的催化剂区段宽度（Wc）。因为每个催化剂区段均与两个旁通通路相邻，所以VCAT/ACOOL=Wc/2或者催化剂区段的宽度是0.04m。因为Ab/Ac被给定为0.632，所以旁通区段的宽度（Wb）必须是Wb=0.04m*0.632=0.025m。
在旁通的被冷却催化剂床下游，通过间接热交换到340℃且之后在没有冷却的情况下在绝热催化剂床上进行最终转化，来冷却气体。因为一半气体是在旁通的被冷却催化剂床内被转化，所以绝热床的温升被减少到80℃。
Claims (14)
1.一种用于执行放热催化反应的方法，所述方法包括步骤：
将包括用于所述放热催化反应的反应物的馈送气体流提供到包括一个或更多个催化剂床的固定床催化反应器，其中每个所述催化剂床包含具有一定催化剂容量（VCAT）的催化剂颗粒填充区段；
通过在至少一个所述催化剂床内设置多个旁通通路而在具有一定冷却表面积（ACOOL）的通路内没有催化活性颗粒，从而在反应器内提供馈送气体旁通；
使得一部分馈送气体流通过所述旁通通路并且剩余气体流通过所述催化剂颗粒填充区段；
通过间接热传递从正在经过所述催化剂填充区段的反应馈送气体流移除热到正在经过所述旁通通路的所述一部分馈送气体流；
调节所述催化剂容量（VCAT）和所述冷却表面（ACOOL），使得所述催化剂容量与所述冷却表面之比（VCAT/ACOOL）在0.008m和0.08m之间；
以及，调节所述旁通通路的总的表面积（Ab），使得所述旁通通路的所述总的表面积（Ab）与所述催化剂填充区段的总的表面积（Ac）之比导致0.7和1.3之间的M值，
其中
Ab/Ac=M*((dTad–dT)/dT)*((Kb/Kc)^(0.5))；
Kb是在给定速度头的数量时所述旁通通路的摩擦损耗系数Kb=dPf/(0.5*DENS*(U^2))，
Kc是在给定速度头的数量时所述催化剂填充区段的摩擦损耗系数Kc=dPf/(0.5*DENS*(U^2))；
和
dTad[℃]是在绝热条件下放热反应进行到平衡时馈送气体的潜在绝热温升，
dT[℃]是催化反应器内的预定可接受温度增加，
DENS[kg/m3]是馈送气体的密度，
U[m/s]是馈送气体的表面气体速度，和
dPf[Pa]是摩擦压降。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂容量与所述冷却表面之比VCAT/ACOOL在0.01m和0.04m之间，并且其中所述旁通通路的总的表面积（Ab）被调节成导致在0.9和1.2之间的M值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述馈送气体流串行地穿过设有所述旁通通路的至少两个催化剂床。
4.根据权利要求1-3中任意一项权利要求所述的方法，其中从所述至少一个催化剂床排出的馈送气体流通过热交换或者通过在进一步转化之前使用馈送气体流淬冷而被冷却。
5.一种用于在馈送气体流内执行放热反应的催化反应器，所述催化反应器在公共外壳内包括：
一个或更多个催化剂床，每个所述催化剂床具有催化剂颗粒填充区段和一定催化剂容量（VCAT）；
在至少一个所述催化剂床内设置的没有催化剂颗粒的多个旁通通路，所述旁通通路具有一定冷却表面积（ACOOL），其中所述催化剂容量（VCAT）与所述冷却表面积（ACOOL）之比在0.008m和0.08m之间；
所述旁通通路的总的表面积（Ab）与所述催化剂填充区段的总的表面积（Ac）之比具有在0.7和1.3之间的M值，
其中
Ab/Ac=M*((dTad–dT)/dT)*((Kb/Kc)^(0.5))；
Kb是在给定速度头的数量时所述旁通通路的摩擦损耗系数Kb=dPf/(0.5*DENS*(U^2))，
Kc是在给定速度头的数量时所述催化剂填充区段的摩擦损耗系数Kc=dPf/(0.5*DENS*(U^2))；
和
dTad[℃]是在绝热条件下放热反应进行到平衡时馈送气体的（可用）潜在绝热温升，
dT[℃]是催化反应器内的预定可接受（设定）温度增加，
DENS[kg/m3]是馈送气体的密度，
U[m/s]是馈送气体的表面气体速度，和
dPf[Pa]是摩擦压降。
6.根据权利要求5所述的催化反应器，其中所述催化剂容量（VCAT）与所述冷却表面（ACOOL）之比在0.01m和0.04m之间，并且所述旁通通路的总的表面积（Ab）具有在0.9和1.2之间的M值。
7.根据权利要求5或6所述的催化反应器，包括串联设置的至少两个催化剂床且每个催化剂床设有所述旁通通路。
8.根据权利要求5-7中任意一项权利要求所述的催化反应器，进一步包括绝热操作的催化剂床。
9.根据权利要求5-8中任意一项权利要求所述的催化反应器，进一步包括被设置在所述催化剂床之间的一个或更多个热交换器或者用于在所述催化剂床之间的冷却馈送气体流的入口器件。
10.根据权利要求5-9中任意一项权利要求所述的催化反应器，其中使用催化非活性颗粒填充所述旁通通路。
11.根据权利要求5-10中任意一项权利要求所述的催化反应器，其中在所述旁通通路内设置喷嘴或穿孔板。
12.根据权利要求5-11中任意一项权利要求所述的催化反应器，其中所述旁通通路由平行且间隔设置的金属板形成和/或呈管的形式。
13.根据权利要求12所述的催化反应器，其中所述金属板或管设有交叉波纹结构的元件。
14.根据权利要求12所述的催化反应器，其中所述金属板是波纹板。
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