CN104428058A - 用于在气相中进行放热反应的反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在气相中进行放热反应的反应器，其包含具有由金属材料组成的外壁(13)的容器，其中内壳(17)提供于反应器(1)的内部且内壳(17)距离外壁(13)的内侧至少50mm。

Description

用于在气相中进行放热反应的反应器

发明描述

本发明涉及一种用于在气相中进行放热反应的反应器，其包含具有由金属材料组成的外壁的容器。

例如在提高的温度下进行反应的情况下，使用这种反应器。在此，必须选择制造该反应器的材料以使其在反应器内部中占主导的温度下是稳定的。特别是在腐蚀性介质的情况下，存在材料受所用介质侵蚀的额外问题并且由于在进行反应的高温下而出现额外的弱化。特别地，必须考虑到的是反应器的外壁通常是承重部分，反应器的质量额外地置于其上。

使用腐蚀性介质在提高的温度下进行的反应例如是将二氧化硫氧化成三氧化硫。

目前用于该氧化的反应器通常由不锈钢制成。然而，已发现由于在氧化期间存在的温度使材料损坏，这导致抗蠕变强度降低且因此也导致反应器的寿命减少。因此，例如通常使用的具有1.4878或1.4541材料号的不锈钢在560℃以上的温度下经受蠕变损坏。所述损坏由材料机械性能的变化造成，其取决于损坏增加可导致故障。

因此本发明的目的是提供一种反应器，该反应器与由现有技术已知的反应器相比，当在气相中进行放热反应时具有增加的操作寿命或允许更高的气相温度。

该目的通过在气相中进行放热反应的反应器实现，该反应器包含具有由金属材料组成的外壁的容器，其中在反应器内部中提供内壳且内壳距离外壁的内侧至少50mm。

内壳的使用导致在反应器内壳和外壁之间形成额外的气体层。该气体层具有隔热效果，使得作用在外壁的温度低于反应器内部的温度。这防止外壁经受对外壁稳定性具有不利影响的温度，使得反应器的操作寿命增加。特别是内壳的使用防止外壁材料由于反应器内的温度而变脆且因此防止外壁的稳定性及强度降低。由于内壳不具有承重功能，内壳的脆化具有远小于剧烈的影响。与外壁脆化不同，内壳的脆化不会导致可能的反应器故障。

本发明的反应器特别适合用于在气相中进行放热反应，该反应在提高的温度下，例如在300℃以上的温度下，优选在500℃以上的温度下进行。特别是该反应器适合用于进行包含对外壁材料具有侵蚀性的介质的反应，例如用于二氧化硫与氧气形成SO₃的反应。将以这种方式产生的SO₃例如用在硫酸的制备中。

在一个实施方案中，内壳由与外壁相同的材料制成。适合用于制造外壁和内壳的材料例如是不锈钢。在此，选择不锈钢以使其对于包含在反应器中的介质是稳定的。当将反应器用于通过二氧化硫的氧化而制备三氧化硫时，例如具有1.4878或1.4541材料号的不锈钢是合适的。这些对于包含在反应器中的二氧化硫和三氧化硫是稳定的，并且在可使不锈钢暴露的温度保持在560℃以下时也具有足够的长期稳定性。由于内壳与外壁不同，不具有承重的功能，脆化以及材料强度的相关降低不会导致反应器的故障，并且在通常的操作条件下也不会导致内壳的损坏。

内壳的另一优点在于在损坏的情况下，可进行内壳的更换而不用更换整个反应器。

作为由相同材料生产外壁和内壳的替换，也可使用不同的材料来生产外壁和内壳。例如可使用不同的钢。也可由钢制成外壁并由耐热材料制成内壳，该耐热材料对于包含在反应器中的材料是惰性的。作为用于内壳的材料，也可使用例如非金属，例如陶瓷或玻璃。也可涂覆内壳以减少热辐射。用于内壳合适的涂料例如是耐高温矿物棉。

也可由不锈钢之外的材料制成外壁。在此也需要使用对于包含在反应器中的材料稳定的材料。由于内壳和在内壳与外壁之间的气相，外壁暴露的温度低于反应器内部的温度。因此也可将比不锈钢热稳定性低的材料用于外壁。然而，优选使用不锈钢作为外壁的材料。此外，特别优选由相同的材料制成外壁和内壳。

在另一优选实施方案中，在内壳与反应器的底部和/或盖之间存在狭缝。气体可由反应器通过内壳与外壁之间的狭缝流动。这特别确保在内壳与外壁之间的狭缝中与在反应器中相同的压力占主导。因此，内壳不是在一侧，即内侧加压，而是压力由所有侧面均匀地作用在内壳。

可使内壳与反应器底部和/或盖之间的狭缝保持小，使得尽管存在均压，但仅产生通过内壳与外壁之间的狭缝的小的气流。在内壳与外壁之间气体移动越少，气体的隔热效果越好。另一方面，在均匀气流的情况下，通常将热气体送入狭缝，使得不存在由狭缝预期的隔热效果。在引入冷气体的情况下，可借助气流使内壳与外壁冷却。

在一个实施方案中，反应器包含内件。为了本发明的目的，该内件例如是塔盘、结构化或非结构化的填料或具有填充元件的床。可提供于反应器的合适的塔盘例如是筛盘、泡罩塔盘或本领域技术人员已知的任何其他希望的塔盘。特别优选在反应器中提供至少一个塔盘作为内件。

在另一实施方案中，至少一个催化剂床包含在反应器中。该催化剂床可例如构造为固定床或流化床。当催化剂床是流化床时，优选在反应器中提供至少一个在流化床中用作气体分布器的塔盘。在用于流化床的颗粒材料与在其上用作盖的塔盘之间，留有足够的间隔以允许流化床材料通过流过它的气体而充分流化。催化剂床优选是固定床。为此，形成固定床的催化剂可例如置于塔盘上。与流化床的情况不同，固定床与流动方向无关。因此，通过它的流动也可以是例如由顶部向下的。当催化剂床包含在反应器中时，在上面放置催化剂的塔盘例如是格栅或用于催化剂的金属支撑片。

在通过二氧化硫的氧化制备SO₃中，优选呈固定床形式的催化剂床。

在一个特别优选的实施方案中，将反应器分成多个部分，其中各部分具有至少一个入口和至少一个出口且各部分包含催化剂床和在催化剂床之上的气体空间。将反应器分成多个部分优选借助中间塔盘实现。在将催化剂床构造成固定床的情况下，入口例如位于气体空间中的催化剂床之上，以使通过催化剂床流动的气体可经由入口引入。在催化剂床之下的气体空间中，将通过催化剂床流动的气体收集并随后可由催化剂床之下的气体空间经由出口排出。

当使用催化剂床时，化学反应通常在催化剂床中进行。在一个特别优选的实施方案中，将本发明反应器用于将二氧化硫氧化成三氧化硫。为此，将气态二氧化硫与含氧气体供入并使二氧化硫与氧气反应以形成三氧化硫。作为含氧气体，可使用例如氧气或空气。当使用氧气时，可额外包含惰性气体。作为替换，也可以是额外富含氧气的空气。然而，特别优选使用空气。

在二氧化硫氧化成三氧化硫中，在400-460℃的范围内的温度下引入气体。在0.4巴的表压下在催化剂的存在下发生反应。由于反应的放热性质，离开反应器的包含三氧化硫、二氧化硫以及在使用空气时还包含氧气和氮气的气体具有550-650℃的温度。因此，在反应器内也产生在这个范围内的温度。在560℃的温度之上，由于随着强度降低而使材料机械性能改变，使用1.4878或1.4541钢导致寿命减少。为避免反应器的故障，因此根据本发明在反应器中提供内壳。该内壳导致在反应器的内壳和外壁之间形成隔热层，以使作用于反应器外壁的温度降低。因此，例如可借助内壳将外壁的温度达到400-560℃范围内的温度。以这种方式，不会使蠕变强度降低，并且使反应器的寿命增加。由于与反应器外壁不同，内壳不具有承重功能，则内壳的脆化不会导致反应器损坏而不利影响操作。

当在催化剂的存在下进行反应，例如二氧化硫氧化成三氧化硫且反应器额外包含流化床时，特别优选流化床的材料具有催化活性。为此，流化床的全部颗粒材料可具有催化活性，或作为替换，除了惰性颗粒材料之外流化床可包含非均相催化剂。例如同样可使催化剂以颗粒形式混合成流化床的惰性颗粒材料。然而，特别优选流化床的全部颗粒材料具有催化活性。

在固定床的情况下，可例如使用催化活性填充物或催化活性填充物元件。特别优选在其上施加催化活性材料的支撑材料的填充物或填充物元件。

适合用于在反应器中进行反应的催化剂在每种情况下作为催化剂使用。

当在反应器中进行二氧化硫氧化成三氧化硫之外的反应时，也可使反应器由不锈钢之外的材料制成。用于生产反应器外壁的材料取决于反应。通常采用对于将在反应器内反应的材料是惰性的材料。与外壁的材料无关，还优选由与外壁相同的材料制成内壳。当作用于外壁材料的温度很高以至于可损坏外壁时，优选使用该内壳。由于内壳，在内壳和外壁之间形成隔热层，使得可使作用于反应器外壁的温度降低。

将本发明的实施例在附图中描述并在下文描述中更详细地解释。

附图显示：

附图1为根据本发明构建的反应器的一部分，

附图2为没有内壳的温度分布，

附图3为具有内壳的温度分布。

附图1描述了反应器的一部分。

该部分显示了分成两个部分3的反应器1的右手半部。除了在此显示的两部分3之外，也可包含其他部分3。此时将这些适当地设置到上方和/或下方。

当将反应器用于使二氧化硫氧化成三氧化硫时，各部分3通常具有下部气体空间5、催化剂床7和上部气体空间9。通常将催化剂床7构造为固定床的形式并置于塔盘11上。在这种情况下，塔盘11例如是格栅或用于催化剂的金属支撑片。

在操作中，将包含需用于反应的原料的气体料流供入上部气体空间9。将气体料流由上部气体空间9引入催化剂床7。在催化剂床7中，将气体料流的原料转化成产物。包含产物的气体在才、下部气体空间5收集并可由后者排出。当气体反应不完全时，在下部气体空间5中包含产物的气体也包含原料。

在放热反应的情况下，在反应期间释放热，且特别是因此使催化剂床7加热。由于热气体从催化剂床7离开，至少也使在催化剂床之下的外壁加热。

反应器通常具有金属外壁13。由于反应器内部的高温，在外壁13的外侧提供隔热15。

因为由于放热反应而发生的在反应器内部的高温，外壁13经受相应高的温度。在一些材料的情况下这可导致对外壁13的材料的热损坏。因此，例如在二氧化硫氧化成三氧化硫中通常用于外壁13的钢1.4878或1.4541在反应中发生的温度下经受蠕变损坏且这导致整个反应器1寿命减少。所述寿命减少由随着外壁13的强度的减少而脆化导致的。

因此根据本发明，将内壳17提供于反应器1的内部，并将其以对于外壁13具有确定的间隔放置。因此，内壳17在内壳17和外壁13之间形成狭缝。特别是将内壳17设置在在反应器中产生可导致对外壁13的材料蠕变破坏的温度以上的温度的位置。

将外壁13与内壳17之间的狭缝19用气体填充。所述气体具有隔热效果且因此作用在外壁13上的温度低于不使用内壳17而作用在外壁13上的温度。以这种方式，可将作用于外壁13上的温度保持在导致蠕变损坏的临界温度以下。

在这种情况下内壳17优选由与外壁13相同的材料制成。

包含在外壁13与内壳17之间的狭缝19中的气体优选是供入反应器的气体。为此，例如借助中间塔盘23将部分3分开，可在中间塔盘23与内壳17之间提供狭缝21。随后气体可通过狭缝21由内壳17与外壁13之间的狭缝19离开。在相对侧，狭缝19例如对上部气体空间9是打开的。当在上部气体空间9与催化剂床7之间提供额外的塔盘时，优选在催化剂床7与下部气体空间5的区域提供内壳17，并在催化剂床7至所述塔盘之间提供入口狭缝以分开上部气体空间9，通过气体空间9气体可进入内壳17与外壁13之间的狭缝19。然而，通常在催化剂床7之上不提供塔盘以使气体可直接由上部气体空间9流入内壳17与外壁13之间的狭缝19。

当冷气体进入狭缝时，由于气体本身同样具有冷却作用，则无需保持气流很低。

没有内壳的温度分布以实例方式显示在附图2中。

在此，在反应器内部的气体的温度通过一条线显示且在外壁上的温度由另一条显示。在内部的温度曲线通过附图标记25表示且在外壁的温度曲线由附图标记27表示。

在部分3中由气体入口到气体出口的位置以x轴显示且温度以y轴显示。

使具有450℃的温度的气体供入，并通过上部气体空间9流动直到其到达催化剂床7。在催化剂床7中，化学反应开始，且由于其放热的性质而导致温度增加。温度上升到630℃。使具有相应温度的气体由下部气体空间5排出。再次在450℃的温度下将气体引入第二部分的上部气体空间9且在催化剂床中温度再次增加。由于在第一部分中已反应的二氧化硫，在第二部分中的最大温度低于在第一阶段中的最大温度且温度仅升至560℃。

由于气体料流的高温，也使外壁金属加热。然而，由于对流热传递和热传导，气体料流在外壁的最大温度低于在内部的温度。此外，由于使外壁在随后部分的上部气体空间9的区域中冷却，温度在下部气体空间5中再次降低直到其达到位于下方部分的上部气体空间9。由于热传导，这导致温度在部分3的下部气体空间5中进一步降低。

然而，当将反应器用于在其以上发生钢蠕变破坏的临界温度以上将二氧化硫氧化成三氧化硫时，由于气体料流的温度而在外壁上产生的最大温度是在钢外壁的情况下。

附图3通过实例的方式显示了在使用内壳时气体料流和外壁的温度曲线。

气体料流的温度曲线相当于不使用内壳也发生的温度曲线。然而，由于使用内壳17，作用于外壁13的温度明显较低。因此，在该实施例中，在每种情况下在上部部分中温度的最大值约为525℃且在下部部分中约为500℃。因此，所述温度保持在临界温度以下，其中在临界温度下制成外壁13的钢的蠕变强度降低。

附图标记

1 反应器

3 部分

5 下部气体空间

7 催化剂床

9 上部气体空间

11 塔盘

13 外壁

15 隔热

17 内壳

19 狭缝

21 狭缝

23 中间塔盘

25 内部的温度曲线

27 外壁的温度曲线

Claims (10)

1.一种用于在气相中进行放热反应的反应器，其包含具有由金属材料组成的外壁(13)的容器，其中在反应器(1)的内部提供内壳(17)且内壳(17)距离外壁(13)的内侧至少50mm。

2.根据权利要求1的反应器，其中内壳(17)由与外壁(13)相同的材料制成。

3.根据权利要求1或2的反应器，其中在内壳(17)与反应器(1)的底部和/或盖之间存在狭缝(19)。

4.根据权利要求1-3中任一项的反应器，其中在反应器(1)中提供至少一个塔盘。

5.根据权利要求1-4中任一项的反应器，其中催化剂床(7)存在于反应器(1)中。

6.根据权利要求1-5中任一项的反应器，其中将反应器(1)分成多个部分(3)，其中各部分(3)具有至少一个入口和至少一个出口且各部分(3)包含催化剂床(7)和在催化剂床之上的气体空间(9)。

7.根据权利要求5或6的反应器，其中催化剂床(7)包含非均相催化剂。

8.根据权利要求6或7的反应器，其中在反应器(1)中提供中间塔盘(23)以在每种情况下分成两个部分(3)。

9.根据权利要求1-8中任一项的反应器在在气相中进行放热反应中的用途，其中在300℃以上的温度下进行反应。

10.根据权利要求1-8中任一项的反应器在进行二氧化硫与氧气的反应以形成SO₃中的用途。